从软件无线电到认知无线电_走向终极无线电_无线通信发展展望_杨小牛
第1期2008年2月
中国电子科学研究院学报
J o u r n a l o f C A E I T
V o l .3N o .1
F e b .2008
收稿日期:2007-10-14 修订日期:2007-11-15
综 述
从软件无线电到认知无线电,走向终极无线电
———无线通信发展展望
杨小牛
(中国电子科技集团公司第36研究所,浙江嘉兴 314033)
摘 要:介绍软件无线电三种基本结构及认知无线电基本概念的基础上,提出了基于电子侦察原理的一种新的认知无线电实现架构及其对应的认知循环过程。同时,针对认知无线电存在的问题,提
出了基于盲源分离的认知无线电———终极无线电(u l t i m a t e r a d i o )的新概念,并对其实现的可行性进行了初步的分析讨论。
关键词:软件无线电;认知无线电;终极无线电中图分类号:T N 91 文献标识码:A 文章编号:1673-5692(2008)01-001-07
S o f t w a r e R a d i o ,C o g n i t i v e R a d i o a n d U l t i m a t e R a d i o
—AP r o s p e c t o f Wi r e l e s s C o m m u n i c a t i o n
Y A N GX i a o -n i u
(T h e 36t hR e s e a r c hI n s t i t u t e o f C E T C ,Z h e j i a n g J i a x i n g 314033,C h i n a )
A b s t r a c t :T h r o u g h a r e v i e wa n d o u t l o o k o f t h r e e b a s i c s t r u c t u r e s o f s o f t w a r e r a d i o (S R )p r o p o s e d b y t h e a u t h o r a n d t h e f u n d a m e n t a l c o n c e p t o f C o g n i t i v e R a d i o (C R ),t h e p a p e r p r e s e n t s a n e wf r a m e w o r k o f C R
a n d i t s c o r r e s p o n d i n g c o g n i t i v e c y c l e
b a s e do nt h e p r i n
c i p l e o f e l e c t r o n i c r e c o n n a i s s a n c e .F u r t h e r m o r e ,f a c e
d w i t h t h
e e x i s t i n g p r o b l e m s o
f C R ,t h e a u t h o r p u t s f o r w a r dan e w c o n c e p t o f S R -U l t i m a t e R a d i o (U R )b a s e d o n t h e t h e o r y o f b l i n d s o u r c e s e p a r a t i o n (B S S ).T h e f e a s i b i l i t y o f r e a l i z i n
g U Ri s a l s o d i s -c u s s e d .K e y w o r d s :s o f t w a r e r a d i o ;c o g n i t i v e r a d i o ;u l t i m a t e r a d i o
0 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G S M 、C D M A 手机)的普及程度在几年前是不可想像的,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 ※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D S P 和/或F P G A 和/或A S I C 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
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中国电子科学研究院学报
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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,信号又非常地拥挤,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(C R ,c o g n i t i v e r a d i o )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。
1 现代无线电工程的统一方法———软
件无线电
软件无线电(s o f t w a r er a d i o )是J o eM i t o l a 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M B M M R (多频段多模式电台)到J T R S (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G P S 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(A D C ),数字化后的信号经过F P G A 或/和D S P 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F P G A 或/和D S P 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D A C 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。如图1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。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F P G A /D S P 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1 理想的软件无线电结构
如图1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A D 采样至少是带宽的两倍,比如:对于工作在2～2000M H z 的J T R S 电台,其采样频率至少是4G H z ,考虑到滤波器矩形系数,采样频率需要超过5G H z ,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A D C 后续的信号处理(F P G A /D S P )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L N A 还是高速A D C ,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[2]
: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。
2 软件无线电的三种基本结构
基于低通采样的软件无线电结构如图2所示。低通采样软件无线电结构与理想软件无线电结构是类似的,其主要差别是在A /D 前增加了低通滤波器,以降低对A /D 采样速率的要求。低通滤波器的截止频率f c 取决于软件无线电系统的工作频段,比如对于短波工作频段,其截止频率可取30M H z ;对于工作在30～88M H z 的战术超短波频段,其截止
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频率可取88M H z,如此等等。根据奈奎斯特采样定
理,低通采样软件无线电结构的A/D采样频率取决
于低通滤波器的截止频率f c,由式(1)确定[2]
f c≥(r+1)f c(1)
式中,f c为低通滤波器的截止频率;r为低通滤波器
的矩形系数(r>1)。
图2 基于低通采样的软件无线电结构
由式(1)可知,为了保持合适的A/D采样频率,
低通滤波器的截止频率(软件无线电的最高工作频
率)不能取得太高,这就限制了低通采样软件无线电
结构的应用范围。从目前的器件水平来看,当要求具
有比较大的动态范围时(≥60d B),低通采样软件无
线电结构只适用于短波和超短波频段(≤100M H z)。
如果要求工作频段较高(≥2G H z),则可以采样软件
无线电的第二种结构———基于带通采样的宽带中频
数字化软件无线电结构,如图3所示。
图3 基于带通采样的宽带中频软件无线电结构
中频带通采样软件无线电结构采用了多次混频
体制或叫超外差体制,它首先把工作频段上的某一
感兴趣的宽带射频信号经过放大、混频和滤波变换
到统一的中频F I F上,最后由A/D变换器对中频信
号进行采样数字化,并送到F P G A或D S P进行软件
化处理(数字下变频、数字滤波、数字解调等)。初
看起来,中频带通采样软件无线电结构与普通超外
差接收机没有太多区别,但中频带通采样软件无线电
的主要特点是中频带宽宽(比如可宽达100M H z),对
信号的适应能力强,而且其完成的功能都由驻留在
F P
G A或D S P中的软件实现。由于这种软件无线电
结构采用了中频数字化体制,A/D采样速率只取决
于中频带宽B,并由式(2)确定[2]
f s≥(r+1)B(2)
式中,B为中频带宽;r为中频滤波器之矩形系数
(r>1)。同时,中频频率f I F与采样频率f s需满足关
系式(3)
f I F=
(2n+1)
4
f s(3)
式中,n可取任一正整数(0、1、2、3、4、…)。比如:当
B=20M H z,f s=56M H z时(这时要求r≤1.8),中
频频率f I F可取70M H z标准中频(取n=2)。
宽带中频带通采样软件无线电结构的最大好处
是降低了对A/D采样速度的要求,使软件无线电的
工程化更具可实现性。可以说,目前的软件无线电
平台基本上都是基于这一结构开展研发的,通俗而
言,都属于中频数字化的软件无线电,不同之处主要
在于中频带宽根据不同需求有宽有窄。但是,中频
数字化软件无线电由于采用了超外差体制,使得射
频前端复杂化,这是与软件无线电提出的初衷不一
致的,或者说,这种软件无线电与理想的软件无线电
存在较大的差距。为解决软件无线电工程化与理想
软件无线电之间存在的冲突,作者又提出了第三种
软件无线电结构———基于射频直接带通采样的软无
线电结构,如图4所示。
图4 射频直接带通采样软件无线电结构
这种结构与理想软件无线电的不同之处主要是
增加了一个宽带跟踪滤波器(或叫宽带电调滤波
器),该滤波器的作用是在其工作频段上选取所需
接收处理的信号,并经过放大后直接送到A/D进行
采样数字化。所以,A/D采样所面对的信号仍然是
射频信号,但采样体制采用的是带通采样。为了实
现对整个工作频段信号的直接采样,可以证明[2]需
要由多个不同的采样频率来完成,其中一个称其为
主采样频率,另外若干个称其为“盲区”采样频率,
主采样频率f s仍由式(2)、(3)确定,而“盲区”采样
频率f s m由式(4)确定
f s m=2m+2
2m+3
f s(4)
式中,m为采样盲区号,取0、1、2、3、…、M,采样盲区
的最大序号M为
M=i n t
2f m a x
f s
-1(5)
4
中国电子科学研究院学报2008年第1期
式中,f m a x为软件无线电的最高工作频率,i n t表示取整数。比如,当f m a x=2G H z,f s=250M H z时,则M= 15,也就是说,需要M+1=16个“盲区”采样频率和一个主采样频率,方能实现对2G H z工作频段的全采样。这种射频直接带通采样的好处在于,在跟踪滤波器的配合下,通过多采样率采样,无需进行变频等模拟处理环节就能实现对射频信号的全频段无混叠数字化,其硬件结构与理想软件无线电非常接近,是未来软件无线电的发展方向。跟踪滤波器是射频直接带通采样软件无线电的关键部件,另外这种采样体制对A/D的采样保持器也提出了更高的要求,即要求A/D具有更高的模拟输入频率指标,这是实现射频直接带通采样软件无线电的两大难点。但随着微电子器件和超导技术的不断进步,无论是大带宽A/D,还是高性能的跟踪滤波器都是有望实现的。
经过十几年全世界范围的广泛研究,软件无线电得到了快速的发展,特别是软件无线电以硬件为核心到以软件为核心的设计理念的转变已渗透到无线电工程的各个领域,并将继续深刻影响和引领无线电工程的未来发展。尤其是认知无线电的提出,将为软件无线电带来新的发展机遇和发展空间[3]。
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J o s e p h M i t o l a博士于1999年8月提出的[4],是对软件无线电(S D R)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(R K R L)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,S D R关注的是采用软件方式实现无线电系统信号的处理;而C R 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,C R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。
J o s e p h M i t o l a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(F C C)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。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。
4 认知无线电体系结构及其认知循环 过程
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
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杨小牛:从软件无线电到认知无线电,走向终极无线电
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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5所示。
图5 认知无线电体系结构
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(R K R L )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。
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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。上述过程就
是基于电子侦察原理的认知无线电认知循环过程,
如图6所示。
图6 基于电子侦察原理认知循环过程
从以上讨论可以看出,实现认知无线电的关键
技术是感知对方所处环境的“频谱空穴”,以便在此
空闲信道上建立通信。但要准确、快速、大范围感知
“频谱空穴”并不是件容易的事,甚至需要付出很高
的代价。下面介绍作者提出的基于盲源分离的无线
通信新技术,利用该技术可以不用感知“频谱空
穴”,而是在所期望的任意信道上进行自由通信,不
用管在该信道上是否存在其他通信信号或干扰信
号,因为在接收端采样盲源分离可以完好地分离出
所需要的通信信号。作者把这种软件无线电称之为
终极无线电(u l t i m a t e r a d i o)。
5 基于盲源分离的软件无线电———终
极无线电
所谓的盲源分离(B S S)[6]就是在只知道观察信
号,而不知道源信号及混合矩阵的任何信息的前提
下,对源信号进行分离(估计)的过程。基于盲源分
离的终极无线电(U R)架构如图7所示。
图7 基于盲源分离的终极无线电架构
盲源分离的主要特点是需要采用天线阵进行阵
列信号处理:在接收端,多阵列天线接收的信号通过
T/R组件(完成模拟下变频)送到多通道A D C进行
采样数字化,并采用盲源分离(B S S)技术对在频谱
上重叠的信号进行分离,最后送到软件解调模块进
行解调处理;在发射端,调制后的数字信号首先进行
数字波束形成(D B F)产生需发送的中频数字化信
号,再经过D A C转变为模拟中频信号,最后通过上
变频(由T/R组件完成)变换为射频信号,如图7所
示。盲源分离是实现U R的前提和关键,下面简单
介绍一下盲源分离的基本原理。
假设从m个天线观察到的信号向量为x(t)=
[x1(t)x2(t)…x m(6)]T,n个信源发射的信号向量
为:s(t)=[s1(t)s2(6)…s n(t)]T,其中x i(t)表示第
i(i=1,2,…m)个接收天线在t时刻观察到的信号
值,而s i(t)则表示第i(i=1,2,…,n)个信源在t时
刻发射的信号值。
则盲源分离的线性混合模型为
x(t)=H s(t)+v(t)(6)
式中,H是混合矩阵,其矩阵元素h i j是第i个接收天
线和第j个发射天线之间的传输系数,它与阵列的
组阵形式有关;v(t)是噪声。
盲源分离技术就是根据观察到的信号矢量
x(t),在不知道混合矩阵H和源信号s(t)的任何信
息的前提下,寻找一个分离矩阵W,使得y(t)=
W x(t)的各分量是源信号s(t)的一个估计。
在源信号之间统计独立的前提下,盲源分离
(B S S)技术和独立分量分析(I C A)相一致,因此在
很多场合,一般不区分B S S和I C A。这时如果
y(t)=W x(t)=W(t)H(t)s(t)+W(t)v(t)
=Λ(t)P(t)s(t)+v(t)
(7)
式(7)的各分量相互独立,其中Λ(t)是实对角阵,
而P(T)是任意交换阵,这时我们就说y(t)是s(t)
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杨小牛:从软件无线电到认知无线电,走向终极无线电
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的一个估计,从而分离出了信号源中的各个独立成份。理想情况下(没有噪声),如果我们找到的分离矩阵W 刚好是H 的逆,即Λ(t )P (t )是单位阵,则
y (t )=W x (t )=H -1
H s (t )=s (t ),这时就可以准确地分解出s 中的各个独立信号。基于I C A 的盲源分离的最大好处在于,它只要求多个源信号之间相互独立,就能对其进行分离,而不管这多个源信号在频谱上是否重叠。
盲源分离技术自从20世纪90年代初提出以来,已在语音信号处理、图像信号处理、生理学数据分析及人脸识别等方面获得应用,而在通信领域的应用研究还刚刚起步。有关盲源分离或独立分量分析算法在这里不作讨论,大家可参考文献[7]、[8]。图8给出了对实际调频广播电台信号进行的盲分离
试验结果[8]
:上图为F M 广播信号与单音调制信号分离前的混合信号;中图为分离后的单音信号;下图为分离后的F M 广播话音信号。分离前只能听到很强的单音干扰信号,分离后则能清晰听到广播信号,分离效果非常明显,充分说明了盲源分离的有效性和技术上的可行性。
图8 基对实际调频广播信号的盲源分离试验
提出基于盲源分离的终极无线电概念,其主要意图是想彻底解决频谱资源的有效利用问题,并最终实现频谱共享、自由使用。当然,终极无线电的实现还面临诸多技术挑战,更需要付出巨大努力。但作者相信,随着技术的不断进步,终极无线电必将付之实现,并获得应用。
6 结 语
从20世纪90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,它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。本文最后提出了基于盲源分离的终极无线电的概念,是对软件无线电和认知无线电的进一步拓展,终极无线电的实现还面临许多技术难题,希望本文能“抛砖引玉”。参考文献:
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作者简介
杨小牛(1961-)
,男,浙江龙游人,硕士,研究员级高级工程师,中国电子科技集团公司第36研究所副所长,研究方向为通信对抗、软件无线电、认知无线电,曾发表学术论文数十篇,获得国家科技进步一、二等奖各一次,多次获得部级科技进步奖。
认知无线电的发展历程与现状
认知无线电的发展历程与现状 认知无线电的发展历程与现状 摘要：认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互 信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生，认知无线电就是通过频谱感知(Spectrum Sensing )和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA dynamic spectrum allocation )和频谱共享(Spectrum Shari ng )。本文主要分析认知无线电的起源，认知无线电的关键技术概要，认知无线电的相关标准化进程以及认知无线电的应用场景等多个方面，对认知无线电进行一个概述，从而加深对无线电的认知与了解。关键字：认知无线电、起源、关键技术、标准化、应用 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Sha nnon理论。 美国联邦通信委员会的大量研究表明：ISM频段以及适用于陆地移动通信的2GHz 左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲。因而提出了认知无线电。认知无线电是一种智能频谱共享技术。它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，进而显著地提高频谱的利用率，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 1. 认知无线电的发展历程
收音机的百年辉煌发展史
收音机的百年辉煌发展史 收音机是凝聚着太多的东西，她是一部辉煌的科技史，是一部繁复的社会史，也是一部精美的艺术史...... 收音机的出现 在1844年，电报机被发明出来，可以在远地互相通讯，但是 还是必须依赖导线来连接。而收音机讯号的收、发，却是「无线电 通讯」；整个无线电通讯发明的历史，是多位科学家先后研究发明 的结果。 1888年德国科学家赫兹(Heinrich Hertz)，发现了无线电波 的存在。1895年俄罗斯物理学家波波夫(Alexander Stepanovitc h Popov)，宣称在相距600码的两地，成功地收发无线电讯号。 同年稍后，一个富裕的意大利地主的儿子年仅21岁的马可尼( Guglielmo Marco ni)在他父亲的庄园土地内，以无线电波成功地进行了第一次发射。 1897年波波夫以他制做的无线通讯设备，在海军巡洋舰上与陆地上的站台进行通讯成功。 1901年马可尼发射无线电波横越大西洋。 1906年加拿大发明家费森登(Reginald Fessenden)首度发射出声音，无线电广播就此开始。 同年，美国人德．福雷斯特(Lee de Forest)发明真空电子管，是真空管收音机的始祖。
之后，又有改良的半导体收音机（原子粒收音机）、电晶体收音机出现。 收音机发展史上的几件大事 1923年1月23日，美国人在上海创办中国无线电公司，播送广播节目，同时出售收音机，以美国出品最多，其种类一是矿石收音机，二是电子管收音机。 1953年，中国研制出第一台全国产化收音机（“红星牌”电子管收音机），并投放市场。 1956年，研制出中国第一只锗合金晶体管。 1958年，我国第一部国产半导体收音机研制成功。 1965年，半导体收音机的产量超过了电子管收音机的产量。 1980年左右是收音机市场发展的高峰时期。 1982年，出现了集成电路收音机和硅锗管混合线路和音频输出OTL电路的收音机。 1985年至1989年，随着电视机和录音机的发展，晶体管收音机销量逐年下降，电子管收音机也趋于淘汰。收音机款式从大台式转向袖珍式。 直到现在，科技越来越发达，收音机的更新换代也很快。 发展中的第一个阶段 时间：出现到20世纪初 19世纪四十年代，是电气的广泛应用的时代。 主要的成果有：第一，新能源的大规模应用， 如电力，煤炭等。第二，内燃机的发明解决了 长期困扰人类的动力不足的问题。第三，第三， 通讯工具的发明。收音机的出现也是关乎于这 个时代。刚开始出现的收音机在形态上都是比
认知无线电中频谱感知技术研究+Matlab仿真
毕业设计（论文）题目：认知无线电中频谱感知技术研究专业： 学生姓名： 班级学号： 指导教师： 指导单位： 日期：年月日至年月日
摘要 无线业务的持续增长带来频谱需求的不断增加，无线通信的发展面临着前所未有的挑战。无线电频谱资源一般是由政府统一授权分配使用，这种固定分配频谱的管理方式常常会出现频谱资源分配不均，甚至浪费的情形，这与日益严重的频谱短缺问题相互矛盾。认知无线电技术作为一种智能频谱共享技术有效的缓解了这一矛盾。它通过感知时域、频域和空域等频谱环境，自动搜寻已授权频段的空闲频谱并合理利用，达到提高现有频谱利用率的目的。频谱感知技术是决定认知无线电能否实现的关键技术之一。 本文首先介绍了认知无线电的基本概念，对认知无线电在 WRAN 系统、UWB 系统及 WLAN 系统等领域的应用分别进行了讨论。在此基础上，针对实现认知无线电的关键技术从理论上进行了探索，分析了影响认知网络正常工作的相关因素及认知网络对授权用户正常工作所形成的干扰。从理论上推导了在实现认知无线电系统所必须面对的弱信号低噪声比恶劣环境下，信号检测的相关方法和技术，并进行了数字滤波器的算法分析，指出了窗函数的选择原则。接着详细讨论了频谱检测技术中基于发射机检测的三种方法：匹配滤波器检测法、能量检测法和循环平稳特性检测法。为了检验其正确性，借助 Matlab 工具，在Matlab 平台下对能量检测和循环特性检测法进行了建模仿真，比较分析了这两种方法的检测性能。研究结果表明：在低信噪比的情况下，能量检测法检测正确率较低，检测性能远不如循环特征检测。 其次还详细的分析认知无线电的国内外研究现状及关键技术。详细阐述了频谱感知技术的研究现状和概念，并指出了目前频谱感知研究工作中受到关注的一些主要问题，围绕这些问题进行了深入研究。 关键词：感知无线电；频谱感知；匹配滤波器感知；能量感知；合作式感知；
软件无线电(个人整理)
1. 软件无线电是什么
无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置， 几乎任何领域都使用无线通信， 包括有 商业、气象、金融、军事、工业、民用等。我们可从通信系统、调制方式、多址方式等几方 面可看到无线通信系统种类的繁多。 类 别 通信系统 调制方式 多址方式 种 类
卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、 微波通信系统等 AM、FM、LSB、USB、ISB、FSK、PSK、MSK、GMSK、QAM 等 时分多址（TDMA） 、频分多址（ FDMA）和码分多址（CDMA）等
各种通信系统由于自身的特点而适用于各种特定的场合，例如： 短波电台适合远距离，其所需的发射功率不大，传输的“中继系统” —电离层不会被 摧毁；卫星通信能传播高质量的信息，所能提供的频带很宽 微波通信抗干扰能力强，适合大量的数据传输，但只能在点与点之间传输，传输距离 又有一定的限制 由于无线通信的设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点，在军事和民用通信领域 中都是不可缺的重要通信手段。 然而， 电台往往是根据某种特定的用途而设计的， 功能单一， 有些电台的基本结构相似，而信号特征差异很大。比如，工作的频段不同，调制方式不同， 波形结构不同，通信协议不同，数字信息的编码方式、加密方式不同等等。电台之间的这些 差异极大地限制了不同电台之间的互通互连。 经过几十年的发展， 无线通信已有很大的发展， 通信系统由模拟体制不断向数字化体制过渡， 因此是否可能在数字化体制础上一个电台能满足多调制方式和多址方式， 从而根椐需要构成 多种通信系统呢。 我们先看一下一个数字蜂窝网接收站, 显示在图 1 中。 （注意： 为了说明软件无线电的概念， 这里给出了无线电的接收装置部分） 。
图 1：窄带无线接收装置
认知无线电学习笔记二-频谱感知方法总结
研究初期。大量文献。判断有无信号传输。识别信号类型。 1)匹配滤波器 主用户信号已知时最佳。感知速度快。但对信号已知信息的要求高，感知单元的实现复杂度极高（需要对大量类型信号的匹配滤波）。 2)基于波形的感知 已知主用户信号的patterns（用于同步等的前导序列等等），对观测数据做相关。在稳定性和收敛速度上比基于能量检测的感知要好。 判决门限的选取。信号功率因信道传输特性和收、发信机之间的距离的不确定性而难以估计。实际中，可由特定的虚警概率给出门限，此时只需知道噪声方差。 3)基于循环平稳性的感知 信号的平稳特征由信号或信号统计量（期望、自相关等）周期性引起。利用循环相关函数（而非功率谱密度）检测信号，可将噪声与信号分离。因为噪声广义平稳无相关量，而调制信号由于循环平稳而存在谱相关。循环谱密度（CSD）函数的计算是对循环自相关函数做傅里叶变换。循环频率与信号的基本频率一致时，CSD函数输出峰值。 4)基于能量检测的感知 低运算复杂度和低实现复杂度。缺点在于：判决门限的选择困难；无法区分能量来源是信号还是噪声； 低SNR条件下性能差。噪声水平的动态估计，降秩特征值分解法。GSM时隙能量检测，需与GSM系统同步，检测时间限制在时隙间隔内。FFT之后频域能量检测。检测概率在各种信道条件下的闭式解。 5)无线电识别 识别主用户采用的传输技术。获得更多的信息，更高的精度。比如蓝牙信号的主用户位置局限在10m 之内。特征提取和归类技术。各种盲无线电识别技术。 6)其它感知方法 多窗口谱估计。最大似然PSD估计的近似，对宽带信号接近最优。计算量大。 Hough变换。 基于小波变换的估计。检测宽带信道PSD的边界。 协同感知—— 协同（合作、协作）用来应对频谱感知中噪声不确定性、衰落和阴影等问题。解决隐终端问题，降低感知时间。提出有效的信息共享算法和处理增加的复杂度是协同感知要解决的难题。控制信道可利用：1）指配频带；2）非授权频带；3）衬于底层的UWB。 共享信息可以是软判决或硬判决结果。（基于能量检测的）感知合并方式：等增益合并、选择式合并、Switch & Stay（扫描式）合并。协同算法应：协议开支小；鲁棒性强；引入延迟小。 非协同感知，优点为计算和实现简单，缺点为存在隐终端问题、多径和阴影的影响。 协同感知，优点为更高的精度（接近最优）、可解决阴影效应和隐终端问题；缺点为复杂度高、额外通信流量开支和需要控制信道。 协同感知的两种实现形式： 1)中心式感知。中心单元广播可用频谱信息或直接控制CR通信。AP。硬信息合并、软信息合并。 2)分布式感知。彼此共享信息，自己对频谱做出判决。不需要配置基础结构网络。 外部感知—— 外部感知网络将频谱感知结果广播给CR。优点：可解决隐终端问题和衰落及阴影引起的不确定性；CR无需为感知分配时间，提高频谱效率；感知网络可以是固定的（避免电池供电）。外部感知可以是连续的或周期性的。感知数据传递给中心节点进一步处理，并将频谱占用信息共享。
无线电导航的发展历程
1．无线电导航的发展历程 无线电导航是20世纪一项重大的发明 电磁波第一个应用的领域是通信，而第二个应用领域就是导航。早在1912年就开始研制世界上第一个无线电导航设备，即振幅式测向仪，称无线电罗盘(Radiocompass)，工作频率0.1一1.75兆赫兹。1929年，根据等信号指示航道工作原理，研制了四航道信标，工作频率为0.2一0.4兆赫兹，已停止发展。1939年便开始研制仪表着陆系统(ILS),1940年则研制脉冲双曲线型的世界第一个无线电定位系统奇异(Gee)，工作频率为28一85兆赫兹。1943年，脉冲双曲线型中程无线电导航系统罗兰A(Loran-A)投入研制，1944年又进行近程高精度台卡(Dessa)无线电导航系统的研制。 1945年至1960年研制了数十种之多，典型的系统如近程的伏尔(VOR)、测向器( D ME)、塔康(Tacan)、雷迪斯特、哈菲克斯(Hi-Fix)等;中程的罗兰B(Loran-B)、低频罗兰(LF-Loran)、康索尔(Consol)等;远程的那伐格罗布((Navaglohe)、法康(Facan)、台克垂亚(Dectra)、那伐霍(Navarho),罗兰C(Loran-C)和无线电网(Radionrsh)等;超远程的台尔拉克(Delrac)和奥米加(Omega)与。奥米加;空中交通管制的雷康(Rapcon)、伏尔斯康(VOLSCAN)、塔康数据传递系统(Tacandata-link)和萨特柯((Satco)等，另外还有多卜勒导航雷达(Doppler navigation tadar)，这期间主要保留下来的系统如表1 表1主要地基无线电导航系统运行年代表 1．1 无线电导航发展的重大突破 1960年以后，义发展了不少新的地基无线电导航系统。如近程高精度的道朗((TORAN)、赛里迪斯(SYLEDIS)、阿戈(ARGO)、马西兰(MAXIRAN)、微波测距仪（TRISPONDER)以及MRB-201,NA V-CON,RALOG-20,RADIST等等;中程的有罗兰D (Loran-D)和脉冲八(Pulse8)等;远程的恰卡(Chayka);超远程的奥米加((Omega与 );突破在星基的全球导航系统，还有新的飞机着陆系统。同时还开始发展组合导航与综合导航系统，以及地形辅助导航系统等。表2列出几种常用的系统及主要性能与用量。 表2几种常用的地基系统性能与用量 *D为飞行距离。
认知无线电的发展历程与现状
认知无线电的发展历程与现状 摘要：认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生，认知无线电就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。本文主要分析认知无线电的起源，认知无线电的关键技术概要，认知无线电的相关标准化进程以及认知无线电的应用场景等多个方面，对认知无线电进行一个概述，从而加深对无线电的认知与了解。 关键字：认知无线电、起源、关键技术、标准化、应用 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Shannon理论。 美国联邦通信委员会的大量研究表明：ISM频段以及适用于陆地移动通信的2GHz左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲。因而提出了认知无线电。认知无线电是一种智能频谱共享技术。它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，进而显著地提高频谱的利用率，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 1.认知无线电的发展历程 认知无线电的概念是由Joseph Mitola博士在1999年提出的，他认为认知无线电可以使SDR从预置程序的盲目执行者转变为无线电领域的智能代理，并在论文中描述了认知无线电如何通过无线电知识表示语言（RKRL）来提高个人无线业务的灵活性。2004年Rieser支出认知无线电不一定必须有SDR的支撑，他提出基于遗传算法的生物启发认知模型更适用于可快速部署的灾难通信系统。该认知模型可对无线电系统的物理层和MAC层烦人演进建模，主要由三部分组成，包括用于监听无线环境，进行信道建模的无线信道遗传算法（WCGA）、演进并自适应无线环境的无线通信遗传算法（WSGA）和根据无线电信道模型和无线电参数，监视并改变系统的状态，以决定如何适应无线电的认知监视系统（CSM）。 2003年5月，FCC召开了无线电研讨会，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。并且对从频谱管理的角度出发对认知无线网进行了官方定义，认为认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射参数的无线电设备。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用认知无线电技术实现“开放
认知无线电技术
现代通信系统 论文 题目：认知无线电技术 姓名：朱雪峰 学院：潇湘学院 专业：通信工程 班级： 001 学号： 1254040121 指导教师：钟斌 2015年11月1日
目录 一、引言 (2) 二、认知无线电的基本概念 (2) 三、认知无线电的功能与实现 (4) 1.认知无线电的主要功能 (4) 2.认知无线电的实现关键 (5) 四、认知无线电的标准化 (7) 五、认知无线电的管制与应用情况 (8) 六、未来发展与展望 (9)
认知无线电技术的研究及发展 【摘要】认知无线电技术作为软件无线电技术的一个特殊扩展，受到日益广泛的关注。由于该技术能够自动检测无线电环境，调整传输参数，从空间、时间、频率、调制方式等多维度共享无线频谱，可以大幅度提高频谱利用效率。本文首先从认知无线电技术的定义入手，分别讨论了认知无线电的基本概念、功能与实现、标准化的进程。然后介绍了当前应用状况，最后分析了未来的发展及面临的挑战。 一、引言 随着无线通信技术的发展，人们可以获得的带宽不断地增加，移动通信的数据速率从10 kbit/s增长到2 Mbit/s，在不久的将来还可能提高到上百兆比特每秒。但即使如此，也无法满足人们日益增长的无线接入需求。为了缓解这一矛盾，一方面，人们不断开发新的无线接入技术，利用新的频段来提供各种业务；另一方面，不断改进各种编码调制方式，提高频谱效率。但由于移动终端天线尺寸和功率的限制，可以用于无线接入的频段很有限。在提高频谱效率方面，目前较为先进的CDMA空中接口技术，如HSDPA可以达到1 bit/（s·Hz）的频谱效率，将来OFDM和MIMO技术的应用也只能达到3-4 bit/（s·Hz）的频谱效率。3-4倍的频谱效率的提高对于人们成百上千倍的带宽需求增长是微不足道的。认知无线电技术的出现，为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了崭新的局面。 二、认知无线电的基本概念 认知无线电（cognitive radio，CR）的概念是由Joseph Mitola博士提出的，他在1999年发表的一篇学术论文[1]中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识表示语言（RKRL）”的新语言提高个人无线业务的灵活性。随后在2000年瑞典皇家科学院举行的博士论文答辩中详细探讨了这一理论[2]。 认知无线电也被称为智能无线电。从广义上来说是指无线终端具备足够的智能或者认知能力，通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源（包括频率、调制方式、发射功率等）完成无线传输。认知无线电能够帮助用户自动选择最好的、最廉价的服务进行无线传输。甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。 由定义可以看出。认知无线电的一个最大优势就是无线用户可以通过该技术实现“频谱共享”。目前大多数频谱已经被划分给不同的许可持有者（又称为首要用户），包括移动通信、应急通信、广播电视等。但是随着用户需求的增长，简单地通过开发新的无线接入技术和使用新的频点已经无法充分满足市场需求。 近年来，很多学者通过监测分析当前无线频谱使用状况发现，虽然大部分频谱已经被分配给不同的用户，但是在相同时间、相同地点频谱的使用却非常有限。常常是大部分频点未被使用，而某些热点频率又处于超负荷运行。美国联邦通信管理委员会（FCC）充分注意到了这一点，于2002年11月出版了频谱政策任务组撰写的一份报告[3]，该报告指出，当前分配的绝大多数频谱的利用率为15%-85%。因此FCC认为当前存在的最主要问题并不是没有频谱可用，而是现有的频谱分配方式导致资源没有被充分利用。只有彻底改变当前固定频谱分配政策，部分甚至全部采用动态频谱分配政策，使多种技术可以实现“频谱共享”，才能
软件无线电系统综述
软件无线电系统综述 [摘要] 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托,通过软件编程来实现无线电台的各种功能。本文介绍了其系统的软硬件组成和发展情况。 [关键词]软件无线电GNU Radio USRP 一、引言 由于无线电系统,特别是移动通信系统的领域的扩大和技术复杂度的不断提高,投入的成本越来越大,硬件系统也越来越庞大。为了克服技术复杂度带来的问题和满足应用多样性的需求,特别是军事通信对宽带技术的需求,提出在通用硬件基础上利用不同软件编程的方法。软件无线电将把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。 二、软件无线电系统简介 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托,通过软件编程来实现无线电台的各种功能,从基于硬件、面向用途的设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路,尤其是减少模拟环节,把数字化处理(A/D和D/A变换)尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性,通过软件更新改变硬件配置结构,实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构,以利于硬件模块的不断升级和扩展。 上图表示一个典型的软件无线电处理流程图。为了理解无线电的软件模块,首先需要理解和其关联的硬件。在这个图中的接收路径上,能够看到一个天线,一个RF前端,一个模拟数字转换器ADC和一堆代码。ADC是一个连接连续模拟的自然世界和离散的数字世界的桥梁。 三、软件无线电软件平台GNU Radio GNU Radio是一种运行于普通PC上的开放的软件无线电平台,其软件代码设计完全公开。基于该平台,用户能够以软件编程的方式灵活地构建各种无线应用。 GNU Radio是一个对学习,构建和部署软件定义无线电系统的免费软件工具包。GNU Radio是一个无线电信号处理方案。它的目的是给普通的软件编制者提供探索电磁波的机会,并激发他们聪明的利用射频电波的能力。 它提供信号运行和处理模块,用它可以在易制作的低成本的射频(RF)硬件和通用微处理器上实现软件定义无线电。这套套件广泛用于业余爱好者,学术机构
认知无线电技术
认知无线电技术 相信童鞋们都对大名鼎鼎的认知无线电技术有所耳闻，那到底是个什么东东呢？下面射频君就来给大家普及一下认知无线电的基本知识。随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据伟大的香农同志所提出的信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。问题出现了，解决发法捏？因此，伟大的科学家筒子们提出了采用认知无线电(CR，全称Cognitive Radio)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。认知无线电是一种智能频谱共享技术，通过智能学习以及对频谱环境的感知对传输参数进行实时的调整，能够对频谱的利用率进行显著的提升。 “无线电之父”Mitola的概念模型包括硬件和软件。其软件部分由基础软件和智能软件构成。硬件部分重点使用软件无线电的基本体系结构，由安全模块、调制解调器、天线、射频、基带信号处理和用户接口部分构成。调制解调器可以解决收发信号的调制解调以及均衡信号的问题；天线是为了接收并发射无线电信号；射频前端由无线电信号的放大以及其必要变换构成；基带处理模块能够解决网络中的各种协议与控制问题，兼容不同的网络；用户接口部分可以根据RKRL语言满足不同的接口服务，同时使用关于用户需要的支持自动推理的方
法，实现个人通信服务。 1. 频率侦听 认知无线电技术在应用中，能够对频谱进行连续的侦听，以此对没有占用的频谱进行及时的发现，在不对主用户造成干扰的情况下对用户的再次出现进行快速的检测，以此便于为用户腾出相应的带宽。要想对该功能进行实现，就需要对一种新的功能-频谱侦听技术进行运用，能够获得非常高的检测率。而受到检测能力的限制以及阴影衰落以及多径情况的影响，为了能够更为准确的对用户不同的接收功率进行检测，该技术在带宽频率捷变以及前端灵敏度方面具有更高的要求。在早期，其对周期平稳过程以及导频信号技术进行应用，并不能够对频谱检测的可靠性进行满足。而就目前来说，则可以通过DF、AF以及CF协议的应用对其频谱侦听能力进行提升。 2. 动态频谱分析 在现今的频谱研究中，欧洲地区的很多项目已经对不同网络的动态频谱分配算法进行了研究，而对于认知无线电网络来说，用户在可用信道、位置以及数量方面的需求具有着变化的特征，并因此使这部分技术存在着不完全适用的情况。考虑到目前动态频谱分配在标准、政策以及接入协议等方面的限制，基于频谱统筹策略是现今应用较多的频谱共享技术，在该技术中，其思想即首先将不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，之后再将其划分为不同的信道。没有得到授权的用户，则可以对这部分空闲的信道进行临时的占用。对于该策略来说，对信道应用的公平性以及利用率进行了充分的考虑，可以说是一个受
认知无线电原理技术与发展趋势
摘要：认知无线电是指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术。认知无线电技术的提出，为解决不断增长的无线通信应用需求与日益紧张的无线频谱资源之间的矛盾提供了一种有效的解决途径。当前，认知无线电技术从理论到实践都面临很多困难。文章简述了认知无线电的基本原理，对认知无线电涉及的射频、频谱感知和数据传输等物理层核心关键技术进行了总结分析，并结合当前的发展状况对该技术未来的发展趋势进行了预测。 关键词：认知无线电；频谱感知；数据传输；网络体系与协议 Abstract: Cognitive Radio (CR) is an intelligent radio technology which has the capability to search and utilize underutilized spectrum resources. CR has been recognized as an effective solution to the dilemma introduced by the rapid growth of wireless communications and the scarcity of spectrum resources. However, from theory to practical applications, there are many challenges faced by CR currently. In this paper, the key physical layer techniques of CR, such as radio frequency front-end, spectrum sensing and data transmission, are discussed. According to the status of the research, the development tendency of this technology is also predicted. Key words: cognitive radio; spectrum sensing; data transmission; network architecture and protocol 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 这一思想在2003年美国联邦通信委员会(FCC)的《关于修改频谱分配规则的征求意见通知》中得到了充分体现，该通知明确提出采用CR技术作为提高频谱利用率的技术手段。此后，CR技术受到了产业界和学术界的广泛关注，成为了无线通信研究和市场发展的新热点。然而，CR技术从理论到大规模实际应用，还面临很多挑战。这些挑战包括了技术、政策和市场等诸多方面。本文从技术的角度，总结分析CR的基本原理、关键技术，并对将来技术发展趋势进行预测。 1 认知无线电基本原理 1.1 认知无线电的概念与特征 自1999年“软件无线电之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义[1-3]，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”[4]。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。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：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。”
认知无线电频谱检测
Xilinx大学生竞赛项目申请报告提纲及说明 1． 项目背景 （1）项目名称：认知无线电的频谱检测 （2） 项目背景：随着无线通信需求的不断增长，可用的频谱资源越来越少，呈现日趋紧张的状况；另一方面，人们发现 全球授权频段尤其是信号传播特性较好的低频段的频谱利 用率极低。认知无线电技术为解决频谱利用率低的问题提 供了行之有效的方法。由于认知无线电在使用空闲频段进 行通信的同时不断地检测授权用户的出现，一旦检测到授 权用户要使用该频段，认知无线电用户便自动退出并转移 到其他空闲频段继续通信，确保在不干扰授权用户的情况 下，与他们进行频谱共享。这样一来，在没有增加新频段 的情况下提升了用户量，且保证授权用户和认知用户通信 的可靠性，大大提高了频谱的使用效率。 （3）项目内容：本次课题主要研究认知无线电频谱检测的FPGA 实现。目前最为常用的认知无线电频谱检测方法是能量检 测。我们将一路电视信号下变频至基带信号再进入电路调 理模块对信号进行50欧匹配，并对信号进行放大，然后用 宽带A/D对信号进行采样，将采样后的数字信号做8点FFT 运算，再通入能量和累加电路，最后通过能量阈值判决电 路，判断频带的利用情况，从而找到频谱空穴，为认知无 线电的功能实现打下基础。 （4）项目难点：（1）高效低成本的FFT模块的设计与实现。 （2）累加器和阈值判决电路模块的设计与实现。 （5）项目的开发意义：认知无线电的显著特征是具有认知能 力，认知功能包括频谱感知，频谱分析和频谱判决。频谱 感知用于频谱空穴检测，是认知无线电系统实现的前提之 一。 （6） 硬件开发平台：Spartan 3E Board 2． 频谱感知的背景知识 本次设计以四通道的电视信号为例进行实现，在我国一路电视信号的传输需要8M的带宽，那么传输四路电视信号需要32M的带宽才 能实现。 我们将该四路电视信号进行复信号处理和频谱搬移，使其生成I,Q 两路正交信号，其AD频率采样为32MHZ，为了检测各个通道的频谱
无线通信的发展历程
无线通信系统的发展历程与趋势 现代无线通信系统中最重要的两项基础是多址接入（Multiple Access）和双工（Multiplexing）。从1G到4G的无线通信系统演进史基本上就是在这两项技术上进行不断改进。 多址接入技术为不同的用户同时接入无线通信网提供了可能性。给出了三种最典型的多址接入技术：FDMA、TDMA和CDMA的比较。 双工技术为用户同时接收和发送数据提供了可能性。两种最典型的双工技术：FDD模式和TDD模式。 中国无线通信科技发展史和未来走向范文 当今，全球无线通信产业的两个突出特点体现在：一是公众移动通信保持增长态势，一些国家和地区增势强劲，但存在发展不均衡的现象；二是宽带无线通信技术热点不断，研究和应用十分活跃。 1 无线通信技术的发展历程 随着国民经济和社会发展的信息化，人们要通信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式。无线通信也从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历了五个阶段：第一阶段为20年代初至50年代初，主要用于舰船及军有，采用短
波频及电子管技术，至该阶段末期才出现150MHZ VHF单工汽车公用移动电话系统MTS。 第二阶段为50年代到60年代，此时频段扩展至UHF450MHZ，器件技术已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。 第三阶段为70年代初至80年代初频段扩展至800MHZ，美国Bell研究所提出了蜂窝系统概念并于70年代末进行了AMPS试验。 第四阶段为80年代初至90年代中，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进；此时出现了D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、cdmaOne、PDC、PHS、DECT、PACS、PCS等各类系统与业务运行。 第五阶段为90年代中至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起，其全球标准化及相应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，包括从第二代至第三代移动通信的平滑过渡问题在内。 2 第一代无线通信系统 采用频分多址（Frequency Division Multiple Access）技术组建的模拟蜂窝网也被称为第一代（First Generation，下称1G）无线通信系统。这些系统中，话务是主要的通信方式。由于采用模拟调制，这些
软件无线电(software radio)
概要 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。 软件无线电（software radio）在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编程的软件方法实现所需要的无线电系统。简称SWR。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频（RF）波段、信道接入方式和信道调制。 一般说来，SWR就是宽带模数及数模变换器（A/D及D/A）、大量专用/通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Proicesser，DSP）构成尽可能靠近射频天线的一个硬件平台。在硬件平台上尽量利用软件技术来实现无线电的各种功能模块并将功能模块按需要组合成无线电系统。例如：利用宽带模数变换器（Analog Digital Converter，ADC），通过可编程数字滤波器对信道进行分离；利用数字信号处理技术在数字信号处理器（DSP）上通过软件编程实现频段（如短波、超短波等）的选择，完成信息的抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，实现不同的信道调制方式及选择（如调幅、调频、单边带、跳频和扩频等），实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能等。 在目前的条件下可实现的软件无线电，称做软件定义的无线电（Software Defin ed Radio，SDR）。SDR被认为仅具有中频可编程数字接入能力。 发展历史无线电的技术演化过程是：由模拟电路发展到数字电路；由分立器件发展到集成器件；由小规模集成到超大规模集成器件；由固定集成器件到可编程器件；由单模式、单波段、单功能发展到多模式、多波段、多功能；由各自独立的专用硬件的实现发展到利用通用的硬件平台和个性的编程软件的实现。 20世纪70～80年代，无线电由模拟向数字全面发展，从无编程向可编程发展，由少可编程向中等可编程发展，出现了可编程数字无线电（PDR）。由于无线电系统，特别是移动通信系统的领域的扩大和技术复杂度的不断提高，投入的成本越来越大，硬件系统也越来越庞大。为了克服技术复杂度带来的问题和满足应用多样性的需求，特别是军事通信对宽带技术的需求，提出在通用硬件基础上利用不同软件编程的方法。20世纪80年代初开始的软件无线电的革命，将把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。 1992年5月在美国通信系统会议上，Jeseph Mitola（约瑟夫·米托拉）首次提出了“软件无线电”（Software Radio，SWR）的概念。1995年IEEE通信杂志（Comm unication Magazine）出版了软件无线电专集。当时，涉及软件无线电的计划有军用的SPEAKEASY（易通话），以及为第三代移动通信（3G）开发基于软件的空中接口计划，即灵活可互操作无线电系统与技术（FIRST）。
认知无线电频谱分配的博弈论方法
《认知无线电频谱分配的博弈论方法》总结 张烨，龚晓峰 2009 摘要：问题：认知无线电中频谱分配问题备受关注，分配给用户的频谱资源却在时间或空间上存在不同程度的闲置。分析：为了提高频谱分配，需要涉及大量策略选择问题，可以利用博弈论的相关原理进行分析研究。解决问题方法：建立合适的认知无线电频谱分配问题的博弈论框架，从而促进无线通信的发展。 1、提出问题：无线通信技术不断发展，人们对无线通信需求不断增长，适用于无线通信的 频谱资源变得日益紧张，提高频谱利用率是当前亟待解决的问题。 2、分析问题： 2.1认知无线电技术：通过对周围环境的感知，动态改变传输功率、载频、调制方式等传输参数以适应运行环境的变化，从而提高频谱利用率[。 2.2认知无线电的频谱分配技术 2.2.1问题:在认知无线电中，频谱分配是根据需要接入系统的节点数目及其 QoS 要求将频谱分配给一个或多个指定节点。 2.2.2分析：（1）因此需要一种更为有效的频谱分配方法从而在各地区和各时间段里有效地利用空闲频谱，提高频谱利用率。频谱分配策略的选择直接决定系统容量、频谱利用率以及能否满足用户因不同业务而不断变化的需求。 （2）认知无线电的频谱分配原则:1)保证灵活性。2）应能提高系统性能。3）应尽量减小信令开销和计算量。
2.3.1问题：图论模型和定价拍卖模型都有很大的局限性，无法更好推动认知无线电频谱分配问题。 2.3.2分析：在频谱分配算法设计过程中，设计了大量的策略选择问题，因此需要提出新的频谱分配模型。 2.3.3解决方法：对于涉及策略选择的频谱分配问题，可以利用博弈论对相关的自适应算法进行分析。在分析过程中，主要需要确定以下四个方面的问题：(1) 算法是否具有稳 定状态；(2) 这些稳定状态是什么；(3) 这些稳定状态是否满足需要；(4) 算法收敛到稳定状态所需要的约束条件 图（1）认知无线电博弈论分析流程 1）论证算法具有稳定状态。在多数博弈论模型里，分布式算法的稳定状态为纳什均衡。 一般情况下，判断一个博弈过程中存在纳什均衡的充分条件：a、参与者集合是有限的；b、行动集合是封闭的，有界的凸集；c、效用函数是在行动空间上的连续的、拟凹函数。 补充1、纳什均衡：若一个行动向量满足：ui(a)≥uibi,a-i)?i∈N,bi∈Ai，则向量 a 被称为纳什均衡。也就是说，在参与者集合里，如果没有一个参与者能够靠自身行动的改变来提高自身收益时，整个参与者集合对应的行动向量就称为纳什均衡。 补充2、实际应用中，绝大多数算法都满足这些条件，即多数认知无线电的算法都有一个默认的稳定状态。 2）判定稳定状态。通过遍历一个博弈过程中所有可能的行动向量来判定一个博弈过程中 所有的稳定状态。 3）确定稳定状态是否满足需求。在找到纳什均衡点后，还应该确定此纳什均衡点是否为 我们所需要的。 3）.1举例模型:一个具有中心接收机的单一簇 DS-SS 网络，除了中心接收机外，网络中的所有节点调整它们的发射功率，使得信号与加性干扰噪声比达到最大。所有者参与者的效用函数方程： ( ui(p)=hipi/??(1/k) k∈N\i∑hpkk+σ] （1） 其中，参与者集合是簇中除了中心接收机外的节点；行动集合是所有可能的功率等级(假设可选的功率等级有限)；所有参与者的效用函数由式（1）给出；pi 是节
认知无线电研究背景意义与现状
认知无线电研究背景意义与现状 1 认知无线电的产生背景 2 认知无线电的产生 3 认知无线电技术的国内外研究现状 4 认知无线电频谱感知技术的研究意义 5 认知无线电技术研究的主要任务 1 认知无线电的产生背景 随着无线通信技术的飞速发展，无线用户的数量急剧增加，可用频谱资源变得越来越稀缺。当今绝大多数频谱资源都是采用固定的分配模式，由专门的频率管理部门分配给特定的授权用户使用。而对于另外一些非授权用户的通信需求，如无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、无线个域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)等，由于其近几年发展迅速，导致这些网络所工作的非授权频段逐渐趋向饱和。据美国研究结果指出，现有的频谱管理与分配策略是造成频谱资源紧缺的重要原因之一，导致某些网络频谱资源相对较少但其承载的业务量很大，而相当多的已授权的频谱并没得到充分的使用。美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)在2002年出版的报告中指出，已分配的频谱利用率为15,,85,，已经分配的3GHz以下的频谱资源中多达70,未被充分利用。一项中国移动的研究表明，大多数频段利用率不到5%，密集城区一周频段占用度的测试结果显示，占用度较高的频率主要集中410-954MHz频段，GSM下行频段占用度最高，广播频段、集群系统下行和ISM频段次之，其他频段的占用度则极低。其中GSM频段资源块的占用度明显高于广播频段。GSM频段占用度大于0.1的资源块约占总数的62%，广播频段占用度大于0.1的约8%。
数据通信认知无线电系统的频谱分配方法
《数据通信原理》课程设计设计题目：一种认知无线电系统的频谱分配方法 姓名 学号 学院 专业班级
目录 绪论 (3) 1.认知无线电网络的简介 (4) 1.1认知无线电 (4) 1.1.1. 认知无线电的概述 (4) 1.1.2. 认知无线电的特性 (5) 1.2.频谱决策 (6) 1.2.1. 频谱决策的概述 (6) 1.2.2. 频谱分配的概述 (6) 1.3. 二分图最佳匹配（Kuhn-Munkras）算法 (7) 2.系统模型和问题描述 (7) 2.1. 系统模型 (7) 2.2. 问题描述 (7) 3. 基于Kuhn-Munkras算法的频谱分配方法 (9) 3.1.Kuhn-Munkras 算法的描述 (9) 3.2.频谱分配方法的流程 (9) 4. 仿真和性能分析 (10) 4.1. 仿真环境设置 (10) 4.2.仿真结果 (10) 4.3. Kuhn-Munkras算法与多小区动态频谱分配方法比较 (12) 4.3.1.多小区动态频谱分配方法 (12) 4.3.2.频谱分配方法比较 (12) 5.总结 (13) 参考文献 (14)
一种认知无线电系统的频谱分配方法 摘要：认知无线电网络为移动用户重构无线架构和动态频谱接入技术提供高带宽。对于无线频谱资源的相对的稀缺，频谱分配成为认知无线电频谱资源的关键，为适应认知无线电网络的时变特性，频谱分配算法必须有较快的收敛速度。该文提出了一种基于二分图最佳匹配（Kuhn-Munkra）算法的认知无线电频谱分配方法。该方法利用二分图最佳匹配（Kuhn-Munkras）算法可以实现最佳匹配并且收敛速度快的特性。根据不同的用户在不同信道上所产生的效益的差异性，利用认知无线电有效地提升频谱资源的利用率，实现认知用户和信道的最佳匹配，频谱的灵活分配。 关键词：认知无线电，频谱资源，频谱分配，最佳匹配 Abstract Cognitive radio networks will provide high bandwidth to mobile users via heterogeneous wireless architectures and dynamic spectrum access techniques. Radio spectrum resources for the relative scarcity of spectrum allocation as the key cognitive radio spectrum, cognitive radio network to meet the time-varying characteristics of the spectrum allocation algorithm must have fast convergence speed. The paper proposes a bipartite graph based on the best match (Kuhn-Munkra) algorithm cognitive radio spectrum allocation.Bipartite graph of the decision to use the best match (Kuhn-Munkras) algorithm can achieve the best match and the fast convergence characteristics.According to the