如何实现完整的认知无线电

基带配套芯片

基带芯片方面有不少选择，不过通常归结为专用处理器或FPGA。处理器针对智能决策制定做了优化，而FPGA在算法任务的硬件加速方面表现卓越。然而，最新推出的产品让我们见证了高性能处理器嵌入进FPGA的整合概念。来自Altera公司的Arria10 SoC提供两个32位的ARM内核，其工作时钟频率为1.2GHz，逻辑单元数多达660k。这种处理器和FPGA逻辑矩阵在同一器件上的整合(图4)提供了高得多的性能，并且不存在通常与芯片外处理信号有关的功率泄漏问题。


图4：FPRF和FPGA配置。

FPGA在加电时从外部存储器(XX 如闪存)进行配置。这个存储器还能包含用于ARM内核的可执行代码以及加载进LMS7002M收发器的频率信息表和SPI内存映射图。闪存还提供了加载中期固件更新的功能，可用来增加新功能、刷新信道分配数据或纠正缺陷。

当总的功能在软件和硬件任务之间划分时，使用带嵌入式处理器的FPGA的好处是显而易见的。通常软件通过编程并扫描空闲信道来控制LMS7002M。这是通过将连续的数据图案加载进SPI内存然后将锁相环(PLL)调谐到目标频率实现的。可编程矩阵接受从收发器上的RSSI反馈的数据，并用它来识别存在什么样的射频活动。

ARM内核还要为出入呼叫建立例程处理与基站的协商协议。这个数据中包含的内容有频率、带宽、功率电平以及用于连接的调制方案。处理器还要控制可编程矩阵内核，确保数据流产生约定的调制方案。矩阵的硬件加速非常适合编解码I&Q数据和检错/纠错。大量专用的可变精度数字信号处理(DSP)模块可以用来处理浮点运算，可实现完美的高性能滤波。

如果要求实现数据加密，那么这个任务可以在逻辑矩阵中执行。举例来说，通过使用高级加密标准(AES)或更复杂的AES-GCM变体提供数据机密性，这也能保证数据在传输过程中不会被恶意篡改或破坏。

Arria10系列为高性能的基带功能提供了实现可能。在不要求最快速度的应用中，可以使用极具成本效益的Cyclone V SE，该产品也有嵌入式ARM内核。不管是哪种选择，设计师都能将任务与最合适的资源匹配起来，同时实现最低的功耗。

认知无线电的应用

目前主要的应用领域是军事通信。认知无线电是软件无线电(SDR)的逻辑扩展。软件无线电设备已经在全球的军 队用户中得到了广泛部署，这些设备支持范围很大的不同波形。

基于技术和逻辑方面的理由，认知无线电系统将在军事应用中得到早期采纳。OFDM传输天生就具有保密性，因此，设计师可以利用LMS7002M的功能实现锁定时间很短的快速跳频，从而消除跟踪和截取信号的可能性。认知无线电系统还天生具有检测和避免干扰信号或在战场上可能遇到的其它外来信号的能力。从逻辑上看，认知无线电系统可以在不同的军事部门以及和盟军及北约部队实现互操作。军事用途的带宽分配已经在不同服务和雷达等特定用途之间划分好了。这种资源正承受着一方面来自对通信、情报、监视和侦察所需带宽、另一方面来自联邦通信委员会等监管机构的快速发展需求的压力。

认知无线电向铁路运输到公共安全应用等其它应用的渗透还需要更多地考量，因为进程取决于政治和法规问题的进展。

政治和法规问题

克服技术障碍只是问题的一部分，因为在认知无线电成为主流无线技术之前，还有许多显著的政治和法规障碍必须加以克服。

免许可用户使用表面上为其它目的保留的频谱这个概念是与当前的管理制度相悖的。当蜂窝提供商等公司投入大量资金收购具有高利用率的频谱时这一点就很容易理解了。但对其它频段来说未必是这样，比如为固定、移动或军事应用保留的频段。有大量狭窄的宝贵频谱可以开放给认知无线电用户，只要在干扰减轻方面有足够的保证。当前状态的一个极端类比相当于建立了一条只用于货运卡车的高速公路。

有人建议向蜂窝系统中引入一些与认知无线电并行的概念。目前LTE网络规划包含一种叫做LTE辅助接入(LAA)技术的功能，也称作为LTE-Unlicensed(LTE-U)。

LAA目前处于3GPP标准制定阶段。这里的想法是移动用户使用传统的蜂窝网络建立了一个呼叫或会话，如果接收器可以用WiFi时，大量业务随即转移到WiFi网络。WiFi是免许可的，因此蜂窝运营商认为这是该资源的合理使用。在一些领域中这是争论的热点，目的是确保工作在该频段的所有免许可设备具有对3.5GHz频谱的公平和合理访问。

很明显，任何认知无线电系统应避开现场急救组织或紧急服务用的公用安全网络。这些是为Project 25(P25)和地面集群无线(TETRA)服务保留的频段。为了有助于确保认知无线电用户不会无意中侵犯到这些频段，所供设备应避免采用不同地点的频率。这要求认知无线电系统使用通过GPS或其它等效手段得到的地理位置，并与“不能使用”的查找表结合在一起。

频谱拥挤要求监管部门尽可能提高对这一宝贵资源的利用率，而认知无线电系统为满足我们对越来越多带宽的需求提供了一种可行的解决方案。