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从软件无线电到认知无线电的无线通信发展现状
发布时间:2018-01-24浏览次数:156返回列表

■白敏丹/中国传媒大学信息工程学院(100024)

摘要:本文归纳了从软件无线电到认知无线电功能的演进。认知无线电又是在软件无线电的基础上提出的智能化的无线通信技术,它着力解决频谱资源的有效利用问题,认知无线电概念的提出将对现行的频谱管理体制提出挑战,并给无线通信带来新的发展空间。在此基础上探讨了认知无线电技术未来发展值得关注的热点问题。

关键词:软件无线电认知无线电无线通信

中图分类号:TN92

文献标识码:A

文章编号:1673-1131(2010)01-072-05

一、引言

信息化社会发展到今天,人类社会已离不开通信,尤其是无线移动通信(如:GSM. CDMA手机)的普及程度在几年前是不可想象的,各种新的通信手段、通信体制的出现为人们的生活、工作带来了极大的便利。随着各种新标准、新协议的不断发布,无线系统制造商和通信服务提供商不得不做出响应,通过系统升级,以保持其技术的先进性,不断为用户提供高质量的通信服务(1G- 2G一3G- 4G)。但是,如此反复的重新设计和硬件的不断更新换代,不仅成本高,浪费资源,而且给最终用户也带来诸多不便。所以,无论是服务提供商还是最终用户都越来越关注能经得起时间考验的无线通信系统,而不是像现在的系统,随着技术的发展,不断地面临被淘汰、废弃的尴尬境地。软件无线电就是在这样的背景下诞生的能经得起时间考验的无线通信系统。

简单而言,软件无线电是指采用固定不变的硬件平台,通过软件重构(升级)来实现灵活多变的通信体制和通信功能的无线电系统。软件无线电硬件平台的特点是通用化、标准化、模块化,以及对信号波形的广泛适应性;软件无线电的核心是其驻留在DSP和/或FPGA和/或ASIC内部的功能软件,这些软件是可升级、可重构的,以适应不同的技术标准、接口协议和信号波形。近几年,软件无线电在微电子技术的带动下,取得了前所未有的快速发展。

无线通信中的另一个重要问题是频谱资源的有效利用。目前频谱资源管理国际上采用的通用做法是实行授权和非授权频率管理体制,对于授权频段,非授权者不得随意使用。由此带来的问题是,在某些授权频段,频谱利用率很低,而在某些非授权频段,信号又非常的拥挤,导致频谱资源利用极不均衡的现状。为解决频谱资源的有效利用问题,有人又提出了基于软件无线电的认知无线电概念。认知无线电(CR- Cognitive radio)是一种具有频谱感知能力的智能化软件无线电,它能自动感知周围的电磁环境,寻找“频谱空穴”,并通过通信协议和算法将通信双方的信号参数调整到最佳状态。由此可见,认知无线电不仅具有通信功能,而且还需具备频谱探测能力,具有多功能特征,必须借助于软件无线电来实现。认知无线电已成为目前无线通信领域的一大研究热点。

二、现代无线电工程方法一一软件无线电

软件无线电( Software Radio)是Joe Mitola于1991年提出的一种无线通信新概念,他指的是一种可重新编程或者可重构的无线电系统。也就是说,这种软件无线电在其系统硬件无需变更的情况下,可以在不同的时候根据需要通过软件加载来完成不同的功能。软件无线电概念虽然是从通信领域提出的,但这一概念一经提出就得到了包括通信、雷达、电子战、导航、测控、卫星载荷以及民用广播电视等整个无线电工程领域的广泛关注,已成为无线电工程领域具有广泛适用性的现代方法。经过近20年的推广和全世界范围的深入研究,软件无线电概念不仅得到了普遍认可,而且已获得广泛应用:尤其是近几年,软件无线电的发展势头更猛,已触动到无线电工程的每一个角落:从3G到4G,从美军的MBMMR(多频段多模式电台)到JTRS(联合战术无线电系统)都是以软件无线电概念进行设计、开发的,甚至就连完成单一功能的GPS也要进行软件化设计[1],以适应未来导航技术的发展需要。可以这样说.软件无线电的思想已对现代无线电工程的设计和开发产生重大影响。

理想的软件无线电结构如图1所示,其主要特点是尽可能地减少模拟处理环节。在接收端:由天线感应的无线电信号经过必要的低噪声放大后,就直接对其进行数字化(ADC)数字化后的信号经过FPGA或/和DSP完成数字下变频、数字滤波、数字解调等信号处理任务;在发射端:需要发射的基带信号通过FPGA或/和DSP完成数字调制、数字上变频和数字滤波等信号处理任务,经过DAC变换为模拟信号.最后经功率放大器放大到足够功率,由天线发射出去。很显然,图l所示的软件无线电结构适用于无线电工程的任何领域,如通信、雷达.电子战、测控等等。因为.该硬件结构与所要完成的功能无关,它所完成的功能主要取决于驻留在FPGA/DSP中的软件(算法)。这也是之所以称其为“软件”无线电的原因所在。

图l所示的软件无线电结构是一种理想化的软件无线电结构,其实现是有相当难度的。首先,根据奈奎斯特采样定理,该软件无线电的工作带宽有多宽,其AD采样至少是带宽的两倍,比如:对于工作在2—2000MHz的JTRS电台,其采样频率至少是4GHz,考虑到滤波器矩形系数,采样频率需要超过SGHz,如此高的采样速率在高分辨率情况下至少在目前是难以实现的;其次,高的采样速率对ADC后续的信号处理(FPGA/DSP)也提出了非常苛刻的要求,大大提高了信号处理部分的实现难度:最后,随着电磁环境的复杂化,过宽的瞬时处理带宽将导致对动态范围的过高要求,无论是高增益的LNA还是高速ADC其动态范围都将无法满足实际需求。针对理想软件无线电结构实际实现时存在的问题,作者对软件无线电结构进行了分类.提出了软件无线电的三种基本结构ψ:基于低通采样的软件无线电结构、基于带通采样的宽带中频软件无线电结构和基于射频直接带通采样的软件无线电结构。

三.智能化软件无线电一一认知无线电

认知无线电(CR.Cognitive Radio)概念最早是由瑞典Joseph Mitola博士于1999年8月提出的[4],是对软件无线电(SDR)功能的进一步扩展。认知无线电可以感知周围电磁环境,通过无线电知识描述语言(RKRL)与通信网络进行智能交流,并实时调整传输参数(通信频率、发射功率、调制方式、编码体制等),使通信系统的无线电参数不仅与规则相适应,而且能与环境相匹配,以达到无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。也就是说,SDR关注的是采用软件方式实现无线电系统信号的处理;而CR强调的是无线系统能够感知操作环境的变化,并据此调整系统工作参数,实现最佳适配。从这个意义上讲,CR是更高层的概念,不仅包括信号处理,还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层活动。所以,认知无线电是智能化的软件无线电。

Joseph Mitola博士提出认知无线电的概念,最初的主要目的是想解决频谱资源的有效利用问题。在绝大多数国家,大部分频谱是以授权方式分配给无线电业务部门的。在这些已分配的授权频段与非授权频段中,存在着频谱资源利用的不平衡性:一方面.授权频段占用了整个频谱资源的很大一部分,由于在某些地区授权用户不会在任何时间都使用其频段,因此不少授权频段都处于空闲状态(频谱空穴)。美国联邦通信委员会(FCC)的研究表明,在大部分时间和地区,授权频段的平均利用率在15%N85%之间。另一方面,开放使用的非授权频段占整个频谱资源的很小一部分,而在该频段上的用户却很多,业务量拥挤,无线电频段已基本趋于饱和。静态的频谱分配原则是导致授权频段利用率低下而其他用户又无法使用相应频段这一矛盾的主要原因。如果能够将暂时空闲的频谱资源加以利用,目前这种频谱资源的紧张状况将得到极大的改善。认知无线电就是针对这一问题提出的有效解决方案,其核心思想就是使未来的无线电设备具有自主发现”频谱空穴”,并合理有效地利用“频谱空穴”的能力。如何快速、准确地检测到”频谱空穴”,成为认知无线电需要着重解决的关键问题。

简单而论,认知无线电实际上是把软件无线电与频谱监视和管理有效地结合在一起。认知无线电可以对周围的电磁环境进行扫描监视,确定频谱利用状况,找出“空穴频谱”,并根据“空穴频谱”特征选取最佳的工作体制和参数,最终建立起可靠的通信链路。由此可以看出,从电子侦察的角度来看[5],认知无线电实际上就是把软件无线电与通信侦察有机地结合在一起。在认知无线电发射一方,‘通过对周围电磁环境的自主侦察、分析,获得无线信道传输特性.检测“干扰”频谱分布,选择最佳频段或最佳信道(无干扰或干扰电平在允许范围内)主动向接收方发送通信链路建立信号,在认知无线电的接收一方,则对工作频段内的无线电频谱进行自主“全景搜索”,自动截获联络信号,并对其进行分析识别和解码,一旦信号格式匹配就立即建立起通信链路,实现通信。所以,在通信侦察中的快速全景搜索、信号参数测量,调制样式自动识别、非合作解调与解码等技术为认知无线电的实现奠定了很好的技术基础。下面就探讨以电子侦察为其技术基础的一种新的认知无线电体系结构及其认知循环过程。

四、认知无线电体系结构

认知无线电的主要特点是其重构能力,它不仅要完成最主要的通信功能,同时还需具备包括信道搜索与信号分析在内的电子侦察功能;随着技术的发展,今后的认知无线电可能还需要具备对目标信号的测向定位能力,以实现更为科学、更为理想的信道分配和功率控制,使频谱利用更加优化、合理。所以,今后的认知无线电已经不是通常意义上的通信电台,而是一种硬件平台标准化、通用化,其功能可由软件灵活重构的以软件无线电为基础实现的智能化无线电系统。所以,认知无线电不仅是软件无线电与电子侦察的融合体,更是应用多种现代信号处理技术的综合平台。认知无线电的体系结构如图2所示。

可重构软件无线电平台是认知无线电的硬件支撑环境,认知无线电的所有功能都是由该平台通过加载不同的软件来实现的。该平台不仅需要适应通信功能,更要求能适应频谱扫描、信号分析、参数测量等电子侦察功能。所以,平台的可重构性是对平台的起码要求。另外,为在宽频带内实现快速“频谱空穴”检测这一重要功能,软件无线电平台的瞬时处理带宽(中频带宽)应足够宽,以降低信道搜索时间。由此可见,软件无线电是认知无线电的技术基础,认知无线电离不开软件无线电,同时认知无线电也将成为促进软件无线电技术进一步发展的最主要的推动力。

软件支撑环境是认知无线电的软件开发工具集,它通过无线电知识描述语言(RKRL)与网络针对无线规则进行智能交流,并采用支持用户需要的自动推理的方式,更好地为个人通信服务。认知无线电使软件无线电从预先定义协议的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理。

频谱扫描主要实现对周围电磁环境的普查。在发起通信请求的发射端,通过频谱快速扫描主要完成”频谱空穴”的检测,即找到有望在该“空穴”建立通信的空闲信道:在接收端,通过主动的频谱扫描主要是在约定的工作频段上快速搜索发现新信号,以判定是否存在链路建立信号。

频谱分析主要完成对“频谱空穴”的分析,如“空穴”所占的带宽、”空穴”的干扰或噪声电平、“空穴”的时间分布特性等:另外,频谱分析还需完成对新信号的调制识别、信号参数测量等,以便进行后续的解调解码和协议分析。

频谱决策是指在完成频谱扫描和频谱分析的基础上,确定通信载频、通信体制、通信参数和发射电平。

频谱监视是指双方在建立通信后,对该通信信道所进行的“在线”检测,一旦发现有“干扰”信号存在(该干扰可能是授权用户信号,也可能是无意或有意的干扰信号).立即进行“频谱搬移”,主动让出该信道,并寻找新的“频谱空穴”建立通信。

链路建立是指在完成频谱决策后,根据所确定的载频、电平、体制等信号参数以及链路建立协议,通过波形产生模块快速形成链路建立信号,主动发向对方,并等待对方的回执。

调制发射主要完成信号产生功能,它借助可重构软件无线电平台,通过加载软件可以产生所需要的各种通信信号。

接收解调主要完成对通信信号的接收和解调,它借助可重构软件无线电平台,通过加载软件可以对各种通信信号进行解调处理。

协议分析主要完成对链路建立信号解调比特流的分析,并根据预先约定的通信协议进行特征码、信息字段的提取,以确定通信对象(包括所在的地理位置信息)、通信体制、通信频率等信息.并按要求向对方发送链路建立回执。

认知协议是认知无线电的核心,它是认知无线电具有“认知”能力的重要保证。认知无线电的一个重要特征是能对其周围的电磁环境进行自动感知,找到所谓的“频谱空穴“。但是,实际上作为通信而言,最终的目的并不是要知道己方的“频谱空穴”,而是需要知道对方的“频谱空穴”。由于通信双方远者相隔数千里.近者也要数十里,因此,要想从本地感知对方的“频谱空穴”是极其困难的,甚至是不可能的。所以,感知“频谱空穴”比较可行的办法是把己方感知的“频谱空穴”信息设法传递到对方去,实现“频谱空穴”感知信息的交换和共享。这种感知信息交换可以通过认知协议来实现,其基本思路是:通信双方在通信空闲时自主对其周围的电磁频谱进行探测感知,对感知到的”频谱空穴”进行统计分析,并根据“频谱空穴”带宽、干扰电平大小等进行优先级排序,建立实时“频谱空穴”数据库。通信发起方要进行通信时,首先根据事先约定的链路建立协议把“频谱空穴”数据库(或其部分)连同位置、天线特性等信息发送到被叫方,被叫方在对其周围电磁环境进行探测感知的过程中,要对新出现的信号进行频谱分析、信号识别、参数测量、接收解调和协议分析(这些功能都属于电子侦察范畴),以判定该信号是不是发给自己的链路建立信号。一旦判定是链路建立信号,则根据所接收的对方“频谱空穴”数据库以及己方的“频谱空穴”数据库进行通信频率、发射电平、通信体制、调制参数的确定,并连同己方的“频谱空穴”数据库通过回执协议发送给呼叫方:呼叫方接收到回执后.就在回执约定的通信频率上建立通信。如果呼叫方在规定的时间内接收不到回执,则选择新的“频谱空穴“发送链路建立呼叫信号,直到接收到呼叫回执为止。

五、结束语

从20世纪九十年代初到现在,经过十几年的努力,软件无线电得到了快速的发展。但是,软件无线电的概念也是逐步被认识、被理解的。提出软件无线电概念的重大意义在于,他使人们的设计思路从以硬件为核心转向以软件为核心,这一设计理念已不知不觉地被现代无线电工程的各个领域所广泛接受。认知无线电又是在软件无线电的基础上提出的智能化的无线通信技术,它着力解决频谱资源的有效利用问题:认知无线电概念的提出将对现行的频谱管理体制提出挑战,并给无线通信带来新的发展空间,同时也将有力促进软件无线电的更快发展。

认知无线电(CR:Cognitive Radio)技术被认为是未来无线通信技术的“下一件大事”,已逐渐受到人们的普遍关注。本文对CR技术近几年来的研究成果进行了综述。CR技术虽具有独特的优点,但还远不成熟。目前还存在一些需要进一步研究的问题,将重点关注以下几个方面:

认知多人多出无线电(Cognitive MIMO Radio):MIMO多天线技术可显著地提高无线通信系统的频谱效率,而CR技术的主要目标就是提高频谱的利用率。将MIMO技术引入到CR系统中,将能够提供载波频率和复用增益的双重灵活性[5]。

频谱与路由联合选择技术:CR技术可根据周围环境的变化动态地进行频率的选择.而频率的改变通常需要上层协议如路由协议等进行相应调整[9]。根据频谱的变化自适应地选择路由的频谱感知路由协议值得关注。

认知网状网(Cognitive Mcsh Network):无线Mesh网络是近几年出现的全新的网络结构,它具有无线多跳的网络拓扑结构,通过中继的方式使得网络范围不再局限在中心控制点的传输范围,从而有效的扩展网络覆盖范围。由于微波频段受限于视距传输,基于CR技术的Mcsh网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入[7]。

参考文献

[1] P. Kolodzy. Spectrum Policy Task Force: Findingsand Recommendations. International Symposium on

Advanced Radio Technologies (ISART), March 2003.

[2] M. McHenry. Report on Spectrum OccupancyMeasurements. Shared Spectrum Company. [Online],Available:

ht tp://w w w.s hare d sp e ct rum.com/?section=nsf_summary.

[3] J. Mitola et al. Cognitive Radios: Making SoftwareRadios more Personal. IEEE Personal Communications,

[4] J. Mitola. Cognitive radio: An integrated agentarchitecture for software defined radio. PhD Dissertation,

Royal Inst. TechnoI.(KTH), Stockholm, Sweden, 2000.

[5] S. Haykin. Cognitive Radio: Brain-EmpoweredWireless Communications. IEEE JSAC, vol. 23, no. 2,

[6] C. J. Riese. Biologically Inspired Cognitive RadioEngine Model Utilizing Distributed Genetic Algorithms for

Secure and Robust Wireless Communications andNetworking. Ph.D. Dissertation, Virginia Tech, Blacksburg, [7] FCC-03-322: Facilitating Opportunities forFlexible, Efficient, and Reliable Spectrum Use Employing

Cognitive Radio Technologies. [Online], Available:

http://hraun fo s s.fc c.gov/e docs_public/attachmatch/FCC-03-322Al.pdf

[8]A. Sahai, N. Hoven and R. Tandra. Somefundamental limits in cognitive radio. Proc. Allerton Conf.on

[9lG. Ganesan and Y.G. Li. Agility improvementthrough cooperative diversity in cognitive radio networks.

2005.

[10]G. Ganesan and Y.G. Li. Cooperative SpectrumSensing in Cognitive Radio Networks. IEEE DYSPAN,Nov.

[11] B.Wild, K.Ramchandran. Detecting primaryreceivers for cognitive radio applications. New Frontiers in

Dynamic Spectrum Access Networks, pp: 124 - 130,Nov. 2005.

作者简介

白敏丹(1964年出生),女,陕西合阳,硕士,中国传媒大学副教授,主要从事专业及基础课教学,研究方向为通信及控制系统。

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