Altera專家：認知無線電，認知一切

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

　　對于系統(tǒng)設(shè)計人員，除了好奇心之外，有兩個原因使得他們現(xiàn)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(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中，從化學工廠傳感器網(wǎng)絡(luò)直至車輛控制和顯示等。要理解這些系統(tǒng)需要明白無線電，這是因為CR并不完全是傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。第二個原因是CR的體系結(jié)構(gòu)代表了很多其他類系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)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(huán)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(wù)主系統(tǒng)當前要求的帶寬，然后，制定并執(zhí)行通信策略，以滿足系統(tǒng)比特流和延時要求。這些不同的任務(wù)有各種不同的應用重點。

　　目前，認知概念已經(jīng)用在很多不同的應用中。最早的應用是信號情報和電子戰(zhàn)。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(diào)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(nèi)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(xù)監(jiān)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(zhàn)應用都是相似的。例如，一臺干擾設(shè)備會按照這里所介紹的方法來發(fā)現(xiàn)信號并進行分類，然后對發(fā)射器通道進行配置，以便實時干擾特定的傳輸信息。在戰(zhàn)場通信應用中，CR會進行掃描并識別，然后，將要傳輸?shù)男畔⒎旁诃h(huán)境中其他信號之間，這樣很難被探測到。

　　民用

　　如果已經(jīng)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(jīng)應用于很多其他簡單的環(huán)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(qū)，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(xù)探測數(shù)據(jù)流以及其帶內(nèi)的干擾電平，根據(jù)所在地方和時間范圍內(nèi)的自由頻譜來調(diào)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(wǎng)絡(luò)總?cè)萘?，而不會由于建筑物干擾導致容量降低。例如，Mindspeed技術(shù)公司在這一領(lǐng)域擁有一些關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)。

　　CR一種新出現(xiàn)的應用是中距機器至機器無線網(wǎng)絡(luò)。應用包括智能電網(wǎng)、車流量控制以及校園級樓宇管理等。據(jù) Weightless特殊興趣組首席技術(shù)官William Webb，很多這類網(wǎng)絡(luò)會使用所謂的空白電視信號頻段：在電視帶寬范圍內(nèi)本地未被占用的通道。但是在這一頻段內(nèi)，不允許任何設(shè)備干擾任何人的電視接收，也不能干擾已經(jīng)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(shè)備相互干擾。實際上，Weightless建議的解決方案是認知無線網(wǎng)絡(luò)基于不具有認知功能的小型無線電終端。

　　結(jié)構(gòu)圖

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

　　這類討論最好是從軟件無線電(SDR)開始。據(jù)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(shù)字化處理，然后，提取出需要的信號，完全使用軟件編程數(shù)字處理器進行解調(diào)。這樣，軟件定義的部分：無線電濾波、解調(diào)、基帶處理以及發(fā)送側(cè)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(shù)賦值的硬件中執(zhí)行。這樣，無線電設(shè)備只需要調(diào)用不同的功能或者傳遞不同的參數(shù)就可以改變通道、頻帶、調(diào)制方式、協(xié)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(xiàn)的。在很多應用中，對天線信號直接進行數(shù)字化處理需要速度很快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以及很寬的動態(tài)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(zhuǎn)換器，如 圖1 所示。