第 1期
2008年2月
|fr目雹；珂譬研宪 宪屠衩
Journal of CAEIT
VolJ 3 No．1
Feb． 2008
拿
绿 。述 |
≥ ；．、 石＼=! ll、 -、 ＼
从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电
— — 无线通信发展展望
杨小牛
(中国电子科技集团公司第36研究所，浙江嘉兴 314033)
摘 要：介绍软件无线电三种基本结构及认知无线电基本概念的基础上，提出了基于电子侦察原理
的一种新的认知无线电实现架构及其对应的认知循环过程。同时，针对认知无线电存在的问题，提
出了基于盲源分离的认知无线电——终极无线电(ultimate radio)的新概念，并对其实现的可行性
进行了初步的分析讨论。
关键词：软件无线电；认知无线电；终极无线电
中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1673—5692(2008)01-001-07
Software Radio，Cognitive Radio and Ultimate Radio
． ． ． ． ． ． ． — — A Prospect of W ireless Communication
YANG Xiao．niu
(The 36th Research Institute of CETC，Zh~iang Jiaxing 314033，China)
Abstract：Through a review and outlook of three basic structures of software radio(SR)proposed by the
author and the fundamental concept of Cognitive Radio(CR)，the paper presents a new framework of CR
and its corresponding cognitive cycle based on the principle of electronic reconnaissance．Furthermore，
faced with the existing problems of CR，the author puts forward a new concept of SR-Ultimate Radio
(UR)based on the theory of blind source separation(BSS)．The feasibility of realizing UR is also dis—
cussed．
Key words：software radio；cognitive radio；ultimate radio
0 引 言
信息化社会发展到今天，人类社会已离不开通
信，尤其是无线移动通信(如 GSM、CDMA手机)的
普及程度在几年前是不可想像的，各种新的通信手
段、通信体制的出现为人们的生活、工作带来了极大
的便利。随着各种新标准、新协议的不断发布，无线
系统制造商和通信服务提供商不得不做出响应，通
过系统升级，以保持其技术的先进性，不断为用户提
供高质量的通信服务(1 G一2G一3G一4G)。但是，
如此反复的重新设计和硬件的不断更新换代，不仅
成本高，浪费资源，而且给最终用户也带来诸多不
便。所以，无论是服务提供商还是最终用户都越来
收稿 日期 ：2007—10—14 修订 日期 ：2007—11—15
越关注能经得起时间考验的无线通信系统，而不是
像现在的系统，随着技术的发展，不断地面临被淘
汰、废弃的尴尬境地。软件无线电就是在这样的背
景下诞生的、能经得起时间考验的无线通信系统。
简单而言，软件无线电是指采用固定不变的硬
件平台，通过软件重构(升级)来实现灵活多变的通
信体制和通信功能的无线电系统。软件无线电硬件
平台的特点是通用化、标准化、模块化，以及对信号
波形的广泛适应性；软件无线电的核心是其驻留在
DSP和／或 FPGA和／或 ASIC内部的功能软件，这些
软件是可升级、可重构的，以适应不同的技术标准、
接口协议和信号波形。近几年，软件无线电在微电
子技术的带动下，取得了前所未有的快速发展。
无线通信中的另一个重要问题是频谱资源的有
维普资讯
第 1 期
2∞8 年 2 月
f喝荤 S 纣曙呵ttu爱唱和
Joumal of CAEIT
Vol. 3 No. 1
Feb. 2008
ζ豆3ζ3
从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电
一一-无线通信发展展望
杨小牛
(中国电子科技集团公司第 36 研究所，浙江嘉兴 314033 )
摘 要:介绍软件元线电三种基本结构及认知元线电基本概念的基础上，提出了基于电子侦察原理
的一种新的认知元线电实现架构及其对应的认知循环过程。同时，针对认知无线电存在的问题，提
出了基于盲源分离的认知元线电一一终极元线电 (ultimate radio) 的新概念，并对其实现的可行性
进行了初步的分析讨论。
关键词 t软件元线电;认知元线电;终极元线电
中图分类号:TN91 文献标识码 :A 文章编号: 1673-5692 ( 2008 )01 -001-07
Software Radio , Cognitive Radio and Ultimate Radio
一- A Prospect of Wireless Communication
YANG Xiao-nìu
(ηle 36th Research Institute of CETC , Zhejiang Jiaxing 314033 , China)
Abstract: Through a review and outlook of three basic structures of software radìo (SR) proposed by the
author and the fundamental concept of Cognitive Radio (CR) , the paper presents a new framework of CR
and its corresponding cognitìve cycle based on the principle of electronic reconnaìssance. Furthermore ,
faced with the existìng problems of CR , the author puts forward a new concept of SR-Ultìmate Radio
( UR) based on the theoηof blind source separatìon (BSS). The feasibility of realizing UR is also dis-
cussed.
Key words: software radio; cognìtìve radio; ultimate radio
o 51
信息化社会发展到今天，人类社会已离不开通
信，尤其是无线移动通信(如 GSM 、 CDMA 手机)的
普及程度在几年前是不可想像的，各种新的通信手
段、通信体制的出现为人们的生活、工作带来了极大
的便利。随着各种新标准、新协议的不断发布，无线
系统制造商和通信服务提供商不得不做出响应，通
过系统升级，以保持其技术的先进性，不断为用户提
供高质量的通信服务(1G→2G→3G→4G) 。但是，
如此反复的重新设计和硬件的不断更新换代，不仅
成本高，浪费资源，而且给最终用户也带来诸多不
便。所以，无论是服务提供商还是最终用户都越来
收稿日期 :2∞7-10-14 修订日期 :2∞7-11-15
越关注能经得起时间考验的无线通信系统，而不是
像现在的系统，随着技术的发展，不断地面临被淘
汰、废弃的尴尬境地。软件无线电就是在这样的背
景下诞生的、能经得起时间考验的无线通信系统。
简单而言，软件无线电是指采用固定不变的硬
件平台，通过软件重构(升级)来实现灵活多变的通
信体制和通信功能的无线电系统。软件无线电硬件
平台的特点是通用化、标准化、模块化，以及对信号
波形的广泛适应性;软件元线电的核心是其驻留在
DSP 和/或 FPGA 和/或 ASIC 内部的功能软件，这些
软件是可升级、可重构的，以适应不同的技术标准、
接口协议和信号波形。近几年，软件无线电在微电
子技术的带动下，取得了前所未有的快速发展。
无线通信中的另一个重要问题是频谱资源的有
2 中塌鼋磊舛譬研宪 囊学权 2008年第1期
效利用。目前频谱资源管理国际上采用的通用做法
是实行授权和非授权频率管理体制，对于授权频段，
非授权者不得随意使用。由此带来的问题是，在某
些授权频段，频谱利用率很低，而在某些非授权频
段，信号又非常地拥挤，导致频谱资源利用极不均衡
的现状。为解决频谱资源的有效利用问题，有人又
提出了基于软件无线电的认知无线电概念。认知无
线电(CR，cognitive radio)是一种具有频谱感知能力
的智能化软件无线电，它能自动感知周围的电磁环
境，寻找“频谱空穴”，并通过通信协议和算法将通
信双方的信号参数调整到最佳状态。由此可见，认
知无线电不仅具有通信功能，而且还需具备频谱探
测能力，具有多功能特征，必须借助于软件无线电来
实现。认知无线电已成为目前无线通信领域的一大
研究热点。
1 现代无线电工程的统一方法——软
件无线电
软件无线电(software radio)是 Joe Mitola于
1991年提出的一种无线通信新概念，他指的是一种
可重新编程或者可重构的无线电系统。也就是说，
这种软件无线电在其系统硬件无需变更的情况下，
可以在不同的时候根据需要通过软件加载来完成不
同的功能。软件无线电概念虽然是从通信领域提出
的，但这一概念一经提出就得到了包括通信、雷达、
电子战、导航、测控、卫星载荷及民用广播电视等整
个无线电工程领域的广泛关注，已成为无线电工程
领域具有广泛适用性的现代方法。经过近 20年的
推广和全世界范围的深入研究，软件无线电概念不
仅得到了普遍认可，而且已获得广泛应用；尤其是近
几年。软件无线电的发展势头更猛，已触动到无线电
工程的每一个角落：从3G到4G，从美军的 MBMMR
(多频段多模式电台)到 JrrRs(联合战术无线电系
统)都是以软件无线电概念进行设计、开发的，甚至
就连完成单一功能的 GPS也要进行软件化设计 ，
以适应未来导航技术的发展需要。可以这样说，软
件无线电的思想已对现代无线电工程的设计和开发
产生重大影响。
理想的软件无线电结构如图 1所示，其主要特
点是尽可能地减少模拟处理环节。在接收端：由天
线感应的无线电信号经过必要的低噪声放大后，就
直接对其进行数字化(ADC)，数字化后的信号经过
FPGA或／和 DSP完成数字下变频、数字滤波、数字
解调等信号处理任务；在发射端：需要发射的基带信
号通过 FPGA或／和DSP完成数字调制、数字上变频
和数字滤波等信号处理任务，经过 DAC变换为模拟
信号，最后经功率放大器放大到足够功率，由天线发
射出去。如图 1所示的软件无线电结构适用于无线
电工程的任何领域，如：通信、雷达、电子战、测控等。
因为，该硬件结构与所要完成的功能无关，它所完
成的功能主要取决于驻留在 FPGA／DSP中的软件
(算法)。这也是之所以称其为“软件”无线电的原
因所在。
图1 理想的软件无线电结构
如图 1所示的软件无线电结构是一种理想化的
软件无线电结构，其实现是有相当难度的。首先，根
据奈奎斯特采样定理，该软件无线电的工作带宽有
多宽，其 AD采样至少是带宽的两倍，比如：对于工
作在2～2 000 MHz的JTRS电台，其采样频率至少
是4 GHz，考虑到滤波器矩形系数，采样频率需要
超过5 GHz，如此高的采样速率在高分辨率情况下
至少在目前是难以实现的；其次，高的采样速率对
ADC后续的信号处理(FPGA／DSP)也提出了非常苛
刻的要求，大大提高了信号处理部分的实现难度；最
后 ，随着电磁环境的复杂化，过宽的瞬时处理带宽将
导致对动态范围的过高要求，无论是高增益的LNA
还是高速 ADC，其动态范围都将无法满足实际需
求。针对理想软件无线电结构实际实现时存在的问
题，作者对软件无线电结构进行了分类，提出了软件
无线电的三种基本结构 J：基于低通采样的软件无
线电结构、基于带通采样的宽带中频软件无线电结
构和基于射频直接带通采样的软件无线电结构。
2 软件无线电的三种基本结构
基于低通采样的软件无线电结构如图2所示。
低通采样软件无线电结构与理想软件无线电结构是
类似的，其主要差别是在 A／D前增加了低通滤波
器，以降低对 A／D采样速率的要求。低通滤波器的
截止频率． 取决于软件无线电系统的工作频段，比
如对于短波工作频段，其截止频率可取 30 MHz；对
于工作在 30—88 MHz的战术超短波频段，其截止
维普资讯
2 非竭'拿 S 捋嘈呵t/量牵制 2∞8 年第 1 期
效利用。目前频谱资源管理国际上采用的通用做法
是实行授权和非授权频率管理体制，对于授权频段，
非授权者不得随意使用。由此带来的问题是，在某
些授权频段，频谱利用率很低，而在某些非授权频
段，信号又非常地拥挤，导致频谱资源利用极不均衡
的现状。为解决频谱资源的有效利用问题，有人又
提出了基于软件无线电的认知无线电概念。认知无
线电( CR , cognitive radio) 是一种具有频谱感知能力
的智能化软件无线电，它能自动感知周围的电磁环
境，寻找"频谱空穴并通过通信协议和算法将通
信双方的信号参数调整到最佳状态。由此可见，认
知无线电不仅具有通信功能，而且还需具备频谱探
测能力，具有多功能特征，必须借助于软件无线电来
实现。认知无线电已成为目前无线通信领域的一大
研究热点。
1 现代无线电工程的统一方法一一软
件无线电
软件无线电 (software radio) 是 Joe Mitola 于
1991 年提出的一种无线通信新概念，他指的是一种
可重新编程或者可重构的无线电系统。也就是说，
这种软件无线电在其系统硬件无需变更的情况下，
可以在不同的时候根据需要通过软件加载来完成不
同的功能。软件无线电概念虽然是从通信领域提出
的，但这一概念一经提出就得到了包括通信、雷达、
电子战、导航、测控、卫星载荷及民用广播电视等整
个无线电工程领域的广泛关注，已成为无线电工程
领域具有广泛适用性的现代方法。经过近 20 年的
推广和全世界范围的深入研究，软件无线电概念不
仅得到了普遍认可，而且已获得广泛应用;尤其是近
几年，软件无线电的发展势头更猛，已触动到无线电
工程的每一个角落:从 3G 到 4G，从美军的 MBMMR
(多频段多模式电台)到 JTRS( 联合战术无线电系
统)都是以软件无线电概念进行设计、开发的，甚至
就连完成单一功能的 GPS 也要进行软件化设计[1]
以适应未来导航技术的发展需要。可以这样说，软
件无线电的思想已对现代无线电工程的设计和开发
产生重大影响。
理想的软件无线电结构如图 1 所示，其主要特
点是尽可能地减少模拟处理环节。在接收端:由天
线感应的无线电信号经过必要的低噪声放大后，就
直接对其进行数字化(ADC) ，数字化后的信号经过
FPGA 或/和 DSP 完成数字下变频、数字滤波、数字
解调等信号处理任务;在发射端:需要发射的基带信
号通过FPGA 或/和 DSP 完成数字调制、数字上变频
和数字滤波等信号处理任务，经过 DAC 变换为模拟
信号，最后经功率放大器放大到足够功率，由天线发
射出去。如图 1 所示的软件无线电结构适用于无线
电工程的任何领域，如:通信、雷达、电子战、测控等。
因为，该硬件结构与所要完成的功能无关，它所完
成的功能主要取决于驻留在 FPGA/DSP 中的软件
(算法)。这也是之所以称其为"软件"无线电的原
因所在。
图 1 理想的软件无线电结构
如图 1 所示的软件无线电结构是一种理想化的
软件无线电结构，其实现是有相当难度的。首先，根
据奈奎斯特采样定理，该软件无线电的工作带宽有
多宽，其 AD 采样至少是带宽的两倍，比如:对于工
作在 2 -2 ∞o MHz的 JTRS 电台，其采样频率至少
是4 GHz，考虑到滤波器矩形系数，采样频率需要
超过5 GHz，如此高的采样速率在高分辨率情况下
至少在目前是难以实现的;其次，高的采样速率对
ADC 后续的信号处理(FPGA/DSP)也提出了非常苛
刻的要求，大大提高了信号处理部分的实现难度;最
后，随着电磁环境的复杂化，过宽的瞬时处理带宽将
导致对动态范围的过高要求，无论是高增益的 LNA
还是高速 ADC ，其动态范围都将无法满足实际需
求。针对理想软件无线电结构实际实现时存在的问
题，作者对软件无线电结构进行了分类，提出了软件
无线电的三种基本结构[2] 基于低通采样的软件无
线电结构、基于带通采样的宽带中频软件无线电结
构和基于射频直接带通采样的软件无线电结构。
2 软件无线电的三种基本结构
基于低通采样的软件无线电结构如图 2 所示。
低通采样软件无线电结构与理想软件无线电结构是
类似的，其主要差别是在A/D 前增加了低通滤波
器，以降低对A/D 采样速率的要求。低通滤波器的
截止频率.fc 取决于软件无线电系统的工作频段，比
如对于短波工作频段，其截止频率可取 30 MHz;对
于工作在 30 - 88 MHz 的战术超短波频段，其截止
2008年第1期 杨小牛：从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电 3
频率可取 88 MHz，如此等等。根据奈奎斯特采样定
理，低通采样软件无线电结构的 A／D采样频率取决
于低通滤波器的截止频率 ，由式(1)确定
≥(r+1) (1)
式中 为低通滤波器的截止频率；r为低通滤波器
的矩形系数(r>1)。
图 2 基 于低 通采样 的软件 无线电结构
由式(1)可知，为了保持合适的 A／D采样频率，
低通滤波器的截止频率(软件无线电的最高工作频
率)不能取得太高，这就限制了低通采样软件无线电
结构的应用范围。从目前的器件水平来看，当要求具
有比较大的动态范围时(>160 dB)，低通采样软件无
线电结构只适用于短波和超短波频段(≤100 MHz)。
如果要求工作频段较高(≥2 GHz)，则可以采样软件
无线电的第二种结构——基于带通采样的宽带中频
数字化软件无线电结构，如图3所示。
图3 基于带通采样的宽带中频软件无线电结构
中频带通采样软件无线电结构采用了多次混频
体制或叫超外差体制，它首先把工作频段上的某一
感兴趣的宽带射频信号经过放大、混频和滤波变换
到统一的中频 F 上，最后由 A／D变换器对中频信
号进行采样数字化，并送到 FPGA或 DSP进行软件
化处理(数字下变频、数字滤波、数字解调等)。初
看起来，中频带通采样软件无线电结构与普通超外
差接收机没有太多区别，但中频带通采样软件无线电
的主要特点是中频带宽宽(比如可宽达100 MHz)，对
信号的适应能力强，而且其完成的功能都由驻留在
FPGA或 DSP中的软件实现。由于这种软件无线电
结构采用了中频数字化体制，A／D采样速率只取决
于中频带宽 ，并由式(2)确定
≥(r+1)B (2)
式中， 为中频带宽；r为中频滤波器之矩形系数
(r>1)。同时，中频频率 与采样频率 需满足关
系式(3)
= (3)
式中，n可取任一正整数(0、1、2、3、4、⋯)。比如：当
B=20 MHz， ：56 MHz时(这时要求 r≤1．8)，中
频频率． 可取 70 MHz标准中频(取 n=2)。
宽带中频带通采样软件无线电结构的最大好处
是降低了对A／D采样速度的要求，使软件无线电的
工程化更具可实现性。可以说，目前的软件无线电
平台基本上都是基于这一结构开展研发的，通俗而
言，都属于中频数字化的软件无线电，不同之处主要
在于中频带宽根据不同需求有宽有窄。但是，中频
数字化软件无线电由于采用了超外差体制，使得射
频前端复杂化，这是与软件无线电提出的初衷不一
致的，或者说，这种软件无线电与理想的软件无线电
存在较大的差距。为解决软件无线电工程化与理想
软件无线电之间存在的冲突，作者又提出了第三种
软件无线电结构——基于射频直接带通采样的软无
线电结构，如图4所示。
图4 射频直接带通采样软件无线电结构
这种结构与理想软件无线电的不同之处主要是
增加了一个宽带跟踪滤波器(或叫宽带电调滤波
器)，该滤波器的作用是在其工作频段上选取所需
接收处理的信号，并经过放大后直接送到 A／D进行
采样数字化。所以，A／D采样所面对的信号仍然是
射频信号，但采样体制采用的是带通采样。为了实
现对整个工作频段信号的直接采样，可以证明 需
要由多个不同的采样频率来完成，其中一个称其为
主采样频率，另外若干个称其为“盲区”采样频率，
主采样频率． 仍由式(2)、(3)确定，而“盲区”采样
频率． 由式(4)确定
fsm-- (4)
式中，／Tt为采样盲区号，取 0、1、2、3、⋯、M，采样盲区
的最大序号M为
M =int争--Jmax一 (5) =_一1 (
维普资讯
2008 年第 1 期 杨小牛:从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电 3
频率可取 88 MHz，如此等等。根据奈奎斯特采样定
理，低通采样软件无线电结构的A/D 采样频率取决
于低通滤波器的截止频率fc' 由式(1)确定 [2]
fc ';3 ( r + 1 )fc (1 )
式中，且为低通滤波器的截止频率; r 为低通滤波器
的矩形系数(r> 1)。
图 2 基于低通采样的软件无线电结构
由式(1)可知，为了保持合适的A/D 采样频率，
低通滤波器的截止频率(软件无线电的最高工作频
率)不能取得太高，这就限制了低通采样软件元线电
结构的应用范围。从目前的器件水平来看，当要求具
有比较大的动态范围时(';360 dB) ，低通采样软件元
线电结构只适用于短波和超短波频段( !s 1∞ MHz)o
如果要求工作频段较高(';32 GHz) ，则可以采样软件
无线电的第二种结构一二基于带通采样的宽带中频
数字化软件元线电结构，如图 3 所示。
字号理数信处
图 3 基于带通采样的宽带中频软件无线电结构
中频带通采样软件元线电结构采用了多次混频
体制或叫超外差体制，它首先把工作频段上的某一
感兴趣的宽带射频信号经过放大、混频和滤波变换
到统一的中频 F'F上，最后由A/D 变换器对中频信
号进行采样数字化，并送到 FPGA 或 DSP 进行软件
化处理(数字下变频、数字滤波、数字解调等)。初
看起来，中频带通采样软件元线电结构与普通超外
差接收机没有太多区别，但中频带通采样软件无线电
的主要特点是中频带宽宽(比如可宽达1∞ MHz) ，对
信号的适应能力强，而且其完成的功能都由驻留在
FPGA 或 DSP 中的软件实现。由于这种软件无线电
结构采用了中频数字化体制，A/D 采样速率只取决
于中频带宽 B ，并由式(2)确定[2]
J,';3 (r+l)B (2)
式中 ， B 为中频带宽; r 为中频滤波器之矩形系数
(r > 1) 。同时，中频频率f'F与采样频率且需满足关
系式(3)
(2n +n AF==7与王 (3)
式中 ， n 可取任一正整数(0 、 1 ，2 、3 、4 、…) 0 比如:当
B =20 MHz , J, = 56 MHz 时(这时要求 r"'-三1. 8) ，中
频频率];F可取 70 MHz 标准中频(取 n =2) 0
宽带中频带通采样软件元线电结构的最大好处
是降低了对 AlD 采样速度的要求，使软件无线电的
工程化更具可实现性。可以说，目前的软件无线电
平台基本上都是基于这一结构开展研发的，通俗而
言，都属于中频数字化的软件无线电，不同之处主要
在于中频带宽根据不同需求有宽有窄。但是，中频
数字化软件无线电由于采用了超外差体制，使得射
频前端复杂化，这是与软件元线电提出的初衷不一
致的，或者说，这种软件无线电与理想的软件无线电
存在较大的差距。为解决软件无线电工程化与理想
软件无线电之间存在的冲突，作者又提出了第三种
软件无线电结构一二基于射频直接带通采样的软元
线电结构，如图 4 所示。
图 4 射频直接带通采样软件无线电结构
这种结构与理想软件无线电的不同之处主要是
增加了一个宽带跟踪滤波器(或叫宽带电调滤波
器) ，该滤波器的作用是在其工作频段上选取所需
接收处理的信号，并经过放大后直接送到A/D 进行
采样数字化。所以，A/D 采样所面对的信号仍然是
射频信号，但采样体制采用的是带通采样。为了实
现对整个工作频段信号的直接采样，可以证明 [2] 需
要由多个不同的采样频率来完成，其中一个称其为
主采样频率，另外若干个称其为"盲区"采样频率，
主采样频率J， 仍由式(2) 、 (3) 确定，而"盲区"采样
频率J，m由式(4) 确定
儿=去专 (4)
式中 ， m 为采样盲区号，取 0 、 1 ，2 ，3 ，…、M ，采样盲区
的最大序号 M 为
2f M =int--' (5 )
4 中嚼鼋；研譬研宪陛奄极 2008年第1期
式中 为软件无线电的最高工作频率，int表示取
整数。比如，当fo =2 GHz =250 MHz时，则M：
15，也就是说 ，需要 +1=16个“盲区”采样频率和
一 个主采样频率，方能实现对2 GHz工作频段的全
采样。这种射频直接带通采样的好处在于，在跟踪
滤波器的配合下，通过多采样率采样，无需进行变频
等模拟处理环节就能实现对射频信号的全频段无混
叠数字化，其硬件结构与理想软件无线电非常接近，
是未来软件无线电的发展方向。跟踪滤波器是射频
直接带通采样软件无线电的关键部件，另外这种采
样体制对A／D的采样保持器也提出了更高的要求，
即要求A／D具有更高的模拟输入频率指标，这是实
现射频直接带通采样软件无线电的两大难点。但随
着微电子器件和超导技术的不断进步，无论是大带
宽A／D，还是高性能的跟踪滤波器都是有望实现的。
经过十几年全世界范围的广泛研究，软件无线
电得到了快速的发展，特别是软件无线电以硬件为
核心到以软件为核心的设计理念的转变已渗透到无
线电工程的各个领域，并将继续深刻影响和引领无
线电工程的未来发展。尤其是认知无线电的提出，
将为软件无线电带来新的发展机遇和发展空间 J。
3 智能化软件无线电——认知无线电
认知无线电概念最早是由瑞典 Joseph Mitola博
士于 1999年 8月提出的_4 J，是对软件无线电(SDR)
功能的进一步扩展。认知无线电可以感知周围电磁
环境，通过无线电知识描述语言(RKRL)与通信网
络进行智能交流，并实时调整传输参数(通信频率、
发射功率、调制方式、编码体制等)，使通信系统的
无线电参数不仅与规则相适应，而且能与环境相匹
配，以达到无论何时何地都能达到通信系统的高可
靠性和频谱利用的高效性。也就是说，SDR关注的
是采用软件方式实现无线电系统信号的处理；而 CR
强调的是无线系统能够感知操作环境的变化，并据
此调整系统工作参数，实现最佳适配。从这个意义
上讲，CR是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包
括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规
划的高层活动。所以，认知无线电是智能化的软件
无线电。
Joseph Mitola博士提出认知无线电的概念，最
初的主要目的是想解决频谱资源的有效利用问题。
在绝大多数国家，大部分频谱是以授权方式分配给
无线电业务部门的。在这些已分配的授权频段与非
授权频段中，存在着频谱资源利用的不平衡性：一方
面，授权频段占用了整个频谱资源的很大一部分，由
于在某些地区授权用户不会在任何时间都使用其频
段，因此不少授权频段都处于空闲状态 (频谱空
穴)。美国联邦通信委员会(FCC)的研究表明，在
大部分时间和地区，授权频段的平均利用率在 15％
～ 85％之间。另一方面，开放使用的非授权频段 占
整个频谱资源的很小一部分，而在该频段上的用户
却很多，业务量拥挤，无线电频段已基本趋于饱和。
静态的频谱分配原则是导致授权频段利用率低下而
其他用户又无法使用相应频段这一矛盾的主要原
因。如果能够将暂时空闲的频谱资源加以利用，目
前这种频谱资源的紧张状况将得到极大的改善。认
知无线电就是针对这一问题提出的有效解决方案，
其核心思想就是使未来的无线电设备具有自主发现
“频谱空穴”，并合理有效地利用“频谱空穴”的能
力。如何快速、准确地检测到“频谱空穴”，成为认
知无线电需要着重解决的关键问题。
简单而论 ，认知无线电实际上是把软件无线电
与频谱监视和管理有效地结合在一起。认知无线电
可以对周围的电磁环境进行扫描监视，确定频谱利
用状况，找出“空穴频谱”，并根据“空穴频谱”特征
选取最佳的工作体制和参数，最终建立起可靠的通
信链路。从电子侦察的角度来看_5 J，认知无线电实
际上就是把软件无线电与通信侦察有机地结合在一
起。在认知无线电发射一方，通过对周围电磁环境
的自主侦察、分析，获得无线信道传输特性，检测
“干扰”频谱分布，选择最佳频段或最佳信道(无干
扰或干扰电平在允许范围内)主动向接收方发送通
信链路建立信号；在认知无线电的接收一方，则对工
作频段内的无线电频谱进行 自主“全景搜索”，自动
截获联络信号，并对其进行分析识别和解码，一旦信
号格式匹配就立即建立起通信链路，实现通信。所
以，在通信侦察中的快速全景搜索、信号参数测量、
调制样式自动识别、非合作解调与解码等技术为认
知无线电的实现奠定了很好的技术基础。下面就探
讨以电子侦察为其技术基础的一种新的认知无线电
体系结构及其认知循环过程。
4 认知无线电体系结构及其认知循环
过程
认知无线电的主要特点是其重构能力，它不仅
要完成最主要的通信功能，同时还需具备包括信道
维普资讯
4 字蝠t，捋嘈句也攸唔飘 2∞8 年第 1 期
式中.Jmax为软件元线电的最高工作频率， int 表示取
整数。比如，当儿回 =2 GHz J, =250 MHz 时，则 M=
15 ，也就是说，需要 M + 1 = 16 个"盲区"采样频率和
→个主采样频率，方能实现对2GHz工作频段的全
采样。这种射频直接带通采样的好处在于，在跟踪
滤波器的配合下，通过多采样率采样，元需进行变频
等模拟处理环节就能实现对射频信号的全频段元混
叠数字化，其硬件结构与理想软件元线电非常接近，
是未来软件元线电的发展方向。跟踪滤波器是射频
直接带通采样软件元线电的关键部件，另外这种采
样体制对A/D 的采样保持器也提出了更高的要求，
即要求A/D 具有更高的模拟输入频率指标，这是实
现射频直接带通采样软件元线电的两大难点。但随
着微电子器件和超导技术的不断进步，无论是大带
宽 A/D ，还是高性能的跟踪滤波器都是有望实现的。
经过十几年全世界范围的广泛研究，软件元线
电得到了快速的发展，特别是软件元线电以硬件为
核心到以软件为核心的设计理念的转变已渗透到元
线电工程的各个领域，并将继续深刻影响和引领元
线电工程的未来发展。尤其是认知元线电的提出，
将为软件元线电带来新的发展机遇和发展空间[3]o
3 智能化软件无线电一一认知无线电
认知元线电概念最早是由瑞典 Joseph Mitola 博
士于 1999 年 8 月提出的[州，是对软件元线电(SDR)
功能的进一步扩展。认知元线电可以感知周围电磁
环境，通过元线电知识描述语言( RKRL) 与通信网
络进行智能交流，并实时调整传输参数(通信频率、
发射功率、调制方式、编码体制等) ，使通信系统的
元线电参数不仅与规则相适应，而且能与环境相匹
配，以达到无论何时何地都能达到通信系统的高可
靠性和频谱利用的高效性。也就是说， SDR 关注的
是采用软件方式实现元线电系统信号的处理;而 CR
强调的是元钱系统能够感知操作环境的变化，并据
此调整系统工作参数，实现最佳适配。从这个意义
上讲，CR 是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包
括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规
划的高层活动。所以，认知元线电是智能化的软件
元线电o
Joseph Mitola 博士提出认知元线电的概念，最
初的主要目的是想解决频谱资源的有效利用问题。
在绝大多数国家，大部分频谱是以授权方式分配给
元线电业务部门的。在这些已分配的授权频段与非
授权频段中，存在着频谱资源利用的不平衡性:一方
面，授权频段占用了整个频谱资源的很大一部分，由
于在某些地区授权用户不会在任何时间都使用其频
段，因此不少授权频段都处于空闲状态(频谱空
穴) 0 美国联邦通信委员会( FCC) 的研究表明，在
大部分时间和地区，授权频段的平均利用率在 15%
-85%之间。另一方面，开放使用的非授权频段占
整个频谱资源的很小一部分，而在该频段上的用户
却很多，业务量拥挤，元线电频段已基本趋于饱和。
静态的频谱分配原则是导致授权频段利用率低下而
其他用户又无法使用相应频段这一矛盾的主要原
因。如果能够将暂时空闲的频谱资源加以利用，目
前这种频谱资源的紧张状况将得到极大的改善。认
知元线电就是针对这一问题提出的有效解决方案，
其核心思想就是使未来的元线电设备具有自主发现
"频谱空穴"并合理有效地利用"频谱空穴"的能
力。如何快速、准确地检测到"频谱空穴成为认
知元线电需要着重解决的关键问题。
简单而论，认知元线电实际上是把软件元线电
与频谱监视和管理有效地结合在→起。认知元线电
可以对周围的电磁环境进行扫描监视，确定频谱利
用状况，找出"空穴频谱"并根据"空穴频谱"特征
选取最佳的工作体制和参数，最终建立起可靠的通
信链路。从电子侦察的角度来看[町，认知元线电实
际上就是把软件元线电与通信侦察有机地结合在→
起。在认知元线电发射→方，通过对周围电磁环境
的自主侦察、分析，获得元线信道传输特性，检测
"干扰"频谱分布，选择最佳频段或最佳信道(无干
扰或干扰电平在允许范围内)主动向接收方发送通
信链路建立信号;在认知元线电的接收一方，则对工
作频段内的元线电频谱进行自主"全景搜索"自动
截获联络信号，并对其进行分析识别和解码，→旦信
号格式匹配就立即建立起通信链路，实现通信。所
以，在通信侦察中的快速全景搜索、信号参数测量、
调制样式自动识别、非合作解调与解码等技术为认
知元线电的实现奠定了很好的技术基础。下面就探
讨以电子侦察为其技术基础的→种新的认知元线电
体系结构及其认知循环过程。
4 认知无线电体系结构及其认知循环
过程
认知元线电的主要特点是其重构能力，它不仅
要完成最主要的通信功能，同时还需具备包括信道
2008年第 1期 杨小牛：从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电 5
搜索与信号分析在内的电子侦察功能；随着技术的
发展，今后的认知无线电可能还需要具备对目标信
号的测向定位能力，以实现更为科学、更为理想的信
道分配和功率控制，使频谱利用更加优化、合理。所
以，今后的认知无线电已经不是通常意义上的通信
电台，而是一种硬件平台标准化、通用化，其功能可
由软件灵活重构的以软件无线电为基础实现的智能
化无线电系统。所以，认知无线电不仅是软件无线
电与电子侦察的融合体，更是应用多种现代信号处
理技术的综合平台。认知无线电的体系结构如图5
所示
I 认知协议 (认知策略、算法)
IL
囱
J L
国凼
J L睁印睁
软件支撑环境
丁【
硬件支撑环境(可重构软件无线电平台)
图 5 认知 无线电体 系结构
可重构软件无线电平台是认知无线电的硬件支
撑环境，认知无线电的所有功能都是由该平台通过
加载不同的软件来实现的。该平台不仅需要适应通
信功能，更要求能适应频谱扫描、信号分析、参数测
量等电子侦察功能。所以，平台的可重构性是对平
台的起码要求。另外，为在宽频带内实现快速“频
谱空穴”检测这一重要功能，软件无线电平台的瞬
时处理带宽(中频带宽)应足够宽，以降低信道搜索
时间。由此可见，软件无线电是认知无线电的技术
基础，认知无线电离不开软件无线电，同时认知无线
电也将成为促进软件无线电技术进一步发展的最主
要的推动力。
软件支撑环境是认知无线电的软件开发工具
集，它通过无线电知识描述语言(RKRL)与网络针
对无线规则进行智能交流，并采用支持用户需要的
自动推理的方式，更好地为个人通信服务。认知无
线电使软件无线电从预先定义协议的盲目执行者转
变成为无线电领域的智能代理。
频谱扫描主要实现对周围电磁环境的普查。在
发起通信请求的发射端，通过频谱快速扫描主要完
成“频谱空穴”的检测，即找到有望在该“空穴”建立
通信的空闲信道；在接收端，通过主动的频谱扫描主
要是在约定的工作频段上快速搜索发现新信号，以
判定是否存在链路建立信号。
频谱分析主要完成对“频谱空穴”的分析，如
“空穴”所占的带宽、“空穴”的干扰或噪声电平、“空
穴”的时间分布特性等；另外，频谱分析还需完成对
新信号的调制识别、信号参数测量等，以便进行后续
的解调解码和协议分析。
频谱决策是指在完成频谱扫描和频谱分析的基础
上，确定通信载频、通信体制、通信参数和发射电平。
频谱监视是指双方在建立通信后，对该通信信
道所进行的“在线”检测，一旦发现有“干扰”信号存
在(该干扰可能是授权用户信号，也可能是无意或
有意的干扰信号)，立即进行“频谱搬移”，主动让出
该信道，并寻找新的“频谱空穴”建立通信。
链路建立是指在完成频谱决策后，根据所确定
的载频、电平、体制等信号参数，以及链路建立协议，
通过波形产生模块快速形成链路建立信号，主动发
向对方 ，并等待对方的回执。
调制发射主要完成信号产生功能，它借助可重
构软件无线电平台，通过加载软件可以产生所需要
的各种通信信号。
接收解调主要完成对通信信号的接收和解调，
它借助可重构软件无线电平台，通过加载软件可以
对各种通信信号进行解调处理。
协议分析主要完成对链路建立信号解调比特流
的分析，并根据预先约定的通信协议进行特征码、信
息字段的提取，以确定通信对象(包括所在的地理
位置信息)、通信体制、通信频率等信息，并按要求
向对方发送链路建立回执。
认知协议是认知无线电的核心，它是认知无线
电具有“认知”能力的重要保证。认知无线电的一
个重要特征是能对其周围的电磁环境进行自动感
知，找到所谓的“频谱空穴”。但是，实际上作为通
信而言，最终的 目的并不是要知道己方的“频谱空
穴”，而是需要知道对方的“频谱空穴”。由于通信
双方远者相隔数千里，近者也要数十里，因此，要想
从本地感知对方的“频谱空穴”是极其困难的，甚至
是不可能的。所以，感知“频谱空穴”比较可行的办
法是把己方感知的“频谱空穴”信息设法传递到对
方去，实现“频谱空穴”感知信息的交换和共享。这
种感知信息交换可以通过认知协议来实现，其基本
思路是：通信双方在通信空闲时 自主对其周围的电
磁频谱进行探测感知，对感知到的“频谱空穴”进行
统计分析，并根据“频谱空穴”带宽、干扰电平大小
等进行优先级排序，建立实时“频谱空穴”数据库。
维普资讯
2∞8 年第 1 期 杨小牛:从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电 5
搜索与信号分析在内的电子侦察功能;随着技术的
发展，今后的认知元线电可能还需要具备对目标信
号的测向定位能力，以实现更为科学、更为理想的信
道分配和功率控制，使频谱利用更加优化、合理。所
以，今后的认知元线电已经不是通常意义上的通信
电台，而是一种硬件平台标准化、通用化，其功能可
由软件灵活重构的以软件元线电为基础实现的智能
化元线电系统。所以，认知元线电不仅是软件元线
电与电子侦察的融合体，更是应用多种现代信号处
理技术的综合平台。认知元线电的体系结构如图 5
所示。
硬件支撑环境(可重构软件无线电平台)
图 5 认知无线电体系结构
可重构软件元线电平台是认知元线电的硬件支
撑环境，认知元线电的所有功能都是由该平台通过
加载不同的软件来实现的。该平台不仅需要适应通
信功能，更要求能适应频谱扫描、信号分析、参数测
量等电子侦察功能。所以，平台的可重构性是对平
台的起码要求。另外，为在宽频带内实现快速"频
谱空穴"检测这一重要功能，软件元线电平台的瞬
时处理带宽(中频带宽)应足够宽，以降低信道搜索
时间。由此可见，软件元线电是认知元线电的技术
基础，认知元线电离不开软件元线电，同时认知元线
电也将成为促进软件元线电技术进一步发展的最主
要的推动力。
软件支撑环境是认知元线电的软件开发工具
集，它通过元线电知识描述语言( RKRL) 与网络针
对元线规则进行智能交流，并采用支持用户需要的
自动推理的方式，更好地为个人通信服务。认知元
线电使软件无线电从预先定义协议的盲目执行者转
变成为无线电领域的智能代理O
频谱扫描主要实现对周围电磁环境的普查。在
发起通信请求的发射端，通过频谱快速扫描主要完
成"频谱空穴"的检测，即找到有望在该"空穴"建立
通信的空闲信道;在接收端，通过主动的频谱扫描主
要是在约定的工作频段上快速搜索发现新信号，以
判定是否存在链路建立信号。
频谱分析主要完成对"频谱空穴"的分析，如
"空穴"所占的带宽、"空穴"的干扰或噪声电平、"空
穴"的时间分布特性等;另外，频谱分析还需完成对
新信号的调制识别、信号参数测量等，以便进行后续
的解调解码和协议分析O
频谱决策是指在完后兑频谱扫描和频谱分析的基础
上，确定通信载频、通信体制、通信参数和发射电平。
频谱监视是指双方在建立通信后，对该通信信
道所进行的"在线"检测，一旦发现有"干扰"信号存
在(该干扰可能是授权用户信号，也可能是无意或
有意的干扰信号) ，立即进行"频谱搬移"主动让出
该信道，并寻找新的"频谱空穴"建立通信。
链路建立是指在完成频谱决策后，根据所确定
的载频、电平、体制等信号参数，以及链路建立协议，
通过波形产生模块快速形成链路建立信号，主动发
向对方，并等待对方的回执。
调制发射主要完成信号产生功能，它借助可重
构软件元线电平台，通过加载软件可以产生所需要
的各种通信信号。
接收解调主要完成对通信信号的接收和解调，
它借助可重构软件元线电平台，通过加载软件可以
对各种通信信号进行解调处理O
协议分析主要完成对链路建立信号解调比特流
的分析，并根据预先约定的通信协议进行特征码、信
息宇段的提取，以确定通信对象(包括所在的地理
位置信息)、通信体制、通信频率等信息，并按要求
向对方发送链路建立回执。
认知协议是认知元线电的核心，它是认知元线
电具有"认知"能力的重要保证。认知元线电的一
个重要特征是能对其周围的电磁环境进行自动感
知，找到所谓的"频谱空穴"。但是，实际上作为通
信而言，最终的目的并不是要知道己方的"频谱空
穴而是需要知道对方的"频谱空穴"。由于通信
双方远者相隔数千里，近者也要数十里，因此，要想
从本地感知对方的"频谱空穴"是极其困难的，甚至
是不可能的。所以，感知"频谱空穴"比较可行的办
法是把己方感知的"频谱空穴"信息设法传递到对
方去，实现"频谱空穴"感知信息的交换和共享。这
种感知信息交换可以通过认知协议来实现，其基本
思路是:通信双方在通信空闲时自主对其周围的电
磁频谱进行探测感知，对感知到的"频谱空穴"进行
统计分析，并根据"频谱空穴"带宽、干扰电平大小
等进行优先级排序，建立实时"频谱空穴"数据库。
6 中国鼋；纠学 宪陛学权 2008年第1期
通信发起方要进行通信时，首先根据事先约定的链
路建立协议把“频谱空穴”数据库(或其部分)连同
位置、天线特性等信息发送到被叫方；被叫方在对其
周围电磁环境进行探测感知的过程中，要对新出现
的信号进行频谱分析、信号识别、参数测量、接收解
调和协议分析(这些功能都属于电子侦察范畴)，以
判定该信号是不是发给自己的链路建立信号。一旦
判定是链路建立信号，则根据所接收的对方“频谱
空穴”数据库，以及己方的“频谱空穴”数据库进行
通信频率、发射电平、通信体制、调制参数的确定，并
连同己方的“频谱空穴”数据库通过回执协议发送
给呼叫方；呼叫方接收到回执后，就在回执约定的通
信频率上建立通信。如果呼叫方在规定的时间内接
收不到回执，则选择新的“频谱空穴”发送链路建立
呼叫信号，直到接收到呼叫回执为止。上述过程就
是基于电子侦察原理的认知无线电认知循环过程，
如图6所示。
图6 基于电子侦察原理认知循环过程
从以上讨论可以看出，实现认知无线电的关键
技术是感知对方所处环境的“频谱空穴”，以便在此
空闲信道上建立通信。但要准确、快速、大范围感知
“频谱空穴”并不是件容易的事，甚至需要付出很高
的代价。下面介绍作者提出的基于盲源分离的无线
通信新技术，利用该技术可以不用感知“频谱空
穴”，而是在所期望的任意信道上进行自由通信，不
用管在该信道上是否存在其他通信信号或干扰信
号，因为在接收端采样盲源分离可以完好地分离出
所需要的通信信号。作者把这种软件无线电称之为
终极无线电(ultimate radio)。
5 基于盲源分离的软件无线电——终
极无线电
所谓的盲源分离(BSS) 就是在只知道观察信
号，而不知道源信号及混合矩阵的任何信息的前提
下，对源信号进行分离(估计)的过程。基于盲源分
离的终极无线电(UR)架构如图7所示。
÷÷ {号
I T／R 多通道 BSS 软件 ADc ＆
调制 T／R ： 0==。
天线阵 ； ＆ DBF ＆
●
解调 T／R ● DAC e
图7 基于盲源分离的终极无线电架构
盲源分离的主要特点是需要采用天线阵进行阵
列信号处理：在接收端，多阵列天线接收的信号通过
T／R组件(完成模拟下变频)送到多通道 ADC进行
采样数字化，并采用盲源分离(BSS)技术对在频谱
上重叠的信号进行分离，最后送到软件解调模块进
行解调处理；在发射端，调制后的数字信号首先进行
数字波束形成(DBF)产生需发送的中频数字化信
号，再经过DAC转变为模拟中频信号，最后通过上
变频(由T／R组件完成)变换为射频信号，如图7所
示。盲源分离是实现 UR的前提和关键，下面简单
介绍一下盲源分离的基本原理。
假设从 m个天线观察到的信号向量为 (￡)=
[ (t)x (t)⋯ (6) ，n个信源发射的信号向量
为： (t)=[S (t)S：(6)⋯S (t)r，其中 (t)表示第
i(i=1，2，⋯m)个接收天线在 t时刻观察到的信号
值 ，而S (￡)则表示第 i( =1，2，⋯，n)个信源在 t时
刻发射的信号值。
则盲源分离的线性混合模型为
(t)=Hs(t)+l，(t) (6)
式中，日是混合矩阵，其矩阵元素 是第 i个接收天
线和第 个发射天线之间的传输系数，它与阵列的
组阵形式有关；l，(￡)是噪声。
盲源分离技术就是根据观察到的信号矢量
(t)，在不知道混合矩阵日和源信号 (t)的任何信
息的前提下，寻找一个分离矩阵 w，使得 Y(t)=
Wx(￡)的各分量是源信号 (￡)的一个估计。
在源信号之间统计独立的前提下，盲源分离
(BSS)技术和独立分量分析(ICA)相一致，因此在
很多场合，一般不区分 BSS和 ICA。这时如果
Y(￡)=Wx(￡)=W(t)H(t)s(￡)+W(￡)l，(￡)f7
= ／I(t)V(t)s(t)+l，(t)
式(7)的各分量相互独立，其中／I(t)是实对角阵，
而 P( )是任意交换阵，这时我们就说 Y(t)是 (t)
维普资讯
非蝠'毒草树嘈呵'tl'量哥和 2∞8 年第 1 期
号，而不知道源信号及混合矩阵的任何信息的前提
下，对源信号进行分离(估计)的过程。基于盲源分
离的终极元线电(UR)架构如图 7 所示。
盲源分离的主要特点是需要采用天线阵进行阵
列信号处理:在接收端，多阵列天线接收的信号通过
T/R 组件(完成模拟下变频)送到多通道 ADC 进行
采样数字化，并采用盲源分离 (BSS) 技术对在频谱
上重叠的信号进行分离，最后送到软件解调模块进
行解调处理;在发射端，调制后的数字信号首先进行
数字波束形成(DBF) 产生需发送的中频数字化信
号，再经过 DAC 转变为模拟中频信号，最后通过上
变频(由 T/R 组件完成)变换为射频信号，如图 7 所
示。盲源分离是实现 UR 的前提和关键，下面简单
介绍一下盲源分离的基本原理。
假设从 m 个天线观察到的信号向量为 x( t) =
[X 1 (t)X2(t) … Xm (6) ] T, n 个信源发射的信号向量
为 :s(t) = [SI (t)s2(6) …Sn(t)JT ， 其中 Xi (t) 表示第
i(i=1 ， 2 ， …m)个接收天线在 t 时刻观察到的信号
值，而 S/t)则表示第 i(i=1 ， 2 ， … ， n) 个信源在 t 时
刻发射的信号值。
则盲源分离的线性混合模型为
x ( t) = Hs ( t) + v ( t) ( 6 )
式中 ，H是混合矩阵，其矩阵元素鸟是第 i 个接收天
线和第j 个发射天线之间的传输系数，它与阵列的
组阵形式有关; v( t) 是噪声。
盲源分离技术就是根据观察到的信号矢量
x( t) ， 在不知道混合矩阵 H 和源信号 s (t) 的任何信
息的前提下，寻找一个分离矩阵 W，使得 y (t) =
Wx(t) 的各分量是源信号 s( t) 的一个估计。
在源信号之间统计独立的前提下，盲源分离
( BSS)技术和独立分量分析(ICA) 相一致，因此在
很多场合，一般不区分 BSS 和 ICA o 这时如果
y(t) =附(t) ;:W(t)H(t)s(t) + W(t)v(t) (7)
=A(t)P(t)s(t) +v(t)
式(7) 的各分量相互独立，其中 A (t) 是实对角阵，
而 P(T)是任意交换阵，这时我们就说 y (t) 是 s (t)
件制
i
调
软调』解
基于盲源分离的终极无线电架构
BSS
&
DBF
多通道
ADC
&
DAC
1叶川同叫
H川
mj
、i
阵
…ti--
线
"ii
夭
图 7
通信发起方要进行通信时，首先根据事先约定的链
路建立协议把"频谱空穴"数据库(或其部分)连同
位置、天线特性等信息发送到被叫方;被叫方在对其
周围电磁环境进行探测感知的过程中，要对新出现
的信号进行频谱分析、信号识别、参数测量、接收解
调和协议分析(这些功能都属于电子侦察范畴) ，以
判定该信号是不是发给自己的链路建立信号。一旦
判定是链路建立信号，则根据所接收的对方"频谱
空穴"数据库，以及己方的"频谱空穴"数据库进行
通信频率、发射电平、通信体制、调制参数的确定，并
连同己方的"频谱空穴"数据库通过回执协议发送
给呼叫方;呼叫方接收到回执后，就在回执约定的通
信频率上建立通信。如果呼叫方在规定的时间内接
收不到回执，则选择新的"频谱空穴"发送链路建立
呼叫信号，直到接收到呼叫回执为止。上述过程就
是基于电子侦察原理的认知元线电认知循环过程，
如图 6 所示。
6
基于电子侦察原理认知循环过程
从以上讨论可以看出，实现认知元线电的关键
技术是感知对方所处环境的"频谱空穴"以便在此
空闲信道上建立通信。但要准确、快速、大范围感知
"频谱空穴"并不是件容易的事，甚至需要付出很高
的代价。下面介绍作者提出的基于盲源分离的元线
通信新技术，利用该技术可以不用感知"频谱空
穴"而是在所期望的任意信道上进行自由通信，不
用管在该信道上是否存在其他通信信号或干扰信
号，因为在接收端采样盲源分离可以完好地分离出
所需要的通信信号。作者把这种软件元线电称之为
终极元线电( ultimate radio) 。
图 6
基于盲源分离的软件无线电一一终
极无线电
5
所谓的盲源分离(BSS) [6] 就是在只知道观察信
2008年第 1期 杨小牛：从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电 7
的一个估计，从而分离出了信号源中的各个独立成
份。理想情况下(没有噪声)，如果我们找到的分离
矩阵 W刚好是日的逆，即A(t)P(t)是单位阵，则
y(t)=Wx(t)=H Hs(t)= (t)，这时就可以准确
地分解出s中的各个独立信号。基于ICA的盲源分
离的最大好处在于，它只要求多个源信号之问相互
独立，就能对其进行分离，而不管这多个源信号在频
谱上是否重叠。
盲源分离技术自从 20世纪 90年代初提出以
来，已在语音信号处理、图像信号处理、生理学数据
分析及人脸识别等方面获得应用，而在通信领域的
应用研究还刚刚起步。有关盲源分离或独立分量分
析算法在这里不作讨论，大家可参考文献[7]、[8]。
图8给出了对实际调频广播电台信号进行的盲分离
试验结果【8]：上图为 FM广播信号与单音调制信号
分离前的 昆合信号；中图为分离后的单音信号；下图
为分离后的FM广播话音信号。分离前只能听到很
强的单音干扰信号，分离后则能清晰听到广播信号，
分离效果非常明显，充分说明了盲源分离的有效性
和技术上的可行性。
1
号
＼
0
BⅢ
e
l
1
∞
＼ 、
0
}岛
e
1
∞
1
世 0
0 0．002 0．004 0．006 0．008 0．01
× 10
0 0．002 0．004 0．006 0．008 0．0l 0．012
× 10
0 0．002 0 004 0．006 0．008 0．01 0．01
时间／s
图8 基对实际调频广播信号的盲源分离试验
提出基于盲源分离的终极无线电概念，其主要
意图是想彻底解决频谱资源的有效利用问题，并最
终实现频谱共享、自由使用。当然，终极无线电的实
现还面临诸多技术挑战，更需要付出巨大努力。但
作者相信，随着技术的不断进步，终极无线电必将付
之实现，并获得应用。
6 结 语
从 20世纪90年代初到现在，经过十几年的努
力，软件无线电得到了快速的发展。但是，软件无线
电的概念也是逐步被认识、被理解的。提出软件无
线电概念的重大意义在于，它使人们的设计思路从
以硬件为核心转向以软件为核心，这一设计理念已
不知不觉地被现代无线电工程的各个领域所广泛接
受。认知无线电又是在软件无线电的基础上提出的
智能化的无线通信技术，它着力解决频谱资源的有
效利用问题；认知无线电概念的提出将对现行的频
谱管理体制提出挑战，并给无线通信带来新的发展
空间，同时也将有力促进软件无线电的更快发展。
本文最后提出了基于盲源分离的终极无线电的概
念，是对软件无线电和认知无线电的进一步拓展，终
极无线电的实现还面临许多技术难题，希望本文能
“抛砖引玉”。
参考文献：
f 1]JAMES BAO．YEN TSUI．Fundamentals of Global Positio—
ning System Receivers：A Software Approach[M]．New
York：John Wiley&Sons Inc．Publication，2005．
[2]杨小牛，楼才义，徐建良 软件无线电原理与应用
[M]．北京：电子工业出版社，2001．
[3]王庭昌．软件无线电技术的回顾与展望[J]．现代军事
通信 ，2007，15(3)：1-7．
[4]MITOLA J，GERALD Q，MAGUIRE J R．Cognitive Ra—
dios：Making Software Radios More Personal[J]．IEEE
Personal Communications，1999，6(4)：13—18．
[5]栗苹 ，赵 国庆 ，杨小牛，等．信息对抗技术[M]．北京：
清华大学出版社 ，2007．
[6]SOROUCHYARI E．Blind Separation of Sources[J]．Sig—
nal Processing，1991，24(1)：21—29．
[7]马建仓，等．盲信号处理[M]．北京：国防工业出版社，
2006．
[8]付卫红．盲源分离及其在通信侦察中的应用研究[D]．
西安：西安电子科技大学博士论文，2007．
作者简介
- 杨小牛(1961一)，男，浙江龙游人， 硕士，研究员级高级工程师，中国电子科 技集团公司第36研究所副所长，研究方 向为通信对抗、软件无线电、认知无线电， 曾发表学术论文数十篇，获得国家科技进 步一、二等奖各一次，多次获得部级科技
进步奖。
维普资讯
2008 年第 1 期 杨小牛:从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电 7
的一个估计，从而分离出了信号源中的各个独立成
份。理想情况下(没有噪声) ，如果我们找到的分离
矩阵 W刚好是 H 的逆，即 A(t)P(t) 是单位阵，则
y ( t) = Wx ( t) = H -1 Hs ( t) = s (仆，这时就可以准确
地分解出 S 中的各个独立信号。基于 ICA 的盲源分
离的最大好处在于，它只要求多个源信号之间相互
独立，就能对其进行分离，而不管这多个源信号在频
谱上是否重叠。
盲源分离技术自从 20 世纪 90 年代初提出以
来，已在语音信号处理、图像信号处理、生理学数据
分析及人脸识别等方面获得应用，而在通信领域的
应用研究还刚刚起步。有关盲源分离或独立分量分
析算法在这里不作讨论，大家可参考文献[7J 、 [8 J 0
图 8 给出了对实际调频广播电台信号进行的盲分离
试验结果[8J 上图为 FM 广播信号与单音调制信号
分离前的混合信号;中图为分离后的单音信号;下图
为分离后的 FM 广播话音信号。分离前只能听到很
强的单音干扰信号，分离后则能清晰听到广播信号，
分离效果非常明显，充分说明了盲源分离的有效性
和技术上的可行性。
× 10'
:0 • ,
气 1 .且.. ..凰- ...监..‘矗.
\\ I .回.. .... -咱..回.. "飞 ，、 a咽匾 ... 匾 "电l
迦 o tJ、，.f VV 飞，飞J 、fV 飞4 、I"'j
J罢， """ '1' "'''lI'''' "''''1
o
× 10'
。
气，-血\\V飞 F飞 I飞 F飞 f飞 F飞 F飞 r飞 F飞，、 F飞 r飞
倒 ot\ I V \J \/\/飞/飞/飞/飞/飞/\/飞 1
!军 l.... ...霄.... ..,.. '0'1
o 0‘ 012
.X104
口二 '1
气.J‘
\\f 1 • l • i ~牛...，. ~ t A _ 111 ~‘，L .dURtI川lU ìdlll
刨 olll阳州州翩翩翩lJ~刷刷刷UM\M!lnflfl而且翩翩 lMM
I罢 rr'")1'"叫 n" ., 'lI'I1 ,- 'f 'iiHP" "'llYYVV]
o
时间 /s
力，软件无线电得到了快速的发展。但是，软件无线
电的概念也是逐步被认识、被理解的。提出软件无
线电概念的重大意义在于，它使人们的设计思路从
以硬件为核心转向以软件为核心，这一设计理念已
不知不觉地被现代无线电工程的各个领域所广泛接
受。认知元线电又是在软件无线电的基础上提出的
智能化的无线通信技术，它着力解决频谱资源的有
效利用问题;认知无线电概念的提出将对现行的频
谱管理体制提出挑战，并给无线通信带来新的发展
空间，同时也将有力促进软件无线电的更快发展。
本文最后提出了基于盲源分离的终极无线电的概
念，是对软件无线电和认知无线电的进一步拓展，终
极无线电的实现还面临许多技术难题，希望本文能
"抛砖引玉"。
参考文献:
[ 1 J JAMES BAO-YEN TSUI. Fundamentals of Global Positio-
ning System Receivers: A Software Approach [M J. New
York: John Wiley&Sons Inc. Publication , 2005.
[2J 杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用
[MJ. 北京:电子工业出版社，2∞1.
[3J 王庭昌，软件元线电技术的回顾与展望[1].现代军事
通信，2007 ， 15(3) :1-7.
[ 4 J MITOLA J , GERALD Q, MAGUIRE J R. Cognitive Ra-
dios: Making Software Radios More Personal [ J J. IEEE
Personal Communications , 1999 ,6(4) :13-18.
[5J 栗苹，赵国庆，杨小牛，等.信息对抗技术 [MJ. 北京:
清华大学出版社，2007.
[6 J SOROUCHYARI E. Blind Separation of Sources[ J]. Sig-
nal Processing , 1991 , 24 (1) :21-29.
[7J 马建仓，等.盲信号处理[MJ. 北京:国防工业出版社，
2006.
[8J 付卫红.盲源分离及其在通信侦察中的应用研究 [D J.
西安:西安电子科技大学博士论文，2∞7.
图 8 基对实际调频广播信号的盲源分离试验 作者简介
提出基于盲源分离的终极无线电概念，其主要
意图是想彻底解决频谱资源的有效利用问题，并最
终实现频谱共享、自由使用。当然，终极无线电的实
现还面临诸多技术挑战，更需要付出巨大努力。但
作者相信，随着技术的不断进步，终极无线电必将付
之实现，并获得应用。
6 结语
从20 世纪 90 年代初到现在，经过十几年的努
杨小牛 (1961 - ) ，男，浙江龙游人，
硕士，研究员级高级工程师，中国电子科
技集团公司第 36 研究所副所长，研究方
向为通信对抗、软件无线电、认知无线电，
曾发表学术论文数十篇，获得国家科技进
步一、二等奖各一次，多次获得部级科技
进步奖。
