淺談對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的認(rèn)知和思考

蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳清

1 認(rèn)知認(rèn)知無(wú)線電

從20 世紀(jì)90 年代第一代模擬移動(dòng)通信（1G）開(kāi)始，民用移動(dòng)通信在近二十多年里已經(jīng)完成了4 代更替，現(xiàn)在人們都用上了3G/4G 移動(dòng)通信終端機(jī)——數(shù)字智能手機(jī)，而5G 移動(dòng)通信也正在向我們走來(lái)。其技術(shù)發(fā)展的背后，就是無(wú)線電通信技術(shù)正在發(fā)生一場(chǎng)的深刻的革命性變革。

早在1992 年5 月，Joseph Mitola 博士在美國(guó)全國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議上首次提出了軟件無(wú)線電（SDR）概念，將傳統(tǒng)模擬體制無(wú)線電通信數(shù)字化、軟件化，用現(xiàn)代化軟件來(lái)操縱、控制傳統(tǒng)的“純硬件電路”的無(wú)線通信。軟件無(wú)線電技術(shù)的重要價(jià)值在于傳統(tǒng)的硬件無(wú)線電通信設(shè)備只是作為無(wú)線通信的基本平臺(tái)，而許多的通信功能則是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，打破了有史以來(lái)設(shè)備的通信功能的實(shí)現(xiàn)僅僅依賴于硬件發(fā)展的格局。軟件無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)是通信領(lǐng)域繼固定通信到移動(dòng)通信，摸擬通信到數(shù)字通信之后的一次技術(shù)革命。

1998 年在瑞典皇家工學(xué)院的一個(gè)研討會(huì)上Joseph Mitola 博士對(duì)軟件無(wú)線電概念進(jìn)行擴(kuò)展，提出了認(rèn)知無(wú)線電（CR）概念，即軟件無(wú)線電智能化。我們可以設(shè)想一下，在軟件無(wú)線電基礎(chǔ)上加上機(jī)器“大腦”可使認(rèn)知無(wú)線電具有學(xué)習(xí)能力、感知能力、存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)能力、云計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境交互信息，感知和利用空閑頻譜等一些新的設(shè)想。也有人說(shuō)認(rèn)知無(wú)線電就是智慧無(wú)線電，并被預(yù)言為未來(lái)最熱門(mén)的無(wú)線技術(shù)。

2 認(rèn)知無(wú)線電的組成

要深刻認(rèn)知認(rèn)知無(wú)線電就要首先要從認(rèn)知傳統(tǒng)無(wú)線電、軟件無(wú)線電開(kāi)始。軟件無(wú)線電發(fā)展至今已經(jīng)有二十多年了，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

傳統(tǒng)無(wú)線電是由雙工器（發(fā)射器/接收器）、ADC/DAC（包含調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼）等各單元硬件電路組成的。軟件無(wú)線電幾乎把發(fā)射器/接收器以外的硬件電路部分全部用軟件替代，這種數(shù)字化的替代手段給認(rèn)知無(wú)線電的構(gòu)建策略提供了機(jī)會(huì)和想象。于是認(rèn)知無(wú)線電的組成框架也不再是一個(gè)不合實(shí)際的空想。

圖1 認(rèn)知無(wú)線電的組成框圖

在此重構(gòu)了一幅認(rèn)知無(wú)線電組成方框圖如圖1 所示，分硬件和軟件兩大部分。硬件部分，除了雙工器負(fù)責(zé)信息的發(fā)送/接收外，認(rèn)知無(wú)線電還有類似雷達(dá)掃描一樣的天線（或陣列）和感知器或傳感器，用它來(lái)感知并在屏幕上及時(shí)顯示周邊空域無(wú)線電電磁場(chǎng)景圖，電磁場(chǎng)景圖經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）軟件處理后數(shù)字化存儲(chǔ)于機(jī)器或云端服務(wù)器的信息庫(kù)，日積月累可積累成電磁場(chǎng)景圖的大數(shù)據(jù)庫(kù)。

軟件部分，除軟件無(wú)線電的軟件外，加入了認(rèn)知引擎和信息庫(kù)部分。如果說(shuō)軟件無(wú)線電的核心是軟件，認(rèn)知無(wú)線電的核心就是這認(rèn)知引擎部分。認(rèn)知引擎的任務(wù)就在于針對(duì)無(wú)線電電磁場(chǎng)景圖中數(shù)據(jù)要采用合適算法來(lái)提高效率。現(xiàn)有的案例算法、蟻群優(yōu)化算法、進(jìn)化遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、推理與預(yù)測(cè)算法、多節(jié)點(diǎn)合作學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)等等算法均可在認(rèn)知引擎設(shè)計(jì)上各展所長(zhǎng)，并一定要像AlphaGo 一樣有機(jī)器學(xué)習(xí)能力。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)未來(lái)的認(rèn)知引擎有了無(wú)限的想像，如在軍事電子對(duì)抗研究、萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)和未來(lái)6G 等新通訊技術(shù)上有巨大應(yīng)用潛力。

通過(guò)以上配置，認(rèn)知無(wú)線電的“機(jī)器人”形像也躍然紙上。認(rèn)知引擎+信息庫(kù)就是大腦，它負(fù)責(zé)對(duì)信息的存儲(chǔ)、處理、思考、判斷、決策等工作；感知器就是眼睛、鼻子和耳朵，它負(fù)責(zé)探測(cè)周邊時(shí)空不同頻段無(wú)線電信息內(nèi)容，并把信息內(nèi)容交與大腦；雙工器就是嘴巴，負(fù)責(zé)“吞”、“吐”信息，就是負(fù)責(zé)發(fā)送/接收工作。所以認(rèn)知無(wú)線電將會(huì)發(fā)展成“機(jī)器人無(wú)線電”（新名詞是否恰當(dāng)供讀者參考）。

3 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)研究現(xiàn)狀

美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）是認(rèn)知無(wú)線電的倡導(dǎo)者、引領(lǐng)者和標(biāo)準(zhǔn)制定者，2004 年10 月制定并頒布了IEEE 802.22標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個(gè)世界范圍的基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、軟件無(wú)線電論壇等也在將重點(diǎn)從軟件無(wú)線電研究轉(zhuǎn)向于認(rèn)知無(wú)線電研究。

值得注意的是，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）于2003 年也專門(mén)成立了研究組，著眼于開(kāi)發(fā)軍事用途的認(rèn)知無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)劃研制以認(rèn)知無(wú)線電為核心的系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)也應(yīng)該在國(guó)家層面上重視、加強(qiáng)這方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定和關(guān)鍵技術(shù)研究和軍事用途研究。

2010 年前后，我國(guó)各相關(guān)專業(yè)的研究所和高校也開(kāi)展了軟件無(wú)線電教學(xué)和認(rèn)知無(wú)線電相關(guān)研究工作。在軟件無(wú)線電學(xué)習(xí)方面，公開(kāi)的開(kāi)源的軟件無(wú)線電平臺(tái)——微軟（亞洲）研究院的Sora 是一個(gè)較好的選擇，系統(tǒng)整體包括了軟、硬件兩個(gè)部分。硬件方面，國(guó)內(nèi)威視銳是它的合作、代理商。而在認(rèn)知無(wú)線電方面，國(guó)內(nèi)公開(kāi)研究成果則不多見(jiàn)，可能是因?yàn)榧夹g(shù)過(guò)于前沿需要保密的緣故。

4 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)研究和展望

認(rèn)知無(wú)線電是在軟件無(wú)線電的基礎(chǔ)上提出的智能化無(wú)線通信技術(shù),它展現(xiàn)了一種全新的智能頻譜管理模式,給無(wú)線通信帶來(lái)了新的發(fā)展空間,同時(shí)也有力促進(jìn)了軟件無(wú)線電的更快發(fā)展。

展望未來(lái)，基于認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)，測(cè)繪、感知周邊無(wú)線電電磁場(chǎng)景圖將變得容易。在有了場(chǎng)景圖后，科學(xué)地規(guī)劃和利用好頻譜資源是最可能實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電的頻譜分析技術(shù)研究，人們對(duì)于各種信號(hào)在本區(qū)域的出現(xiàn)時(shí)間、強(qiáng)度、調(diào)制形式等無(wú)線電信號(hào)特征參量進(jìn)行更有效分析；可開(kāi)展頻譜監(jiān)視技術(shù)研究，軍事上可甄別敵我雙方信號(hào)，攔截、干擾敵方信號(hào)，其重要性不言而喻。

基于對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的頻譜切換技術(shù)研究認(rèn)知，無(wú)線電信息在不同頻段上“借道超車”現(xiàn)象可望實(shí)現(xiàn)。語(yǔ)音和圖像是當(dāng)今的無(wú)線電信息傳送的主要內(nèi)容，隨著物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)的發(fā)展和成熟，更大量“物”的信息也會(huì)洶涌而來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)信息通常通常只需在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行發(fā)射/接收，不會(huì)長(zhǎng)久占有頻段，如果是主用戶租用頻段，這一頻段就存在著大量的閑置時(shí)間，這就是頻段資源的一種浪費(fèi)現(xiàn)象，即所謂的“頻譜空穴”。通過(guò)頻譜切換技術(shù)就能讓其他信息或用戶共享頻段。

基于認(rèn)知無(wú)線電的感知能力和認(rèn)知引擎的機(jī)器學(xué)習(xí)能力，未來(lái)頻譜決策技術(shù)也是不可忽視的重要的研究領(lǐng)域。人的大腦在訓(xùn)練中成長(zhǎng)，認(rèn)知引擎的機(jī)器學(xué)習(xí)能力，決策能力也會(huì)在各種算法演繹下不斷提升，更勝于人的決策，所謂“機(jī)器人無(wú)線電”將名至實(shí)歸地到來(lái)。