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作者: Paul Dillien 無線頻譜是一種寶貴的資源。對此若有懷疑也會因AWS-3頻譜拍賣而煙消云散，因為據報道此次拍賣共賺得449億美元。這么巨大的資金保證了蜂窩提供商能夠使用固定地區的特定頻段以便支持他們的客戶。 固定和預定義的頻率和調制技術概念可以追溯到最早的無線電時期。這種概念在我們的頻率分配中根深蒂固，并且在上個世紀一直很有效。 遺憾的是，今天人們對頻譜的需求超過了有限的供應。業界也采用了不同的技術來減緩這種供需矛盾。比如采用更加高效的調制方案，如正交頻分復用(OFDM)。借助OFDM和高效的數字壓縮機制，許多國家的地面廣播電視頻道的頻譜利用已達到非常合理的程度。模擬傳輸也被數字服務所替代，它極大地降低了帶寬和保護帶的要求。結果是，一些頻譜資源被釋放出來給其它應用使用。 即使做了上述這些努力，但可用的頻譜資源仍不足以滿足諸如蜂窩等服務的快速增長需求。結果是，對下一代蜂窩系統的規劃和研究正推動著頻率向60GHz及以上發展。與目前無線信號覆蓋整個區的蜂窩相比，在這些毫米波長工作要困難得多，而且覆蓋范圍以英尺(或米)計。 這種傳統技術方案導致射頻頻譜中許多部分的利用率相當低。一些報告指出，任一時刻只有10%的可用頻譜正在使用。 技術發展 認知無線電(CR)這個概念承諾能夠提供高得多的可用頻譜利用率。簡單的說，具有認知無線電功能的無線產品可以適應當前的環境，并使用沒在使用的資源。這種簡化的定義解釋了為什么認知無線電還沒有得到普及。 理想的認知無線電系統應該能夠監視很寬范圍的頻率，并及時識別某一瞬間哪些頻率正在被使用，哪些頻率是空閑的。 使用一組接收器、每個接收器通過調諧掃描整個頻段顯然是不切實際的。然而，最新的半導體技術使得使用能夠在整個頻率范圍內執行掃描的可編程接收器成為可能。就拿Lime Microsystems公司的LMS7002M來說，它可以在100kHz至3800MHz之間任意調諧。它有兩個可以完全在線可編程的收發器。增益和帶寬也是可編程的，而且每個通道在射頻域和基帶域中都有接收信號強度指示器(RSSI)。這就允許認知無線電掃描感興趣的射頻頻率，然后“占用”任何潛在空閑的信道。認知無線電可以提升增益并縮小帶寬，以消除錯誤跳到已占頻率上的可能性。 兩個或多個具有認知無線電功能的無線電設備要建立一個通信信道，它們必須有一個同意采用什么頻率、功率電平和調制方案的機制(圖1)。一種技術是使用基站在參與設備之間傳遞消息。基站只用于交換連接數據，然后認知無線電設備切換到協商一致的設置上。 
圖1：認識無線電設備組可以連續掃描頻譜。 在呼叫過程中，認知無線電設備需要連續監視信道和其它頻率，因為其它(非認知無線電)用戶可能突然啟動呼叫。這些用戶通常被稱為許可用戶，他們比認知無線電設備的優先級高，要求防止有害的干擾。在這種可能發生的情形中，認知無線電的作用是檢測許可用戶，建立并同意另一個空閑頻率，然后斷開當前設置的連接。 為了有助于實現這個功能，認知無線電頻譜檢測方法需要在不傳送信息時提供一定的時隙，幫助系統檢測其它信號，并且在幀格式內適應整個認知無線電系統。基站可以從多個認知無線電設備組中校對有關頻譜使用情況的報告，并更新記錄信道忙閑的表格。 基站可以使用這張表格為申請的服務分配空閑信道。當要求一個新的網絡配置，這種算法可以防止認知無線電發生過度的搜尋。這種合作機制還能減輕“隱藏節點”問題，即來自一個遠程或陰影下的用戶傳輸沒被特定的認知無線電發現。這個直接信號也許太弱了而沒被檢測到，但如果認知無線電設備在相同頻率上開始傳送信息，則會對現有用戶造成干擾。 考慮認知無線電設備在典型無線環境中的工作。圖2所示的初始場景是信道A、B和D被發現目前都沒在使用，因為只檢測到寬帶噪聲。此時認知無線電設備組將通過基站進行通信，并使用信道A。在認知無線電呼叫期間，有臺認知無線電設備檢測到一個許可用戶有了連接，那么認知無線電呼叫者就將評估其它頻率選項，并切換到目前仍只有噪聲記錄的信道B。同樣在認知無線電呼叫過程中再次檢測到許可用戶，認知無線電呼叫將重新切換到目前未被使用的信道C。
圖2：存在許可用戶時的認知無線電通信。 現場可編程射頻(FPRF)半導體器件 現在最新的FPRF器件可以完全應對掃描寬范圍的頻率、檢測活動電平并快速切換頻率的技術挑戰。另外，CMOS技術提供了低功耗和高成本效益的單芯片解決方案。 為了檢測和利用空閑信道，要求創建頻譜檢測算法來檢測能量電平，并以機會性和非干預的方式接入。LMS7002M有三個獨立的低噪聲放大器(LNA)，分別用作低頻段、高頻段和寬頻段輸入。在初始搜索模式，高頻段和低頻段的LNA一般不加電，與此同時通過寬帶輸入處理射頻信號。這個輸入在這個LNA上有一個射頻接收信號強度指示器(RSSI)，可檢測從-70dBm至-20dBm的輸入。接著信號被數字化，并通過計算“2的平方根”算出強度。這樣允許自動增益控制(AGC)在70dB范圍內設置增益，確保避免發生鉗位。 如果感興趣的信號頻段在100kHz至2GHz范圍內，那就可以使用低頻段LNA。不然的話，就由高頻段LNA接受高于1.5GHz的信號。 可以對接收頻率進行快速掃描，以便在感興趣的頻譜內進行信號的粗檢測。接收帶寬可以隨時調整。初始掃描時可以選擇寬帶寬，并使用較窄的濾波器“占用”任何傳輸。兩個收發器都配備了數字基帶接收信號強度指示器(RSSI)，可以用來得出頻譜使用率。認知無線電需要能夠忽略偽傳輸和干擾以及認知無線電系統自身產生的傳輸。 使用OFDM的傳輸對認知無線電來說更難檢測。這是因為OFDM使用了大量子載波，而且每個子載波都被部分消息所調制。載波頻率經過組織可以達到互不干擾的目的，因為在系統中進行了正交化設計。來自每個載波的單獨信號在接收器端檢測和匯聚，其重新構成的數字化數據段將提供更高的數據速率。 因此OFDM非常像噪聲的特征。然而，OFDM設計是可以在有噪聲的環境中工作的，故用于恢復數據的算法包括了糾錯功能。正是這些特征使得OFDM成為認知無線電采用的最低侵入性傳輸類型之一。 最有效的新機制被稱作多入多出(MIMO)。這是一種復雜的配置，使用兩根或多根相距一定距離的天線。MIMO技術可以提高頻譜效率，實現能夠提高鏈路可靠性的分集增益。在發送器端使用兩根天線、在接收器端也使用兩根天線的配置被稱為2×2 MIMO系統。采用雙路收發器架構設計的現場可編程射頻(FPRF)就是以單芯片的形式支持2×2 MIMO。通過增加更多的天線和收發器，還可以擴展到比方4×4的MIMO系統。 接收和發送帶寬可以在1.4MHz至56MHz范圍內編程，因此允許認知無線電選擇較小的帶寬用于滿足低數據速率要求(如語音)，或采用高吞吐量帶寬供流視頻或其它更高需求的應用使用。 FPRF(圖3)受簡單內存映射圖中的數據所控制，這個映射圖是通過SPI接口加載進器件的。這樣可以完全控制每個參數，并能將單個模塊旁路掉或斷電。因此在掃描模式期間，所有發送模塊都可以斷電。
圖3：FPRF框圖。 在雙工呼叫期間，兩個收發器中的發送和接收路徑可以隨時進行整個重新編程。這樣允許設備調整發送信號電平，讓遠端設備的信噪比達到足夠的值。同樣，接收器中的RSSI允許認知無線電建議遠端設備調整其發送功率。通過這種機制可以在最低可能干擾的條件下實現最優的通信，并且能最大限度地降低系統功耗。 數字基帶數據流采用同相和正交(I&Q)分量的形式。發送載波由加載進SPI內存的數據在加載瞬時確定，頻率在發送鎖相環中產生。射頻和數據在混頻器中混合，產生待發送的合成信號。同樣，接收鎖相環為直接轉換混頻器(有時也稱為零中頻)產生瞬時頻率，然后將射頻轉換為基帶，并恢復出I&Q數據。 在所有手持設備中，尺寸、重量、功耗和成本(簡稱SWaP-C)的重要性越來越高。低成本的LMS7002M在單入單出(SISO)模式下的功耗要求只有很小的550mW，在MIMO模式下是880mW，并且可以采用單電源供電。只需很少量外部元件的這種器件完全能夠滿足尺寸和重量方面的要求。 基帶配套芯片 基帶芯片方面有不少選擇，不過通常歸結為專用處理器或FPGA。處理器針對智能決策制定做了優化，而FPGA在算法任務的硬件加速方面表現卓越。然而，最新推出的產品讓我們見證了高性能處理器嵌入進FPGA的整合概念。來自Altera公司的Arria10 SoC提供兩個32位的ARM內核，其工作時鐘頻率為1.2GHz，邏輯單元數多達660k。這種處理器和FPGA邏輯矩陣在同一器件上的整合(圖4)提供了高得多的性能，并且不存在通常與芯片外處理信號有關的功率泄漏問題。
圖4：FPRF和FPGA配置。 FPGA在加電時從外部存儲器(XX 如閃存)進行配置。這個存儲器還能包含用于ARM內核的可執行代碼以及加載進LMS7002M收發器的頻率信息表和SPI內存映射圖。閃存還提供了加載中期固件更新的功能，可用來增加新功能、刷新信道分配數據或糾正缺陷。 當總的功能在軟件和硬件任務之間劃分時，使用帶嵌入式處理器的FPGA的好處是顯而易見的。通常軟件通過編程并掃描空閑信道來控制LMS7002M。這是通過將連續的數據圖案加載進SPI內存然后將鎖相環(PLL)調諧到目標頻率實現的。可編程矩陣接受從收發器上的RSSI反饋的數據，并用它來識別存在什么樣的射頻活動。 ARM內核還要為出入呼叫建立例程處理與基站的協商協議。這個數據中包含的內容有頻率、帶寬、功率電平以及用于連接的調制方案。處理器還要控制可編程矩陣內核，確保數據流產生約定的調制方案。矩陣的硬件加速非常適合編解碼I&Q數據和檢錯/糾錯。大量專用的可變精度數字信號處理(DSP)模塊可以用來處理浮點運算，可實現完美的高性能濾波。 如果要求實現數據加密，那么這個任務可以在邏輯矩陣中執行。舉例來說，通過使用高級加密標準(AES)或更復雜的AES-GCM變體提供數據機密性，這也能保證數據在傳輸過程中不會被惡意篡改或破壞。 Arria10系列為高性能的基帶功能提供了實現可能。在不要求最快速度的應用中，可以使用極具成本效益的Cyclone V SE，該產品也有嵌入式ARM內核。不管是哪種選擇，設計師都能將任務與最合適的資源匹配起來，同時實現最低的功耗。 認知無線電的應用 目前主要的應用領域是軍事通信。認知無線電是軟件無線電(SDR)的邏輯擴展。軟件無線電設備已經在全球的軍 隊用戶中得到了廣泛部署，這些設備支持范圍很大的不同波形。 基于技術和邏輯方面的理由，認知無線電系統將在軍事應用中得到早期采納。OFDM傳輸天生就具有保密性，因此，設計師可以利用LMS7002M的功能實現鎖定時間很短的快速跳頻，從而消除跟蹤和截取信號的可能性。認知無線電系統還天生具有檢測和避免干擾信號或在戰場上可能遇到的其它外來信號的能力。從邏輯上看，認知無線電系統可以在不同的軍事部門以及和盟軍及北約部隊實現互操作。軍事用途的帶寬分配已經在不同服務和雷達等特定用途之間劃分好了。這種資源正承受著一方面來自對通信、情報、監視和偵察所需帶寬、另一方面來自聯邦通信委員會等監管機構的快速發展需求的壓力。 認知無線電向鐵路運輸到公共安全應用等其它應用的滲透還需要更多地考量，因為進程取決于政治和法規問題的進展。 政治和法規問題 克服技術障礙只是問題的一部分，因為在認知無線電成為主流無線技術之前，還有許多顯著的政治和法規障礙必須加以克服。 免許可用戶使用表面上為其它目的保留的頻譜這個概念是與當前的管理制度相悖的。當蜂窩提供商等公司投入大量資金收購具有高利用率的頻譜時這一點就很容易理解了。但對其它頻段來說未必是這樣，比如為固定、移動或軍事應用保留的頻段。有大量狹窄的寶貴頻譜可以開放給認知無線電用戶，只要在干擾減輕方面有足夠的保證。當前狀態的一個極端類比相當于建立了一條只用于貨運卡車的高速公路。 有人建議向蜂窩系統中引入一些與認知無線電并行的概念。目前LTE網絡規劃包含一種叫做LTE輔助接入(LAA)技術的功能，也稱作為LTE-Unlicensed(LTE-U)。 LAA目前處于3GPP標準制定階段。這里的想法是移動用戶使用傳統的蜂窩網絡建立了一個呼叫或會話，如果接收器可以用WiFi時，大量業務隨即轉移到WiFi網絡。WiFi是免許可的，因此蜂窩運營商認為這是該資源的合理使用。在一些領域中這是爭論的熱點，目的是確保工作在該頻段的所有免許可設備具有對3.5GHz頻譜的公平和合理訪問。 很明顯，任何認知無線電系統應避開現場急救組織或緊急服務用的公用安全網絡。這些是為Project 25(P25)和地面集群無線(TETRA)服務保留的頻段。為了有助于確保認知無線電用戶不會無意中侵犯到這些頻段，所供設備應避免采用不同地點的頻率。這要求認知無線電系統使用通過GPS或其它等效手段得到的地理位置，并與“不能使用”的查找表結合在一起。 頻譜擁擠要求監管部門盡可能提高對這一寶貴資源的利用率，而認知無線電系統為滿足我們對越來越多帶寬的需求提供了一種可行的解決方案。 |
