第1章 软件无线电与认知无线电概述

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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