Ron Wilson，總編輯，Altera公司

　　認知無線電(CR)已經從研究主題，發展到機密情報和軍事應用，以及無線網絡實用化技術。今天，它即將展開更廣泛的應用：作為交通運輸、公共事業、樓宇控制等領域大型機器至機器網絡每一節點的基本構成;作為蜂窩毫微微基站的支撐技術;以及通信以外的各種應用。

　　對于系統設計人員，除了好奇心之外，有兩個原因使得他們現在開始研究CR。第一個是，CR這一概念越來越多的應用于系統無線網絡中，從化學工廠傳感器網絡直至車輛控制和顯示等。要理解這些系統需要明白無線電，這是因為CR并不完全是傳送網絡技術。第二個原因是CR的體系結構代表了很多其他類系統體系結構的未來。您也會遇到這些概念。

　　認知概念

　　簡單說，CR是能夠理解并適應其信號環境的無線電。這是一種擬人化的解釋，需要更進一步的定義。CR檢查其訪問頻譜的功率，隔離在其中找到的信號，并對其進行分類，對比可用帶寬和無線電服務主系統當前要求的帶寬，然后，制定并執行通信策略，以滿足系統比特流和延時要求。這些不同的任務有各種不同的應用重點。

　　目前，認知概念已經用在很多不同的應用中。最早的應用是信號情報和電子戰。在這里，CR至少可以用在三種不同的模式中。首先，在情報應用中，CR會檢查一段頻譜，探測有可能含有信號的功率，將這些潛在的信號按照調制模式、可能的來源以及感興趣的程度等進行分類，然后，配置接收器通道以采集目標傳輸信息。如果您認為最感興趣的內容來自試圖隱藏自己的無線電信號，這些信號使用了擴頻短脈沖，那么，您會看到在這些應用中，CR會連續監視很寬的頻譜，或者全部記錄下來，瞬時鎖定目標信號。

　　很多電子戰應用都是相似的。例如，一臺干擾設備會按照這里所介紹的方法來發現信號并進行分類，然后對發射器通道進行配置，以便實時干擾特定的傳輸信息。在戰場通信應用中，CR會進行掃描并識別，然后，將要傳輸的信息放在環境中其他信號之間，這樣很難被探測到。

　　民用

　　如果已經開展了軍事應用，那么，民用也會很快跟上。三種基本相同的功能是感知、分類和自適應，已經應用于很多其他簡單的環境中。例如，一臺蜂窩手機周期性的檢查來自附近基站的信號，切換小區，甚至會相應的切換空中接口標準。相似的，蜂窩毫微微基站——您可以買到的最小的基站，學習時可以把它放到桌面上，這種基站需要連續探測數據流以及其帶內的干擾電平，根據所在地方和時間范圍內的自由頻譜來調整其功率輸出，選擇要使用的通道。以這種方式，毫微微基站增強了空間利用率，從而提高了網絡總容量，而不會由于建筑物干擾導致容量降低。例如，Mindspeed技術公司在這一領域擁有一些關鍵知識產權。

　　CR一種新出現的應用是中距機器至機器無線網絡。應用包括智能電網、車流量控制以及校園級樓宇管理等。據 Weightless特殊興趣組首席技術官William Webb，很多這類網絡會使用所謂的空白電視信號頻段：在電視帶寬范圍內本地未被占用的通道。但是在這一頻段內，不允許任何設備干擾任何人的電視接收，也不能干擾已經獲得許可的空白電視信號無線電，但是有可能與其他未獲得許可的低功率設備相互干擾。實際上，Weightless建議的解決方案是認知無線網絡基于不具有認知功能的小型無線電終端。

　　結構圖

　　理解這些各種需求怎樣影響無線電設計最好的方法是了解設備的功能，研究應用需求是怎樣改變設計的。

　　這類討論最好是從軟件無線電(SDR)開始。據IMEC的首席科學家Sofie Pollin，理想的SDR根本就沒有模擬功能。這類無線電直接對來自天線的整個頻段進行數字化處理，然后，提取出需要的信號，完全使用軟件編程數字處理器進行解調。這樣，軟件定義的部分：無線電濾波、解調、基帶處理以及發送側的反向處理等，可以在軟件中進行，也可以在由軟件配置和參數賦值的硬件中執行。這樣，無線電設備只需要調用不同的功能或者傳遞不同的參數就可以改變通道、頻帶、調制方式、協議，以及糾錯方法等。

　　Pollin很快指出，這種想法在實際中是很難實現的。在很多應用中，對天線信號直接進行數字化處理需要速度很快的模數轉換器(ADC)，以及很寬的動態范圍，其本身就是一項科學工程。因此，實際的SDR進行了折中：高度可配置的模擬RF級，以及可配置ADC之前的下轉換器，如 圖1 所示。

　　在這一實際的SDR中，我們增加了三個功能模塊以實現無線電認知功能，如 圖2 所示。這些模塊實現了前面介紹的三種基本功能：感知、分類和自適應。它們是怎樣改變SDR的，這是一個與應用密切相關的問題。

　　感知

　　第一個主要模塊是感知，它會影響接收器前端。與SDR不同，CR必須感知其特殊的環境。在要求不高的應用中，這一感知過程可能與時域復用接收通路可編程前端迅速查看接收情況一樣簡單。例如，接收器會掃描基站數據包之間預定義的通道列表。

　　Pollin指出：“進行機會頻譜接入(OSA)的系統非常簡單。大部分重點放在目前不受干擾的頻段，然后進行跳頻。這種方法的功能非常強大。”

　　對于要求快速響應的場景，無線電設備會含有完全獨立的接收通路，只用于監視間隔通道。使用獨立的通路，CR能夠同時處理所定義的頻段以及正常接收頻段內的信號活動。極端情況下，CR在實現感知功能時會有完全不同的接收通道。例如，一臺設備會有一個可調窄帶接收通路用于通信，一個帶寬非常大的通路用于感知，這樣，它可以連續處理較寬的無線電頻譜，而不用進行掃描。Pollin說：“取決于需求，監視功能可能需要帶寬非常大的模擬前端。”但是，寬帶電路成本非常高，因此，您應該盡量避免使用它。如果實際應用允許，您最好采用掃描的方式。

　　分類

　　SDR結構圖第二個重要的組成是分類功能。在分類模塊中，CR處理由感知模塊收集到的數據流，找到可能是干擾信號的功率模式，或者目標信號的功率模式，并對其進行分類。

　　對于一個簡單的OSA無線電，分類功能的實現與建立一個分配通道的功率直方圖一樣簡單，而不用關心功率代表了什么。無論通道保持靜默還是有信號。更復雜的無線電設備能夠推斷出較多的能量來源，例如發送器頻率、調試方式、傳輸時序：這是策略形成自適應模塊用于進行判斷的信息。

　　認知無線電技術公司總裁James Neel解釋說：“分類功能一般通過兩個步驟來實現。首先，您只是探測是否有能量，然后進一步獲得更多的信息。”

　　有時候可以通過統計計算進行探測，獲得更多信息。在其他情況下，無線電設備會嘗試調諧信號，對其進行解調，檢查數據包流。在這種情況下，無線電解調器可以同時用于接收器和分類目的，或者，對于前端電路的情況，會有完全獨立的數字處理器用于對未知信號進行分類。Neel指出，“如果您知道到底要找什么，那么，您可以設計定制分類硬件。”

　　如果您不知道要找什么，那么，所有工作都會很有趣。分類工作可以從提取模擬前端數據開始，然后，開發功率譜密度 (PSD)功能，例如通過快速傅里葉變換(FFT)來實現。然后，從功率譜隨時間的變化，信號采用了哪種調制方式等方面進行周期分析。根據實際應用需求，可以使用數字信號處理(DSP)芯片、FPGA，或者其他計算硬件來獲取這些統計信息。

　　自適應

　　然后，分類模塊將其結果傳送到CR第三個特有的組件，即，自適應模塊。在這里，分類數據和統計面臨兩個關鍵問題：它到底代表了什么含義，我應該怎么辦?在這一級，CR體系結構體現了應用驅動的最大變化。

　　不同在于問題的范圍。一個簡單的OSA無線電設備可能只是觀察其鏈路干擾電平或者誤碼率(BER)，尋找能夠進行跳頻的開放頻率。更復雜的無線電設備會構建干擾源的頻譜圖，根據所觀察到的干擾源隨時間變化的行為來預測頻譜圖會怎樣變化，規劃一系列頻率和調制方式，以滿足其數據通信要求。

　　Neel說，在最復雜的設計中，CR不僅僅知道其頻譜環境，而且還知道自己系統所處的環境。例如，在醫院手術室中的CR 能夠“理解”所進行的手術過程，病人的狀態，手術團隊中每一個人的需求，以及附近其他無線設備的行為等。這一無線電設備會將所有這些信息合并成一個策略，使用可用頻譜來保證緊急數據流的延時，同時滿足其他儀表的低優先級要求。

　　這類無線電設備可能會使用啟發式功能來驅動環境分析，做出決定。Neel建議，或者，隨著環境越來越復雜，可預測性越來越差，策略模塊會采用隱藏馬爾科夫模型、神經網絡，或者相關技術對環境建模，并進行分析。

　　這類計算涉及到大量的數據，需要很強的計算功能。Neel說，因此，明顯的發展趨勢是把CR的思考部分放到云端。那么，一個關鍵問題是無線電設備要處理的現象的持續時間。有時間來查詢中心計算資源，或者無線電設備必須自己做出基本判斷嗎?

　　隨著CR的普及，也帶來了其他問題。不可避免的是，大量的CR導致頻譜擁擠，它們都要互相搶占頻段，為自己的主機提供帶寬最大的頻段。正如Neel所指出的，在這些情況下，無線電設備需要采用游戲理論，以便實現共享頻段的最佳分配。這類競爭網絡的穩定性和優化問題帶來了 IEEE 802.19無線共存技術咨詢小組議程中一個很難解決的問題。

　　Weightless實例

　　兩個實例會有助于幫助對這些概念進行澄清。首先，Weightless標準實際上并不是CR，而是認知網絡，其中非常簡單的無線電只是一個組成單元。第二個是一個理論實例，適合公共安全應用更復雜的真CR。

　　Weightless體系結構與IEEE 802.22相似，在所謂的空白電視信號頻段內采用區域網，這是電視廣播帶寬范圍內未被占用的本地通道。802.22旨在為人們提供寬帶接入，與此不同的是，Weightless專門設計用于為不同的機器、傳感器和制動器提供窄帶物聯網連接，其節點的成本和功耗都非常低。

　　據Weightless的Webb，各種不同的目的導致了體系結構的顯著不同。Webb說：“對于空白電視信號頻段內未獲得許可的設備，第一個限制要求是不能干擾任何人的電視接收。這很難做到，因為您完全知道所有電視發射器位于哪里，但是卻不知道接收器在哪里。

　　Webb繼續解釋：“我們最初的想法是為終端設計成本非常低的CR，與802.22的目的非常相似。但是，我們發現在實際中，您可能恰好靠近正在觀看電視的人，遠距離電視臺發射的信號傳送到他這里時已經非常弱了。”

　　具有足夠動態范圍的CR要識別這些弱信號，需要花費很高的成本，提供很大的功率。因此，Weightless選擇了完全不同的方法來進行感知：中心控制的三層網絡，如圖3 所示。在這里，終端向基站報告其物理位置，基站查詢云中的應用程序，云端使用了許可廣播發射器以及其他基站的位置表，以獲得可用頻率的列表。Webb評論說：“這對于設計而言是很有趣的算法。”

　　這張查找表保證了終端不會影響所有人晚上看電視，也不會與其他基站競爭同一通道。但是，它并不保證終端與獲得許可設備之間不出現干擾，例如，無線麥克風，或者在同一區域中漫游的其他未獲得許可的低功率設備。為解決這一問題，基站為終端分配了8個頻率。終端以兩秒間隔進行跳頻，以減小來自這類源的干擾。

　　由于終端使用了直接擴頻傳輸技術，因此，系統有更大的自由度。實際上，基站監視每一終端的BER，命令終端調整擴頻因子，以便在帶寬和范圍上達到平衡。

　　Weightless采用了認知系統的三種定義行為：感知、分類和自適應。但是，這一標準并沒有將所有這些功能構建到終端無線電設備中，而是把它們分散開。大部分認知放在準靜態表中，而不是在算法中。在基站中對自適應功能、大部分感知功能和分類功能進行平衡。在網絡中對功能進行分配，大幅度降低了終端的成本，單芯片電池供電設備能夠采用很低的占空比進行工作。

　　緊急服務實例

　　第二個實例不是基于現有的標準，或者相關的實際無線電，而是基于美國聯邦通信委員會公共安全和國土安全局所建議的構想。然而，美國緊急狀態響應人員面臨的一個關鍵而又長期存在的問題是不同的單位無法在緊急情況下與其他單位的設備通過無線電進行通信，例如警察、消防和醫療團隊等。

　　有時候問題在于頻譜的可用性。例如，最近的公開報道顯示，加州奧克蘭新裝備的警察無線電系統850 MHz頻段接近當地的2G蜂窩服務，經常出現通信錯誤。

　　其他問題來自本身的認知，例如，常規廣播與緊急情況時官方間緊急通信帶寬出現沖突。其他的問題涉及到不同服務間的兼容性。警察、消防、醫療和城市無線電系統在緊急情況下都不具有互操作性。局首席工程師Bill Lane和電子工程師Yoon Chang在其技術主題文章“公共安全的認知無線電”中寫道，隨著目前窄帶語音無線電成為類似于高性能智能電話的媒體終端，這些問題只會越來越嚴重。Lane建議采用CR作為解決方案。CR能夠在緊急點附近實時找到可用頻譜，避免了干擾源。它可以優先使用可用頻譜，以保證最關鍵的消息延時最低。通過找到周圍無線電設備的頻率、調制和編碼方式，CR可以橋接區域中不兼容的系統。

　　可以完成所有這些服務的無線電設備會要求在本地實現所有這三種認知模塊：感知、分類和自適應，如 圖4 所示。對于感知功能，無線電設備需要一條專用監視鏈。好消息是這條鏈不需要帶寬很大的超高動態范圍接收機。對于需要掃描目標帶寬中接收器通道的應用，要為每一通道構建一組數據。

　　分類硬件要比簡單的OSA無線電復雜得多。FFT級和乘法器會為每一頻段建立PSD功能，然后，信號處理鏈會應用周期分析，以提取出某一調制方式的特征。這樣，分類器會為自適應模塊提供每一頻段大量的信息：干擾在哪里，能夠識別出來的信號在哪里，以及足夠的統計信息來找到附近其他的無線電信號。

　　處理這些數據，將其與滿足應用需求、用戶優先級以及滿足互操作性要求的前后信息相結合，在多核CPU簇中，通過軟件實現的自適應模塊，使用神經網絡仿真來找到開放頻率特定的無線電類型和時域模式。使用更多的規則，軟件會選擇一種策略，對無線電設備的模擬前端和基站部分進行編程，從而實現這一策略。

　　更廣闊的遠景

　　這些例子闡述了在數據通信中使用認知技術。而這些概念不僅適用于無線電。實際上，系統處于快速變化的環境中時，不僅僅是參數要變化，最好是將系統響應設計為認知系統。

　　感知、分類和自適應作為鏈接功能的三個組成，已經在情報智能和電子戰中得到了廣泛的應用。在很多其他領域，能夠有效的應用這些概念，一般成本會很低，包括，網絡管理、主動網絡安全、高級汽車輔助駕駛以及工業控制等。

　　現在的因素包括快速增加的密度，以及越來越低的功耗預算和計算成本等。在不遠的將來，大部分電子系統會是認知系統，功能固定的系統會越來越少，特殊的新設計也會越來越少。這一發展趨勢會對實際系統設計產生深遠的影響。