第1章 软件无线电与认知无线电概述[高等教学]

1、 第第1 1章章 1高级教学 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 2高级教学 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 3高级教学 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，

2、软件无线电概念的最早， 源于美国军方对甚高频（VHF：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。 4高级教学 1. 问题的提出问题的提出 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”。 5高级教学

3、 2. 解决的方法解决的方法 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； （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。 6高级教学 3. 移动通信的困惑移动通信的困惑 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

4、发生了飞速变化，如 图1-3所示。 7高级教学 4. 软件无线电的引出软件无线电的引出 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。 8高级教学 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特点 软件无线电的优势主要体现在以下几个方 面： 9高级教学 2. 频带分配频带分配 频谱是通信能够使用的唯一资源。与水

5、、 空气等自然资源一样，频谱也是一种日 益短缺的资源。 10高级教学 3. 频谱利用率与频谱空洞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，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。 11高级教学 4. 认知无线电的引出认知无线电的引出 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

6、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。 12高级教学 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？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。 13高级教学 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

7、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。 14高级教学 1. 软件无线电的含义软件无线电的含义 面对越来越多的各种通信设备，我们需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。件设备，就可以实现任何通信应用。 15高级教学 2. 软件无线电的定义软件无线电的定义 1992年，美国MITRE公司的Joseph Mitola III首次明确提出了“软件无线

8、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。 16高级教学 3. 软件无线电的特点与核心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。 17高级教学 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

9、的最顶端的应 用，如图1-7所示。 18高级教学 1. 认知无线电的定义认知无线电的定义 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。 19高级教学 2. 认知无线电的目标认知无线电的目标 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。 20高级教学 3. 认知无线电的能力认知无线电的能力 为了实现认知无线电的目标，认知无线电需要 具有

10、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。 21高级教学 4. 认知任务的完成认知任务的完成 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

11、： 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。 22高级教学 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。 23高级教学 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

12、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。 24高级教学 1. 硬件无线电硬件无线电 所谓硬件无线电，是指无线电设备的功 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。 25高级教学 26高级教学 2. 软件控制无线电软件控制无线电 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

13、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。 27高级教学 3. 软件定义无线电软件定义无线电 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，不需要对硬件进行修 改，就可以改变系统的功能。 28高级教学 宽带 /多 频段 天线 RF 部分 A/D/A DDC DUC 高速 DSP 专用可编 程处理器 低速DSP 其它终端 语音 天线/RF段高速处理段低速处理段 DDC -数字下变频

14、DUC -数字上变频 29高级教学 4. 理想软件无线电理想软件无线电 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。 30高级教学 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。 31高级教学 1. 认知无线电的概念认知无线电的概

15、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。 32高级教学 2. 认知无线电系统的能力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），

16、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： 33高级教学 3. 认知无线电、软件无线电与硬件无线认知无线电、软件无线电与硬件无线 电的比较电的比较 表1-4 给出了硬件无线电、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。 34高级教学 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。 35高级教学 1.4.1 射频/微波技术 研究

17、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. 射频射频/微波的含义微波的含义 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。 36高级教学 37高级教学 2. 常用射频常用射频/微波频段微波频段 常用射频/微波频段如表1-5所示。 38高级教学 3. 射频射频/微波频段的用途微波频段的用途 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

18、个用途在相应频 段内只占有很小的一段频谱。 39高级教学 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。 40高级教学 180 天线阵的轴线 90 2 d 270 0 ddd (a) 180 (b) 270 0 天线阵的轴线 90 0 2 41高级教学 1. 智能天线的定义智能天线的定义 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 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

19、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。 42高级教学 2. 智能天线的特点智能天线的特点 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。 43高级教学 1 O 44高级教学 3. 智能天线的分类智能天线的分类 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； （

20、2）固定形状方向图智能天线。 45高级教学 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。 46高级教学 1. 分集接收技术分集接收技术 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信号， 分由不同的路径传输，使得同一个信号 经由统计上相互独立的路径到达接收机； （2）集：将经由不同路径到达接收机的 信号，采用某种处理方法集在一起，以 减少衰落对信号传输的影响。 47高级教学 2. 多输入多输出系统多输入多输出系统 在多径环境中，可以

21、使用多天线系统代 替单天线系统。这样，利用空间分集技 术，可以大大提高系统的抗衰落性能。 多输入多输出系统，就是在发射端与接 收段都使用多个天线。采用多输入多输 出技术，还可以有效提高信道容量。 48高级教学 1.4.4 调制解调技术 在无线通信中，在无线信道中传播的是 无线电波，调制与解调是实现无线信道 传输的基本技术之一。 1. 调制与解调的定义调制与解调的定义 在发射端，调制的目的，是把要传输的 模拟信号或数字信号变换成适合信道传 输的信号。该信号称为已调信号。 在接收端，需要将接收到的已调信号， 还原成系统所传输的原始信号，该过程 称为解调。 49高级教学 2. 调制与解调的分类调制与

22、解调的分类 按照调制器输入信号(该信号称为调制信 号)的形式，调制可分为： （1）模拟调制(或连续调制)； （2）数字调制。 50高级教学 3. 无线信道对调制解调的要求无线信道对调制解调的要求 无线移动信道的基本特征是： （1）带宽有限，它取决于可使用的频率 资源和信道的传播特性； （2）干扰和噪声影响大，这主要是移动 通信工作的电磁环境所决定的； （3）存在着多径衰落。 51高级教学 Uc/2 Uc J2(mf) J1(mf) J0(mf) J1(mf) J2(mf) 0c 2B=2(mf+1) 振幅 52高级教学 1.4.5 数字信号处理技术 一种软件无线电系统的硬件平台结构如 图1-1

23、6所示。 53高级教学 1. 软件无线电系统的硬件平台软件无线电系统的硬件平台 在最顶级的层次，一个软件无线电系统 包括以下四个部分： （1）天线； （2）射频前端； （3）基带数字信号处理器； （4）控制器。 54高级教学 2. 对数字信号处理的要求对数字信号处理的要求 软件无线电对信号处理的要求包括： （1）能够执行大量的乘累加运算； （2）具有某些特定模式； （3）大部分处理时间用于执行相对小循 环的操作上； （4）具有高速的数据吞吐能力； （5）信号处理数值范围较宽。 55高级教学 3. 数字信号处理器的功能数字信号处理器的功能 软件无线电对数字信号处理的要求，使 得信号处理器需要具有

24、以下功能： （1）具有多个可并行运算单元； （2）可提供直接的硬件加速支持； （3）无太多的动态限制。 56高级教学 1.4.6 同步技术 所谓同步，是指收发双方在时间上步调 一致，又称为定时。 同步技术是数字通 信系统的关键技术之一。 1. 同步技术的分类同步技术的分类 在数字通信系统中，按照同步技术的功 用不同，可以分为：载波同步、位同步、 群同步和网同步。 57高级教学 2. 不同的同步方法不同的同步方法 同步技术也是一种信息处理，按照获取和传输 同步信息方式的不同，可以有不同的同步方法。 （1） 外同步法。 由发送端发送专门的同步信息（常被称为导 频），接收端把这个导频提取出来，作为同

25、步 信号的方法，称为外同步法。 （2） 自同步法。 发送端不发送专门的同步信息，接收端设法 从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自 同步法。 58高级教学 1.4.7 采样技术 实现软件无线电的基础是数字技术，其 核心是数字信号处理技术。为了实现模 拟信号的数字处理，首先必须进行模拟 信号的数字转换。 1. 模拟信号的数字处理模拟信号的数字处理 图1-18为模拟信号的数字处理框图。 59高级教学 预滤波 A/DD/A 数字信号处理器 后滤波 60高级教学 2. A/D变换变换 在软件无线电中，A/D变换器的性能将直 接影响系统的性能。如图1-19所示，A/D 变换分为两步： （1）采样； （

26、2）量化编码。 61高级教学 3. 采样的要求采样的要求 图1-20为一般的采样过程。 众所周知，为防止在恢复模拟信号时出 现频谱混叠现象，在采样时应满足奈奎 斯特（Nyquist）采样定理。 对于给定的最高信号频率，系统所需要 的最低采样频率，应该满足奈奎斯特定 理给出的条件： 62高级教学 S a( ) x t a ( )x t t O T ( ) T P t t O a( ) x t a ( )xt t O 63高级教学 1.4.8 软件技术 软件无线电以软件方式实现各种空中接 口，提供各种灵活的无线通信方式。在 软件无线电中，软件的作用是非常重要 的。 1. 软件无线电的软件设计软件无

27、线电的软件设计 软件无线电的软件设计包括： （1）软件的功能； （2）软件与硬件之间的关系； （3）软件的体系结构。 64高级教学 2. 软件无线电软件的特点软件无线电软件的特点 涉及软件无线电的软件是比较复杂的。仅仅了 解如何根据某个通信的特定功能来编写程序、 或研究算法，是远远不够的。 软件无线电的软件应该具有以下特点： （1）具有良好的开放性； （2）采用模块化结构； （3）具有可重用性。 65高级教学 1.4.9 安全技术 由于无线通信系统的开放性，信息传输 中的信息安全是一个非常重要的问题。 因为在公用无线通信网络中，存在着各 种各样的安全漏洞和威胁，所以信息安 全涉及的领域相当广泛

28、。 1. 信息安全研究的领域信息安全研究的领域 信息安全需要研究的领域包括： 66高级教学 2. 安全性的体现安全性的体现 软件无线电系统的安全性体现在系统的 硬件、软件、系统中的数据都受到保护， 不会因为某些原因而遭到： （1）破坏； （2）更改； （3）泄露。 67高级教学 1.4.10 认知技术 认知无线电将人工智能与无线通信相结合，实 现了频谱资源的优化配置，可以自动调整系统 参数，以优化系统性能。 1. 认知引擎认知引擎 认知无线电的智能核心是系统的认知能力。认 知无线电系统的认知引擎执行在通信系统重构 中必需的模拟、学习、最优化过程。认知引擎 从用户域、无线电域、政策域、无线电系统

29、自 身获得信息，进行优化。 68高级教学 2. 认知环认知环 认知引擎的任务包括： （1）优化无线电； （2）观测与学习。 认知无线电通过基于以下环节的分层算法结构，成为学习机器： （1）建模； （2）行动； （3）反馈； （4）知识表示。 认知环分为两层。外部环进行观测与调整无线电，包括以下部分： （1）无线电硬件； （2）环境监测； （3）方案合成； （4）案例决策； （5）链路配置最优化； （6）性能估计。 69高级教学 1.4.11 定位技术 为了保护宝贵的频谱资源，认知无线电系统必 须首先知道以下信息： （1）其位置； （2）时间。 在掌握了其位置与时间信息以后，认知无线电 系统可以

30、： （1）计算能够最佳连接到网络的另一个成员 的天线指向角； （2）设置无线传输数据包，以保证在准确的 时隙到达另一个网络成员的接收机处，从而使 对网络中的其它用户的干扰最小； （3）引导用户完成日常任务、实现用户目标。 70高级教学 1.5 软件无线电与认知无线电的研究与进 展 在本节中，我们简要介绍软件无线电与 认知无线电的研究进展。 1.5.1 软件无线电的研究进展 在20世纪70-80年代，无线电的发展进入 可编程数字无线电时期，出现了以下三 个发展趋势： （1）由模拟向数字发展； （2）由无编程向可编程发展； （3）由少编程向中等编程发展。 71高级教学 1.5.2 认知无线电的研究进展 1999年，约瑟夫米托拉首次提出认知无线电的 概念，描述了认知无线电可以增强个人无线业 务的灵活性。 2000年5月，约瑟夫米托拉在瑞典皇家科学院 发表博士论文，综述了认知无线电的概念。 围绕约瑟夫米托拉提出的基于机器学习和模式 推理的认知循环模型，开展了大量研究，强调 软件定义无线电是实现认知无线电的理想平台。 2002年，美国联邦通信委员会发表了报告，用 于改变美国频谱政策的技术与影响。筹备认知 无线电工作组。 72高级教学 1.6 软件无线电与认知无线电的应用 软件无线电与认知无线电在无线通信领域有着 许多的应用。在这一节中，我们简要介绍