智能无线电突破频谱不足的困境

一项接一项的研究表明：在任意一个给定时刻，人们所用到的频谱只占美国所有可用频谱的2%到6%。因此，部署下一代无线服务所需的可用频谱并不短缺，事实上还有一些富余。

然而，不幸的是，限制使用这些频谱的法规也同样多得令人吃惊。因此，目前缺乏的其实是一套相应的政策、技术和方法，它们有可能使经恰当配置的无线电智能地利用全球范围的频谱，同时又不致引起这些频谱当前使用者的愤怒。目前，无线电频谱的合法用户主要包括电视广播商、蜂窝运营商、无线电天文爱好者和各种各样的军方代表。

认知无线电（CR）被认为是潜在的解决方案。“CR是一种真正智能的无线电，它具有自我感知、RF感知、用户感知的能力，并将包融语言技术、机器视觉技术以及大量有关无线电环境高保真方面的知识，”Mitre公司的研究员Joe Mitola说。正是Mitola在90年代末发明了CR这个术语。

对于迫切想满足无线工业对更多频谱渴望的美国联邦通信委员会（FCC）来说，CR概念的诱惑力简直不可抗拒。在2003年末，FCC新成立的频谱政策任务委员会发出了一个征求建议的通知，号召人们对如何商业化实现CR提出意见。在此期间，该委员会还发布了关于超宽带使用的若干法规，并向5GHz和60GHz频段的非授权应用开放了频谱。

FCC可能已经原则上采纳了CR技术，而无线工业则是毫无保留地接受了它，认为CR是继软件定义无线电（SDR）之后的下一个大事件。“它是一种极富有挑战性且极其令人感兴趣的应用，”Vanu公司的首席技术官John Chapin说，“FCC把它看成是可能对频谱冲突产生重大影响的少数几种技术之一，而军方喜欢它是因为他们在频率规划方面面临巨大难题。无论是在海外进行军事演习，还是在国内进行培训，他们都遇到巨大的频率分配问题。”有了动态自适应的无线电，军方将不再局限于一个静态的频率规划，而是可以从根本上适应需求的变化。

“这些是巨大的推动力。实际上它们推动CR发展的速度比我原先认为的要快，”他说，“频谱是一种极其重要的国家资源，但它目前的利用率实在太低了。”

现在正在研究的CR商业应用之一是复用在80到850MHz范围内的电视UHF频段，在这个频段上的传播特征允许实现长距离、非视距、最后一英里的无线互联网接入技术。

尽管对许多人来说，一个能动态适应其环境并以“见缝插针”的方式复用已授权频谱的智能无线电概念听起来很吸引人，但合法的频谱用户却不这么想。他们认为复用会威胁他们的商业模式。“如果不是有这么强大的政府推动力，CR也许在刚出现时就夭折了，”Chapin说。Chapin称赞FCC不顾现有频谱用户的抗议，迄今为止一直在支持CR的发展。

SDR论坛的Al Margulies：我们仍然处在研究和概念开发阶段。

然而，来自频谱合法用户的反对只是CR问题的开始，而无线工程界一般把这些问题当成是创新的机会。

这些机会开始于硬件层次。CR最极端的形式是一个可以跳进和跳出任何频段的无线电，而复杂的、频率灵活的RF前端和软件定义无线电被看成是CR的基础。美国国防先进研究项目局（Darpa）的XG项目是迄今为止最雄心勃勃的动态频谱适应研究计划，它要求一个无线电可以覆盖从30MHz到30GHz的整个范围，而这看起来像是CR的最终结果。在此之前，跳频是最可行的方法，也就是一个无线电可以在高价值的特定频段之间（例如在800MHz和2.45GHz之间）跳来跳去。

除去无线电本身的灵活性之外，CR面临一些与其目标应用相关的有趣问题。撇开商业模式不谈，大部分问题涉及到一个无线电如何感测其环境和如何实时地向其上层协议栈提供反馈，以避免干扰合法用户。对CR来说甚至更特殊的问题是：这样一个智能无线电如何才能编程实现。在面对多层系统不确定性的情况下，如何验证无线电也是创新的肥沃土壤。

由于对CR的特性和要求仍缺乏一个清晰的定义，因此使得所有这些问题复杂化了。到底需要多少智能？智能无线电到底需要多灵活？所有这些问题仍然悬而未决。

“我们仍然处在研究和概念开发阶段，”SDR论坛的执行总监Al Margulies说，“我们的目标是更有效地利用频谱，而且对于泛在网络来说，它不仅仅是认知无线电，而且还上升到认知网络的层次。”