第1章 软件无线电与认知无线电概述

1、第1章,第1章 软件无线电与认知无线电概述 1.1 软件无线电与认知无线电的研究背景 1.2 软件无线电与认知无线电的定义 1.3 软件无线电与认知无线电的发展 1.4 软件无线电与认知无线电所需技术 1.5 软件无线电与认知无线电的研究与进展 1.6 软件无线电与认知无线电的应用,1.1 软件无线电与认知无线电的研究背景 1.1.1 软件无线电的研究背景 1.1.2 认知无线电的研究背景,1.1.1 软件无线电的研究背景 与许多通信新技术一样，软件无线电技术，最早也是由军事通信技术发展而来的。经历了从军用到民用的发展进程。 20世纪70年代，软件无线电概念的最早，源于美国军方对甚高频（VHF

2、：Very High Frequency，30300MHz）多模式无线电系统的开发。 20世纪90年代，软件无线电概念才明确提出。,1. 问题的提出 随着电子通信技术的发展，电子信息设备在军事领域中的作用越来越重要。军事现代化的一个重要标志，就是军事信息化。无线通信已经成为现代战争的重要信息传输手段。 但是，长期以来，军用无线设备都是针对不同的军事需求而设计的。对于不同的军用无线通信设备而言，虽然它们的发送与接收单元有许多相似的功能，但结构却有许多不同，不能通用。 这就是传统的“硬件无线电”。,2. 解决的方法 在现代战争中发挥着重要的作用的空军中，飞机上有着众多的无线电设备： （1）雷达系统

3、； （2）通信系统； （3）导航系统； （4）识别系统。 在传统的“硬件无线电”中，这些系统分别由不同的硬件设备构成。飞行任务的日益复杂多样，使得机载无线电设备越来越多，如图1-1所示。,3. 移动通信的困惑 在民用通信领域，无线移动通信是发展最为迅速的通信技术。在短短的数十年中，通信技术经历了两次变革： （1）从固定通信到移动通信； （2）从模拟通信到数字通信。 并将迎来第三次变革： （3）从“硬件无线电”到“软件无线电”。 近20年来，移动通信发生了飞速变化，如图1-3所示。,4. 软件无线电的引出 为了解决军用与民用无线通信系统的多标准问题，软件无线电无疑是最佳的选择。 对于各种不同的通

4、信标准，全世界都可以生产具有相同结构和器件的硬件平台，软件无线电终端可以通过软件下载获得新的服务。这样可以大大降低成本。,1.1.2 认知无线电的研究背景 软件无线电是一种载波频率、信号带宽、调制方式、网络接入等特性均由软件定义的无线电技术。 1. 软件无线电的特点 软件无线电的优势主要体现在以下几个方面：,2. 频带分配 频谱是通信能够使用的唯一资源。与水、空气等自然资源一样，频谱也是一种日益短缺的资源。,3. 频谱利用率与频谱空洞 对于频谱这个通信能够使用的唯一资源。可用频段分为两类： （1）授权频段； （2）非授权频段。 授权频段是由政府授权使用的。专门的频谱管理机构分配特定的授权频段，

5、供给特定的通信业务使用。因此，授权频段具有独享性。 非授权频段是开放的，使用者无需申请，就可以使用。因此，非授权频段通常是饱和的。,4. 认知无线电的引出 将被授权用户称为主用户，或既有用户；与之对应，未被授权的用户称为次用户，或认知用户。 为了提高频谱资源的利用率，减少频谱空洞的出现。可以在主用户没有使用授权频谱的情况下，允许次用户接入频谱空洞。这样，就可以提高频谱资源的利用率。这就是认知无线电的基本思想。,1.2 软件无线电与认知无线电的定义 随着无线通信技术的发展，无线电技术经历了以下发展： （1）从硬件无线电到软件无线电； （2）从软件无线电到认知无线电。 那么，究竟什么是软件无线电？

6、什么是认知无线电？ 在这一节中，我们给出软件无线电与认知无线电的定义。,1.2.1 软件无线电的定义 现代通信技术中，无线通信与移动通信无疑是发展最快、应用最广的技术之一。无线通信与移动通信技术的发展，为我们当今的生活带来了极大的改变。 随着通信进入数字技术时代，数字通信系统已经成为我们当今主要的通信系统。数字信号处理成为了解决通信问题的最佳方法。,1. 软件无线电的含义 面对越来越多的各种通信设备，我们需要一种软件无线电技术。有了这种软件无线电技术，只需要配置一个无线电硬件设备，就可以实现任何通信应用。,2. 软件无线电的定义 1992年，美国MITRE公司的Joseph Mitola II

7、I首次明确提出了“软件无线电”的概念。他给出的软件无线电的定义为： 定义1：软件无线电是多频带无线电，它具有宽带的天线、射频转换、，模/数和数/模变换，能够支持多个空中接口和协议，在理想状态下，所有方面（包括物理空中接口）都可以通过软件定义。,3. 软件无线电的特点与核心 软件无线电论坛的定义，比较全面的描述了软件无线电的特点： （1）三多：多频段/多模式/多功能（Multiband/Multimode/Multirole：M3）； （2）两可：可重配置/可重编程。,1.2.2 认知无线电的定义 认知无线电是一个非常新的无线电概念。认知无线电是软件无线电的最顶端的应用，如图1-7所示。,1.

8、认知无线电的定义 定义：认知无线电（Cognitive Radio：CR）是一种智能无线通信系统，它可以感知周围环境并进行学习，利用相应结果调整自己的传输系统，使用最合适的无线资源完成无线传输。,2. 认知无线电的目标 利用频谱空洞，提高频谱利用率，实现自动选择最好、最经济的方式进行无线传输。认知无线电的主要目标为： （1）提高无线频谱的利用率； （2）实现随时随地高度可靠的通信。,3. 认知无线电的能力 为了实现认知无线电的目标，认知无线电需要具有以下能力： （1）认知能力：即捕获或感知来自无线环境的信息的能力，这是一种智能。也是认知无线电与软件无线电的区别所在。 （2）可重配置能力：是使无

9、线设备，可以在不改变硬件的条件下，根据无线环境，动态改变自身系统结构与参数（如频率、功率、调制、协议等）。这是软件无线电所具有的能力。,4. 认知任务的完成 认知任务的完成需要数字信号处理与机器学习过程的有机结合。认知任务可以分为三个部分： （1）无线环境分析；具体包括： 1）分析无线环境； 2）检测频谱空洞。 （2）信道状态估计；具体包括： 1）估计信道状态； 2）预测信道容量。 （3）传输参数控制。具体包括： 1）确定传输功率； 2）确定数据速率； 3）选择传输模式； 4）选择传输带宽。,1.3 软件无线电与认知无线电的发展 软件无线电从20世纪70年代起源，到1992年首次明确提出，经历

10、了快速的发展。直到软件无线电发展的顶级应用认知无线电。 在这一节中，我们讨论无线电技术从硬件无线电到软件无线电、软件无线电到认知无线电的发展过程，以使读者对软件无线电和认知无线电有更多的了解。,1.3.1 从“硬件无线电”到软件无线电 通信技术的飞速发展，极大的改变了我们的世界。特别是无线通信与移动通信技术的不断普及，全世界使用手机的用户越来越多。无线数字通信技术已经成为我们日常生活中不可或缺的东西。 随着无线技术的应用范围不断扩大，我们身边的无线设备越来越多。面对越来越多的通信系统，我们需要一种可以应对多种通信功能的无线电通信设备，这就是软件无线电系统。,1. 硬件无线电 所谓硬件无线电，是

11、指无线电设备的功能是由硬件结构确定的，系统的工作很少有软件参与，它们在功能上是确定的。 长期以来，我们在使用各种不同的硬件无线电系统。比如：手机、收音机、电视机、电话机、传真机等等。,2. 软件控制无线电 在上述硬件无线电的第二个阶段数字硬件无线电，虽然许多硬件的功能可以由软件实现，但是，数字硬件无线电系统的可重编程、可重配置能力较差。 虽然数字无线电系统可以通过软件方式处理数据、控制系统，但是，系统的主要功能是不能改变的。,3. 软件定义无线电 由软件控制无线电发展到软件定义无线电（Software Defined Radio：SDR），系统用软件控制参数，如：频带、调制、波形、检测等等，不

12、需要对硬件进行修改，就可以改变系统的功能。,4. 理想软件无线电 由软件定义无线电发展到理想软件无线电（Ideal Software Radio：ISR，或SWR），系统可以实现完全可编程，天线的输入信号直接经过A/D变换器，取消了大部分模拟器件，大大提高了系统性能。,1.3.2 从软件无线电到认知无线电 软件无线电已经能够成功完成有益于用户与网络、有利于降低频谱拥挤的任务。软件无线电使得电子设备在有限方式下具有多方面功能。 为了提高频谱利用率、减少频谱空洞，软件无线电发展到了它的最高形式：认知无线电。,1. 认知无线电的概念 认知无线电就是利用频谱空洞提高频谱利用率的软件无线电。认知无线电可

13、以看做是具有环境感知能力、主动学习能力的智能化的软件无线电。 软件无线电与认知无线电的概念，最早都是由Joseph Mitola III首创的。 1992年，Joseph Mitola III首次明确提出软件无线电的概念，给出了软件无线电的第一个定义。,2. 认知无线电系统的能力 基于认知无线电的系统是一种智能无线通信系统，具有以下能力： （1）感知与学习。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数（比如传输功率、载波频率和调制技术等），使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：,3. 认知无线电、软件无线电与硬件无线电的比较 表1-4 给

14、出了硬件无线电、软件无线电与认知无线电的结构对比。以便于读者进一步理解软件无线电与认知无线电。,1.4 软件无线电与认知无线电所需技术 软件无线电与认知无线电是一种崭新的综合技术。为了实现软件无线电与认知无线电，需要许多基本的支撑技术。 在这一节中，我们概述软件无线电与认知无线电所需的技术。对于其中一些比较重要的技术，将在后面章节专门叙述。,1.4.1 射频/微波技术 研究射频/微波的产生、放大、传输、辐射、接收和测量的学科称为“/射频微波技术”，它是近代科学技术的重大成就之一。 1. 射频/微波的含义 射频，是指可以通过无线电发射的频率，通常包括中波、短波、超短波、微波等等频段。,2. 常用

15、射频/微波频段 常用射频/微波频段如表1-5所示。,3. 射频/微波频段的用途 频谱作为一种资源，需要进行严格管理。 在国际电信联盟的文件中,规定了雷达、 通信、 导航、 工业应用等无线电设备所允许的工作频段。 表1-6是国际电信联盟规定的各个射频/微波频段的基本用途。各个用途在相应频段内只占有很小的一段频谱。,1.4.2 智能天线技术 天线是无线传输技术的核心器件。 天线阵列是提高天线性能的重要手段。图1-12为边射式天线阵的阵因子方向图。,1. 智能天线的定义 天线与无线通信的收发信机的信号输入、输出端连接，通过无线电波实现收发信机两端间的有效能量传递。 通过设计天线的辐射特性，可以控制无

16、线电波波束电磁能的空间分布，提高无线通信业务质量、频谱利用率和多址通信能力。 智能天线是这样一种天线阵列系统，它通过智能算法来合并天线阵因子的信号，以自动适应不同的信号环境。,2. 智能天线的特点 智能天线实际上是一种空间信号处理技术。 如果把它和时间信号处理技术相结合，就会获得更大的好处。 智能天线采用数字方法对阵元接收的信号加权处理，以形成天线波束。 （1）在用户信号方向：使天线主波束对准用户信号方向； （2）在干扰信号方向：形成天线方向图的零陷、或较低的功率方向图增益。,3. 智能天线的分类 智能天线根据采用的天线方向图形状，可以分为两类。 （1）自适应方向图智能天线； （2）固定形状方

17、向图智能天线。,1.4.3 多输入多输出技术 无线信道存在多径效应，如图1-14所示。无线信道的一个重要特性就是存在衰落。所谓衰落就是信号在通过信道时，所受到的损伤。,1. 分集接收技术 降低衰落的基本方法，就是分集接收技术。这里的分集包含两重含义： （1）分：把同一个信号源发出的信号，分由不同的路径传输，使得同一个信号经由统计上相互独立的路径到达接收机； （2）集：将经由不同路径到达接收机的信号，采用某种处理方法集在一起，以减少衰落对信号传输的影响。,2. 多输入多输出系统 在多径环境中，可以使用多天线系统代替单天线系统。这样，利用空间分集技术，可以大大提高系统的抗衰落性能。 多输入多输出系

18、统，就是在发射端与接收段都使用多个天线。采用多输入多输出技术，还可以有效提高信道容量。,1.4.4 调制解调技术 在无线通信中，在无线信道中传播的是无线电波，调制与解调是实现无线信道传输的基本技术之一。 1. 调制与解调的定义 在发射端，调制的目的，是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号。该信号称为已调信号。 在接收端，需要将接收到的已调信号，还原成系统所传输的原始信号，该过程称为解调。,2. 调制与解调的分类 按照调制器输入信号(该信号称为调制信号)的形式，调制可分为： （1）模拟调制(或连续调制)； （2）数字调制。,3. 无线信道对调制解调的要求 无线移动信道的基本特征是

19、： （1）带宽有限，它取决于可使用的频率资源和信道的传播特性； （2）干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的； （3）存在着多径衰落。,1.4.5 数字信号处理技术 一种软件无线电系统的硬件平台结构如图1-16所示。,1. 软件无线电系统的硬件平台 在最顶级的层次，一个软件无线电系统包括以下四个部分： （1）天线； （2）射频前端； （3）基带数字信号处理器； （4）控制器。,2. 对数字信号处理的要求 软件无线电对信号处理的要求包括： （1）能够执行大量的乘累加运算； （2）具有某些特定模式； （3）大部分处理时间用于执行相对小循环的操作上； （4）具有高速的数据吞吐能力；

20、 （5）信号处理数值范围较宽。,3. 数字信号处理器的功能 软件无线电对数字信号处理的要求，使得信号处理器需要具有以下功能： （1）具有多个可并行运算单元； （2）可提供直接的硬件加速支持； （3）无太多的动态限制。,1.4.6 同步技术 所谓同步，是指收发双方在时间上步调一致，又称为定时。 同步技术是数字通信系统的关键技术之一。 1. 同步技术的分类 在数字通信系统中，按照同步技术的功用不同，可以分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。 ,2. 不同的同步方法 同步技术也是一种信息处理，按照获取和传输同步信息方式的不同，可以有不同的同步方法。 （1） 外同步法。 由发送端发送专门的同步信息（

21、常被称为导频），接收端把这个导频提取出来，作为同步信号的方法，称为外同步法。 （2） 自同步法。 发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。,1.4.7 采样技术 实现软件无线电的基础是数字技术，其核心是数字信号处理技术。为了实现模拟信号的数字处理，首先必须进行模拟信号的数字转换。 1. 模拟信号的数字处理 图1-18为模拟信号的数字处理框图。,2. A/D变换 在软件无线电中，A/D变换器的性能将直接影响系统的性能。如图1-19所示，A/D变换分为两步： （1）采样； （2）量化编码。,3. 采样的要求 图1-20为一般的采样过程。 众所周知，为防

22、止在恢复模拟信号时出现频谱混叠现象，在采样时应满足奈奎斯特（Nyquist）采样定理。 对于给定的最高信号频率，系统所需要的最低采样频率，应该满足奈奎斯特定理给出的条件：,1.4.8 软件技术 软件无线电以软件方式实现各种空中接口，提供各种灵活的无线通信方式。在软件无线电中，软件的作用是非常重要的。 1. 软件无线电的软件设计 软件无线电的软件设计包括： （1）软件的功能； （2）软件与硬件之间的关系； （3）软件的体系结构。,2. 软件无线电软件的特点 涉及软件无线电的软件是比较复杂的。仅仅了解如何根据某个通信的特定功能来编写程序、或研究算法，是远远不够的。 软件无线电的软件应该具有以下特点

23、： （1）具有良好的开放性； （2）采用模块化结构； （3）具有可重用性。,1.4.9 安全技术 由于无线通信系统的开放性，信息传输中的信息安全是一个非常重要的问题。因为在公用无线通信网络中，存在着各种各样的安全漏洞和威胁，所以信息安全涉及的领域相当广泛。 1. 信息安全研究的领域 信息安全需要研究的领域包括：,2. 安全性的体现 软件无线电系统的安全性体现在系统的硬件、软件、系统中的数据都受到保护，不会因为某些原因而遭到： （1）破坏； （2）更改； （3）泄露。,1.4.10 认知技术 认知无线电将人工智能与无线通信相结合，实现了频谱资源的优化配置，可以自动调整系统参数，以优化系统性能。

24、1. 认知引擎 认知无线电的智能核心是系统的认知能力。认知无线电系统的认知引擎执行在通信系统重构中必需的模拟、学习、最优化过程。认知引擎从用户域、无线电域、政策域、无线电系统自身获得信息，进行优化。,2. 认知环 认知引擎的任务包括： （1）优化无线电； （2）观测与学习。 认知无线电通过基于以下环节的分层算法结构，成为学习机器： （1）建模； （2）行动； （3）反馈； （4）知识表示。 认知环分为两层。外部环进行观测与调整无线电，包括以下部分： （1）无线电硬件； （2）环境监测； （3）方案合成； （4）案例决策； （5）链路配置最优化； （6）性能估计。,1.4.11 定位技术 为了保

25、护宝贵的频谱资源，认知无线电系统必须首先知道以下信息： （1）其位置； （2）时间。 在掌握了其位置与时间信息以后，认知无线电系统可以： （1）计算能够最佳连接到网络的另一个成员的天线指向角； （2）设置无线传输数据包，以保证在准确的时隙到达另一个网络成员的接收机处，从而使对网络中的其它用户的干扰最小； （3）引导用户完成日常任务、实现用户目标。,1.5 软件无线电与认知无线电的研究与进展 在本节中，我们简要介绍软件无线电与认知无线电的研究进展。 1.5.1 软件无线电的研究进展 在20世纪70-80年代，无线电的发展进入可编程数字无线电时期，出现了以下三个发展趋势： （1）由模拟向数字发展；

26、 （2）由无编程向可编程发展； （3）由少编程向中等编程发展。,1.5.2 认知无线电的研究进展 1999年，约瑟夫米托拉首次提出认知无线电的概念，描述了认知无线电可以增强个人无线业务的灵活性。 2000年5月，约瑟夫米托拉在瑞典皇家科学院发表博士论文，综述了认知无线电的概念。 围绕约瑟夫米托拉提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型，开展了大量研究，强调软件定义无线电是实现认知无线电的理想平台。 2002年，美国联邦通信委员会发表了报告，用于改变美国频谱政策的技术与影响。筹备认知无线电工作组。,1.6 软件无线电与认知无线电的应用 软件无线电与认知无线电在无线通信领域有着许多的应用。在这一节中，我们简要介绍两个应用示例。 1.6.1 概述 软件无线电技术最早是由军事通信技术发展起来的。所以，它的最早应用也是在军事领域。 由于美国国防部的大量投入，软件无线电技术的研究迅速取得进展