从软件无线电到认知无线电_走向终极无线电_无线通信发展展望_杨小牛

第1期2008年2月

中国电子科学研究院学报

J o u r n a l o f C A E I T

V o l .3N o .1

F e b .2008

收稿日期:2007-10-14 修订日期:2007-11-15

综　述

从软件无线电到认知无线电,走向终极无线电

———无线通信发展展望

杨小牛

(中国电子科技集团公司第36研究所,浙江嘉兴　314033)

摘　要:介绍软件无线电三种基本结构及认知无线电基本概念的基础上,提出了基于电子侦察原理的一种新的认知无线电实现架构及其对应的认知循环过程。同时,针对认知无线电存在的问题,提

出了基于盲源分离的认知无线电———终极无线电(u l t i m a t e r a d i o )的新概念,并对其实现的可行性进行了初步的分析讨论。

关键词:软件无线电;认知无线电;终极无线电中图分类号:T N 91 文献标识码:A 文章编号:1673-5692(2008)01-001-07

S o f t w a r e R a d i o ,C o g n i t i v e R a d i o a n d U l t i m a t e R a d i o

—AP r o s p e c t o f Wi r e l e s s C o m m u n i c a t i o n

Y A N GX i a o -n i u

(T h e 36t hR e s e a r c hI n s t i t u t e o f C E T C ,Z h e j i a n g J i a x i n g 314033,C h i n a )

A b s t r a c t :T h r o u g h a r e v i e wa n d o u t l o o k o f t h r e e b a s i c s t r u c t u r e s o f s o f t w a r e r a d i o (S R )p r o p o s e d b y t h e a u t h o r a n d t h e f u n d a m e n t a l c o n c e p t o f C o g n i t i v e R a d i o (C R ),t h e p a p e r p r e s e n t s a n e wf r a m e w o r k o f C R

a n d i t s c o r r e s p o n d i n g c o g n i t i v e c y c l e

b a s e do nt h e p r i n

c i p l e o f e l e c t r o n i c r e c o n n a i s s a n c e .F u r t h e r m o r e ,f a c e

d w i t h t h

e e x i s t i n g p r o b l e m s o

f C R ,t h e a u t h o r p u t s f o r w a r dan e w c o n c e p t o f S R -U l t i m a t e R a d i o (U R )b a s e d o n t h e t h e o r y o f b l i n d s o u r c e s e p a r a t i o n (B S S ).T h e f e a s i b i l i t y o f r e a l i z i n

g U Ri s a l s o d i s -c u s s e d .K e y w o r d s :s o f t w a r e r a d i o ;c o g n i t i v e r a d i o ;u l t i m a t e r a d i o

0　引　言

信息化社会发展到今天,人类社会已离不开通信,尤其是无线移动通信(如G S M 、C D M A 手机)的普及程度在几年前是不可想像的,各种新的通信手段、通信体制的出现为人们的生活、工作带来了极大的便利。随着各种新标准、新协议的不断发布,无线系统制造商和通信服务提供商不得不做出响应,通过系统升级,以保持其技术的先进性,不断为用户提供高质量的通信服务(1G ※2G ※3G ※4G )。但是,如此反复的重新设计和硬件的不断更新换代,不仅成本高,浪费资源,而且给最终用户也带来诸多不便。所以,无论是服务提供商还是最终用户都越来

越关注能经得起时间考验的无线通信系统,而不是

像现在的系统,随着技术的发展,不断地面临被淘汰、废弃的尴尬境地。软件无线电就是在这样的背

景下诞生的、能经得起时间考验的无线通信系统。简单而言,软件无线电是指采用固定不变的硬件平台,通过软件重构(升级)来实现灵活多变的通信体制和通信功能的无线电系统。软件无线电硬件平台的特点是通用化、标准化、模块化,以及对信号波形的广泛适应性;软件无线电的核心是其驻留在D S P 和/或F P G A 和/或A S I C 内部的功能软件,这些软件是可升级、可重构的,以适应不同的技术标准、接口协议和信号波形。近几年,软件无线电在微电子技术的带动下,取得了前所未有的快速发展。

无线通信中的另一个重要问题是频谱资源的有

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2008年第1期

效利用。目前频谱资源管理国际上采用的通用做法是实行授权和非授权频率管理体制,对于授权频段,非授权者不得随意使用。由此带来的问题是,在某些授权频段,频谱利用率很低,而在某些非授权频段,信号又非常地拥挤,导致频谱资源利用极不均衡的现状。为解决频谱资源的有效利用问题,有人又提出了基于软件无线电的认知无线电概念。认知无线电(C R ,c o g n i t i v e r a d i o )是一种具有频谱感知能力的智能化软件无线电,它能自动感知周围的电磁环境,寻找“频谱空穴”,并通过通信协议和算法将通信双方的信号参数调整到最佳状态。由此可见,认知无线电不仅具有通信功能,而且还需具备频谱探测能力,具有多功能特征,必须借助于软件无线电来实现。认知无线电已成为目前无线通信领域的一大研究热点。

1　现代无线电工程的统一方法———软

　件无线电

软件无线电(s o f t w a r er a d i o )是J o eM i t o l a 于1991年提出的一种无线通信新概念,他指的是一种可重新编程或者可重构的无线电系统。也就是说,这种软件无线电在其系统硬件无需变更的情况下,可以在不同的时候根据需要通过软件加载来完成不同的功能。软件无线电概念虽然是从通信领域提出的,但这一概念一经提出就得到了包括通信、雷达、电子战、导航、测控、卫星载荷及民用广播电视等整个无线电工程领域的广泛关注,已成为无线电工程领域具有广泛适用性的现代方法。经过近20年的推广和全世界范围的深入研究,软件无线电概念不仅得到了普遍认可,而且已获得广泛应用;尤其是近几年,软件无线电的发展势头更猛,已触动到无线电工程的每一个角落:从3G 到4G ,从美军的M B M M R (多频段多模式电台)到J T R S (联合战术无线电系统)都是以软件无线电概念进行设计、开发的,甚至

就连完成单一功能的G P S 也要进行软件化设计[1]

,以适应未来导航技术的发展需要。可以这样说,软件无线电的思想已对现代无线电工程的设计和开发产生重大影响。

理想的软件无线电结构如图1所示,其主要特点是尽可能地减少模拟处理环节。在接收端:由天线感应的无线电信号经过必要的低噪声放大后,就直接对其进行数字化(A D C ),数字化后的信号经过F P G A 或/和D S P 完成数字下变频、数字滤波、数字

解调等信号处理任务;在发射端:需要发射的基带信号通过F P G A 或/和D S P 完成数字调制、数字上变频和数字滤波等信号处理任务,经过D A C 变换为模拟信号,最后经功率放大器放大到足够功率,由天线发射出去。如图1所示的软件无线电结构适用于无线电工程的任何领域,如:通信、雷达、电子战、测控等。因为,该硬件结构与所要完成的功能无关,它所完成的功能主要取决于驻留在F P G A /D S P 中的软件(算法)。这也是之所以称其为“软件”无线电的原因所在。

图1　理想的软件无线电结构

如图1所示的软件无线电结构是一种理想化的软件无线电结构,其实现是有相当难度的。首先,根

据奈奎斯特采样定理,该软件无线电的工作带宽有多宽,其A D 采样至少是带宽的两倍,比如:对于工作在2～2000M H z 的J T R S 电台,其采样频率至少是4G H z ,考虑到滤波器矩形系数,采样频率需要超过5G H z ,如此高的采样速率在高分辨率情况下至少在目前是难以实现的;其次,高的采样速率对A D C 后续的信号处理(F P G A /D S P )也提出了非常苛刻的要求,大大提高了信号处理部分的实现难度;最后,随着电磁环境的复杂化,过宽的瞬时处理带宽将导致对动态范围的过高要求,无论是高增益的L N A 还是高速A D C ,其动态范围都将无法满足实际需求。针对理想软件无线电结构实际实现时存在的问题,作者对软件无线电结构进行了分类,提出了软件无线电的三种基本结构[2]

:基于低通采样的软件无线电结构、基于带通采样的宽带中频软件无线电结构和基于射频直接带通采样的软件无线电结构。

2　软件无线电的三种基本结构

基于低通采样的软件无线电结构如图2所示。低通采样软件无线电结构与理想软件无线电结构是类似的,其主要差别是在A /D 前增加了低通滤波器,以降低对A /D 采样速率的要求。低通滤波器的截止频率f c 取决于软件无线电系统的工作频段,比如对于短波工作频段,其截止频率可取30M H z ;对于工作在30～88M H z 的战术超短波频段,其截止