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第1章第1章1第1章軟件無線電與認(rèn)知無線電概述1.1軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究背景1.2軟件無線電與認(rèn)知無線電的定義1.3軟件無線電與認(rèn)知無線電的發(fā)展1.4軟件無線電與認(rèn)知無線電所需技術(shù)1.5軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究與進(jìn)展1.6軟件無線電與認(rèn)知無線電的應(yīng)用第1章軟件無線電與認(rèn)知無線電概述21.1軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究背景1.1.1軟件無線電的研究背景1.1.2認(rèn)知無線電的研究背景1.1軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究背景31.1.1軟件無線電的研究背景與許多通信新技術(shù)一樣,軟件無線電技術(shù),最早也是由軍事通信技術(shù)發(fā)展而來的。經(jīng)歷了從軍用到民用的發(fā)展進(jìn)程。20世紀(jì)70年代,軟件無線電概念的最早,源于美國軍方對甚高頻(VHF:VeryHighFrequency,30—300MHz)多模式無線電系統(tǒng)的開發(fā)。20世紀(jì)90年代,軟件無線電概念才明確提出。1.1.1軟件無線電的研究背景41.問題的提出隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展,電子信息設(shè)備在軍事領(lǐng)域中的作用越來越重要。軍事現(xiàn)代化的一個重要標(biāo)志,就是軍事信息化。無線通信已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要信息傳輸手段。但是,長期以來,軍用無線設(shè)備都是針對不同的軍事需求而設(shè)計的。對于不同的軍用無線通信設(shè)備而言,雖然它們的發(fā)送與接收單元有許多相似的功能,但結(jié)構(gòu)卻有許多不同,不能通用。這就是傳統(tǒng)的“硬件無線電”。1.問題的提出52.解決的方法在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要的作用的空軍中,飛機(jī)上有著眾多的無線電設(shè)備:(1)雷達(dá)系統(tǒng);(2)通信系統(tǒng);(3)導(dǎo)航系統(tǒng);(4)識別系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的“硬件無線電”中,這些系統(tǒng)分別由不同的硬件設(shè)備構(gòu)成。飛行任務(wù)的日益復(fù)雜多樣,使得機(jī)載無線電設(shè)備越來越多,如圖1-1所示。2.解決的方法63.移動通信的困惑在民用通信領(lǐng)域,無線移動通信是發(fā)展最為迅速的通信技術(shù)。在短短的數(shù)十年中,通信技術(shù)經(jīng)歷了兩次變革:(1)從固定通信到移動通信;(2)從模擬通信到數(shù)字通信。 并將迎來第三次變革:(3)從“硬件無線電”到“軟件無線電”。近20年來,移動通信發(fā)生了飛速變化,如圖1-3所示。3.移動通信的困惑74.軟件無線電的引出為了解決軍用與民用無線通信系統(tǒng)的多標(biāo)準(zhǔn)問題,軟件無線電無疑是最佳的選擇。對于各種不同的通信標(biāo)準(zhǔn),全世界都可以生產(chǎn)具有相同結(jié)構(gòu)和器件的硬件平臺,軟件無線電終端可以通過軟件下載獲得新的服務(wù)。這樣可以大大降低成本。4.軟件無線電的引出81.1.2認(rèn)知無線電的研究背景軟件無線電是一種載波頻率、信號帶寬、調(diào)制方式、網(wǎng)絡(luò)接入等特性均由軟件定義的無線電技術(shù)。1.軟件無線電的特點軟件無線電的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1.1.2認(rèn)知無線電的研究背景92.頻帶分配頻譜是通信能夠使用的唯一資源。與水、空氣等自然資源一樣,頻譜也是一種日益短缺的資源。2.頻帶分配103.頻譜利用率與頻譜空洞對于頻譜這個通信能夠使用的唯一資源??捎妙l段分為兩類:(1)授權(quán)頻段;(2)非授權(quán)頻段。授權(quán)頻段是由政府授權(quán)使用的。專門的頻譜管理機(jī)構(gòu)分配特定的授權(quán)頻段,供給特定的通信業(yè)務(wù)使用。因此,授權(quán)頻段具有獨享性。非授權(quán)頻段是開放的,使用者無需申請,就可以使用。因此,非授權(quán)頻段通常是飽和的。3.頻譜利用率與頻譜空洞114.認(rèn)知無線電的引出將被授權(quán)用戶稱為主用戶,或既有用戶;與之對應(yīng),未被授權(quán)的用戶稱為次用戶,或認(rèn)知用戶。為了提高頻譜資源的利用率,減少頻譜空洞的出現(xiàn)??梢栽谥饔脩魶]有使用授權(quán)頻譜的情況下,允許次用戶接入頻譜空洞。這樣,就可以提高頻譜資源的利用率。這就是認(rèn)知無線電的基本思想。4.認(rèn)知無線電的引出121.2軟件無線電與認(rèn)知無線電的定義隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,無線電技術(shù)經(jīng)歷了以下發(fā)展:(1)從硬件無線電到軟件無線電;(2)從軟件無線電到認(rèn)知無線電。那么,究竟什么是軟件無線電?什么是認(rèn)知無線電?在這一節(jié)中,我們給出軟件無線電與認(rèn)知無線電的定義。1.2軟件無線電與認(rèn)知無線電的定義131.2.1軟件無線電的定義現(xiàn)代通信技術(shù)中,無線通信與移動通信無疑是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。無線通信與移動通信技術(shù)的發(fā)展,為我們當(dāng)今的生活帶來了極大的改變。隨著通信進(jìn)入數(shù)字技術(shù)時代,數(shù)字通信系統(tǒng)已經(jīng)成為我們當(dāng)今主要的通信系統(tǒng)。數(shù)字信號處理成為了解決通信問題的最佳方法。1.2.1軟件無線電的定義141.軟件無線電的含義面對越來越多的各種通信設(shè)備,我們需要一種軟件無線電技術(shù)。有了這種軟件無線電技術(shù),只需要配置一個無線電硬件設(shè)備,就可以實現(xiàn)任何通信應(yīng)用。1.軟件無線電的含義152.軟件無線電的定義1992年,美國MITRE公司的JosephMitolaIII首次明確提出了“軟件無線電”的概念。他給出的軟件無線電的定義為:定義1:軟件無線電是多頻帶無線電,它具有寬帶的天線、射頻轉(zhuǎn)換、,模/數(shù)和數(shù)/模變換,能夠支持多個空中接口和協(xié)議,在理想狀態(tài)下,所有方面(包括物理空中接口)都可以通過軟件定義。2.軟件無線電的定義163.軟件無線電的特點與核心軟件無線電論壇的定義,比較全面的描述了軟件無線電的特點:(1)三多:多頻段/多模式/多功能(Multiband/Multimode/Multirole:M3);(2)兩可:可重配置/可重編程。3.軟件無線電的特點與核心171.2.2認(rèn)知無線電的定義認(rèn)知無線電是一個非常新的無線電概念。認(rèn)知無線電是軟件無線電的最頂端的應(yīng)用,如圖1-7所示。1.2.2認(rèn)知無線電的定義181.認(rèn)知無線電的定義定義:認(rèn)知無線電(CognitiveRadio:CR)是一種智能無線通信系統(tǒng),它可以感知周圍環(huán)境并進(jìn)行學(xué)習(xí),利用相應(yīng)結(jié)果調(diào)整自己的傳輸系統(tǒng),使用最合適的無線資源完成無線傳輸。1.認(rèn)知無線電的定義192.認(rèn)知無線電的目標(biāo)利用頻譜空洞,提高頻譜利用率,實現(xiàn)自動選擇最好、最經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行無線傳輸。認(rèn)知無線電的主要目標(biāo)為:(1)提高無線頻譜的利用率;(2)實現(xiàn)隨時隨地高度可靠的通信。2.認(rèn)知無線電的目標(biāo)203.認(rèn)知無線電的能力為了實現(xiàn)認(rèn)知無線電的目標(biāo),認(rèn)知無線電需要具有以下能力:(1)認(rèn)知能力:即捕獲或感知來自無線環(huán)境的信息的能力,這是一種智能。也是認(rèn)知無線電與軟件無線電的區(qū)別所在。(2)可重配置能力:是使無線設(shè)備,可以在不改變硬件的條件下,根據(jù)無線環(huán)境,動態(tài)改變自身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)(如頻率、功率、調(diào)制、協(xié)議等)。這是軟件無線電所具有的能力。3.認(rèn)知無線電的能力214.認(rèn)知任務(wù)的完成認(rèn)知任務(wù)的完成需要數(shù)字信號處理與機(jī)器學(xué)習(xí)過程的有機(jī)結(jié)合。認(rèn)知任務(wù)可以分為三個部分:(1)無線環(huán)境分析;具體包括:1)分析無線環(huán)境;2)檢測頻譜空洞。(2)信道狀態(tài)估計;具體包括:

1)估計信道狀態(tài);

2)預(yù)測信道容量。(3)傳輸參數(shù)控制。具體包括:

1)確定傳輸功率;

2)確定數(shù)據(jù)速率;

3)選擇傳輸模式;

4)選擇傳輸帶寬。4.認(rèn)知任務(wù)的完成221.3軟件無線電與認(rèn)知無線電的發(fā)展軟件無線電從20世紀(jì)70年代起源,到1992年首次明確提出,經(jīng)歷了快速的發(fā)展。直到軟件無線電發(fā)展的頂級應(yīng)用—認(rèn)知無線電。在這一節(jié)中,我們討論無線電技術(shù)從硬件無線電到軟件無線電、軟件無線電到認(rèn)知無線電的發(fā)展過程,以使讀者對軟件無線電和認(rèn)知無線電有更多的了解。1.3軟件無線電與認(rèn)知無線電的發(fā)展231.3.1從“硬件無線電”到軟件無線電通信技術(shù)的飛速發(fā)展,極大的改變了我們的世界。特別是無線通信與移動通信技術(shù)的不斷普及,全世界使用手機(jī)的用戶越來越多。無線數(shù)字通信技術(shù)已經(jīng)成為我們?nèi)粘I钪胁豢苫蛉钡臇|西。隨著無線技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,我們身邊的無線設(shè)備越來越多。面對越來越多的通信系統(tǒng),我們需要一種可以應(yīng)對多種通信功能的無線電通信設(shè)備,這就是軟件無線電系統(tǒng)。1.3.1從“硬件無線電”到軟件無線電241.硬件無線電所謂硬件無線電,是指無線電設(shè)備的功能是由硬件結(jié)構(gòu)確定的,系統(tǒng)的工作很少有軟件參與,它們在功能上是確定的。長期以來,我們在使用各種不同的硬件無線電系統(tǒng)。比如:手機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)、電話機(jī)、傳真機(jī)等等。1.硬件無線電25軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件262.軟件控制無線電在上述硬件無線電的第二個階段—數(shù)字硬件無線電,雖然許多硬件的功能可以由軟件實現(xiàn),但是,數(shù)字硬件無線電系統(tǒng)的可重編程、可重配置能力較差。雖然數(shù)字無線電系統(tǒng)可以通過軟件方式處理數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng),但是,系統(tǒng)的主要功能是不能改變的。2.軟件控制無線電273.軟件定義無線電由軟件控制無線電發(fā)展到軟件定義無線電(SoftwareDefinedRadio:SDR),系統(tǒng)用軟件控制參數(shù),如:頻帶、調(diào)制、波形、檢測等等,不需要對硬件進(jìn)行修改,就可以改變系統(tǒng)的功能。3.軟件定義無線電28軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件294.理想軟件無線電由軟件定義無線電發(fā)展到理想軟件無線電(IdealSoftwareRadio:ISR,或SWR),系統(tǒng)可以實現(xiàn)完全可編程,天線的輸入信號直接經(jīng)過A/D變換器,取消了大部分模擬器件,大大提高了系統(tǒng)性能。4.理想軟件無線電301.3.2從軟件無線電到認(rèn)知無線電軟件無線電已經(jīng)能夠成功完成有益于用戶與網(wǎng)絡(luò)、有利于降低頻譜擁擠的任務(wù)。軟件無線電使得電子設(shè)備在有限方式下具有多方面功能。為了提高頻譜利用率、減少頻譜空洞,軟件無線電發(fā)展到了它的最高形式:認(rèn)知無線電。1.3.2從軟件無線電到認(rèn)知無線電311.認(rèn)知無線電的概念認(rèn)知無線電就是利用頻譜空洞提高頻譜利用率的軟件無線電。認(rèn)知無線電可以看做是具有環(huán)境感知能力、主動學(xué)習(xí)能力的智能化的軟件無線電。軟件無線電與認(rèn)知無線電的概念,最早都是由JosephMitolaIII首創(chuàng)的。1992年,JosephMitolaIII首次明確提出軟件無線電的概念,給出了軟件無線電的第一個定義。1.認(rèn)知無線電的概念322.認(rèn)知無線電系統(tǒng)的能力基于認(rèn)知無線電的系統(tǒng)是一種智能無線通信系統(tǒng),具有以下能力:(1)感知與學(xué)習(xí)。它能夠感知外界環(huán)境,并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí),通過實時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等),使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計性變化,以達(dá)到以下目的:2.認(rèn)知無線電系統(tǒng)的能力333.認(rèn)知無線電、軟件無線電與硬件無線電的比較表1-4給出了硬件無線電、軟件無線電與認(rèn)知無線電的結(jié)構(gòu)對比。以便于讀者進(jìn)一步理解軟件無線電與認(rèn)知無線電。3.認(rèn)知無線電、軟件無線電與硬件無線電的比較341.4軟件無線電與認(rèn)知無線電所需技術(shù)軟件無線電與認(rèn)知無線電是一種嶄新的綜合技術(shù)。為了實現(xiàn)軟件無線電與認(rèn)知無線電,需要許多基本的支撐技術(shù)。在這一節(jié)中,我們概述軟件無線電與認(rèn)知無線電所需的技術(shù)。對于其中一些比較重要的技術(shù),將在后面章節(jié)專門敘述。1.4軟件無線電與認(rèn)知無線電所需技術(shù)351.4.1射頻/微波技術(shù)研究射頻/微波的產(chǎn)生、放大、傳輸、輻射、接收和測量的學(xué)科稱為“/射頻微波技術(shù)”,它是近代科學(xué)技術(shù)的重大成就之一。1.射頻/微波的含義射頻,是指可以通過無線電發(fā)射的頻率,通常包括中波、短波、超短波、微波等等頻段。1.4.1射頻/微波技術(shù)36軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件372.常用射頻/微波頻段常用射頻/微波頻段如表1-5所示。2.常用射頻/微波頻段383.射頻/微波頻段的用途頻譜作為一種資源,需要進(jìn)行嚴(yán)格管理。在國際電信聯(lián)盟的文件中,規(guī)定了雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、工業(yè)應(yīng)用等無線電設(shè)備所允許的工作頻段。表1-6是國際電信聯(lián)盟規(guī)定的各個射頻/微波頻段的基本用途。各個用途在相應(yīng)頻段內(nèi)只占有很小的一段頻譜。3.射頻/微波頻段的用途391.4.2智能天線技術(shù)天線是無線傳輸技術(shù)的核心器件。天線陣列是提高天線性能的重要手段。圖1-12為邊射式天線陣的陣因子方向圖。1.4.2智能天線技術(shù)40軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件411.智能天線的定義天線與無線通信的收發(fā)信機(jī)的信號輸入、輸出端連接,通過無線電波實現(xiàn)收發(fā)信機(jī)兩端間的有效能量傳遞。通過設(shè)計天線的輻射特性,可以控制無線電波波束電磁能的空間分布,提高無線通信業(yè)務(wù)質(zhì)量、頻譜利用率和多址通信能力。智能天線是這樣一種天線陣列系統(tǒng),它通過智能算法來合并天線陣因子的信號,以自動適應(yīng)不同的信號環(huán)境。1.智能天線的定義422.智能天線的特點智能天線實際上是一種空間信號處理技術(shù)。如果把它和時間信號處理技術(shù)相結(jié)合,就會獲得更大的好處。智能天線采用數(shù)字方法對陣元接收的信號加權(quán)處理,以形成天線波束。(1)在用戶信號方向:使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號方向;(2)在干擾信號方向:形成天線方向圖的零陷、或較低的功率方向圖增益。2.智能天線的特點43軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件443.智能天線的分類智能天線根據(jù)采用的天線方向圖形狀,可以分為兩類。(1)自適應(yīng)方向圖智能天線;(2)固定形狀方向圖智能天線。3.智能天線的分類451.4.3多輸入多輸出技術(shù)無線信道存在多徑效應(yīng),如圖1-14所示。無線信道的一個重要特性就是存在衰落。所謂衰落就是信號在通過信道時,所受到的損傷。1.4.3多輸入多輸出技術(shù)461.分集接收技術(shù)降低衰落的基本方法,就是分集接收技術(shù)。這里的分集包含兩重含義:(1)分:把同一個信號源發(fā)出的信號,分由不同的路徑傳輸,使得同一個信號經(jīng)由統(tǒng)計上相互獨立的路徑到達(dá)接收機(jī);(2)集:將經(jīng)由不同路徑到達(dá)接收機(jī)的信號,采用某種處理方法集在一起,以減少衰落對信號傳輸?shù)挠绊憽?.分集接收技術(shù)472.多輸入多輸出系統(tǒng)在多徑環(huán)境中,可以使用多天線系統(tǒng)代替單天線系統(tǒng)。這樣,利用空間分集技術(shù),可以大大提高系統(tǒng)的抗衰落性能。多輸入多輸出系統(tǒng),就是在發(fā)射端與接收段都使用多個天線。采用多輸入多輸出技術(shù),還可以有效提高信道容量。2.多輸入多輸出系統(tǒng)481.4.4調(diào)制解調(diào)技術(shù)在無線通信中,在無線信道中傳播的是無線電波,調(diào)制與解調(diào)是實現(xiàn)無線信道傳輸?shù)幕炯夹g(shù)之一。1.調(diào)制與解調(diào)的定義在發(fā)射端,調(diào)制的目的,是把要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)男盘?。該信號稱為已調(diào)信號。在接收端,需要將接收到的已調(diào)信號,還原成系統(tǒng)所傳輸?shù)脑夹盘?,該過程稱為解調(diào)。1.4.4調(diào)制解調(diào)技術(shù)492.調(diào)制與解調(diào)的分類按照調(diào)制器輸入信號(該信號稱為調(diào)制信號)的形式,調(diào)制可分為:(1)模擬調(diào)制(或連續(xù)調(diào)制);(2)數(shù)字調(diào)制。2.調(diào)制與解調(diào)的分類503.無線信道對調(diào)制解調(diào)的要求無線移動信道的基本特征是:(1)帶寬有限,它取決于可使用的頻率資源和信道的傳播特性;(2)干擾和噪聲影響大,這主要是移動通信工作的電磁環(huán)境所決定的;(3)存在著多徑衰落。3.無線信道對調(diào)制解調(diào)的要求51軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件521.4.5數(shù)字信號處理技術(shù)一種軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖1-16所示。1.4.5數(shù)字信號處理技術(shù)531.軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺在最頂級的層次,一個軟件無線電系統(tǒng)包括以下四個部分:(1)天線;(2)射頻前端;(3)基帶數(shù)字信號處理器;(4)控制器。1.軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺542.對數(shù)字信號處理的要求軟件無線電對信號處理的要求包括:(1)能夠執(zhí)行大量的乘累加運算;(2)具有某些特定模式;(3)大部分處理時間用于執(zhí)行相對小循環(huán)的操作上;(4)具有高速的數(shù)據(jù)吞吐能力;(5)信號處理數(shù)值范圍較寬。2.對數(shù)字信號處理的要求553.數(shù)字信號處理器的功能軟件無線電對數(shù)字信號處理的要求,使得信號處理器需要具有以下功能:(1)具有多個可并行運算單元;(2)可提供直接的硬件加速支持;(3)無太多的動態(tài)限制。3.數(shù)字信號處理器的功能561.4.6同步技術(shù)所謂同步,是指收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致,又稱為定時。同步技術(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。1.同步技術(shù)的分類在數(shù)字通信系統(tǒng)中,按照同步技術(shù)的功用不同,可以分為:載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。1.4.6同步技術(shù)572.不同的同步方法同步技術(shù)也是一種信息處理,按照獲取和傳輸同步信息方式的不同,可以有不同的同步方法。(1)外同步法。由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息(常被稱為導(dǎo)頻),接收端把這個導(dǎo)頻提取出來,作為同步信號的方法,稱為外同步法。(2)自同步法。發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息,接收端設(shè)法從收到的信號中提取同步信息的方法,稱為自同步法。2.不同的同步方法581.4.7采樣技術(shù)實現(xiàn)軟件無線電的基礎(chǔ)是數(shù)字技術(shù),其核心是數(shù)字信號處理技術(shù)。為了實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字處理,首先必須進(jìn)行模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換。1.模擬信號的數(shù)字處理圖1-18為模擬信號的數(shù)字處理框圖。1.4.7采樣技術(shù)59預(yù)濾波A/DD/A數(shù)字信號處理器后濾波預(yù)濾波A/DD/A數(shù)字信號處理器后濾波602.A/D變換在軟件無線電中,A/D變換器的性能將直接影響系統(tǒng)的性能。如圖1-19所示,A/D變換分為兩步:(1)采樣;(2)量化編碼。2.A/D變換613.采樣的要求圖1-20為一般的采樣過程。眾所周知,為防止在恢復(fù)模擬信號時出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象,在采樣時應(yīng)滿足奈奎斯特(Nyquist)采樣定理。對于給定的最高信號頻率,系統(tǒng)所需要的最低采樣頻率,應(yīng)該滿足奈奎斯特定理給出的條件:3.采樣的要求62軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件631.4.8軟件技術(shù)軟件無線電以軟件方式實現(xiàn)各種空中接口,提供各種靈活的無線通信方式。在軟件無線電中,軟件的作用是非常重要的。1.軟件無線電的軟件設(shè)計軟件無線電的軟件設(shè)計包括:(1)軟件的功能;(2)軟件與硬件之間的關(guān)系;(3)軟件的體系結(jié)構(gòu)。1.4.8軟件技術(shù)642.軟件無線電軟件的特點涉及軟件無線電的軟件是比較復(fù)雜的。僅僅了解如何根據(jù)某個通信的特定功能來編寫程序、或研究算法,是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。軟件無線電的軟件應(yīng)該具有以下特點:(1)具有良好的開放性;(2)采用模塊化結(jié)構(gòu);(3)具有可重用性。2.軟件無線電軟件的特點651.4.9安全技術(shù)由于無線通信系統(tǒng)的開放性,信息傳輸中的信息安全是一個非常重要的問題。因為在公用無線通信網(wǎng)絡(luò)中,存在著各種各樣的安全漏洞和威脅,所以信息安全涉及的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。1.信息安全研究的領(lǐng)域 信息安全需要研究的領(lǐng)域包括:1.4.9安全技術(shù)662.安全性的體現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的安全性體現(xiàn)在系統(tǒng)的硬件、軟件、系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)都受到保護(hù),不會因為某些原因而遭到:(1)破壞;(2)更改;(3)泄露。2.安全性的體現(xiàn)671.4.10認(rèn)知技術(shù)認(rèn)知無線電將人工智能與無線通信相結(jié)合,實現(xiàn)了頻譜資源的優(yōu)化配置,可以自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù),以優(yōu)化系統(tǒng)性能。。1.認(rèn)知引擎認(rèn)知無線電的智能核心是系統(tǒng)的認(rèn)知能力。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的認(rèn)知引擎執(zhí)行在通信系統(tǒng)重構(gòu)中必需的模擬、學(xué)習(xí)、最優(yōu)化過程。認(rèn)知引擎從用戶域、無線電域、政策域、無線電系統(tǒng)自身獲得信息,進(jìn)行優(yōu)化。1.4.10認(rèn)知技術(shù)682.認(rèn)知環(huán)認(rèn)知引擎的任務(wù)包括:(1)優(yōu)化無線電;(2)觀測與學(xué)習(xí)。認(rèn)知無線電通過基于以下環(huán)節(jié)的分層算法結(jié)構(gòu),成為學(xué)習(xí)機(jī)器:(1)建模;(2)行動;(3)反饋;(4)知識表示。認(rèn)知環(huán)分為兩層。外部環(huán)進(jìn)行觀測與調(diào)整無線電,包括以下部分:(1)無線電硬件;(2)環(huán)境監(jiān)測;(3)方案合成;(4)案例決策;(5)鏈路配置最優(yōu)化;(6)性能估計。2.認(rèn)知環(huán)691.4.11定位技術(shù)為了保護(hù)寶貴的頻譜資源,認(rèn)知無線電系統(tǒng)必須首先知道以下信息:(1)其位置;(2)時間。在掌握了其位置與時間信息以后,認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以:(1)計算能夠最佳連接到網(wǎng)絡(luò)的另一個成員的天線指向角;(2)設(shè)置無線傳輸數(shù)據(jù)包,以保證在準(zhǔn)確的時隙到達(dá)另一個網(wǎng)絡(luò)成員的接收機(jī)處,從而使對網(wǎng)絡(luò)中的其它用戶的干擾最??;(3)引導(dǎo)用戶完成日常任務(wù)、實現(xiàn)用戶目標(biāo)。1.4.11定位技術(shù)701.5軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究與進(jìn)展在本節(jié)中,我們簡要介紹軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究進(jìn)展。1.5.1軟件無線電的研究進(jìn)展在20世紀(jì)70-80年代,無線電的發(fā)展進(jìn)入可編程數(shù)字無線電時期,出現(xiàn)了以下三個發(fā)展趨勢:(1)由模擬向數(shù)字發(fā)展;(2)由無編程向可編程發(fā)展;(3)由少編程向中等編程發(fā)展。1.5軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究與進(jìn)展711.5.2認(rèn)知無線電的研究進(jìn)展1999年,約瑟夫·米托拉首次提出認(rèn)知無線電的概念,描述了認(rèn)知無線電可以增強(qiáng)個人無線業(yè)務(wù)的靈活性。2000年5月,約瑟夫·米托拉在瑞典皇家科學(xué)院發(fā)表博士論文,綜述了認(rèn)知無線電的概念。圍繞約瑟夫·米托拉提出的基于機(jī)器學(xué)習(xí)和模式推理的認(rèn)知循環(huán)模型,開展了大量研究,強(qiáng)調(diào)軟件定義無線電是實現(xiàn)認(rèn)知無線電的理想平臺。2002年,美國聯(lián)邦通信委員會發(fā)表了報告,用于改變美國頻譜政策的技術(shù)與影響?;I備認(rèn)知無線電工作組。1.5.2認(rèn)知無線電的研究進(jìn)展721.6軟件無線電與認(rèn)知無線電的應(yīng)用軟件無線電與認(rèn)知無線電在無線通信領(lǐng)域有著許多的應(yīng)用。在這一節(jié)中,我們簡要介紹兩個應(yīng)用示例。1.6.1概述軟件無線電技術(shù)最早是由軍事通信技術(shù)發(fā)展起來的。所以,它的最早應(yīng)用也是在軍事領(lǐng)域。由于美國國防部的大量投入,軟件無線電技術(shù)的研究迅速取得進(jìn)展,并被大量用于美軍的現(xiàn)代化裝備中。1.6軟件無線電與認(rèn)知無線電的應(yīng)用731.6.2軟件無線電的應(yīng)用軟件無線電應(yīng)用項目的典型是美軍的易通話(SpeakEasy)計劃。易通話計劃是美軍的軍用軟件無線電通信電臺開發(fā)計劃。為解決多兵種之間的互通,主要開發(fā)面向未來軍事需求的、具備多媒體網(wǎng)絡(luò)操作的無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)。易通話計劃的實施分兩個階段:(1)完成基于軟件無線電構(gòu)建電臺的可行性研究與適用性驗證;(2)創(chuàng)建一個可行的軟件無線電結(jié)構(gòu)。1.6.2軟件無線電的應(yīng)用741.6.3認(rèn)知無線電的應(yīng)用認(rèn)知無線電將人工智能與無線通信相結(jié)合,實現(xiàn)了頻譜資源的優(yōu)化配置,可以自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù),以優(yōu)化系統(tǒng)性能。在下一代移動通信系統(tǒng)的研制中,為了實現(xiàn)智能化的網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用了軟件無線電與認(rèn)知無線電技術(shù)。1.6.3認(rèn)知無線電的應(yīng)用751.7本章小結(jié)本章概述軟件無線電與認(rèn)知無線電,介紹了軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究背景,給出了軟件無線電與認(rèn)知無線電的定義,簡要敘述了軟件無線電與認(rèn)知無線電的發(fā)展,指出了軟件無線電與認(rèn)知無線電所需技術(shù),包括:射頻/微波技術(shù)、智能天線技術(shù)、多輸入多輸出技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、同步技術(shù)、采樣技術(shù)、軟件技術(shù)、安全技術(shù)、認(rèn)知技術(shù)、定位技術(shù)。1.7本章小結(jié)761.8為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)推薦的參考書目為了進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)本章有關(guān)內(nèi)容,向讀者推薦以下參考書目:1、楊小牛,樓才義,軟件無線電原理與應(yīng)用[M],北京:電子工業(yè)出版社,2001。2、向新等,軟件無線電原理與技術(shù)[M],西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008。3、BruceA.Fette,認(rèn)知無線電技術(shù)[M],北京:科學(xué)出版社,2008。4、CRichardJohnson,軟件無線電[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008。5、王建萍,認(rèn)知無線電[M],北京:國防工業(yè)出版社,2008。6、李建東等,移動通信(第四版)[M],西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006。7、王華奎等,移動通信原理與技術(shù)[M],北京:清華大學(xué)出版社,2009。1.8為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)推薦的參考書目77習(xí)題一1、什么是軟件無線電?2、什么是認(rèn)知無線電?3、上網(wǎng)查閱軟件無線電研究的最新進(jìn)展。4、上網(wǎng)查閱認(rèn)知無線電研究的最新進(jìn)展。習(xí)題一78第1章第1章79第1章軟件無線電與認(rèn)知無線電概述1.1軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究背景1.2軟件無線電與認(rèn)知無線電的定義1.3軟件無線電與認(rèn)知無線電的發(fā)展1.4軟件無線電與認(rèn)知無線電所需技術(shù)1.5軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究與進(jìn)展1.6軟件無線電與認(rèn)知無線電的應(yīng)用第1章軟件無線電與認(rèn)知無線電概述801.1軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究背景1.1.1軟件無線電的研究背景1.1.2認(rèn)知無線電的研究背景1.1軟件無線電與認(rèn)知無線電的研究背景811.1.1軟件無線電的研究背景與許多通信新技術(shù)一樣,軟件無線電技術(shù),最早也是由軍事通信技術(shù)發(fā)展而來的。經(jīng)歷了從軍用到民用的發(fā)展進(jìn)程。20世紀(jì)70年代,軟件無線電概念的最早,源于美國軍方對甚高頻(VHF:VeryHighFrequency,30—300MHz)多模式無線電系統(tǒng)的開發(fā)。20世紀(jì)90年代,軟件無線電概念才明確提出。1.1.1軟件無線電的研究背景821.問題的提出隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展,電子信息設(shè)備在軍事領(lǐng)域中的作用越來越重要。軍事現(xiàn)代化的一個重要標(biāo)志,就是軍事信息化。無線通信已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要信息傳輸手段。但是,長期以來,軍用無線設(shè)備都是針對不同的軍事需求而設(shè)計的。對于不同的軍用無線通信設(shè)備而言,雖然它們的發(fā)送與接收單元有許多相似的功能,但結(jié)構(gòu)卻有許多不同,不能通用。這就是傳統(tǒng)的“硬件無線電”。1.問題的提出832.解決的方法在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要的作用的空軍中,飛機(jī)上有著眾多的無線電設(shè)備:(1)雷達(dá)系統(tǒng);(2)通信系統(tǒng);(3)導(dǎo)航系統(tǒng);(4)識別系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的“硬件無線電”中,這些系統(tǒng)分別由不同的硬件設(shè)備構(gòu)成。飛行任務(wù)的日益復(fù)雜多樣,使得機(jī)載無線電設(shè)備越來越多,如圖1-1所示。2.解決的方法843.移動通信的困惑在民用通信領(lǐng)域,無線移動通信是發(fā)展最為迅速的通信技術(shù)。在短短的數(shù)十年中,通信技術(shù)經(jīng)歷了兩次變革:(1)從固定通信到移動通信;(2)從模擬通信到數(shù)字通信。 并將迎來第三次變革:(3)從“硬件無線電”到“軟件無線電”。近20年來,移動通信發(fā)生了飛速變化,如圖1-3所示。3.移動通信的困惑854.軟件無線電的引出為了解決軍用與民用無線通信系統(tǒng)的多標(biāo)準(zhǔn)問題,軟件無線電無疑是最佳的選擇。對于各種不同的通信標(biāo)準(zhǔn),全世界都可以生產(chǎn)具有相同結(jié)構(gòu)和器件的硬件平臺,軟件無線電終端可以通過軟件下載獲得新的服務(wù)。這樣可以大大降低成本。4.軟件無線電的引出861.1.2認(rèn)知無線電的研究背景軟件無線電是一種載波頻率、信號帶寬、調(diào)制方式、網(wǎng)絡(luò)接入等特性均由軟件定義的無線電技術(shù)。1.軟件無線電的特點軟件無線電的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1.1.2認(rèn)知無線電的研究背景872.頻帶分配頻譜是通信能夠使用的唯一資源。與水、空氣等自然資源一樣,頻譜也是一種日益短缺的資源。2.頻帶分配883.頻譜利用率與頻譜空洞對于頻譜這個通信能夠使用的唯一資源??捎妙l段分為兩類:(1)授權(quán)頻段;(2)非授權(quán)頻段。授權(quán)頻段是由政府授權(quán)使用的。專門的頻譜管理機(jī)構(gòu)分配特定的授權(quán)頻段,供給特定的通信業(yè)務(wù)使用。因此,授權(quán)頻段具有獨享性。非授權(quán)頻段是開放的,使用者無需申請,就可以使用。因此,非授權(quán)頻段通常是飽和的。3.頻譜利用率與頻譜空洞894.認(rèn)知無線電的引出將被授權(quán)用戶稱為主用戶,或既有用戶;與之對應(yīng),未被授權(quán)的用戶稱為次用戶,或認(rèn)知用戶。為了提高頻譜資源的利用率,減少頻譜空洞的出現(xiàn)??梢栽谥饔脩魶]有使用授權(quán)頻譜的情況下,允許次用戶接入頻譜空洞。這樣,就可以提高頻譜資源的利用率。這就是認(rèn)知無線電的基本思想。4.認(rèn)知無線電的引出901.2軟件無線電與認(rèn)知無線電的定義隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,無線電技術(shù)經(jīng)歷了以下發(fā)展:(1)從硬件無線電到軟件無線電;(2)從軟件無線電到認(rèn)知無線電。那么,究竟什么是軟件無線電?什么是認(rèn)知無線電?在這一節(jié)中,我們給出軟件無線電與認(rèn)知無線電的定義。1.2軟件無線電與認(rèn)知無線電的定義911.2.1軟件無線電的定義現(xiàn)代通信技術(shù)中,無線通信與移動通信無疑是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。無線通信與移動通信技術(shù)的發(fā)展,為我們當(dāng)今的生活帶來了極大的改變。隨著通信進(jìn)入數(shù)字技術(shù)時代,數(shù)字通信系統(tǒng)已經(jīng)成為我們當(dāng)今主要的通信系統(tǒng)。數(shù)字信號處理成為了解決通信問題的最佳方法。1.2.1軟件無線電的定義921.軟件無線電的含義面對越來越多的各種通信設(shè)備,我們需要一種軟件無線電技術(shù)。有了這種軟件無線電技術(shù),只需要配置一個無線電硬件設(shè)備,就可以實現(xiàn)任何通信應(yīng)用。1.軟件無線電的含義932.軟件無線電的定義1992年,美國MITRE公司的JosephMitolaIII首次明確提出了“軟件無線電”的概念。他給出的軟件無線電的定義為:定義1:軟件無線電是多頻帶無線電,它具有寬帶的天線、射頻轉(zhuǎn)換、,模/數(shù)和數(shù)/模變換,能夠支持多個空中接口和協(xié)議,在理想狀態(tài)下,所有方面(包括物理空中接口)都可以通過軟件定義。2.軟件無線電的定義943.軟件無線電的特點與核心軟件無線電論壇的定義,比較全面的描述了軟件無線電的特點:(1)三多:多頻段/多模式/多功能(Multiband/Multimode/Multirole:M3);(2)兩可:可重配置/可重編程。3.軟件無線電的特點與核心951.2.2認(rèn)知無線電的定義認(rèn)知無線電是一個非常新的無線電概念。認(rèn)知無線電是軟件無線電的最頂端的應(yīng)用,如圖1-7所示。1.2.2認(rèn)知無線電的定義961.認(rèn)知無線電的定義定義:認(rèn)知無線電(CognitiveRadio:CR)是一種智能無線通信系統(tǒng),它可以感知周圍環(huán)境并進(jìn)行學(xué)習(xí),利用相應(yīng)結(jié)果調(diào)整自己的傳輸系統(tǒng),使用最合適的無線資源完成無線傳輸。1.認(rèn)知無線電的定義972.認(rèn)知無線電的目標(biāo)利用頻譜空洞,提高頻譜利用率,實現(xiàn)自動選擇最好、最經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行無線傳輸。認(rèn)知無線電的主要目標(biāo)為:(1)提高無線頻譜的利用率;(2)實現(xiàn)隨時隨地高度可靠的通信。2.認(rèn)知無線電的目標(biāo)983.認(rèn)知無線電的能力為了實現(xiàn)認(rèn)知無線電的目標(biāo),認(rèn)知無線電需要具有以下能力:(1)認(rèn)知能力:即捕獲或感知來自無線環(huán)境的信息的能力,這是一種智能。也是認(rèn)知無線電與軟件無線電的區(qū)別所在。(2)可重配置能力:是使無線設(shè)備,可以在不改變硬件的條件下,根據(jù)無線環(huán)境,動態(tài)改變自身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)(如頻率、功率、調(diào)制、協(xié)議等)。這是軟件無線電所具有的能力。3.認(rèn)知無線電的能力994.認(rèn)知任務(wù)的完成認(rèn)知任務(wù)的完成需要數(shù)字信號處理與機(jī)器學(xué)習(xí)過程的有機(jī)結(jié)合。認(rèn)知任務(wù)可以分為三個部分:(1)無線環(huán)境分析;具體包括:1)分析無線環(huán)境;2)檢測頻譜空洞。(2)信道狀態(tài)估計;具體包括:

1)估計信道狀態(tài);

2)預(yù)測信道容量。(3)傳輸參數(shù)控制。具體包括:

1)確定傳輸功率;

2)確定數(shù)據(jù)速率;

3)選擇傳輸模式;

4)選擇傳輸帶寬。4.認(rèn)知任務(wù)的完成1001.3軟件無線電與認(rèn)知無線電的發(fā)展軟件無線電從20世紀(jì)70年代起源,到1992年首次明確提出,經(jīng)歷了快速的發(fā)展。直到軟件無線電發(fā)展的頂級應(yīng)用—認(rèn)知無線電。在這一節(jié)中,我們討論無線電技術(shù)從硬件無線電到軟件無線電、軟件無線電到認(rèn)知無線電的發(fā)展過程,以使讀者對軟件無線電和認(rèn)知無線電有更多的了解。1.3軟件無線電與認(rèn)知無線電的發(fā)展1011.3.1從“硬件無線電”到軟件無線電通信技術(shù)的飛速發(fā)展,極大的改變了我們的世界。特別是無線通信與移動通信技術(shù)的不斷普及,全世界使用手機(jī)的用戶越來越多。無線數(shù)字通信技術(shù)已經(jīng)成為我們?nèi)粘I钪胁豢苫蛉钡臇|西。隨著無線技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,我們身邊的無線設(shè)備越來越多。面對越來越多的通信系統(tǒng),我們需要一種可以應(yīng)對多種通信功能的無線電通信設(shè)備,這就是軟件無線電系統(tǒng)。1.3.1從“硬件無線電”到軟件無線電1021.硬件無線電所謂硬件無線電,是指無線電設(shè)備的功能是由硬件結(jié)構(gòu)確定的,系統(tǒng)的工作很少有軟件參與,它們在功能上是確定的。長期以來,我們在使用各種不同的硬件無線電系統(tǒng)。比如:手機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)、電話機(jī)、傳真機(jī)等等。1.硬件無線電103軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件1042.軟件控制無線電在上述硬件無線電的第二個階段—數(shù)字硬件無線電,雖然許多硬件的功能可以由軟件實現(xiàn),但是,數(shù)字硬件無線電系統(tǒng)的可重編程、可重配置能力較差。雖然數(shù)字無線電系統(tǒng)可以通過軟件方式處理數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng),但是,系統(tǒng)的主要功能是不能改變的。2.軟件控制無線電1053.軟件定義無線電由軟件控制無線電發(fā)展到軟件定義無線電(SoftwareDefinedRadio:SDR),系統(tǒng)用軟件控制參數(shù),如:頻帶、調(diào)制、波形、檢測等等,不需要對硬件進(jìn)行修改,就可以改變系統(tǒng)的功能。3.軟件定義無線電106軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件1074.理想軟件無線電由軟件定義無線電發(fā)展到理想軟件無線電(IdealSoftwareRadio:ISR,或SWR),系統(tǒng)可以實現(xiàn)完全可編程,天線的輸入信號直接經(jīng)過A/D變換器,取消了大部分模擬器件,大大提高了系統(tǒng)性能。4.理想軟件無線電1081.3.2從軟件無線電到認(rèn)知無線電軟件無線電已經(jīng)能夠成功完成有益于用戶與網(wǎng)絡(luò)、有利于降低頻譜擁擠的任務(wù)。軟件無線電使得電子設(shè)備在有限方式下具有多方面功能。為了提高頻譜利用率、減少頻譜空洞,軟件無線電發(fā)展到了它的最高形式:認(rèn)知無線電。1.3.2從軟件無線電到認(rèn)知無線電1091.認(rèn)知無線電的概念認(rèn)知無線電就是利用頻譜空洞提高頻譜利用率的軟件無線電。認(rèn)知無線電可以看做是具有環(huán)境感知能力、主動學(xué)習(xí)能力的智能化的軟件無線電。軟件無線電與認(rèn)知無線電的概念,最早都是由JosephMitolaIII首創(chuàng)的。1992年,JosephMitolaIII首次明確提出軟件無線電的概念,給出了軟件無線電的第一個定義。1.認(rèn)知無線電的概念1102.認(rèn)知無線電系統(tǒng)的能力基于認(rèn)知無線電的系統(tǒng)是一種智能無線通信系統(tǒng),具有以下能力:(1)感知與學(xué)習(xí)。它能夠感知外界環(huán)境,并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí),通過實時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等),使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計性變化,以達(dá)到以下目的:2.認(rèn)知無線電系統(tǒng)的能力1113.認(rèn)知無線電、軟件無線電與硬件無線電的比較表1-4給出了硬件無線電、軟件無線電與認(rèn)知無線電的結(jié)構(gòu)對比。以便于讀者進(jìn)一步理解軟件無線電與認(rèn)知無線電。3.認(rèn)知無線電、軟件無線電與硬件無線電的比較1121.4軟件無線電與認(rèn)知無線電所需技術(shù)軟件無線電與認(rèn)知無線電是一種嶄新的綜合技術(shù)。為了實現(xiàn)軟件無線電與認(rèn)知無線電,需要許多基本的支撐技術(shù)。在這一節(jié)中,我們概述軟件無線電與認(rèn)知無線電所需的技術(shù)。對于其中一些比較重要的技術(shù),將在后面章節(jié)專門敘述。1.4軟件無線電與認(rèn)知無線電所需技術(shù)1131.4.1射頻/微波技術(shù)研究射頻/微波的產(chǎn)生、放大、傳輸、輻射、接收和測量的學(xué)科稱為“/射頻微波技術(shù)”,它是近代科學(xué)技術(shù)的重大成就之一。1.射頻/微波的含義射頻,是指可以通過無線電發(fā)射的頻率,通常包括中波、短波、超短波、微波等等頻段。1.4.1射頻/微波技術(shù)114軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件1152.常用射頻/微波頻段常用射頻/微波頻段如表1-5所示。2.常用射頻/微波頻段1163.射頻/微波頻段的用途頻譜作為一種資源,需要進(jìn)行嚴(yán)格管理。在國際電信聯(lián)盟的文件中,規(guī)定了雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、工業(yè)應(yīng)用等無線電設(shè)備所允許的工作頻段。表1-6是國際電信聯(lián)盟規(guī)定的各個射頻/微波頻段的基本用途。各個用途在相應(yīng)頻段內(nèi)只占有很小的一段頻譜。3.射頻/微波頻段的用途1171.4.2智能天線技術(shù)天線是無線傳輸技術(shù)的核心器件。天線陣列是提高天線性能的重要手段。圖1-12為邊射式天線陣的陣因子方向圖。1.4.2智能天線技術(shù)118軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件1191.智能天線的定義天線與無線通信的收發(fā)信機(jī)的信號輸入、輸出端連接,通過無線電波實現(xiàn)收發(fā)信機(jī)兩端間的有效能量傳遞。通過設(shè)計天線的輻射特性,可以控制無線電波波束電磁能的空間分布,提高無線通信業(yè)務(wù)質(zhì)量、頻譜利用率和多址通信能力。智能天線是這樣一種天線陣列系統(tǒng),它通過智能算法來合并天線陣因子的信號,以自動適應(yīng)不同的信號環(huán)境。1.智能天線的定義1202.智能天線的特點智能天線實際上是一種空間信號處理技術(shù)。如果把它和時間信號處理技術(shù)相結(jié)合,就會獲得更大的好處。智能天線采用數(shù)字方法對陣元接收的信號加權(quán)處理,以形成天線波束。(1)在用戶信號方向:使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號方向;(2)在干擾信號方向:形成天線方向圖的零陷、或較低的功率方向圖增益。2.智能天線的特點121軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件1223.智能天線的分類智能天線根據(jù)采用的天線方向圖形狀,可以分為兩類。(1)自適應(yīng)方向圖智能天線;(2)固定形狀方向圖智能天線。3.智能天線的分類1231.4.3多輸入多輸出技術(shù)無線信道存在多徑效應(yīng),如圖1-14所示。無線信道的一個重要特性就是存在衰落。所謂衰落就是信號在通過信道時,所受到的損傷。1.4.3多輸入多輸出技術(shù)1241.分集接收技術(shù)降低衰落的基本方法,就是分集接收技術(shù)。這里的分集包含兩重含義:(1)分:把同一個信號源發(fā)出的信號,分由不同的路徑傳輸,使得同一個信號經(jīng)由統(tǒng)計上相互獨立的路徑到達(dá)接收機(jī);(2)集:將經(jīng)由不同路徑到達(dá)接收機(jī)的信號,采用某種處理方法集在一起,以減少衰落對信號傳輸?shù)挠绊憽?.分集接收技術(shù)1252.多輸入多輸出系統(tǒng)在多徑環(huán)境中,可以使用多天線系統(tǒng)代替單天線系統(tǒng)。這樣,利用空間分集技術(shù),可以大大提高系統(tǒng)的抗衰落性能。多輸入多輸出系統(tǒng),就是在發(fā)射端與接收段都使用多個天線。采用多輸入多輸出技術(shù),還可以有效提高信道容量。2.多輸入多輸出系統(tǒng)1261.4.4調(diào)制解調(diào)技術(shù)在無線通信中,在無線信道中傳播的是無線電波,調(diào)制與解調(diào)是實現(xiàn)無線信道傳輸?shù)幕炯夹g(shù)之一。1.調(diào)制與解調(diào)的定義在發(fā)射端,調(diào)制的目的,是把要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)男盘?。該信號稱為已調(diào)信號。在接收端,需要將接收到的已調(diào)信號,還原成系統(tǒng)所傳輸?shù)脑夹盘?,該過程稱為解調(diào)。1.4.4調(diào)制解調(diào)技術(shù)1272.調(diào)制與解調(diào)的分類按照調(diào)制器輸入信號(該信號稱為調(diào)制信號)的形式,調(diào)制可分為:(1)模擬調(diào)制(或連續(xù)調(diào)制);(2)數(shù)字調(diào)制。2.調(diào)制與解調(diào)的分類1283.無線信道對調(diào)制解調(diào)的要求無線移動信道的基本特征是:(1)帶寬有限,它取決于可使用的頻率資源和信道的傳播特性;(2)干擾和噪聲影響大,這主要是移動通信工作的電磁環(huán)境所決定的;(3)存在著多徑衰落。3.無線信道對調(diào)制解調(diào)的要求129軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件1301.4.5數(shù)字信號處理技術(shù)一種軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖1-16所示。1.4.5數(shù)字信號處理技術(shù)1311.軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺在最頂級的層次,一個軟件無線電系統(tǒng)包括以下四個部分:(1)天線;(2)射頻前端;(3)基帶數(shù)字信號處理器;(4)控制器。1.軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺1322.對數(shù)字信號處理的要求軟件無線電對信號處理的要求包括:(1)能夠執(zhí)行大量的乘累加運算;(2)具有某些特定模式;(3)大部分處理時間用于執(zhí)行相對小循環(huán)的操作上;(4)具有高速的數(shù)據(jù)吞吐能力;(5)信號處理數(shù)值范圍較寬。2.對數(shù)字信號處理的要求1333.數(shù)字信號處理器的功能軟件無線電對數(shù)字信號處理的要求,使得信號處理器需要具有以下功能:(1)具有多個可并行運算單元;(2)可提供直接的硬件加速支持;(3)無太多的動態(tài)限制。3.數(shù)字信號處理器的功能1341.4.6同步技術(shù)所謂同步,是指收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致,又稱為定時。同步技術(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。1.同步技術(shù)的分類在數(shù)字通信系統(tǒng)中,按照同步技術(shù)的功用不同,可以分為:載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。1.4.6同步技術(shù)1352.不同的同步方法同步技術(shù)也是一種信息處理,按照獲取和傳輸同步信息方式的不同,可以有不同的同步方法。(1)外同步法。由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息(常被稱為導(dǎo)頻),接收端把這個導(dǎo)頻提取出來,作為同步信號的方法,稱為外同步法。(2)自同步法。發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息,接收端設(shè)法從收到的信號中提取同步信息的方法,稱為自同步法。2.不同的同步方法1361.4.7采樣技術(shù)實現(xiàn)軟件無線電的基礎(chǔ)是數(shù)字技術(shù),其核心是數(shù)字信號處理技術(shù)。為了實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字處理,首先必須進(jìn)行模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換。1.模擬信號的數(shù)字處理圖1-18為模擬信號的數(shù)字處理框圖。1.4.7采樣技術(shù)137預(yù)濾波A/DD/A數(shù)字信號處理器后濾波預(yù)濾波A/DD/A數(shù)字信號處理器后濾波1382.A/D變換在軟件無線電中,A/D變換器的性能將直接影響系統(tǒng)的性能。如圖1-19所示,A/D變換分為兩步:(1)采樣;(2)量化編碼。2.A/D變換1393.采樣的要求圖1-20為一般的采樣過程。眾所周知,為防止在恢復(fù)模擬信號時出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象,在采樣時應(yīng)滿足奈奎斯特(Nyquist)采樣定理。對于給定的最高信號頻率,系統(tǒng)所需要的最低采樣頻率,應(yīng)該滿足奈奎斯特定理給出的條件:3.采樣的要求140軟件無線電與認(rèn)知無線電概述課件1411.4.8軟件技術(shù)軟件無線電以軟件方式實現(xiàn)各種空中接口,提供各種靈活的無線通信方式。在軟件無線電中,軟件的作用是非常重要的。1.軟件無線電的軟件設(shè)計軟件無線電的軟件設(shè)計包括:(1)軟件的功能;(2)軟件與硬件之間的關(guān)系;(3)軟件的體系結(jié)構(gòu)。1.4.8軟件技術(shù)1422.軟件無線電軟件的特點涉及軟件無線電的軟件是比較復(fù)雜的。僅僅了解如何根據(jù)某個通信的特定功能來編寫程序、或研究算法,是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。軟件無線電的軟件應(yīng)該具有以下特點:(1)具有良好的開放性;(2)采用模塊化結(jié)構(gòu);(3)具有可重用性。2.軟件無線電軟件的特點1431.4.9安全技術(shù)由于無線通信系統(tǒng)的開放性,信息傳輸中的信息安全是一個非常重要的問題。因為在公用無線通信網(wǎng)絡(luò)中,存在著各種各樣的安全漏洞和威脅,所以信息安全涉及的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。1.信息安全研究的領(lǐng)域 信息安全需要研究的領(lǐng)域包括:1.4.9安全技術(shù)1442.安全性的體現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的安全性體現(xiàn)在系統(tǒng)的硬件、軟件、系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)都受到保護(hù),不會因為某些原因而遭到:(1)破壞;(2)更改;(3)泄露。2.安全性的體現(xiàn)1451.4.10認(rèn)知技術(shù)認(rèn)知無線電將人工智能與無線通信相結(jié)合,實現(xiàn)了頻譜資源的優(yōu)化配置,可以自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù),以優(yōu)化系統(tǒng)性能。。1.認(rèn)知引擎認(rèn)知無線電的智能核心是系統(tǒng)的認(rèn)知能力。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的認(rèn)知引擎執(zhí)行在通信系統(tǒng)重構(gòu)中必需的模擬、學(xué)習(xí)、最優(yōu)化過程。認(rèn)知引擎從

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