Altera专家：认知无线电，认知一切

　　Ron Wilson，总编辑，Altera公司

　　认知无线电(CR)已经从研究主题，发展到机密情报和军事应用，以及无线网络实用化技术。今天，它即将展开更广泛的应用：作为交通运输、公共事业、楼宇控制等领域大型机器至机器网络每一节点的基本构成;作为蜂窝毫微微基站的支撑技术;以及通信以外的各种应用。

　　对于系统设计人员，除了好奇心之外，有两个原因使得他们现在开始研究CR。第一个是，CR这一概念越来越多的应用于系统无线网络中，从化学工厂传感器网络直至车辆控制和显示等。要理解这些系统需要明白无线电，这是因为CR并不完全是传送网络技术。第二个原因是CR的体系结构代表了很多其他类系统体系结构的未来。您也会遇到这些概念。

　　认知概念

　　简单说，CR是能够理解并适应其信号环境的无线电。这是一种拟人化的解释，需要更进一步的定义。CR检查其访问频谱的功率，隔离在其中找到的信号，并对其进行分类，对比可用带宽和无线电服务主系统当前要求的带宽，然后，制定并执行通信策略，以满足系统比特流和延时要求。这些不同的任务有各种不同的应用重点。

　　目前，认知概念已经用在很多不同的应用中。最早的应用是信号情报和电子战。在这里，CR至少可以用在三种不同的模式中。首先，在情报应用中，CR会检查一段频谱，探测有可能含有信号的功率，将这些潜在的信号按照调制模式、可能的来源以及感兴趣的程度等进行分类，然后，配置接收器通道以采集目标传输信息。如果您认为最感兴趣的内容来自试图隐藏自己的无线电信号，这些信号使用了扩频短脉冲，那么，您会看到在这些应用中，CR会连续监视很宽的频谱，或者全部记录下来，瞬时锁定目标信号。

　　很多电子战应用都是相似的。例如，一台干扰设备会按照这里所介绍的方法来发现信号并进行分类，然后对发射器通道进行配置，以便实时干扰特定的传输信息。在战场通信应用中，CR会进行扫描并识别，然后，将要传输的信息放在环境中其他信号之间，这样很难被探测到。

　　民用

　　如果已经开展了军事应用，那么，民用也会很快跟上。三种基本相同的功能是感知、分类和自适应，已经应用于很多其他简单的环境中。例如，一台蜂窝手机周期性的检查来自附近基站的信号，切换小区，甚至会相应的切换空中接口标准。相似的，蜂窝毫微微基站——您可以买到的最小的基站，学习时可以把它放到桌面上，这种基站需要连续探测数据流以及其带内的干扰电平，根据所在地方和时间范围内的自由频谱来调整其功率输出，选择要使用的通道。以这种方式，毫微微基站增强了空间利用率，从而提高了网络总容量，而不会由于建筑物干扰导致容量降低。例如，Mindspeed技术公司在这一领域拥有一些关键知识产权。

　　CR一种新出现的应用是中距机器至机器无线网络。应用包括智能电网、车流量控制以及校园级楼宇管理等。据 Weightless特殊兴趣组首席技术官William Webb，很多这类网络会使用所谓的空白电视信号频段：在电视带宽范围内本地未被占用的通道。但是在这一频段内，不允许任何设备干扰任何人的电视接收，也不能干扰已经获得许可的空白电视信号无线电，但是有可能与其他未获得许可的低功率设备相互干扰。实际上，Weightless建议的解决方案是认知无线网络基于不具有认知功能的小型无线电终端。

　　结构图

　　理解这些各种需求怎样影响无线电设计最好的方法是了解设备的功能，研究应用需求是怎样改变设计的。

　　这类讨论最好是从软件无线电(SDR)开始。据IMEC的首席科学家Sofie Pollin，理想的SDR根本就没有模拟功能。这类无线电直接对来自天线的整个频段进行数字化处理，然后，提取出需要的信号，完全使用软件编程数字处理器进行解调。这样，软件定义的部分：无线电滤波、解调、基带处理以及发送侧的反向处理等，可以在软件中进行，也可以在由软件配置和参数赋值的硬件中执行。这样，无线电设备只需要调用不同的功能或者传递不同的参数就可以改变通道、频带、调制方式、协议，以及纠错方法等。

　　Pollin很快指出，这种想法在实际中是很难实现的。在很多应用中，对天线信号直接进行数字化处理需要速度很快的模数转换器(ADC)，以及很宽的动态范围，其本身就是一项科学工程。因此，实际的SDR进行了折中：高度可配置的模拟RF级，以及可配置ADC之前的下转换器，如 图1 所示。

　　在这一实际的SDR中，我们增加了三个功能模块以实现无线电认知功能，如 图2 所示。这些模块实现了前面介绍的三种基本功能：感知、分类和自适应。它们是怎样改变SDR的，这是一个与应用密切相关的问题。