智能无线电技术（1）：软件无线电和认知无线电的技术概述及应用 无线电, 优缺点, 通用, 技术, 软件

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关键字：软件无线电   认知无线电   智能无线电技术  
随着软件无线电技术的发展，智能无线电技术逐渐成为通信领域关注的热点，并给无线通信带来新的发展空间。讲座将分为3 期对智能无线电技术技术进行介绍：第1 期讲述智能无线电技术的背景及发展现状；第2 期详细介绍了智能无线电技术中的关键技术——软件无线电的架构，并从其应用及通用平台设计角度分析各类平台的优缺点；第3 期介绍了软件无线应用中的多种开发工具。
1 智能无线电背景及发展现状

软件无线电（SDR）和认知无线电（CR），是目前智能无线电技术技术讨论的主要热点。随着SDR 和CR 的深入研究，人们已经意识到其潜在能力不仅停留在最初要解决的问题上，还可以具有超出通信领域更广泛、更强大的应用。第1 节从智能无线电技术需要解决的问题入手，介绍了SDR 和CR 概念的由来、关键技术概述以及应用情况，并讨论了SDR和CR 的关系。

1.1 无线通信中的两个问题

随着通信技术的发展，出现了越来越多的信号形式和各种各样的无线通信系统及标准，通信行业出现了空前的繁华。伴随着这些系统和标准发展也出现了两大问题，针对这两个问题智能无线电技术被提出并得到了广泛探讨。

不同通信系统间的协同工作、无缝连接、多标准及多模式兼容成为了一大难题。例如，在大规模普及的无线移动通信中，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通过系统升级，融入先进的技术，不断为用户提供高质量的通信服务。但是，从1G到4G 的发展过程中，暴露出一些体制升级带来的严重问题。对系统的反复重新设计和硬件的不断更新换代，不仅消耗昂贵的成本，而且浪费了很多资源，同时给终端用户也带来诸多不便。为此，越来越多的服务提供商和用户都开始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）。当然，这些问题并非仅存在于移动通信中，而是一直普遍存在于各类通信形式中。在这样的背景下，人们在无线通信系统设计中提出了一种经得起时间考验的系统设计方法—— 软件无线电。

无线通信中的另一个重要问题是频谱资源的有效利用率低。目前对于频谱资源管理，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。美国联邦通信委员会（FCC）的研究表明，在大部分时间和地区，授权频段的平均利用率在15～85%之间。另一方面，开放使用的非授权频段占整个频谱资源的很小一部分，而在该频段上的用户却很多，业务量拥挤，无线电频段已基本趋于饱和。静态的频谱分配原则导致频谱资源利用极不均衡。显然，真正的问题不是频谱资源的匮乏，而是我们目前采用的固定频谱分配制度，该制度是一种频谱利用率极其低下的分配制度。如何对不可再生的频谱资源合理再利用并实现频谱共享，已成为目前全球性的研究热点。为解决频谱资源的有效利用问题，基于软件无线电的认知无线电应运而生了。

1.2 软件无线电

软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效而且相当经济的解决方案，可以通过软件升级实现功能提高。软件无线电可以使整个系统（包括用户终端和网络）采用动态的软件编程对设备特性进行重配置，也就是说相同的硬件可以通过软件定义来完成不同的功能。

人们逐渐认识到SDR 的潜力并非仅局限于通信领域，它也可应用在无线电工程的其他相关领域，如雷达、电子战、导航、广播电视、测控等。而软件无线电论坛对软件无线电的定义更加全面、系统，它强调了软件无线电是一种新型的体系结构，是一种解决方案，同时强调通过动态的软件编程可以对相同的硬件进行重构，使之完成不同的功能等思想。SDR 的第3 种定义，已经超出了通信领域，它讨论的是现代无线电工程。相比一个无线电系统，SDR 更像是一种设计方法和设计理念。第3 种定义强调平台硬件结构简单化，便于重构和升级的构件化功能软件。

从上述讨论中，我们对软件无线电的特点有了一定的认识，其具体特点可以概况为：天线智能化、前端宽带化、硬件通用化、功能软件化和软件构件化。简单地说，具备这些特点的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。图1 给出了软件无线体系框架。




图1 软件无线电体系框架



对于软件无线电，人们关注最多的是它的组成结构、硬件实现、技术可行性等，一开始很少有人关心软件无线电的理论支撑，因此造成从事软件无线的相关新人无法客观地认识软件无线体系。图1 给出了软件无线电体系框架，比较系统地描述SDR体系，包括软件无线电的理论体系、软件无线电的技术体系以及软件无线电的应用体系。目前软件无线电的理论、软件算法及应用等并不局限于图1 里提及的。图2 给出了一种实际的SDR 体系，它是一种全球微波互联接入（WiMAX）网络中的实际SDR架构。



图2 一种WiMAX 网络中的实际SDR 架构



软件无线的应用较为广泛。软件无线电的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、卫星载荷以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，已遍布到无线电工程的每一个角落：从3G 到4G，从美军的多频段多模式电台（MBMMR）到联合战术无线电系统（JTRS）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全球定位系统（GPS）也要进行软件化设计，以适应未来导航技术的发展需要。