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作者：Altera公司總編輯Ron Wilson 認(rèn)知無線電(CR)已經(jīng)從研究主題，發(fā)展到機(jī)密情報(bào)和軍事應(yīng)用，以及無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化技術(shù)。今天，它即將展開更廣泛的應(yīng)用：作為交通運(yùn)輸、公共事業(yè)、樓宇控制等領(lǐng)域大型機(jī)器至機(jī)器網(wǎng)絡(luò)每一節(jié)點(diǎn)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(yīng)用。 對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，除了好奇心之外，有兩個(gè)原因使得他們現(xiàn)在開始研究CR。第一個(gè)是，CR這一概念越來越多的應(yīng)用于系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中，從化學(xué)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?yàn)镃R并不完全是傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。第二個(gè)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(huì)遇到這些概念。 認(rèn)知概念 簡(jiǎn)單說，CR是能夠理解并適應(yīng)其信號(hào)環(huán)境的無線電。這是一種擬人化的解釋，需要更進(jìn)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(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分類，對(duì)比可用帶寬和無線電服務(wù)主系統(tǒng)當(dāng)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(shí)要求。這些不同的任務(wù)有各種不同的應(yīng)用重點(diǎn)。 目前，認(rèn)知概念已經(jīng)用在很多不同的應(yīng)用中。最早的應(yīng)用是信號(hào)情報(bào)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(bào)應(yīng)用中，CR會(huì)檢查一段頻譜，探測(cè)有可能含有信號(hào)的功率，將這些潛在的信號(hào)按照調(diào)制模式、可能的來源以及感興趣的程度等進(jìn)行分類，然后，配置接收器通道以采集目標(biāo)傳輸信息。如果您認(rèn)為最感興趣的內(nèi)容來自試圖隱藏自己的無線電信號(hào)，這些信號(hào)使用了擴(kuò)頻短脈沖，那么，您會(huì)看到在這些應(yīng)用中，CR會(huì)連續(xù)監(jiān)視很寬的頻譜，或者全部記錄下來，瞬時(shí)鎖定目標(biāo)信號(hào)。 很多電子戰(zhàn)應(yīng)用都是相似的。例如，一臺(tái)干擾設(shè)備會(huì)按照這里所介紹的方法來發(fā)現(xiàn)信號(hào)并進(jìn)行分類，然后對(duì)發(fā)射器通道進(jìn)行配置，以便實(shí)時(shí)干擾特定的傳輸信息。在戰(zhàn)場(chǎng)通信應(yīng)用中，CR會(huì)進(jìn)行掃描并識(shí)別，然后，將要傳輸?shù)男畔⒎旁诃h(huán)境中其他信號(hào)之間，這樣很難被探測(cè)到。 民用 如果已經(jīng)開展了軍事應(yīng)用，那么，民用也會(huì)很快跟上。三種基本相同的功能是感知、分類和自適應(yīng)，已經(jīng)應(yīng)用于很多其他簡(jiǎn)單的環(huán)境中。例如，一臺(tái)蜂窩手機(jī)周期性的檢查來自附近基站的信號(hào)，切換小區(qū)，甚至?xí)鄳?yīng)的切換空中接口標(biāo)準(zhǔn)。相似的，蜂窩毫微微基站——您可以買到的最小的基站，學(xué)習(xí)時(shí)可以把它放到桌面上，這種基站需要連續(xù)探測(cè)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(shí)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(qiáng)了空間利用率，從而提高了網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘浚粫?huì)由于建筑物干擾導(dǎo)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(shí)產(chǎn)權(quán)。 CR一種新出現(xiàn)的應(yīng)用是中距機(jī)器至機(jī)器無線網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用包括智能電網(wǎng)、車流量控制以及校園級(jí)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(huì)使用所謂的空白電視信號(hào)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(hào)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(shí)際上，Weightless建議的解決方案是認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)基于不具有認(rèn)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(jì)最好的方法是了解設(shè)備的功能，研究應(yīng)用需求是怎樣改變?cè)O(shè)計(jì)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(xué)家Sofie Pollin，理想的SDR根本就沒有模擬功能。這類無線電直接對(duì)來自天線的整個(gè)頻段進(jìn)行數(shù)字化處理，然后，提取出需要的信號(hào)，完全使用軟件編程數(shù)字處理器進(jìn)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(jìn)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(cuò)方法等。 Pollin很快指出，這種想法在實(shí)際中是很難實(shí)現(xiàn)的。在很多應(yīng)用中，對(duì)天線信號(hào)直接進(jìn)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(dòng)態(tài)范圍，其本身就是一項(xiàng)科學(xué)工程。因此，實(shí)際的SDR進(jìn)行了折中：高度可配置的模擬RF級(jí)，以及可配置ADC之前的下轉(zhuǎn)換器，如圖1 所示。 
圖1.實(shí)際的SDR接收器。 在這一實(shí)際的SDR中，我們?cè)黾恿巳齻�(gè)功能模塊以實(shí)現(xiàn)無線電認(rèn)知功能，如圖2所示。這些模塊實(shí)現(xiàn)了前面介紹的三種基本功能：感知、分類和自適應(yīng)。它們是怎樣改變SDR的，這是一個(gè)與應(yīng)用密切相關(guān)的問題。
圖2.認(rèn)知無線電在SDR中增加了感知、分類和自適應(yīng)模塊。 感知 第一個(gè)主要模塊是感知，它會(huì)影響接收器前端。與SDR不同，CR必須感知其特殊的環(huán)境。在要求不高的應(yīng)用中，這一感知過程可能與時(shí)域復(fù)用接收通路可編程前端迅速查看接收情況一樣簡(jiǎn)單。例如，接收器會(huì)掃描基站數(shù)據(jù)包之間預(yù)定義的通道列表。 Pollin指出：“進(jìn)行機(jī)會(huì)頻譜接入(OSA)的系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單。大部分重點(diǎn)放在目前不受干擾的頻段，然后進(jìn)行跳頻。這種方法的功能非常強(qiáng)大。” 對(duì)于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)景，無線電設(shè)備會(huì)含有完全獨(dú)立的接收通路，只用于監(jiān)視間隔通道。使用獨(dú)立的通路，CR能夠同時(shí)處理所定義的頻段以及正常接收頻段內(nèi)的信號(hào)活動(dòng)。極端情況下，CR在實(shí)現(xiàn)感知功能時(shí)會(huì)有完全不同的接收通道。例如，一臺(tái)設(shè)備會(huì)有一個(gè)可調(diào)窄帶接收通路用于通信，一個(gè)帶寬非常大的通路用于感知，這樣，它可以連續(xù)處理較寬的無線電頻譜，而不用進(jìn)行掃描。Pollin說：“取決于需求，監(jiān)視功能可能需要帶寬非常大的模擬前端。”但是，寬帶電路成本非常高，因此，您應(yīng)該盡量避免使用它。如果實(shí)際應(yīng)用允許，您最好采用掃描的方式。 分類 SDR結(jié)構(gòu)圖第二個(gè)重要的組成是分類功能。在分類模塊中，CR處理由感知模塊收集到的數(shù)據(jù)流，找到可能是干擾信號(hào)的功率模式，或者目標(biāo)信號(hào)的功率模式，并對(duì)其進(jìn)行分類。 對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的OSA無線電，分類功能的實(shí)現(xiàn)與建立一個(gè)分配通道的功率直方圖一樣簡(jiǎn)單，而不用關(guān)心功率代表了什么。無論通道保持靜默還是有信號(hào)。更復(fù)雜的無線電設(shè)備能夠推斷出較多的能量來源，例如發(fā)送器頻率、調(diào)試方式、傳輸時(shí)序：這是策略形成自適應(yīng)模塊用于進(jìn)行判斷的信息。 認(rèn)知無線電技術(shù)公司總裁James Neel解釋說：“分類功能一般通過兩個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)。首先，您只是探測(cè)是否有能量，然后進(jìn)一步獲得更多的信息。” 有時(shí)候可以通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算進(jìn)行探測(cè)，獲得更多信息。在其他情況下，無線電設(shè)備會(huì)嘗試調(diào)諧信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，檢查數(shù)據(jù)包流。在這種情況下，無線電解調(diào)器可以同時(shí)用于接收器和分類目的，或者，對(duì)于前端電路的情況，會(huì)有完全獨(dú)立的數(shù)字處理器用于對(duì)未知信號(hào)進(jìn)行分類。Neel指出，“如果您知道到底要找什么，那么，您可以設(shè)計(jì)定制分類硬件。” 如果您不知道要找什么，那么，所有工作都會(huì)很有趣。分類工作可以從提取模擬前端數(shù)據(jù)開始，然后，開發(fā)功率譜密度(PSD)功能，例如通過快速傅里葉變換(FFT)來實(shí)現(xiàn)。然后，從功率譜隨時(shí)間的變化，信號(hào)采用了哪種調(diào)制方式等方面進(jìn)行周期分析。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，可以使用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片、FPGA，或者其他計(jì)算硬件來獲取這些統(tǒng)計(jì)信息。 自適應(yīng) 然后，分類模塊將其結(jié)果傳送到CR第三個(gè)特有的組件，即，自適應(yīng)模塊。在這里，分類數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)面臨兩個(gè)關(guān)鍵問題：它到底代表了什么含義，我應(yīng)該怎么辦?在這一級(jí)，CR體系結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的最大變化。 不同在于問題的范圍。一個(gè)簡(jiǎn)單的OSA無線電設(shè)備可能只是觀察其鏈路干擾電平或者誤碼率(BER)，尋找能夠進(jìn)行跳頻的開放頻率。更復(fù)雜的無線電設(shè)備會(huì)構(gòu)建干擾源的頻譜圖，根據(jù)所觀察到的干擾源隨時(shí)間變化的行為來預(yù)測(cè)頻譜圖會(huì)怎樣變化，規(guī)劃一系列頻率和調(diào)制方式，以滿足其數(shù)據(jù)通信要求。 Neel說，在最復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，CR不僅僅知道其頻譜環(huán)境，而且還知道自己系統(tǒng)所處的環(huán)境。例如，在醫(yī)院手術(shù)室中的CR能夠“理解”所進(jìn)行的手術(shù)過程，病人的狀態(tài)，手術(shù)團(tuán)隊(duì)中每一個(gè)人的需求，以及附近其他無線設(shè)備的行為等。這一無線電設(shè)備會(huì)將所有這些信息合并成一個(gè)策略，使用可用頻譜來保證緊急數(shù)據(jù)流的延時(shí)，同時(shí)滿足其他儀表的低優(yōu)先級(jí)要求。 這類無線電設(shè)備可能會(huì)使用啟發(fā)式功能來驅(qū)動(dòng)環(huán)境分析，做出決定。Neel建議，或者，隨著環(huán)境越來越復(fù)雜，可預(yù)測(cè)性越來越差，策略模塊會(huì)采用隱藏馬爾科夫模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或者相關(guān)技術(shù)對(duì)環(huán)境建模，并進(jìn)行分析。 這類計(jì)算涉及到大量的數(shù)據(jù)，需要很強(qiáng)的計(jì)算功能。Neel說，因此，明顯的發(fā)展趨勢(shì)是把CR的思考部分放到云端。那么，一個(gè)關(guān)鍵問題是無線電設(shè)備要處理的現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間。有時(shí)間來查詢中心計(jì)算資源，或者無線電設(shè)備必須自己做出基本判斷嗎? 隨著CR的普及，也帶來了其他問題。不可避免的是，大量的CR導(dǎo)致頻譜擁擠，它們都要互相搶占頻段，為自己的主機(jī)提供帶寬最大的頻段。正如Neel所指出的，在這些情況下，無線電設(shè)備需要采用游戲理論，以便實(shí)現(xiàn)共享頻段的最佳分配。這類競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和優(yōu)化問題帶來了IEEE 802.19無線共存技術(shù)咨詢小組議程中一個(gè)很難解決的問題。 Weightless實(shí)例 兩個(gè)實(shí)例會(huì)有助于幫助對(duì)這些概念進(jìn)行澄清。首先，Weightless標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上并不是CR，而是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，其中非常簡(jiǎn)單的無線電只是一個(gè)組成單元。第二個(gè)是一個(gè)理論實(shí)例，適合公共安全應(yīng)用更復(fù)雜的真CR。 Weightless體系結(jié)構(gòu)與IEEE 802.22相似，在所謂的空白電視信號(hào)頻段內(nèi)采用區(qū)域網(wǎng)，這是電視廣播帶寬范圍內(nèi)未被占用的本地通道。802.22旨在為人們提供寬帶接入，與此不同的是，Weightless專門設(shè)計(jì)用于為不同的機(jī)器、傳感器和制動(dòng)器提供窄帶物聯(lián)網(wǎng)連接，其節(jié)點(diǎn)的成本和功耗都非常低。 據(jù)Weightless的Webb，各種不同的目的導(dǎo)致了體系結(jié)構(gòu)的顯著不同。Webb說：“對(duì)于空白電視信號(hào)頻段內(nèi)未獲得許可的設(shè)備，第一個(gè)限制要求是不能干擾任何人的電視接收。這很難做到，因?yàn)槟耆浪须娨暟l(fā)射器位于哪里，但是卻不知道接收器在哪里。 Webb繼續(xù)解釋：“我們最初的想法是為終端設(shè)計(jì)成本非常低的CR，與802.22的目的非常相似。但是，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)際中，您可能恰好靠近正在觀看電視的人，遠(yuǎn)距離電視臺(tái)發(fā)射的信號(hào)傳送到他這里時(shí)已經(jīng)非常弱了。” 具有足夠動(dòng)態(tài)范圍的CR要識(shí)別這些弱信號(hào)，需要花費(fèi)很高的成本，提供很大的功率。因此，Weightless選擇了完全不同的方法來進(jìn)行感知：中心控制的三層網(wǎng)絡(luò)，如圖3 所示。在這里，終端向基站報(bào)告其物理位置，基站查詢?cè)浦械膽?yīng)用程序，云端使用了許可廣播發(fā)射器以及其他基站的位置表，以獲得可用頻率的列表。Webb評(píng)論說：“這對(duì)于設(shè)計(jì)而言是很有趣的算法。”
圖3.Weightless網(wǎng)絡(luò)將認(rèn)知功能分散到三層中。 這張查找表保證了終端不會(huì)影響所有人晚上看電視，也不會(huì)與其他基站競(jìng)爭(zhēng)同一通道。但是，它并不保證終端與獲得許可設(shè)備之間不出現(xiàn)干擾，例如，無線麥克風(fēng)，或者在同一區(qū)域中漫游的其他未獲得許可的低功率設(shè)備。為解決這一問題，基站為終端分配了8個(gè)頻率。終端以兩秒間隔進(jìn)行跳頻，以減小來自這類源的干擾。 由于終端使用了直接擴(kuò)頻傳輸技術(shù)，因此，系統(tǒng)有更大的自由度。實(shí)際上，基站監(jiān)視每一終端的BER，命令終端調(diào)整擴(kuò)頻因子，以便在帶寬和范圍上達(dá)到平衡。 Weightless采用了認(rèn)知系統(tǒng)的三種定義行為：感知、分類和自適應(yīng)。但是，這一標(biāo)準(zhǔn)并沒有將所有這些功能構(gòu)建到終端無線電設(shè)備中，而是把它們分散開。大部分認(rèn)知放在準(zhǔn)靜態(tài)表中，而不是在算法中。在基站中對(duì)自適應(yīng)功能、大部分感知功能和分類功能進(jìn)行平衡。在網(wǎng)絡(luò)中對(duì)功能進(jìn)行分配，大幅度降低了終端的成本，單芯片電池供電設(shè)備能夠采用很低的占空比進(jìn)行工作。 緊急服務(wù)實(shí)例 第二個(gè)實(shí)例不是基于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，或者相關(guān)的實(shí)際無線電，而是基于美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)公共安全和國(guó)土安全局所建議的構(gòu)想。然而，美國(guó)緊急狀態(tài)響應(yīng)人員面臨的一個(gè)關(guān)鍵而又長(zhǎng)期存在的問題是不同的單位無法在緊急情況下與其他單位的設(shè)備通過無線電進(jìn)行通信，例如警察、消防和醫(yī)療團(tuán)隊(duì)等。 有時(shí)候問題在于頻譜的可用性。例如，最近的公開報(bào)道顯示，加州奧克蘭新裝備的警察無線電系統(tǒng)850 MHz頻段接近當(dāng)?shù)氐?G蜂窩服務(wù)，經(jīng)常出現(xiàn)通信錯(cuò)誤。 其他問題來自本身的認(rèn)知，例如，常規(guī)廣播與緊急情況時(shí)官方間緊急通信帶寬出現(xiàn)沖突。其他的問題涉及到不同服務(wù)間的兼容性。警察、消防、醫(yī)療和城市無線電系統(tǒng)在緊急情況下都不具有互操作性。局首席工程師Bill Lane和電子工程師Yoon Chang在其技術(shù)主題文章“公共安全的認(rèn)知無線電”中寫道，隨著目前窄帶語音無線電成為類似于高性能智能電話的媒體終端，這些問題只會(huì)越來越嚴(yán)重。Lane建議采用CR作為解決方案。CR能夠在緊急點(diǎn)附近實(shí)時(shí)找到可用頻譜，避免了干擾源。它可以優(yōu)先使用可用頻譜，以保證最關(guān)鍵的消息延時(shí)最低。通過找到周圍無線電設(shè)備的頻率、調(diào)制和編碼方式，CR可以橋接區(qū)域中不兼容的系統(tǒng)。 可以完成所有這些服務(wù)的無線電設(shè)備會(huì)要求在本地實(shí)現(xiàn)所有這三種認(rèn)知模塊：感知、分類和自適應(yīng)，如圖4所示。對(duì)于感知功能，無線電設(shè)備需要一條專用監(jiān)視鏈。好消息是這條鏈不需要帶寬很大的超高動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)。對(duì)于需要掃描目標(biāo)帶寬中接收器通道的應(yīng)用，要為每一通道構(gòu)建一組數(shù)據(jù)。
圖4.緊急狀態(tài)響應(yīng)人員的認(rèn)知無線電。 分類硬件要比簡(jiǎn)單的OSA無線電復(fù)雜得多。FFT級(jí)和乘法器會(huì)為每一頻段建立PSD功能，然后，信號(hào)處理鏈會(huì)應(yīng)用周期分析，以提取出某一調(diào)制方式的特征。這樣，分類器會(huì)為自適應(yīng)模塊提供每一頻段大量的信息：干擾在哪里，能夠識(shí)別出來的信號(hào)在哪里，以及足夠的統(tǒng)計(jì)信息來找到附近其他的無線電信號(hào)。 處理這些數(shù)據(jù)，將其與滿足應(yīng)用需求、用戶優(yōu)先級(jí)以及滿足互操作性要求的前后信息相結(jié)合，在多核CPU簇中，通過軟件實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)模塊，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真來找到開放頻率特定的無線電類型和時(shí)域模式。使用更多的規(guī)則，軟件會(huì)選擇一種策略，對(duì)無線電設(shè)備的模擬前端和基站部分進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)這一策略。 更廣闊的遠(yuǎn)景 這些例子闡述了在數(shù)據(jù)通信中使用認(rèn)知技術(shù)。而這些概念不僅適用于無線電。實(shí)際上，系統(tǒng)處于快速變化的環(huán)境中時(shí)，不僅僅是參數(shù)要變化，最好是將系統(tǒng)響應(yīng)設(shè)計(jì)為認(rèn)知系統(tǒng)。 感知、分類和自適應(yīng)作為鏈接功能的三個(gè)組成，已經(jīng)在情報(bào)智能和電子戰(zhàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在很多其他領(lǐng)域，能夠有效的應(yīng)用這些概念，一般成本會(huì)很低，包括，網(wǎng)絡(luò)管理、主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全、高級(jí)汽車輔助駕駛以及工業(yè)控制等。 現(xiàn)在的因素包括快速增加的密度，以及越來越低的功耗預(yù)算和計(jì)算成本等。在不遠(yuǎn)的將來，大部分電子系統(tǒng)會(huì)是認(rèn)知系統(tǒng)，功能固定的系統(tǒng)會(huì)越來越少，特殊的新設(shè)計(jì)也會(huì)越來越少。這一發(fā)展趨勢(shì)會(huì)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 |
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| 新領(lǐng)域,值得關(guān)注 |
| 受教了，聽說過好久，但從來沒仔細(xì)關(guān)注過。 |
