系統(tǒng)解讀無線通信之SDR和CR

　　認(rèn)知無線電還是人工智能(AI)的一個(gè)很好的例子。人工智能是一系列用來存儲和使用解決問題的知識的軟件。它可以使用標(biāo)準(zhǔn)算法，還可以采用專家系統(tǒng)、自然語言處理、模糊邏輯和搜索技術(shù)等多種人工智能技術(shù)。人工智能/認(rèn)知無線電可以通過根據(jù)現(xiàn)有的知識評估狀況和決策，并采取行動達(dá)到所需的最佳結(jié)果，從而模仿人類用戶。

　　認(rèn)知無線電的一個(gè)非常重要的功能是動態(tài)頻譜接入(DSA)，該功能使得認(rèn)知無線電能夠在確定頻譜中的一個(gè)頻道未被使用后調(diào)整到該頻道。動態(tài)頻譜接入無線電使用未使用的頻譜，從而使有限的頻譜空間產(chǎn)生更高的效率。

　　認(rèn)知收發(fā)器基本上以工作頻率、調(diào)制模式、功率級別和其他因素的方式通知SDR如何操作，并自動作出相應(yīng)的調(diào)整。認(rèn)知無線電是監(jiān)控SDR并在必要時(shí)提供命令和控制指令的軟件。

　　認(rèn)知無線電主要力爭解決兩個(gè)重要的無線問題：有限的頻譜以及不同的無線電或無線系統(tǒng)之間的互操作性。認(rèn)知無線電可以找到開放頻譜并使用該頻譜。它還可以改變其波形或者協(xié)議，以適應(yīng)不同特性的無線電，從而實(shí)現(xiàn)通信或者讓通信更可靠。

　　還有幾種不同類別的認(rèn)知無線電。比如，基于策略的無線電通過一組預(yù)定義的功能(比如波形和程序)編程。使用這種無線電方法是選擇幾種不同的預(yù)編程固定函數(shù)中的其中一種函數(shù)。固定函數(shù)在制造過程中載入，由用戶選擇，或者通過空中接口下載。

　　另一種認(rèn)知無線電是一種可以全面重新配置的無線電。這種完全普通的收發(fā)器可以在各種頻率和功率范圍內(nèi)工作。這類無線電可以針對新應(yīng)用或通信條件以動態(tài)方式進(jìn)行全面的重新配置。

　　認(rèn)知無線電示例

　　xG Technology公司的xMax運(yùn)營商級認(rèn)知無線電系統(tǒng)用于移動通信，該系統(tǒng)使用902至928MHz范圍內(nèi)的未經(jīng)授權(quán)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段。在其首次迭代中，它是作為美國陸軍的試驗(yàn)駐軍和戰(zhàn)場蜂窩無線電系統(tǒng)部署的。

　　作為用來驗(yàn)證和測試用于戰(zhàn)場的系統(tǒng)的軍事網(wǎng)絡(luò)集成評估(NIE)過程的一部分，該系統(tǒng)已在2011年早些時(shí)候在布利斯堡和白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場進(jìn)行了測試。根據(jù)書面媒體報(bào)道和軍 隊(duì)人員的觀點(diǎn)，該系統(tǒng)的表現(xiàn)相當(dāng)出色。

　　xMax原型系統(tǒng)使用微型手機(jī)基站及該系列的TX70手持機(jī)。該系統(tǒng)還通過手持機(jī)自帶的認(rèn)知技術(shù)使用900MHz的時(shí)分雙工(TDD)數(shù)字無線電。該系統(tǒng)還支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音(VoIP)呼叫和發(fā)送短信(SMS)。該手持機(jī)包含完整的Wi-Fi無線電。

　　xMax系統(tǒng)符合美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)針對902至928MHz頻譜的第15部分的規(guī)則。無線電的有效全向輻射功率(EIRP)可高達(dá)4W，基站也是一樣。該系統(tǒng)將該頻譜范圍劃分成18個(gè)1.44MHz頻道，采用魯棒的二進(jìn)制相移健控(BPSK)調(diào)制方式。接入方式為時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)，每個(gè)通道都可以處理多達(dá)12個(gè)語音呼叫。

　　該無線電的認(rèn)知功能可以偵聽使用中的頻帶，以確定哪里有干擾，然后切換到具有最低噪聲電平的頻率上。xG手持機(jī)每秒鐘掃描頻帶33次，以尋找干擾并確定可形成穩(wěn)定鏈路的確切位置。然后該手持機(jī)通知基站，從而在必要時(shí)更改頻率，保持流暢的連接。

　　目前，xG技術(shù)正在向其第二代xMax設(shè)計(jì)方向發(fā)展。這種新型xMax系統(tǒng)不再使用特殊的手持機(jī)，而是使用標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)。而這正好符合軍 隊(duì)的要求，因?yàn)槭勘褂脴?biāo)準(zhǔn)的智能手機(jī)、膝上型電腦或平板電腦可以節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

　　在這種新系統(tǒng)中，智能手機(jī)與xMod橋接設(shè)備通信(圖8)。該設(shè)備類似于Novatel MiFi設(shè)備，可以讓多個(gè)膝上型電腦通過Wi-Fi連接與它通信，然后通過與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的連接將這些連接回傳至互聯(lián)網(wǎng)。xMod以類似的方式工作，它支持與商業(yè)智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)的Wi-Fi(或直接USB線纜)連接，使用認(rèn)知xMax網(wǎng)絡(luò)傳回互聯(lián)網(wǎng)或軍事網(wǎng)絡(luò)。

　　這種新型布局給系統(tǒng)增加了高速數(shù)據(jù)連接。此外，它還通過智能手機(jī)應(yīng)用增加了受控VoIP功能。普通的3G和4G蜂窩智能手機(jī)通過2G或3G蜂窩鏈路采用蜂窩系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語音服務(wù)，該服務(wù)目前還不是VoIP服務(wù)。xMax系統(tǒng)在智能手機(jī)中加入了一種特殊的應(yīng)用，該應(yīng)用使得智能手機(jī)能夠找出并優(yōu)化語音包。這樣，xMax系統(tǒng)即可提供固話級音效(即使是100%基于IP的系統(tǒng))。

　　這種新系統(tǒng)利用正交頻分復(fù)用(OFDM)來修改xMax波形。上文中定義的18個(gè)1.44MHz頻道的每一個(gè)頻道都進(jìn)一步分成128個(gè)副載波。無線電接入方式為TDD。增加的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是多入多出(MIMO)，該技術(shù)可以大幅提高覆蓋范圍、可靠性和數(shù)據(jù)速率。xMod設(shè)備采用具有四個(gè)接收鏈路和兩個(gè)發(fā)射鏈路的2×4 MIMO系統(tǒng)。

　　認(rèn)知功能和無線電本身主要以軟件(一般稱為SDR)的方式實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)整合了認(rèn)知無線電技術(shù)、MIMO技術(shù)和先進(jìn)的信號處理技術(shù)，最大限度地提高了覆蓋范圍、可靠性和吞吐能力。所需的相當(dāng)高的處理能力由能夠同時(shí)在xMod和基站中支持50 GOPS的新一代處理器提供。這種處理能力是一個(gè)全新的突破，現(xiàn)在提供適合xMod等電池供電設(shè)備的尺寸和功耗級別。

　　據(jù)xG公司的Rick Rotondo介紹，xMax的認(rèn)知能力和干擾抑制算法使其能夠在“白色空間(white spaces)”以及“灰色空間(gray spaces)”可靠地工作。白色空間是指未被使用的電視頻道，這些頻道已經(jīng)被FCC保留下來，無需授權(quán)即可使用。

　　不過，由于在這些頻道工作的無線麥克風(fēng)以及在這些頻道附近工作的其他白色空間設(shè)備，白色空間很快就會變成灰色空間。事實(shí)上，xG公司從中獲得經(jīng)驗(yàn)的900MHz頻帶現(xiàn)在已經(jīng)在超負(fù)載使用，由于無繩電話、無線安全系統(tǒng)、遙測無線電和其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾而已經(jīng)變成了“深灰”空間。