浅谈对认知无线电的认知和思考

苏州健雄职业技术学院 陈清

1 认知认知无线电

从20 世纪90 年代第一代模拟移动通信（1G）开始，民用移动通信在近二十多年里已经完成了4 代更替，现在人们都用上了3G/4G 移动通信终端机——数字智能手机，而5G 移动通信也正在向我们走来。其技术发展的背后，就是无线电通信技术正在发生一场的深刻的革命性变革。

早在1992 年5 月，Joseph Mitola 博士在美国全国电信系统会议上首次提出了软件无线电（SDR）概念，将传统模拟体制无线电通信数字化、软件化，用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信。软件无线电技术的重要价值在于传统的硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平台，而许多的通信功能则是由软件来实现，打破了有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。软件无线电技术的出现是通信领域继固定通信到移动通信，摸拟通信到数字通信之后的一次技术革命。

1998 年在瑞典皇家工学院的一个研讨会上Joseph Mitola 博士对软件无线电概念进行扩展，提出了认知无线电（CR）概念，即软件无线电智能化。我们可以设想一下，在软件无线电基础上加上机器“大脑”可使认知无线电具有学习能力、感知能力、存储大数据能力、云计算能力，实现与周围环境交互信息，感知和利用空闲频谱等一些新的设想。也有人说认知无线电就是智慧无线电，并被预言为未来最热门的无线技术。

2 认知无线电的组成

要深刻认知认知无线电就要首先要从认知传统无线电、软件无线电开始。软件无线电发展至今已经有二十多年了，技术已经比较成熟。

传统无线电是由双工器（发射器/接收器）、ADC/DAC（包含调制/解调、编码/解码）等各单元硬件电路组成的。软件无线电几乎把发射器/接收器以外的硬件电路部分全部用软件替代，这种数字化的替代手段给认知无线电的构建策略提供了机会和想象。于是认知无线电的组成框架也不再是一个不合实际的空想。

图1 认知无线电的组成框图

在此重构了一幅认知无线电组成方框图如图1 所示，分硬件和软件两大部分。硬件部分，除了双工器负责信息的发送/接收外，认知无线电还有类似雷达扫描一样的天线（或阵列）和感知器或传感器，用它来感知并在屏幕上及时显示周边空域无线电电磁场景图，电磁场景图经数字信号处理器（DSP）软件处理后数字化存储于机器或云端服务器的信息库，日积月累可积累成电磁场景图的大数据库。

软件部分，除软件无线电的软件外，加入了认知引擎和信息库部分。如果说软件无线电的核心是软件，认知无线电的核心就是这认知引擎部分。认知引擎的任务就在于针对无线电电磁场景图中数据要采用合适算法来提高效率。现有的案例算法、蚁群优化算法、进化遗传算法、人工神经网络算法、推理与预测算法、多节点合作学习、专家系统等等算法均可在认知引擎设计上各展所长，并一定要像AlphaGo 一样有机器学习能力。机器学习技术的发展，我们对未来的认知引擎有了无限的想像，如在军事电子对抗研究、万物互联网和未来6G 等新通讯技术上有巨大应用潜力。

通过以上配置，认知无线电的“机器人”形像也跃然纸上。认知引擎+信息库就是大脑，它负责对信息的存储、处理、思考、判断、决策等工作；感知器就是眼睛、鼻子和耳朵，它负责探测周边时空不同频段无线电信息内容，并把信息内容交与大脑；双工器就是嘴巴，负责“吞”、“吐”信息，就是负责发送/接收工作。所以认知无线电将会发展成“机器人无线电”（新名词是否恰当供读者参考）。

3 认知无线电技术研究现状

美国电气电子工程师学会（IEEE）是认知无线电的倡导者、引领者和标准制定者，2004 年10 月制定并颁布了IEEE 802.22标准，这是第一个世界范围的基于认知无线电技术标准。国际电信联盟（ITU）、软件无线电论坛等也在将重点从软件无线电研究转向于认知无线电研究。

值得注意的是，美国国防部高级研究计划署（DARPA）于2003 年也专门成立了研究组，着眼于开发军事用途的认知无线电标准，计划研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技术。我国也应该在国家层面上重视、加强这方面技术标准制定和关键技术研究和军事用途研究。

2010 年前后，我国各相关专业的研究所和高校也开展了软件无线电教学和认知无线电相关研究工作。在软件无线电学习方面，公开的开源的软件无线电平台——微软（亚洲）研究院的Sora 是一个较好的选择，系统整体包括了软、硬件两个部分。硬件方面，国内威视锐是它的合作、代理商。而在认知无线电方面，国内公开研究成果则不多见，可能是因为技术过于前沿需要保密的缘故。

4 认知无线电技术研究和展望

认知无线电是在软件无线电的基础上提出的智能化无线通信技术,它展现了一种全新的智能频谱管理模式,给无线通信带来了新的发展空间,同时也有力促进了软件无线电的更快发展。

展望未来，基于认知无线电的频谱感知技术，测绘、感知周边无线电电磁场景图将变得容易。在有了场景图后，科学地规划和利用好频谱资源是最可能实现的。通过认知无线电的频谱分析技术研究，人们对于各种信号在本区域的出现时间、强度、调制形式等无线电信号特征参量进行更有效分析；可开展频谱监视技术研究，军事上可甄别敌我双方信号，拦截、干扰敌方信号，其重要性不言而喻。

基于对认知无线电的频谱切换技术研究认知，无线电信息在不同频段上“借道超车”现象可望实现。语音和图像是当今的无线电信息传送的主要内容，随着物联网的技术的发展和成熟，更大量“物”的信息也会汹涌而来，物联网信息通常通常只需在短时间内进行发射/接收，不会长久占有频段，如果是主用户租用频段，这一频段就存在着大量的闲置时间，这就是频段资源的一种浪费现象，即所谓的“频谱空穴”。通过频谱切换技术就能让其他信息或用户共享频段。

基于认知无线电的感知能力和认知引擎的机器学习能力，未来频谱决策技术也是不可忽视的重要的研究领域。人的大脑在训练中成长，认知引擎的机器学习能力，决策能力也会在各种算法演绎下不断提升，更胜于人的决策，所谓“机器人无线电”将名至实归地到来。