如何实现完整的认知无线电

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无线频谱是一种宝贵的资源。对此若有怀疑也会因AWS-3频谱拍卖而烟消云散，因为据报道此次拍卖共赚得449亿美元。这么巨大的资金保证了蜂窝提供商能够使用固定地区的特定频段以便支持他们的客户。

固定和预定义的频率和调制技术概念可以追溯到最早的无线电时期。这种概念在我们的频率分配中根深蒂固，并且在上个世纪一直很有效。

遗憾的是，今天人们对频谱的需求超过了有限的供应。业界也采用了不同的技术来减缓这种供需矛盾。比如采用更加高效的调制方案，如正交频分复用(OFDM)。借助OFDM和高效的数字压缩机制，许多国家的地面广播电视频道的频谱利用已达到非常合理的程度。模拟传输也被数字服务所替代，它极大地降低了带宽和保护带的要求。结果是，一些频谱资源被释放出来给其它应用使用。

即使做了上述这些努力，但可用的频谱资源仍不足以满足诸如蜂窝等服务的快速增长需求。结果是，对下一代蜂窝系统的规划和研究正推动着频率向60GHz及以上发展。与目前无线信号覆盖整个区的蜂窝相比，在这些毫米波长工作要困难得多，而且覆盖范围以英尺(或米)计。

这种传统技术方案导致射频频谱中许多部分的利用率相当低。一些报告指出，任一时刻只有10%的可用频谱正在使用。

技术发展

认知无线电(CR)这个概念承诺能够提供高得多的可用频谱利用率。简单的说，具有认知无线电功能的无线产品可以适应当前的环境，并使用没在使用的资源。这种简化的定义解释了为什么认知无线电还没有得到普及。

理想的认知无线电系统应该能够监视很宽范围的频率，并及时识别某一瞬间哪些频率正在被使用，哪些频率是空闲的。

使用一组接收器、每个接收器通过调谐扫描整个频段显然是不切实际的。然而，最新的半导体技术使得使用能够在整个频率范围内执行扫描的可编程接收器成为可能。就拿Lime Microsystems公司的LMS7002M来说，它可以在100kHz至3800MHz之间任意调谐。它有两个可以完全在线可编程的收发器。增益和带宽也是可编程的，而且每个通道在射频域和基带域中都有接收信号强度指示器(RSSI)。这就允许认知无线电扫描感兴趣的射频频率，然后“占用”任何潜在空闲的信道。认知无线电可以提升增益并缩小带宽，以消除错误跳到已占频率上的可能性。

两个或多个具有认知无线电功能的无线电设备要建立一个通信信道，它们必须有一个同意采用什么频率、功率电平和调制方案的机制(图1)。一种技术是使用基站在参与设备之间传递消息。基站只用于交换连接数据，然后认知无线电设备切换到协商一致的设置上。

图1：认识无线电设备组可以连续扫描频谱。

在呼叫过程中，认知无线电设备需要连续监视信道和其它频率，因为其它(非认知无线电)用户可能突然启动呼叫。这些用户通常被称为许可用户，他们比认知无线电设备的优先级高，要求防止有害的干扰。在这种可能发生的情形中，认知无线电的作用是检测许可用户，建立并同意另一个空闲频率，然后断开当前设置的连接。

为了有助于实现这个功能，认知无线电频谱检测方法需要在不传送信息时提供一定的时隙，帮助系统检测其它信号，并且在帧格式内适应整个认知无线电系统。基站可以从多个认知无线电设备组中校对有关频谱使用情况的报告，并更新记录信道忙闲的表格。

基站可以使用这张表格为申请的服务分配空闲信道。当要求一个新的网络配置，这种算法可以防止认知无线电发生过度的搜寻。这种合作机制还能减轻“隐藏节点”问题，即来自一个远程或阴影下的用户传输没被特定的认知无线电发现。这个直接信号也许太弱了而没被检测到，但如果认知无线电设备在相同频率上开始传送信息，则会对现有用户造成干扰。

考虑认知无线电设备在典型无线环境中的工作。图2所示的初始场景是信道A、B和D被发现目前都没在使用，因为只检测到宽带噪声。此时认知无线电设备组将通过基站进行通信，并使用信道A。在认知无线电呼叫期间，有台认知无线电设备检测到一个许可用户有了连接，那么认知无线电呼叫者就将评估其它频率选项，并切换到目前仍只有噪声记录的信道B。同样在认知无线电呼叫过程中再次检测到许可用户，认知无线电呼叫将重新切换到目前未被使用的信道C。

图2：存在许可用户时的认知无线电通信。

第1页：认 知无线电的技术发展

第2页：现场可编程射频(FPRF)半导体器件

第3页：基带配套芯片

第4页：认 知无线电的应用

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现场可编程射频(FPRF)半导体器件

现在最新的FPRF器件可以完全应对扫描宽范围的频率、检测活动电平并快速切换频率的技术挑战。另外，CMOS技术提供了低功耗和高成本效益的单芯片解决方案。

为了检测和利用空闲信道，要求创建频谱检测算法来检测能量电平，并以机会性和非干预的方式接入。LMS7002M有三个独立的低噪声放大器(LNA)，分别用作低频段、高频段和宽频段输入。在初始搜索模式，高频段和低频段的LNA一般不加电，与此同时通过宽带输入处理射频信号。这个输入在这个LNA上有一个射频接收信号强度指示器(RSSI)，可检测从-70dBm至-20dBm的输入。接着信号被数字化，并通过计算“2的平方根”算出强度。这样允许自动增益控制(AGC)在70dB范围内设置增益，确保避免发生钳位。

如果感兴趣的信号频段在100kHz至2GHz范围内，那就可以使用低频段LNA。不然的话，就由高频段LNA接受高于1.5GHz的信号。

可以对接收频率进行快速扫描，以便在感兴趣的频谱内进行信号的粗检测。接收带宽可以随时调整。初始扫描时可以选择宽带宽，并使用较窄的滤波器“占用”任何传输。两个收发器都配备了数字基带接收信号强度指示器(RSSI)，可以用来得出频谱使用率。认知无线电需要能够忽略伪传输和干扰以及认知无线电系统自身产生的传输。

使用OFDM的传输对认知无线电来说更难检测。这是因为OFDM使用了大量子载波，而且每个子载波都被部分消息所调制。载波频率经过组织可以达到互不干扰的目的，因为在系统中进行了正交化设计。来自每个载波的单独信号在接收器端检测和汇聚，其重新构成的数字化数据段将提供更高的数据速率。

因此OFDM非常像噪声的特征。然而，OFDM设计是可以在有噪声的环境中工作的，故用于恢复数据的算法包括了纠错功能。正是这些特征使得OFDM成为认知无线电采用的最低侵入性传输类型之一。

最有效的新机制被称作多入多出(MIMO)。这是一种复杂的配置，使用两根或多根相距一定距离的天线。MIMO技术可以提高频谱效率，实现能够提高链路可靠性的分集增益。在发送器端使用两根天线、在接收器端也使用两根天线的配置被称为2×2 MIMO系统。采用双路收发器架构设计的现场可编程射频(FPRF)就是以单芯片的形式支持2×2 MIMO。通过增加更多的天线和收发器，还可以扩展到比方4×4的MIMO系统。

接收和发送带宽可以在1.4MHz至56MHz范围内编程，因此允许认知无线电选择较小的带宽用于满足低数据速率要求(如语音)，或采用高吞吐量带宽供流视频或其它更高需求的应用使用。

FPRF(图3)受简单内存映射图中的数据所控制，这个映射图是通过SPI接口加载进器件的。这样可以完全控制每个参数，并能将单个模块旁路掉或断电。因此在扫描模式期间，所有发送模块都可以断电。

图3：FPRF框图。

在双工呼叫期间，两个收发器中的发送和接收路径可以随时进行整个重新编程。这样允许设备调整发送信号电平，让远端设备的信噪比达到足够的值。同样，接收器中的RSSI允许认知无线电建议远端设备调整其发送功率。通过这种机制可以在最低可能干扰的条件下实现最优的通信，并且能最大限度地降低系统功耗。

数字基带数据流采用同相和正交(I&Q)分量的形式。发送载波由加载进SPI内存的数据在加载瞬时确定，频率在发送锁相环中产生。射频和数据在混频器中混合，产生待发送的合成信号。同样，接收锁相环为直接转换混频器(有时也称为零中频)产生瞬时频率，然后将射频转换为基带，并恢复出I&Q数据。

在所有手持设备中，尺寸、重量、功耗和成本(简称SWaP-C)的重要性越来越高。低成本的LMS7002M在单入单出(SISO)模式下的功耗要求只有很小的550mW，在MIMO模式下是880mW，并且可以采用单电源供电。只需很少量外部元件的这种器件完全能够满足尺寸和重量方面的要求。

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第3页：基带配套芯片

第4页：认知无线电的应用

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基带配套芯片

基带芯片方面有不少选择，不过通常归结为专用处理器或FPGA。处理器针对智能决策制定做了优化，而FPGA在算法任务的硬件加速方面表现卓越。然而，最新推出的产品让我们见证了高性能处理器嵌入进FPGA的整合概念。来自Altera公司的Arria10 SoC提供两个32位的ARM内核，其工作时钟频率为1.2GHz，逻辑单元数多达660k。这种处理器和FPGA逻辑矩阵在同一器件上的整合(图4)提供了高得多的性能，并且不存在通常与芯片外处理信号有关的功率泄漏问题。

图4：FPRF和FPGA配置。

FPGA在加电时从外部存储器(XX 如闪存)进行配置。这个存储器还能包含用于ARM内核的可执行代码以及加载进LMS7002M收发器的频率信息表和SPI内存映射图。闪存还提供了加载中期固件更新的功能，可用来增加新功能、刷新信道分配数据或纠正缺陷。

当总的功能在软件和硬件任务之间划分时，使用带嵌入式处理器的FPGA的好处是显而易见的。通常软件通过编程并扫描空闲信道来控制LMS7002M。这是通过将连续的数据图案加载进SPI内存然后将锁相环(PLL)调谐到目标频率实现的。可编程矩阵接受从收发器上的RSSI反馈的数据，并用它来识别存在什么样的射频活动。

ARM内核还要为出入呼叫建立例程处理与基站的协商协议。这个数据中包含的内容有频率、带宽、功率电平以及用于连接的调制方案。处理器还要控制可编程矩阵内核，确保数据流产生约定的调制方案。矩阵的硬件加速非常适合编解码I&Q数据和检错/纠错。大量专用的可变精度数字信号处理(DSP)模块可以用来处理浮点运算，可实现完美的高性能滤波。

如果要求实现数据加密，那么这个任务可以在逻辑矩阵中执行。举例来说，通过使用高级加密标准(AES)或更复杂的AES-GCM变体提供数据机密性，这也能保证数据在传输过程中不会被恶意篡改或破坏。

Arria10系列为高性能的基带功能提供了实现可能。在不要求最快速度的应用中，可以使用极具成本效益的Cyclone V SE，该产品也有嵌入式ARM内核。不管是哪种选择，设计师都能将任务与最合适的资源匹配起来，同时实现最低的功耗。

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认知无线电的应用

目前主要的应用领域是军事通信。认知无线电是软件无线电(SDR)的逻辑扩展。软件无线电设备已经在全球的军 队用户中得到了广泛部署，这些设备支持范围很大的不同波形。

基于技术和逻辑方面的理由，认知无线电系统将在军事应用中得到早期采纳。OFDM传输天生就具有保密性，因此，设计师可以利用LMS7002M的功能实现锁定时间很短的快速跳频，从而消除跟踪和截取信号的可能性。认知无线电系统还天生具有检测和避免干扰信号或在战场上可能遇到的其它外来信号的能力。从逻辑上看，认知无线电系统可以在不同的军事部门以及和盟军及北约部队实现互操作。军事用途的带宽分配已经在不同服务和雷达等特定用途之间划分好了。这种资源正承受着一方面来自对通信、情报、监视和侦察所需带宽、另一方面来自联邦通信委员会等监管机构的快速发展需求的压力。

认知无线电向铁路运输到公共安全应用等其它应用的渗透还需要更多地考量，因为进程取决于政治和法规问题的进展。

政治和法规问题

克服技术障碍只是问题的一部分，因为在认知无线电成为主流无线技术之前，还有许多显著的政治和法规障碍必须加以克服。

免许可用户使用表面上为其它目的保留的频谱这个概念是与当前的管理制度相悖的。当蜂窝提供商等公司投入大量资金收购具有高利用率的频谱时这一点就很容易理解了。但对其它频段来说未必是这样，比如为固定、移动或军事应用保留的频段。有大量狭窄的宝贵频谱可以开放给认知无线电用户，只要在干扰减轻方面有足够的保证。当前状态的一个极端类比相当于建立了一条只用于货运卡车的高速公路。

有人建议向蜂窝系统中引入一些与认知无线电并行的概念。目前LTE网络规划包含一种叫做LTE辅助接入(LAA)技术的功能，也称作为LTE-Unlicensed(LTE-U)。

LAA目前处于3GPP标准制定阶段。这里的想法是移动用户使用传统的蜂窝网络建立了一个呼叫或会话，如果接收器可以用WiFi时，大量业务随即转移到WiFi网络。WiFi是免许可的，因此蜂窝运营商认为这是该资源的合理使用。在一些领域中这是争论的热点，目的是确保工作在该频段的所有免许可设备具有对3.5GHz频谱的公平和合理访问。

很明显，任何认知无线电系统应避开现场急救组织或紧急服务用的公用安全网络。这些是为Project 25(P25)和地面集群无线(TETRA)服务保留的频段。为了有助于确保认知无线电用户不会无意中侵犯到这些频段，所供设备应避免采用不同地点的频率。这要求认知无线电系统使用通过GPS或其它等效手段得到的地理位置，并与“不能使用”的查找表结合在一起。

频谱拥挤要求监管部门尽可能提高对这一宝贵资源的利用率，而认知无线电系统为满足我们对越来越多带宽的需求提供了一种可行的解决方案。

本文来自《电子工程专辑》2015年10月刊，版权所有，谢绝转载。

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