第1章 软件无线电与认知无线电概述资料

天 线 /R F段
高速 处理 段
低速 处理 段
D D C- 数 字 下 变 频
DUC- 数 字 上 变 频
• 4. 理想软件无线电 • 由软件定义无线电发展到理想软件无线 电（Ideal Software Radio：ISR，或 SWR），系统可以实现完全可编程，天 线的输入信号直接经过A/D变换器，取消 了大部分模拟器件，大大提高了系统性 能。
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4. 软件无线电的引出 为了解决军用与民用无线通信系统的多标 准问题，软件无线电无疑是最佳的选择。 对于各种不同的通信标准，全世界都可以 生产具有相同结构和器件的硬件平台， 软件无线电终端可以通过软件下载获得 新的服务。这样可以大大降低成本。
1.1.2 认知无线电的研究背景 软件无线电是一种载波频率、信号带宽、 调制方式、网络接入等特性均由软件定 义的无线电技术。 1. 软件无线电的特点 软件无线电的优势主要体现在以下几个方 面：
• 4. 认知任务的完成 • 认知任务的完成需要数字信号处理与机器学习过程的 有机结合。认知任务可以分为三个部分： • （1）无线环境分析；具体包括： • 1）分析无线环境； • 2）检测频谱空洞。 • （2）信道状态估计；具体包括： • 1）估计信道状态； • 2）预测信道容量。 • （3）传输参数控制。具体包括： • 1）确定传输功率； • 2）确定数据速率； • 3）选择传输模式； • 4）选择传输带宽。
第 1章
第1章 软件无线电与认知无线电概述
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 软件无线电与认知无线电的研究背景 软件无线电与认知无线电的定义 软件无线电与认知无线电的发展 软件无线电与认知无线电所需技术 软件无线电与认知无线电的研究与进展 软件无线电与认知无线电的应用
1.1 软件无线电与认知无线电的研究背景 1.1.1 软件无线电的研究背景 1.1.2 认知无线电的研究背景
• 3. 软件定义无线电 • 由软件控制无线电发展到软件定义无线 电（Software Defined Radio：SDR），系 统用软件控制参数，如：频带、调制、 波形、检测等等，不需要对硬件进行修 改，就可以改变系统的功能。
宽带 /多 频段 天线 RF 部分 A /D /A DDC DUC
低 速 D SP 高 速 DSP 专用 可编 程处 理器 其它 终端 语音
• 3. 认知无线电、软件无线电与硬件无线 电的比较 • 表1-4 给出了硬件无线电、软件无线电与 认知无线电的结构对比。以便于读者进 一步理解软件无线电与认知无线电。
• 1.4 软件无线电与认知无线电所需技术 • 软件无线电与认知无线电是一种崭新的 综合技术。为了实现软件无线电与认知 无线电，需要许多基本的支撑技术。 • 在这一节中，我们概述软件无线电与认 知无线电所需的技术。对于其中一些比 较重要的技术，将在后面章节专门叙述。
• 1.4.1 射频/微波技术 • 研究射频/微波的产生、放大、传输、辐 射、接收和测量的学科称为“/射频微波 技术”，它是近代科学技术的重大成就 之一。 • 1. 射频/微波的含义 • 射频，是指可以通过无线电发射的频率， 通常包括中波、短波、超短波、微波等 等频段。
• 2. 常用射频/微波频段 • 常用射频/微波频段如表1-5所示。
• 1. 硬件无线电 • 所谓硬件无线电，是指无线电设备的功 能是由硬件结构确定的，系统的工作很 少有软件参与，它们在功能上是确定的。 • 长期以来，我们在使用各种不同的硬件 无线电系统。比如：手机、收音机、电 视机、电话机、传真机等等。
功放
上变频
中放
上变频
D/A
FIR滤波
OQPSK 扩频调制
长PN码 扩频
• 1. 软件无线电的含义 • 面对越来越多的各种通信设备，我们需 要一种软件无线电技术。有了这种软件 无线电技术，只需要配置一个无线电硬 件设备，就可以实现任何通信应用。
• 2. 软件无线电的定义 • 1992年，美国MITRE公司的Joseph Mitola III首次明确提出了“软件无线电”的概 念。他给出的软件无线电的定义为： • 定义1：软件无线电是多频带无线电，它 具有宽带的天线、射频转换、，模/数和 数/模变换，能够支持多个空中接口和协 议，在理想状态下，所有方面（包括物 理空中接口）都可以通过软件定义。
1. 问题的提出 随着电子通信技术的发展，电子信息设备在军事 领域中的作用越来越重要。军事现代化的一个 重要标志，就是军事信息化。无线通信已经成 为现代战争的重要信息传输手段。 但是，长期以来，军用无线设备都是针对不同的 军事需求而设计的。对于不同的军用无线通信 设备而言，虽然它们的发送与接收单元有许多 相似的功能，但结构却有许多不同，不能通用。 这就是传统的“硬件无线电”。
• 3. 射频/微波频段的用途 • 频谱作为一种资源，需要进行严格管理。 在国际电信联盟的文件中,规定了雷达、 通信、 导航、 工业应用等无线电设备所 允许的工作频段。 • 表1-6是国际电信联盟规定的各个射频/微 波频段的基本用途。各个用途在相应频 段内只占有很小的一段频谱。
• 1.4.2 智能天线技术 • 天线是无线传输技术的核心器件。 天线 阵列是提高天线性能的重要手段。图112为边射式天线阵的阵因子方向图。
• 1.3 软件无线电与认知无线电的发展 • 软件无线电从20世纪70年代起源，到 1992年首次明确提出，经历了快速的发 展。直到软件无线电发展的顶级应用— 认知无线电。 • 在这一节中，我们讨论无线电技术从硬 件无线电到软件无线电、软件无线电到 认知无线电的发展过程，以使读者对软 件无线电和认知无线电有更多的了解。
• 3. 认知无线电的能力 • 为了实现认知无线电的目标，认知无线电需要 具有以下能力： • （1）认知能力：即捕获或感知来自无线环境 的信息的能力，这是一种智能。也是认知无线 电与软件无线电的区别所在。 • （2）可重配置能力：是使无线设备，可以在 不改变硬件的条件下，根据无线环境，动态改 变自身系统结构与参数（如频率、功率、调制、 协议等）。这是软件无线电所具有的能力。
2. 解决的方法 在现代战争中发挥着重要的作用的空军中，飞机 上有着众多的无线电设备： （1）雷达系统； （2）通信系统； （3）导航系统； （4）识别系统。 在传统的“硬件无线电”中，这些系统分别由不 同的硬件设备构成。飞行任务的日益复杂多样， 使得机载无线电设备越来越多，如图1-1所示。
3. 移动通信的困惑 在民用通信领域，无线移动通信是发展最 为迅速的通信技术。在短短的数十年中， 通信技术经历了两次变革： （1）从固定通信到移动通信； （2）从模拟通信到数字通信。 并将迎来第三次变革： （3）从“硬件无线电”到“软件无线电”。 近20年来，移动通信发生了飞速变化，如 图1-3所示。
• 1.3.2 从软件无线电到认知无线电 • 软件无线电已经能够成功完成有益于用 户与网络、有利于降低频谱拥挤的任务。 软件无线电使得电子设备在有限方式下 具有多方面功能。 • 为了提高频谱利用率、减少频谱空洞， 软件无线电发展到了它的最高形式：认 知无线电。
• 1. 认知无线电的概念 • 认知无线电就是利用频谱空洞提高频谱 利用率的软件无线电。认知无线电可以 看做是具有环境感知能力、主动学习能 力的智能化的软件无线电。 • 软件无线电与认知无线电的概念，最早 都是由Joseph Mitola III首创的。 • 1992年，Joseph Mitola III首次明确提出 软件无线电的概念，给出了软件无线电 的第一个定义。
• 3. 软件无线电的特点与核心 • 软件无线电论坛的定义，比较全面的描 述了软件无线电的特点： • （1）三多：多频段/多模式/多功能 （Multiband/Multimode/Multirole：M3）； • （2）两可：可重配置/可重编程。
• 1.2.2 认知无线电的定义 • 认知无线电是一个非常新的无线电概念。 认知无线电是软件无线电的最顶端的应 用，如图1-7所示。
1.1.1 软件无线电的研究背景 与许多通信新技术一样，软件无线电技术， 最早也是由军事通信技术发展而来的。 经历了从军用到民用的发展进程。 20世纪70年代，软件无线电概念的最早， 源于美国军方对甚高频（VHF：Very High Frequency，30—300MHz）多模式 无线电系统的开发。 20世纪90年代，软件无线电概念才明确提 出。
• 1.2 软件无线电与认知无线电的定义 • 随着无线通信技术的发展，无线电技术 经历了以下发展： • （1）从硬件无线电到软件无线电； • （2）从软件无线电到认知无线电。 • 那么，究竟什么是软件无线电？什么是 认知无线电？ • 在这一节中，我们给出软件无线电与认 知无线电的定义。
• 1.2.1 软件无线电的定义 • 现代通信技术中，无线通信与移动通信 无疑是发展最快、应用最广的技术之一。 无线通信与移动通信技术的发展，为我 们当今的生活带来了极大的改变。 • 随着通信进入数字技术时代，数字通信 系统已经成为我们当今主要的通信系统。 数字信号处理成为了解决通信问题的最 佳方法。
AGC 双工器
FQI及1/3 卷积编码
中放
正交调制
FLASH 缓存器 高放 下变频 中放 下变频 A/D EEPROM 指峰1 指峰2 指峰3 声码器 及编码 数字合并器 射频部分 维特比译码器 基带部分 LCD及键盘 CPU 话音 搜索器 SRAM
• 2. 软件控制无线电 • 在上述硬件无线电的第二个阶段—数字 硬件无线电，虽然许多硬件的功能可以 由软件实现，但是，数字硬件无线电系 统的可重编程、可重配置能力较差。 • 虽然数字无线电系统可以通过软件方式 处理数据、控制系统，但是，系统的主 要功能是不能改变的。
• 2. 频带分配 • 频谱是通信能够使用的唯一资源。与水、 空气等自然资源一样，频谱也是一种日 益短缺的资源。
• 3. 频谱利用率与频谱空洞 • 对于频谱这个通信能够使用的唯一资源。可用 频段分为两类： • （1）授权频段； • （2）非授权频段。 • 授权频段是由政府授权使用的。专门的频谱管 理机构分配特定的授权频段，供给特定的通信 业务使用。因此，授权频段具有独享性。 • 非授权频段是开放的，使用者无需申请，就可 以使用。因此，非授权频段通常是饱和的。
• 2. 认知无线电系统的能力 • 基于认知无线电的系统是一种智能无线 通信系统，具有以下能力： • （1）感知与学习。它能够感知外界环境， 并使用人工智能技术从环境中学习，通 过实时改变某些操作参数（比如传输功 率、载波频率和调制技术等），使其内 部状态适应接收到的无线信号的统计性 变化，以达到以下目的：
• 1. 认知无线电的定义 • 定义：认知无线电（Cognitive Radio： CR）是一种智能无线通信系统，它可以 感知周围环境并进行学习，利用相应结 果调整自己的传输系统，使用最合适的 无线资源完成无线传输。
• 2. 认知无线电的目标 • 利用频谱空洞，提高频谱利用率，实现 自动选择最好、最经济的方式进行无线 传输。认知无线电的主要目标为： • （1）提高无线频谱的利用率； • （2）实现随时随地高度可靠的通信。
• 4. 认知无线电的引出 • 将被授权用户称为主用户，或既有用户； 与之对应，未被授权的用户称为次用户， 或认知用户。 • 为了提高频谱资源的利用率，减少频谱 空洞的出现。可以在主用户没有使用授 权频谱的情况下，允许次用户接入频谱 空洞。这样，就可以提高频谱资源的利 用率。这就是认知无线电的基本思想。
• 1.3.1 从“硬件无线电”到软件无线电 • 通信技术的飞速发展，极大的改变了我 们的世界。特别是无线通信与移动通信 技术的不断普及，全世界使用手机的用 户越来越多。无线数字通信技术已经成 为我们日常生活中不可或缺的东西。 • 随着无线技术的应用范围不断扩大，我 们身边的无线设备越来越多。面对越来 越多的通信系统，我们需要一种可以应 对多种通信功能的无线电通信设备，这 就是软件无线电系统。