個(gè)主要的步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜判決。頻譜感知的主要功能是監(jiān)測(cè)可用頻段，檢測(cè)頻譜空洞；頻譜分析估計(jì)頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性；頻譜判決根據(jù)頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)。

（2）重構(gòu)

重構(gòu)能力使得CR 設(shè)備可以根據(jù)無(wú)線環(huán)境動(dòng)態(tài)編程，從而允許CR 設(shè)備采用不同的無(wú)線傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)。可以重構(gòu)的參數(shù)包括：工作頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率和通信協(xié)議等。重構(gòu)的核心思想是在不對(duì)頻譜授權(quán)用戶(LU)產(chǎn)生有害干擾的前提下，利用授權(quán)系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信服務(wù)。一旦該頻段被LU 使用，CR 有兩種應(yīng)對(duì)方式：一是切換到其它空閑頻段通信；二是繼續(xù)使用該頻段，但改變發(fā)射統(tǒng)率或者調(diào)制方案避免對(duì)LU 的有害干擾。

2.2 軟件無(wú)線電基本理論

軟件無(wú)線電是Joe Mitola 于1991 年提出的一種無(wú)線通信新概念,他指的是一種可重新編程或者可重構(gòu)的無(wú)線電系統(tǒng)。也就是說(shuō)，這種軟件無(wú)線電在其系統(tǒng)硬件無(wú)需變更的情況下，可以在不同的時(shí)候根據(jù)需要通過(guò)軟件加載來(lái)完成不同的功能。軟件無(wú)線電概念雖然是從通信領(lǐng)域提出的，但這一概念一經(jīng)提出就得到了包括通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、測(cè)控、衛(wèi)星載荷及民用廣播電視等整個(gè)無(wú)線電工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，已成為無(wú)線電工程領(lǐng)域具有廣泛適用性的現(xiàn)代方法[12]。

傳統(tǒng)的無(wú)線電系統(tǒng)只能完成一項(xiàng)專屬的任務(wù)，比如接收電視信號(hào)、AM/FM 廣播信號(hào)，或者進(jìn)行無(wú)線通信比如wifi 或者GSM 通信。每一種無(wú)線電系統(tǒng)有其專屬的無(wú)線制式，包括載頻、調(diào)制解調(diào)方式和功率等。不同的無(wú)線電系統(tǒng)間有不同的無(wú)線波形，不同的調(diào)解方式，不同的糾錯(cuò)方式，它們之間不能夠相互通信。一種可以通過(guò)軟件就可以改變無(wú)線制式，而適應(yīng)不同的通信制式的新型無(wú)線電系統(tǒng)出現(xiàn)了，這就是軟件無(wú)線電。傳統(tǒng)的無(wú)線電系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是由硬件實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)其設(shè)計(jì)完成后就不能改變了，而軟件無(wú)線電系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層能夠由軟件控制改變，在物理層調(diào)制解調(diào)的信號(hào)能由軟件控制，只有少部分由不可編程硬件實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層更是完全可有軟件控制，差錯(cuò)控制和媒體介入?yún)f(xié)議可以根據(jù)要求任意改變。如圖2-1 所示：

經(jīng)過(guò)近20 年的推廣和全世界范圍的深入研究,軟件無(wú)線電概念不僅得到了普遍認(rèn)可,而且已獲得廣泛應(yīng)用;尤其是近幾年,軟件無(wú)線電的發(fā)展勢(shì)頭更猛,已觸動(dòng)到無(wú)線電工程的每一個(gè)角落:從3G 到4G,從美軍的MBMMR(多頻段多模式電臺(tái))到JTRS (聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電系統(tǒng))都是以軟件無(wú)線電概念進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的，除了軍用外，民用或者科研領(lǐng)域，出現(xiàn)了sandbridge SDRcommunication platform, the virtual radio 和GNU Radio。

理想的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)如圖2-2 所示,其主要特點(diǎn)是盡可能地減少模擬處理環(huán)節(jié)。在接收端，信號(hào)由RF 前端接收，然后由ADC 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)可編程器件的計(jì)算和處理亦即軟件無(wú)線電代碼的作用轉(zhuǎn)為信息。在發(fā)射端數(shù)字信號(hào)由軟件無(wú)線電代碼計(jì)算處理生成，然后由DAC 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)經(jīng)由RF 前端發(fā)射出去。

如圖2-2 所示的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)適用于無(wú)線電工程的任何領(lǐng)域,如:通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、測(cè)控等。因?yàn)?該硬件結(jié)構(gòu)與所要完成的功能無(wú)關(guān),它所完成的功能主要取決于軟件無(wú)線電代碼。這也是之所以稱其為“軟件” 無(wú)線電的原因所在。

一個(gè)理想的軟件無(wú)線電硬件能接收和發(fā)送所有頻率和任意制式的無(wú)線電。但是以現(xiàn)在的技術(shù)能力實(shí)現(xiàn)是有相當(dāng)難度的。首先，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，該軟件無(wú)線電的工作帶寬有多寬，其AD 采樣至少是帶寬的兩倍，比如:對(duì)于工作在2～2 000MHz 的JTRS電臺(tái),其采樣頻率至少是4 GHz，考慮到濾波器矩形系數(shù)，采樣頻率需要超過(guò)5GHz，如此高的采樣速率在高分辨率情況下至少在目前是難以實(shí)現(xiàn)的；其次，高的采樣速率對(duì)ADC 后續(xù)的信號(hào)處理( FPG A /DSP)也提出了非常高的要求，大大提高了信號(hào)處理部分的實(shí)現(xiàn)難度；最后，隨著電磁環(huán)境的復(fù)雜化，過(guò)寬的瞬時(shí)處理帶寬將導(dǎo)致對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的過(guò)高要求，無(wú)論是高增益的LNA 還是高速ADC，其動(dòng)態(tài)范圍都將無(wú)法滿足實(shí)際需求。

針對(duì)理想軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)存在的問(wèn)題,作者對(duì)軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類,提出了軟件無(wú)線電的三種基本結(jié)構(gòu)[ 13]:基于低通采樣的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)、基于帶通采樣的寬帶中頻軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)和基于射頻直接帶通采樣的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)十幾年全世界范圍的廣泛研究,軟件無(wú)線電得到了快速的發(fā)展,特別是軟件無(wú)線電以硬件為核心到以軟件為核心的設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變已滲透到無(wú)線電工程的各個(gè)領(lǐng)域,并將繼續(xù)深刻影響和引領(lǐng)無(wú)線電工程的未來(lái)發(fā)展。尤其是認(rèn)知無(wú)線電的提出,將為軟件無(wú)線電帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇和發(fā)展空間[14]。

2.3 認(rèn)知軟件無(wú)線電基本理論

認(rèn)知無(wú)線電最早是由Joseph Mitola 博士在1999 年提出的[15]。他描述了認(rèn)知無(wú)線電怎樣通過(guò)一種“無(wú)線電知識(shí)描述語(yǔ)言”（RKRL）的新語(yǔ)言來(lái)提高個(gè)人無(wú)線業(yè)務(wù)的靈活性。但是隨著無(wú)線電技術(shù)的高速發(fā)展，到現(xiàn)在，認(rèn)知無(wú)線電的研究和應(yīng)用已經(jīng)不局限在最早的范疇當(dāng)中。在各個(gè)方向、領(lǐng)域的研究人員從各自的角度提出了認(rèn)知無(wú)線電的定義和內(nèi)涵。

（1）Mitola 的初始定義

Mitola在2000 年瑞典皇家科學(xué)院的博士論文答辯中，提出了這樣的觀點(diǎn)。他認(rèn)為：“認(rèn)知無(wú)線電這個(gè)術(shù)語(yǔ)確定了這樣一個(gè)觀點(diǎn)，在無(wú)線資源和相關(guān)的計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間通信方面，無(wú)線個(gè)人數(shù)字助理(Personal DigitalAssistant，PDA)和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)具有足夠的計(jì)算智能，包括檢測(cè)用戶的通信需求作為使用環(huán)境的函數(shù)以及提供最符合這些需求的無(wú)線資源和服務(wù)。”

為了實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電與外界環(huán)境良好的交互功能，Joseph Mitola 博士在論文中提出了認(rèn)知環(huán)的思想，如圖2-3 所示。

外界激勵(lì)作為一種干擾進(jìn)入認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，并被分配到認(rèn)知環(huán)中等待響應(yīng)。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)不斷地經(jīng)歷觀察（observe），定位(orient)，計(jì)劃(plan)，決定(decide)與執(zhí)行(act)五種狀態(tài)。其中每種狀態(tài)都要涉及到人工智能學(xué)習(xí)(learn)。

在觀察階段，認(rèn)知無(wú)線電也通過(guò)讀取測(cè)位、溫度等傳感器來(lái)推斷用戶的前后通信環(huán)境。認(rèn)知無(wú)線電可通過(guò)決定外界刺激的優(yōu)先級(jí)來(lái)對(duì)自己進(jìn)行定位，比如，動(dòng)力故障能夠直接引起執(zhí)行階段的反應(yīng)，在圖中是以“立即”表示。通常情況下，認(rèn)知無(wú)線電會(huì)對(duì)輸入信息產(chǎn)生計(jì)劃，在圖中是以“正常”表示。在判決階段，認(rèn)知無(wú)線電在將從候選計(jì)劃中做出最合適的選擇，在執(zhí)行階段觸動(dòng)選中的程序。學(xué)習(xí)以觀察和決定階段的功能函數(shù)，比如，將目前和先前的內(nèi)部狀態(tài)與期望值進(jìn)行比較，認(rèn)知無(wú)線電就能夠知道現(xiàn)在通信模型的有效性。

（2）Simon Haykin 從信號(hào)處理角度提出的定義

SimonHaykin 教授結(jié)合Mitola 博士對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的解釋，在一篇名為“ConitiveRadio：Brain-Empowered WirelessCommunications”的文章里，給出了認(rèn)知無(wú)線電一種新的定義：“認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能無(wú)線通信系統(tǒng)。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(guò)實(shí)時(shí)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(wú)線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性變化，從而實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間任何地點(diǎn)的高度可靠通信以及對(duì)頻譜資源的有效利用”。圖2-4 是基于Simon Haykin理論上的認(rèn)知環(huán)結(jié)構(gòu)：

主要包括了三部分的內(nèi)容：

a.無(wú)線頻譜探測(cè)；
b.信道狀態(tài)估計(jì)與預(yù)測(cè)；
c.發(fā)射功率控制與頻譜管理。

（3）美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC 從頻譜管理角度提出的定義

現(xiàn)在由于通信系統(tǒng)對(duì)頻譜資源需求的不斷地增加，頻譜資源利用日益明顯。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)充分注意到這一點(diǎn)情況，開(kāi)始重新思考新的頻譜資源管理政策，并在2003年5 月的認(rèn)知無(wú)線電研討會(huì)上，討論了利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)靈活頻譜利用的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。

FCC對(duì)認(rèn)知無(wú)線電做出了相對(duì)狹隘的一個(gè)定義：“認(rèn)知無(wú)線電是指能夠通過(guò)與工作環(huán)境的交互，改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無(wú)線電設(shè)備。認(rèn)知無(wú)線電的主體可能是軟件定義無(wú)線電(Software Defined Radio，SDR)，但既沒(méi)有軟件也沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)可編程的要求。”

FCC認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電需要高度的靈活性來(lái)適應(yīng)快變的信道質(zhì)量和干擾環(huán)境。在報(bào)告中，F(xiàn)CC 進(jìn)一步描述了認(rèn)知無(wú)線電五種可能應(yīng)用領(lǐng)域：
a.在低人口密度和低頻譜使用率（如郊區(qū)）的區(qū)域可以增加發(fā)射功率8dB；
b.主用戶可以中斷的方式向認(rèn)知無(wú)線電用戶出租頻譜；
c.利用用戶的空間和時(shí)間特性動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)頻譜共享；
d.促進(jìn)不同系統(tǒng)間的互操作；
e.利用發(fā)射功率控制和環(huán)境判決實(shí)現(xiàn)多跳射頻網(wǎng)絡(luò)(multi-hop RF network)。

綜合比較三種定義可以得知：Mitola的認(rèn)知概念與現(xiàn)在的技術(shù)水平要求相距比較大；FCC 僅僅是從充分利用頻譜的角度引入認(rèn)知無(wú)線電；而Simon Haykin 教授的定義較好地整合了數(shù)字信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)、人工智