隨著軟件無線電技術的發展，智能無線電技術逐漸成為通信領域關注的熱點，并給無線通信帶來新的發展空間。講座將分為3 期對智能無線電技術技術進行介紹：第1 期講述智能無線電技術的背景及發展現狀；第2 期詳細介紹了智能無線電技術中的關鍵技術——軟件無線電的架構，并從其應用及通用平臺設計角度分析各類平臺的優缺點；第3 期介紹了軟件無線應用中的多種開發工具。

1、智能無線電背景及發展現狀

軟件無線電（SDR）和認知無線電（CR），是目前智能無線電技術技術討論的主要熱點。隨著SDR 和CR 的深入研究，人們已經意識到其潛在能力不僅停留在最初要解決的問題上，還可以具有超出通信領域更廣泛、更強大的應用。第1 節從智能無線電技術需要解決的問題入手，介紹了SDR 和CR 概念的由來、關鍵技術概述以及應用情況，并討論了SDR和CR 的關系。

1.1 無線通信中的兩個問題

隨著通信技術的發展，出現了越來越多的信號形式和各種各樣的無線通信系統及標準，通信行業出現了空前的繁華。伴隨著這些系統和標準發展也出現了兩大問題，針對這兩個問題智能無線電技術被提出并得到了廣泛探討。

不同通信系統間的協同工作、無縫連接、多標準及多模式兼容成為了一大難題。例如，在大規模普及的無線移動通信中，隨著各種新標準、新協議的不斷發布，無線系統制造商和通信服務提供商不得不通過系統升級，融入先進的技術，不斷為用戶提供高質量的通信服務。但是，從1G到4G 的發展過程中，暴露出一些體制升級帶來的嚴重問題。對系統的反復重新設計和硬件的不斷更新換代，不僅消耗昂貴的成本，而且浪費了很多資源，同時給終端用戶也帶來諸多不便。為此，越來越多的服務提供商和用戶都開始關注能經得起時間考驗的無線通信系統，而不是像現在的系統（隨著技術的發展，不斷地面臨被淘汰、廢棄的尷尬境地）。當然，這些問題并非僅存在于移動通信中，而是一直普遍存在于各類通信形式中。在這樣的背景下，人們在無線通信系統設計中提出了一種經得起時間考驗的系統設計方法—— 軟件無線電。

無線通信中的另一個重要問題是頻譜資源的有效利用率低。目前對于頻譜資源管理，國際上采用的通用做法是實行授權和非授權頻率管理體制，對于授權頻段，非授權者不得隨意使用。美國聯邦通信委員會（FCC）的研究表明，在大部分時間和地區，授權頻段的平均利用率在15～85%之間。另一方面，開放使用的非授權頻段占整個頻譜資源的很小一部分，而在該頻段上的用戶卻很多，業務量擁擠，無線電頻段已基本趨于飽和。靜態的頻譜分配原則導致頻譜資源利用極不均衡。顯然，真正的問題不是頻譜資源的匱乏，而是我們目前采用的固定頻譜分配制度，該制度是一種頻譜利用率極其低下的分配制度。如何對不可再生的頻譜資源合理再利用并實現頻譜共享，已成為目前全球性的研究熱點。為解決頻譜資源的有效利用問題，基于軟件無線電的認知無線電應運而生了。

1.2 軟件無線電

軟件無線電提供了一種建立多模式、多頻段、多功能無線設備的有效而且相當經濟的解決方案，可以通過軟件升級實現功能提高。軟件無線電可以使整個系統（包括用戶終端和網絡）采用動態的軟件編程對設備特性進行重配置，也就是說相同的硬件可以通過軟件定義來完成不同的功能。

人們逐漸認識到SDR 的潛力并非僅局限于通信領域，它也可應用在無線電工程的其他相關領域，如雷達、電子戰、導航、廣播電視、測控等。而軟件無線電論壇對軟件無線電的定義更加全面、系統，它強調了軟件無線電是一種新型的體系結構，是一種解決方案，同時強調通過動態的軟件編程可以對相同的硬件進行重構，使之完成不同的功能等思想。SDR 的第3 種定義，已經超出了通信領域，它討論的是現代無線電工程。相比一個無線電系統，SDR 更像是一種設計方法和設計理念。第3 種定義強調平臺硬件結構簡單化，便于重構和升級的構件化功能軟件。

從上述討論中，我們對軟件無線電的特點有了一定的認識，其具體特點可以概況為：天線智能化、前端寬帶化、硬件通用化、功能軟件化和軟件構件化。簡單地說，具備這些特點的軟件無線電在其系統硬件無需變更的情況下，可以在不同的時候根據需要通過軟件加載來完成不同的功能。圖1 給出了軟件無線體系框架。

圖1、軟件無線電體系框架

對于軟件無線電，人們關注最多的是它的組成結構、硬件實現、技術可行性等，一開始很少有人關心軟件無線電的理論支撐，因此造成從事軟件無線的相關新人無法客觀地認識軟件無線體系。圖1 給出了軟件無線電體系框架，比較系統地描述SDR體系，包括軟件無線電的理論體系、軟件無線電的技術體系以及軟件無線電的應用體系。目前軟件無線電的理論、軟件算法及應用等并不局限于圖1 里提及的。圖2 給出了一種實際的SDR 體系，它是一種全球微波互聯接入（WiMAX）網絡中的實際SDR架構。

圖2、一種WiMAX 網絡中的實際SDR 架構

軟件無線的應用較為廣泛。軟件無線電的概念雖然是從通信領域提出的，但這一概念一經提出就得到了包括通信、雷達、電子戰、導航、測控、衛星載荷以及民用廣播電視等整個無線電工程領域的廣泛關注，已成為無線電工程領域具有廣泛適用性的現代方法。經過近20 年的推廣和全世界范圍的深入研究，軟件無線電概念不僅得到了普遍認可，而且已獲得廣泛應用。尤其是近幾年，軟件無線電的發展勢頭更猛，已遍布到無線電工程的每一個角落：從3G 到4G，從美軍的多頻段多模式電臺（MBMMR）到聯合戰術無線電系統（JTRS）都是以軟件無線電概念進行設計、開發的，甚至就連完成單一功能的全球定位系統（GPS）也要進行軟件化設計，以適應未來導航技術的發展需要。

1.3 智能化軟件無線電——認知無線電

認知無線電概念最早是由瑞典Joseph Mitola 博士于1999 年8 月提出的，是對軟件無線電功能的進一步擴展。Joseph Mitola 博士提出認知無線電的概念，最初的主要目的是想解決前面提到的頻譜資源的有效利用問題。

認知無線電是一種具有頻譜感知能力的智能化軟件無線電，它可以自動感知周圍的電磁環境，通過無線電知識描述語言（RKRL）與通信網絡進行智能交流，尋找“頻譜空穴”，并通過通信協議和算法將通信雙方的信號參數（包括通信頻率、發射功率、調制方式、帶寬等）實時地調整到最佳狀態，使通信系統的無線電參數不僅與規則相適應，而且能與環境相匹配，并且無論何時何地都能達到通信系統的高可靠性以及頻譜利用的高效性。

認知無線電的架構設計原則是將SDR、傳感器、感知和自主機器學習（AML）融合在一起，利用在射頻（RF）端和用戶域中的觀察（傳感、感知）、導向、規劃、決策、行動和學習（OOPDAL 環）能力，來提供更好的信息質量（QoI），并且利用SDR、傳感器、感知和AML 集成在一起創造意識、自適應和認知無線電，在射頻和用戶域完成從簡單的感知或自適應變換為確定的認知無線電。圖3 給出了理想認知無線電功能組件架構，包括了SDR 單元和相關認知單元。認知無線電架構在計算智能和學習能力上提升了軟件無線電。

圖3、理想認知無線電功能組件架構

圖4給出了最簡單的由意識與自適應邁向認知無線電的節點結構，便于讀者從功能特性上來認識認知無線電。該節點結構包括了6 種功能單元。

圖4、最簡單的由意識與自適應邁向認知無線電的節點結構

6 種認知無線電架構（CRA）功能單元分別是：

· 用戶傳感感知（USER SP）接口，包括觸覺、聽覺和視覺感覺與感知功能。
· 本地環境傳感器，包括位置、溫度、加速計、指南針等。
· 系統應用，例如玩網游等獨立于媒體的服務。
· SDR 功能，包括射頻感知和SDR 無線應用。
· 認知功能，用于系統控制的符號訓練、計劃和學習。
· 本地效應器功能，包括語音合成、文本、圖形和多媒體顯示。

認知無線電的主要特點是它的重構能力，它不僅要完成最主要的通信功能，同時還需要具備包括信道搜索與信號分析在內的電子偵察的功能。認知無線電的體系結構如圖5所示。

圖5、認知無線電體系結構

頻譜分析主要完成對“ 頻譜空穴”的分析，如“ 空穴”所占的帶寬、“ 空穴”的干擾或噪聲電平、“ 空穴”的時間分布特性等。另外，頻譜分析還需完成對新信號的調制識別、信號參數測量等，以便進行后續的解調解碼和協議分析。

頻譜決策是指在完成頻譜掃描和頻譜分析的基礎上，確定通信載頻、通信體制、通信參數和發射電平。

頻譜監視是指雙方在建立通信后，對該通信信道所進行的“在線”檢測，一旦發現有“干擾”信號存在（該干擾可能是授權用戶信號，也可能是無意或有意的干擾信號），立即進行“頻譜搬移”，主動讓出該信道，并尋找新的“頻譜空穴”建立通信。

鏈路建立是指在完成頻譜決策后，根據所確定的載頻、電平、體制等信號參數以及鏈路建立協議，通過波形產生模塊并且快速形成鏈路建立信號，同時主動發向對方，并等待對方的回執。

調制發射主要完成信號產生功能，它借助可重構軟件無線電平臺，通過加載軟件可以產生所需要的各種通信信號。

接收解調主要完成對通信信號的接收和解調，它借助可重構軟件無線電平臺，通過加載軟件可以對各種通信信號進行解調處理。

協議分析主要完成對鏈路建立信號解調比特流的分析，并根據預先約定的通信協議進行特征碼、信息字段的提取，以確定通信對象（包括所在的地理位置信息）、通信體制、通信頻率等信息，并按要求向對方發送鏈路建立回執。

認知協議是認知無線電的核心，它是認知無線電具有“ 認知”能力的重要保證。認知協議完成感知信息交換，即將收發兩方的“頻譜空穴”信息互相傳遞，解決了己方不清楚對方“頻譜空穴”的問題。

由上述分析可知，認知無線電不僅具有通信功能，而且還需具備頻譜探測能力，具有多功能特征，但其功能實現還需要借助于軟件無線電來實現。

1.4 SDR 和CR 的關系

認知無線電的主要特點之一就是自適應性，即根據無線通信環境、用戶所在位置、網絡條件、地理位置等信息的變化來改變通信參數（包括頻率、功率、調制方式、帶寬等）。這種動態加載性，正是SDR 具備的能力，由于不使用特定功能的模擬電路和器件，SDR 能夠提供一種靈活的無線通信功能。由此看來，認知無線電的一種良好的實現方式就是圍繞SDR 來進行設計，也就是說，SDR 技術可以認為是CR 技術實現的基礎內核。正如Joseph Mitola 博士所說，CR是對SDR 功能的進一步擴展，可以理解為CR 能夠根據所處環境和地理位置以及內部狀態，能自行調整其運行的功能應用來達到定制目標的SDR。

CR 的模型可能存在多種，從功能上簡單劃分，可以分成四大模塊：認知模塊、上層功能模塊、內部和外部感知模塊、軟件定義無線電模塊，如圖6 所示。

圖6、SDR 和CR 關系

認知模塊根據輸入參數的變化來控制SDR，這些參數是從無線環境、用戶內容和網絡學習（感知）中獲得；認知模塊對無線電硬件的性能和硬件設備可以認知，可以知道無線通信參數。SDR 模塊就是基于軟件的數字信號處理組件（ 如GPP/DSP/FPGA 等可編程器件）和軟件可調射頻組件（如電子可調濾波器）。由于SDR 支持多種標準（如GSM/EDGE/WCDMA/CDMA2000/Wi-Fi、WiMAX），同時支持多種接入技術（如TDMA/CDMA/OFDMA/SDMA），并且支持寬頻帶不同帶寬的工作方式，其應用非常靈活。

將SDR 和CR 相比較，我們會發現：SDR 關注的是采用軟件方式實現無線電系統信號的處理，而CR 強調的是無線系統能夠感知操作環境的變化，并據此調整系統工作參數，實現最佳適配。從這個意義上講，CR是更高層的概念，不僅包括信號處理，還包括根據相應的任務、政策、規則和目標進行推理和規劃的高層活動。所以，認知無線電是智能化的軟件無線電。

目前，軟件無線電仍未得到完全發展，對于軟件無線電平臺的開發，對軟件無線電應用以及認知無線電的開發都具有重要意義。在第2 講中我們將重點介紹CR 技術的基礎核心SDR 的架構，以期對相關軟件無線電和認知無線電預研人員或正在跟蹤項目的開發人員提供技術信息支持。

作者：宋騰輝、竇崢、林云，哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，中興通訊技術