感知

　　第一個主要模塊是感知，它會影響接收器前端。與SDR不同，CR必須感知其特殊的環(huán)境。在要求不高的應(yīng)用中，這一感知過程可能與時域復(fù)用接收通路可編程前端迅速查看接收情況一樣簡單。例如，接收器會掃描基站數(shù)據(jù)包之間預(yù)定義的通道列表。

　　Pollin指出：“進行機會頻譜接入(OSA)的系統(tǒng)非常簡單。大部分重點放在目前不受干擾的頻段，然后進行跳頻。這種方法的功能非常強大。”

　　對于要求快速響應(yīng)的場景，無線電設(shè)備會含有完全獨立的接收通路，只用于監(jiān)視間隔通道。使用獨立的通路，CR能夠同時處理所定義的頻段以及正常接收頻段內(nèi)的信號活動。極端情況下，CR在實現(xiàn)感知功能時會有完全不同的接收通道。例如，一臺設(shè)備會有一個可調(diào)窄帶接收通路用于通信，一個帶寬非常大的通路用于感知，這樣，它可以連續(xù)處理較寬的無線電頻譜，而不用進行掃描。Pollin說：“取決于需求，監(jiān)視功能可能需要帶寬非常大的模擬前端。”但是，寬帶電路成本非常高，因此，您應(yīng)該盡量避免使用它。如果實際應(yīng)用允許，您最好采用掃描的方式。

　　分類

　　SDR結(jié)構(gòu)圖第二個重要的組成是分類功能。在分類模塊中，CR處理由感知模塊收集到的數(shù)據(jù)流，找到可能是干擾信號的功率模式，或者目標信號的功率模式，并對其進行分類。

　　對于一個簡單的OSA無線電，分類功能的實現(xiàn)與建立一個分配通道的功率直方圖一樣簡單，而不用關(guān)心功率代表了什么。無論通道保持靜默還是有信號。更復(fù)雜的無線電設(shè)備能夠推斷出較多的能量來源，例如發(fā)送器頻率、調(diào)試方式、傳輸時序：這是策略形成自適應(yīng)模塊用于進行判斷的信息。

　　認知無線電技術(shù)公司總裁James Neel解釋說：“分類功能一般通過兩個步驟來實現(xiàn)。首先，您只是探測是否有能量，然后進一步獲得更多的信息。”

　　有時候可以通過統(tǒng)計計算進行探測，獲得更多信息。在其他情況下，無線電設(shè)備會嘗試調(diào)諧信號，對其進行解調(diào)，檢查數(shù)據(jù)包流。在這種情況下，無線電解調(diào)器可以同時用于接收器和分類目的，或者，對于前端電路的情況，會有完全獨立的數(shù)字處理器用于對未知信號進行分類。Neel指出，“如果您知道到底要找什么，那么，您可以設(shè)計定制分類硬件。”

　　如果您不知道要找什么，那么，所有工作都會很有趣。分類工作可以從提取模擬前端數(shù)據(jù)開始，然后，開發(fā)功率譜密度 (PSD)功能，例如通過快速傅里葉變換(FFT)來實現(xiàn)。然后，從功率譜隨時間的變化，信號采用了哪種調(diào)制方式等方面進行周期分析。根據(jù)實際應(yīng)用需求，可以使用數(shù)字信號處理(DSP)芯片、FPGA，或者其他計算硬件來獲取這些統(tǒng)計信息。

　　自適應(yīng)

　　然后，分類模塊將其結(jié)果傳送到CR第三個特有的組件，即，自適應(yīng)模塊。在這里，分類數(shù)據(jù)和統(tǒng)計面臨兩個關(guān)鍵問題：它到底代表了什么含義，我應(yīng)該怎么辦?在這一級，CR體系結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了應(yīng)用驅(qū)動的最大變化。

　　不同在于問題的范圍。一個簡單的OSA無線電設(shè)備可能只是觀察其鏈路干擾電平或者誤碼率(BER)，尋找能夠進行跳頻的開放頻率。更復(fù)雜的無線電設(shè)備會構(gòu)建干擾源的頻譜圖，根據(jù)所觀察到的干擾源隨時間變化的行為來預(yù)測頻譜圖會怎樣變化，規(guī)劃一系列頻率和調(diào)制方式，以滿足其數(shù)據(jù)通信要求。

　　Neel說，在最復(fù)雜的設(shè)計中，CR不僅僅知道其頻譜環(huán)境，而且還知道自己系統(tǒng)所處的環(huán)境。例如，在醫(yī)院手術(shù)室中的CR 能夠“理解”所進行的手術(shù)過程，病人的狀態(tài)，手術(shù)團隊中每一個人的需求，以及附近其他無線設(shè)備的行為等。這一無線電設(shè)備會將所有這些信息合并成一個策略，使用可用頻譜來保證緊急數(shù)據(jù)流的延時，同時滿足其他儀表的低優(yōu)先級要求。

　　這類無線電設(shè)備可能會使用啟發(fā)式功能來驅(qū)動環(huán)境分析，做出決定。Neel建議，或者，隨著環(huán)境越來越復(fù)雜，可預(yù)測性越來越差，策略模塊會采用隱藏馬爾科夫模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或者相關(guān)技術(shù)對環(huán)境建模，并進行分析。

　　這類計算涉及到大量的數(shù)據(jù)，需要很強的計算功能。Neel說，因此，明顯的發(fā)展趨勢是把CR的思考部分放到云端。那么，一個關(guān)鍵問題是無線電設(shè)備要處理的現(xiàn)象的持續(xù)時間。有時間來查詢中心計算資源，或者無線電設(shè)備必須自己做出基本判斷嗎?

　　隨著CR的普及，也帶來了其他問題。不可避免的是，大量的CR導(dǎo)致頻譜擁擠，它們都要互相搶占頻段，為自己的主機提供帶寬最大的頻段。正如Neel所指出的，在這些情況下，無線電設(shè)備需要采用游戲理論，以便實現(xiàn)共享頻段的最佳分配。這類競爭網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和優(yōu)化問題帶來了 IEEE 802.19無線共存技術(shù)咨詢小組議程中一個很難解決的問題。

　　Weightless實例

　　兩個實例會有助于幫助對這些概念進行澄清。首先，Weightless標準實際上并不是CR，而是認知網(wǎng)絡(luò)，其中非常簡單的無線電只是一個組成單元。第二個是一個理論實例，適合公共安全應(yīng)用更復(fù)雜的真CR。

　　Weightless體系結(jié)構(gòu)與IEEE 802.22相似，在所謂的空白電視信號頻段內(nèi)采用區(qū)域網(wǎng)，這是電視廣播帶寬范圍內(nèi)未被占用的本地通道。802.22旨在為人們提供寬帶接入，與此不同的是，Weightless專門設(shè)計用于為不同的機器、傳感器和制動器提供窄帶物聯(lián)網(wǎng)連接，其節(jié)點的成本和功耗都非常低。

　　據(jù)Weightless的Webb，各種不同的目的導(dǎo)致了體系結(jié)構(gòu)的顯著不同。Webb說：“對于空白電視信號頻段內(nèi)未獲得許可的設(shè)備，第一個限制要求是不能干擾任何人的電視接收。這很難做到，因為您完全知道所有電視發(fā)射器位于哪里，但是卻不知道接收器在哪里。

　　Webb繼續(xù)解釋：“我們最初的想法是為終端設(shè)計成本非常低的CR，與802.22的目的非常相似。但是，我們發(fā)現(xiàn)在實際中，您可能恰好靠近正在觀看電視的人，遠距離電視臺發(fā)射的信號傳送到他這里時已經(jīng)非常弱了。”

　　具有足夠動態(tài)范圍的CR要識別這些弱信號，需要花費很高的成本，提供很大的功率。因此，Weightless選擇了完全不同的方法來進行感知：中心控制的三層網(wǎng)絡(luò)，如圖3 所示。在這里，終端向基站報告其物理位置，基站查詢云中的應(yīng)用程序，云端使用了許可廣播發(fā)射器以及其他基站的位置表，以獲得可用頻率的列表。Webb評論說：“這對于設(shè)計而言是很有趣的算法。”

　　這張查找表保證了終端不會影響所有人晚上看電視，也不會與其他基站競爭同一通道。但是，它并不保證終端與獲得許可設(shè)備之間不出現(xiàn)干擾，例如，無線麥克風(fēng)，或者在同一區(qū)域中漫游的其他未獲得許可的低功率設(shè)備。為解決這一問題，基站為終端分配了8個頻率。終端以兩秒間隔進行跳頻，以減小來自這類源的干擾。

　　由于終端使用了直接擴頻傳輸技術(shù)，因此，系統(tǒng)有更大的自由度。實際上，基站監(jiān)視每一終端的BER，命令終端調(diào)整擴頻因子，以便在帶寬和范圍上達到平衡。

　　Weightless采用了認知系統(tǒng)的三種定義行為：感知、分類和自適應(yīng)。但是，這一標準并沒有將所有這些功能構(gòu)建到終端無線電設(shè)備中，而是把它們分散開。大部分認知放在準靜態(tài)表中，而不是在算法中。在基站中對自適應(yīng)功能、大部分感知功能和分類功能進行平衡。在網(wǎng)絡(luò)中對功能進行分配，大幅度降低了終端的成本，單芯片電池供電設(shè)備能夠采用很低的占空比進行工作。