系統(tǒng)解讀無線通信之SDR和CR

　　認知無線電還是人工智能(AI)的一個很好的例子。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。它可以使用標準算法，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，并采取行動達到所需的最佳結(jié)果，從而模仿人類用戶。

　　認知無線電的一個非常重要的功能是動態(tài)頻譜接入(DSA)，該功能使得認知無線電能夠在確定頻譜中的一個頻道未被使用后調(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。認知無線電是監(jiān)控SDR并在必要時提供命令和控制指令的軟件。

　　認知無線電主要力爭解決兩個重要的無線問題：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，從而實現(xiàn)通信或者讓通信更可靠。

　　還有幾種不同類別的認知無線電。比如，基于策略的無線電通過一組預定義的功能(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)方式進行全面的重新配置。

　　認知無線電示例

　　xG Technology公司的xMax運營商級認知無線電系統(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駐軍和戰(zhàn)場蜂窩無線電系統(tǒng)部署的。

　　作為用來驗證和測試用于戰(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年早些時候在布利斯堡和白沙導彈試驗場進行了測試。根據(jù)書面媒體報道和軍 隊人員的觀點，該系統(tǒng)的表現(xiàn)相當出色。

　　xMax原型系統(tǒng)使用微型手機基站及該系列的TX70手持機。該系統(tǒng)還通過手持機自帶的認知技術(shù)使用900MHz的時分雙工(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4W，基站也是一樣。該系統(tǒng)將該頻譜范圍劃分成18個1.44MHz頻道，采用魯棒的二進制相移健控(BPSK)調(diào)制方式。接入方式為時分多址(TDMA)技術(shù)，每個通道都可以處理多達12個語音呼叫。

　　該無線電的認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。然后該手持機通知基站，從而在必要時更改頻率，保持流暢的連接。

　　目前，xG技術(shù)正在向其第二代xMax設(shè)計方向發(fā)展。這種新型xMax系統(tǒng)不再使用特殊的手持機，而是使用標準智能手機。而這正好符合軍 隊的要求，因為士兵使用標準的智能手機、膝上型電腦或平板電腦可以節(jié)省經(jīng)費。

　　在這種新系統(tǒng)中，智能手機與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)智能手機或計算機的Wi-Fi(或直接USB線纜)連接，使用認知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，它還通過智能手機應(yīng)用增加了受控VoIP功能。普通的3G和4G蜂窩智能手機通過2G或3G蜂窩鏈路采用蜂窩系統(tǒng)的標準語音服務(wù)，該服務(wù)目前還不是VoIP服務(wù)。xMax系統(tǒng)在智能手機中加入了一種特殊的應(yīng)用，該應(yīng)用使得智能手機能夠找出并優(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)利用正交頻分復用(OFDM)來修改xMax波形。上文中定義的18個1.44MHz頻道的每一個頻道都進一步分成128個副載波。無線電接入方式為TDD。增加的另一個關(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)備采用具有四個接收鏈路和兩個發(fā)射鏈路的2×4 MIMO系統(tǒng)。

　　認知功能和無線電本身主要以軟件(一般稱為SDR)的方式實現(xiàn)。該系統(tǒng)整合了認知無線電技術(shù)、MIMO技術(shù)和先進的信號處理技術(shù)，最大限度地提高了覆蓋范圍、可靠性和吞吐能力。所需的相當高的處理能力由能夠同時在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。事實上，xG公司從中獲得經(jīng)驗的900MHz頻帶現(xiàn)在已經(jīng)在超負載使用，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。