感知

　　第一個主要模塊是感知，它會影響接收器前端。與SDR不同，CR必須感知其特殊的環境。在要求不高的應用中，這一感知過程可能與時域復用接收通路可編程前端迅速查看接收情況一樣簡單。例如，接收器會掃描基站數據包之間預定義的通道列表。

　　Pollin指出：“進行機會頻譜接入(OSA)的系統非常簡單。大部分重點放在目前不受干擾的頻段，然后進行跳頻。這種方法的功能非常強大。”

　　對于要求快速響應的場景，無線電設備會含有完全獨立的接收通路，只用于監視間隔通道。使用獨立的通路，CR能夠同時處理所定義的頻段以及正常接收頻段內的信號活動。極端情況下，CR在實現感知功能時會有完全不同的接收通道。例如，一臺設備會有一個可調窄帶接收通路用于通信，一個帶寬非常大的通路用于感知，這樣，它可以連續處理較寬的無線電頻譜，而不用進行掃描。Pollin說：“取決于需求，監視功能可能需要帶寬非常大的模擬前端。”但是，寬帶電路成本非常高，因此，您應該盡量避免使用它。如果實際應用允許，您最好采用掃描的方式。

　　分類

　　SDR結構圖第二個重要的組成是分類功能。在分類模塊中，CR處理由感知模塊收集到的數據流，找到可能是干擾信號的功率模式，或者目標信號的功率模式，并對其進行分類。

　　對于一個簡單的OSA無線電，分類功能的實現與建立一個分配通道的功率直方圖一樣簡單，而不用關心功率代表了什么。無論通道保持靜默還是有信號。更復雜的無線電設備能夠推斷出較多的能量來源，例如發送器頻率、調試方式、傳輸時序：這是策略形成自適應模塊用于進行判斷的信息。

　　認知無線電技術公司總裁James Neel解釋說：“分類功能一般通過兩個步驟來實現。首先，您只是探測是否有能量，然后進一步獲得更多的信息。”

　　有時候可以通過統計計算進行探測，獲得更多信息。在其他情況下，無線電設備會嘗試調諧信號，對其進行解調，檢查數據包流。在這種情況下，無線電解調器可以同時用于接收器和分類目的，或者，對于前端電路的情況，會有完全獨立的數字處理器用于對未知信號進行分類。Neel指出，“如果您知道到底要找什么，那么，您可以設計定制分類硬件。”

　　如果您不知道要找什么，那么，所有工作都會很有趣。分類工作可以從提取模擬前端數據開始，然后，開發功率譜密度 (PSD)功能，例如通過快速傅里葉變換(FFT)來實現。然后，從功率譜隨時間的變化，信號采用了哪種調制方式等方面進行周期分析。根據實際應用需求，可以使用數字信號處理(DSP)芯片、FPGA，或者其他計算硬件來獲取這些統計信息。

　　自適應

　　然后，分類模塊將其結果傳送到CR第三個特有的組件，即，自適應模塊。在這里，分類數據和統計面臨兩個關鍵問題：它到底代表了什么含義，我應該怎么辦?在這一級，CR體系結構體現了應用驅動的最大變化。

　　不同在于問題的范圍。一個簡單的OSA無線電設備可能只是觀察其鏈路干擾電平或者誤碼率(BER)，尋找能夠進行跳頻的開放頻率。更復雜的無線電設備會構建干擾源的頻譜圖，根據所觀察到的干擾源隨時間變化的行為來預測頻譜圖會怎樣變化，規劃一系列頻率和調制方式，以滿足其數據通信要求。

　　Neel說，在最復雜的設計中，CR不僅僅知道其頻譜環境，而且還知道自己系統所處的環境。例如，在醫院手術室中的CR 能夠“理解”所進行的手術過程，病人的狀態，手術團隊中每一個人的需求，以及附近其他無線設備的行為等。這一無線電設備會將所有這些信息合并成一個策略，使用可用頻譜來保證緊急數據流的延時，同時滿足其他儀表的低優先級要求。

　　這類無線電設備可能會使用啟發式功能來驅動環境分析，做出決定。Neel建議，或者，隨著環境越來越復雜，可預測性越來越差，策略模塊會采用隱藏馬爾科夫模型、神經網絡，或者相關技術對環境建模，并進行分析。

　　這類計算涉及到大量的數據，需要很強的計算功能。Neel說，因此，明顯的發展趨勢是把CR的思考部分放到云端。那么，一個關鍵問題是無線電設備要處理的現象的持續時間。有時間來查詢中心計算資源，或者無線電設備必須自己做出基本判斷嗎?

　　隨著CR的普及，也帶來了其他問題。不可避免的是，大量的CR導致頻譜擁擠，它們都要互相搶占頻段，為自己的主機提供帶寬最大的頻段。正如Neel所指出的，在這些情況下，無線電設備需要采用游戲理論，以便實現共享頻段的最佳分配。這類競爭網絡的穩定性和優化問題帶來了 IEEE 802.19無線共存技術咨詢小組議程中一個很難解決的問題。

　　Weightless實例

　　兩個實例會有助于幫助對這些概念進行澄清。首先，Weightless標準實際上并不是CR，而是認知網絡，其中非常簡單的無線電只是一個組成單元。第二個是一個理論實例，適合公共安全應用更復雜的真CR。

　　Weightless體系結構與IEEE 802.22相似，在所謂的空白電視信號頻段內采用區域網，這是電視廣播帶寬范圍內未被占用的本地通道。802.22旨在為人們提供寬帶接入，與此不同的是，Weightless專門設計用于為不同的機器、傳感器和制動器提供窄帶物聯網連接，其節點的成本和功耗都非常低。

　　據Weightless的Webb，各種不同的目的導致了體系結構的顯著不同。Webb說：“對于空白電視信號頻段內未獲得許可的設備，第一個限制要求是不能干擾任何人的電視接收。這很難做到，因為您完全知道所有電視發射器位于哪里，但是卻不知道接收器在哪里。

　　Webb繼續解釋：“我們最初的想法是為終端設計成本非常低的CR，與802.22的目的非常相似。但是，我們發現在實際中，您可能恰好靠近正在觀看電視的人，遠距離電視臺發射的信號傳送到他這里時已經非常弱了。”

　　具有足夠動態范圍的CR要識別這些弱信號，需要花費很高的成本，提供很大的功率。因此，Weightless選擇了完全不同的方法來進行感知：中心控制的三層網絡，如圖3 所示。在這里，終端向基站報告其物理位置，基站查詢云中的應用程序，云端使用了許可廣播發射器以及其他基站的位置表，以獲得可用頻率的列表。Webb評論說：“這對于設計而言是很有趣的算法。”

　　這張查找表保證了終端不會影響所有人晚上看電視，也不會與其他基站競爭同一通道。但是，它并不保證終端與獲得許可設備之間不出現干擾，例如，無線麥克風，或者在同一區域中漫游的其他未獲得許可的低功率設備。為解決這一問題，基站為終端分配了8個頻率。終端以兩秒間隔進行跳頻，以減小來自這類源的干擾。

　　由于終端使用了直接擴頻傳輸技術，因此，系統有更大的自由度。實際上，基站監視每一終端的BER，命令終端調整擴頻因子，以便在帶寬和范圍上達到平衡。

　　Weightless采用了認知系統的三種定義行為：感知、分類和自適應。但是，這一標準并沒有將所有這些功能構建到終端無線電設備中，而是把它們分散開。大部分認知放在準靜態表中，而不是在算法中。在基站中對自適應功能、大部分感知功能和分類功能進行平衡。在網絡中對功能進行分配，大幅度降低了終端的成本，單芯片電池供電設備能夠采用很低的占空比進行工作。