软件无线电和认知无线电技术

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随着软件无线电技术的发展,智能无线电技术逐渐成为通信领域关注的热点,并给无线通信带来新的发展空间。讲座将分为3 期对智能无线电技术技术进行介绍:第1 期讲述智能无线电技术的背景及发展现状;第2 期详细介绍了智能无线电技术中的关键技术——软件无线电的架构,并从其应用及通用平台设计角度分析各类平台的优缺点;第3 期介绍了软件无线应用中的多种开发工具。

1、智能无线电背景及发展现状

软件无线电(SDR)和认知无线电(CR),是目前智能无线电技术技术讨论的主要热点。随着SDR 和CR 的深入研究,人们已经意识到其潜在能力不仅停留在最初要解决的问题上,还可以具有超出通信领域更广泛、更强大的应用。第1 节从智能无线电技术需要解决的问题入手,介绍了SDR 和CR 概念的由来、关键技术概述以及应用情况,并讨论了SDR和CR 的关系。

1.1 无线通信中的两个问题

随着通信技术的发展,出现了越来越多的信号形式和各种各样的无线通信系统及标准,通信行业出现了空前的繁华。伴随着这些系统和标准发展也出现了两大问题,针对这两个问题智能无线电技术被提出并得到了广泛探讨。

不同通信系统间的协同工作、无缝连接、多标准及多模式兼容成为了一大难题。例如,在大规模普及的无线移动通信中,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通过系统升级,融入先进的技术,不断为用户提供高质量的通信服务。但是,从1G到4G 的发展过程中,暴露出一些体制升级带来的严重问题。对系统的反复重新设计和硬件的不断更新换代,不仅消耗昂贵的成本,而且浪费了很多资源,同时给终端用户也带来诸多不便。为此,越来越多的服务提供商和用户都开始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)。当然,这些问题并非仅存在于移动通信中,而是一直普遍存在于各类通信形式中。在这样的背景下,人们在无线通信系统设计中提出了一种经得起时间考验的系统设计方法—— 软件无线电。

无线通信中的另一个重要问题是频谱资源的有效利用率低。目前对于频谱资源管理,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。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15~85%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导致频谱资源利用极不均衡。显然,真正的问题不是频谱资源的匮乏,而是我们目前采用的固定频谱分配制度,该制度是一种频谱利用率极其低下的分配制度。如何对不可再生的频谱资源合理再利用并实现频谱共享,已成为目前全球性的研究热点。为解决频谱资源的有效利用问题,基于软件无线电的认知无线电应运而生了。

1.2 软件无线电

软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效而且相当经济的解决方案,可以通过软件升级实现功能提高。软件无线电可以使整个系统(包括用户终端和网络)采用动态的软件编程对设备特性进行重配置,也就是说相同的硬件可以通过软件定义来完成不同的功能。

人们逐渐认识到SDR 的潜力并非仅局限于通信领域,它也可应用在无线电工程的其他相关领域,如雷达、电子战、导航、广播电视、测控等。而软件无线电论坛对软件无线电的定义更加全面、系统,它强调了软件无线电是一种新型的体系结构,是一种解决方案,同时强调通过动态的软件编程可以对相同的硬件进行重构,使之完成不同的功能等思想。SDR 的第3 种定义,已经超出了通信领域,它讨论的是现代无线电工程。相比一个无线电系统,SDR 更像是一种设计方法和设计理念。第3 种定义强调平台硬件结构简单化,便于重构和升级的构件化功能软件。

从上述讨论中,我们对软件无线电的特点有了一定的认识,其具体特点可以概况为:天线智能化、前端宽带化、硬件通用化、功能软件化和软件构件化。简单地说,具备这些特点的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。图1 给出了软件无线体系框架。

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图1、软件无线电体系框架

对于软件无线电,人们关注最多的是它的组成结构、硬件实现、技术可行性等,一开始很少有人关心软件无线电的理论支撑,因此造成从事软件无线的相关新人无法客观地认识软件无线体系。图1 给出了软件无线电体系框架,比较系统地描述SDR体系,包括软件无线电的理论体系、软件无线电的技术体系以及软件无线电的应用体系。目前软件无线电的理论、软件算法及应用等并不局限于图1 里提及的。图2 给出了一种实际的SDR 体系,它是一种全球微波互联接入(WiMAX)网络中的实际SDR架构。

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图2、一种WiMAX 网络中的实际SDR 架构

软件无线的应用较为广泛。软件无线电的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,已遍布到无线电工程的每一个角落:从3G 到4G,从美军的多频段多模式电台(MBMMR)到联合战术无线电系统(JTRS)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全球定位系统(GPS)也要进行软件化设计,以适应未来导航技术的发展需要。

1.3 智能化软件无线电——认知无线电

认知无线电概念最早是由瑞典Joseph Mitola 博士于1999 年8 月提出的,是对软件无线电功能的进一步扩展。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前面提到的频谱资源的有效利用问题。

认知无线电是一种具有频谱感知能力的智能化软件无线电,它可以自动感知周围的电磁环境,通过无线电知识描述语言(RKRL)与通信网络进行智能交流,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(包括通信频率、发射功率、调制方式、带宽等)实时地调整到最佳状态,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,并且无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性以及频谱利用的高效性。

认知无线电的架构设计原则是将SDR、传感器、感知和自主机器学习(AML)融合在一起,利用在射频(RF)端和用户域中的观察(传感、感知)、导向、规划、决策、行动和学习(OOPDAL 环)能力,来提供更好的信息质量(QoI),并且利用SDR、传感器、感知和AML 集成在一起创造意识、自适应和认知无线电,在射频和用户域完成从简单的感知或自适应变换为确定的认知无线电。图3 给出了理想认知无线电功能组件架构,包括了SDR 单元和相关认知单元。认知无线电架构在计算智能和学习能力上提升了软件无线电。

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图3、理想认知无线电功能组件架构

图4给出了最简单的由意识与自适应迈向认知无线电的节点结构,便于读者从功能特性上来认识认知无线电。该节点结构包括了6 种功能单元。

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图4、最简单的由意识与自适应迈向认知无线电的节点结构

6 种认知无线电架构(CRA)功能单元分别是:

· 用户传感感知(USER SP)接口,包括触觉、听觉和视觉感觉与感知功能。
· 本地环境传感器,包括位置、温度、加速计、指南针等。
· 系统应用,例如玩网游等独立于媒体的服务。
· SDR 功能,包括射频感知和SDR 无线应用。
· 认知功能,用于系统控制的符号训练、计划和学习。
· 本地效应器功能,包括语音合成、文本、图形和多媒体显示。

认知无线电的主要特点是它的重构能力,它不仅要完成最主要的通信功能,同时还需要具备包括信道搜索与信号分析在内的电子侦察的功能。认知无线电的体系结构如图5所示。

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图5、认知无线电体系结构

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,通过波形产生模块并且快速形成链路建立信号,同时主动发向对方,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。认知协议完成感知信息交换,即将收发两方的“频谱空穴”信息互相传递,解决了己方不清楚对方“频谱空穴”的问题。

由上述分析可知,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,但其功能实现还需要借助于软件无线电来实现。

1.4 SDR 和CR 的关系

认知无线电的主要特点之一就是自适应性,即根据无线通信环境、用户所在位置、网络条件、地理位置等信息的变化来改变通信参数(包括频率、功率、调制方式、带宽等)。这种动态加载性,正是SDR 具备的能力,由于不使用特定功能的模拟电路和器件,SDR 能够提供一种灵活的无线通信功能。由此看来,认知无线电的一种良好的实现方式就是围绕SDR 来进行设计,也就是说,SDR 技术可以认为是CR 技术实现的基础内核。正如Joseph Mitola 博士所说,CR是对SDR 功能的进一步扩展,可以理解为CR 能够根据所处环境和地理位置以及内部状态,能自行调整其运行的功能应用来达到定制目标的SDR。

CR 的模型可能存在多种,从功能上简单划分,可以分成四大模块:认知模块、上层功能模块、内部和外部感知模块、软件定义无线电模块,如图6 所示。

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图6、SDR 和CR 关系

认知模块根据输入参数的变化来控制SDR,这些参数是从无线环境、用户内容和网络学习(感知)中获得;认知模块对无线电硬件的性能和硬件设备可以认知,可以知道无线通信参数。SDR 模块就是基于软件的数字信号处理组件( 如GPP/DSP/FPGA 等可编程器件)和软件可调射频组件(如电子可调滤波器)。由于SDR 支持多种标准(如GSM/EDGE/WCDMA/CDMA2000/Wi-Fi、WiMAX),同时支持多种接入技术(如TDMA/CDMA/OFDMA/SDMA),并且支持宽频带不同带宽的工作方式,其应用非常灵活。

将SDR 和CR 相比较,我们会发现: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。

目前,软件无线电仍未得到完全发展,对于软件无线电平台的开发,对软件无线电应用以及认知无线电的开发都具有重要意义。在第2 讲中我们将重点介绍CR 技术的基础核心SDR 的架构,以期对相关软件无线电和认知无线电预研人员或正在跟踪项目的开发人员提供技术信息支持。

 

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