您最喜欢的广播电台在特定频率上发射信号。当您将接收器设置为每秒若干周期时，您将天线电路调谐到从空中拾取该电台的频率。如果其他发射器干扰您的接收，您唯一真正的选择是等待问题自行解决。但在理想情况下，您的接收器会立即切换到承载您电台广播的开放备用频率。这种解决方案超出了当今的无线电技术水平，也许这个例子让问题看起来微不足道。但现在想象一下，干扰正在中断一个紧急的手机呼叫。在这种情况下，将呼叫快速转移到清晰的蜂窝信道不仅仅是方便——它可能挽救生命。
工程师们现在正致力于将这种灵活的运行智能引入未来的无线电、手机和其他无线通信设备。在未来十年中，认知无线电技术应该使几乎任何无线系统都能够定位并连接到本地可用的未使用无线电频谱，从而最好地服务于消费者。通过采用自适应软件，这些智能设备可以重新配置其通信功能，以满足传输网络或用户的需求。
认知无线电技术将根据先前的经验知道该怎么做。例如，在早上开车上班的路上，它会测量不同频段的传播特性、信号强度和传输质量。认知无线电单元将因此建立一个内部数据库，定义它在不同地点和特定时间应该如何最佳地运行。相比之下，当前无线系统的频段和传输协议参数大多是固定的。
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当认知无线电发送和接收信号时，它们将根据需要灵活地跳入和跳出空闲频段，避开那些已经被使用的频段。这种闪电般快速的信道跳跃应该允许认知无线电系统以合理的速度传输语音和数据流。通过更有效地利用现有的射频 (RF) 资源来解决频谱可用性交通拥堵问题，无线通信应该变得更加可靠和便捷，并且可能比今天便宜得多。事实上，如果认知无线电技术按照其开发者所希望的那样发展，那么射频频谱选项的过剩实际上可能会及时出现。无线电波将永远不再一样。
空中没有空间
不幸的是，如今的无线电波都太拥挤了。一些频段拥挤不堪，以至于长时间等待和干扰成为常态。这些传输链路的可用性取决于正在使用的无线系统。无线电频谱——电磁波谱中包含射频范围内波段的部分——如今容纳了无数的通信设备。在美国，联邦通信委员会 (FCC) 为用户分配特定频率。这些频率包括众所周知的 AM、FM、短波和公民频段以及 VHF 和 UHF 电视频道，以及数百个不太熟悉的频段，这些频段服务于蜂窝和无绳电话、GPS 跟踪器、空中交通管制雷达、安全警报、无线电控制玩具等。
当前无线电频谱的短缺在很大程度上是由于上个世纪建立的传统硬件的成本和性能限制造成的。例如，到 20 世纪 50 年代末，真空管电视机的遗留设计迫使新型晶体管型号只能接收 VHF 信号，直到工程师在几年后能够改造这些电视机。这种与硬件相关的不灵活性现在正通过自适应的、基于软件的无线设计来解决。
这种下一代无线技术，称为软件无线电 (SDR)，既使用嵌入式信号处理算法来筛选出微弱的无线电信号，又使用可重新配置的代码结构来接收和发射新的无线电协议。专家预计，在相对较短的时期内，这种软件驱动的进步将在无线电设计领域产生地震式的转变。[中断]
这种改变意味着，例如，在标准笔记本电脑（配备小型射频外围组件互连卡）上运行的 SDR 代码和其他可编程射频前端接口技术可以接收电视信号并显示它们。如果笔记本电脑随后配备了模拟射频 SDR 卡，它可以上传软件编程，使其表现得像蜂窝手机或基站、无线个人管理器，甚至军用频率无线电——无论手头的任务需要（和允许）什么。尽管很少有人知道，但世界刚刚进入 SDR 无线通信时代。
认知无线电紧随 SDR 技术之后到来，并在此基础上构建。这种新的无线范式涉及 SDR 系统，这些系统可以重新配置其模拟射频输出，并融入“自我意识”以及对传输协议、礼仪和程序的知识。这些发展将产生一种认知无线电，它能够感知其射频环境和位置，然后改变其功率、频率、调制和其他运行参数，从而动态地重用任何可用的频谱。
自我意识是指单元学习自身及其与所处无线电网络关系的能力。工程师可以通过设备及其环境的计算模型来实现这些功能，该模型将其定义为一个独立的实体（“自我”），作为一个“无线电”运行；该模型还定义了一个系统可以了解的“用户”。
认知无线电将能够自主感知其射频环境如何随位置和时间变化，包括自身和附近其他发射器辐射的功率。这些数据结构和相关软件将使认知无线电设备能够在充分利用周围网络的同时，避免来自其他无线电的干扰。在不远的将来，认知无线电技术将最优地共享可用频谱，而无需来自控制网络的指令，这最终可能会将用户从用户合同和费用中解放出来。
当考虑到认知无线电技术的经济性时，它重新定义现有无线服务的潜力就变得清晰起来。例如，每月的手机服务账单包含租赁无线电频谱、租用蜂窝塔和购买手机的费用，以及蜂窝基站点的硬件摊销、蜂窝站点之间互连的成本、账单费用和网络运营商利润。这些费用支付了蜂窝服务提供商为创建和运营专用射频网络而进行的投资。
当认知无线电最终在市场上得到释放时，这些成本可能会大幅下降，服务质量可能会大大提高。想想现在销售的最好的先进技术手机。超过 1 吉赫 (GHz) 的有用但未充分利用的无线电频谱可供该手机使用。然而，在任何时刻，该设备最多使用 10 兆赫 (MHz) —— 只有可用频谱的百分之一 —— 甚至这是从手机电路可以访问的约 100 MHz 固定频谱分配中选择的。
此外，典型的手机包含每秒数亿条指令的处理能力，这些能力主要专用于独特的蜂窝标准。服务提供商出于自身目的（例如修复软件中的错误）上传这些标准；它们不一定是为了客户的直接利益。例如：这种能力可以用于安全地上传第三方软件，从而允许手机连接到免费的无线局域网 (WLAN)。在 2004 年的一次移动通信技术会议上，摩托罗拉的一位高级主管表示，基于 WLAN 的电话在技术上已经可行多年，但蜂窝服务提供商不希望有这样的设备。这不足为奇：这样的手机可以在工作日自动切换到企业 WLAN，每天剥夺服务提供商数小时的费用。[中断]
但认知无线电的精灵已经出瓶。SDR 进入未充分利用的无线电频谱，以及认知无线电的自主控制软件（为了消费者的利益而行动），为采用该技术构建了一条商业道路。
免费频谱充裕
排除高于 6 GHz 的高频和微波频段，目前在 28 至 5,600 MHz 之间分配的无线电频谱中，约有 2.8 GHz 未被充分利用，但认知无线电可以访问。（该估计值来源于接收器的标称灵敏度和现有天线的增益水平。）与此同时，蜂窝电话和无线互联网服务的频段通常被过度订阅。从无钥匙汽车进入遥控器到车库门开启器，再到玩具的无线电控制，无数的电子小工具都在这些频段上用于短距离数据通信；用户聚集，例如无线电控制模型飞机爱好者的聚会，可能会淹没分配的频谱。同样，通常在凌晨 3:30 几乎空无一人的蜂窝频段在上午 10 点的呼叫高峰期或傍晚的回家通勤期间完全拥堵，尤其是在道路交通繁忙的情况下。
在 6 GHz 以上，湿度和降水会贪婪地吸收射频信号；即使在干燥的空气中，吸收峰值也接近 20 和 60 GHz。然而，某些短距离数据链路（通常被归类为“校园”或军事“上山”链路）现在在接近 34 和 70 MHz 的频率下实现了每秒兆位的传输速率。不断提升的计算机功率最近使在这些较高频段运行的无线设备能够在非常小的覆盖区域或“微微蜂窝”内提供每秒千兆位的瞬时带宽。这项技术可能对在高速公路上行驶的车辆之间、行人之间或建筑物内的固定无线系统中的移动用户有所帮助。
斯德哥尔摩皇家理工学院的无线电系统权威专家 Jens Zander 认为，无线电频谱并不短缺，只是缺乏经济实惠的通信基础设施。蜂窝电话塔、与公共交换电话网络的互连和计费系统等等构成了租赁频谱必不可少且昂贵的基石。自 20 世纪 90 年代以来，随着手机从砖头大小的“手提包电话”缩小到摩托罗拉 StarTac，再到今天的多功能翻盖设备，构建和维护专用基础设施是唯一的出路。然而，在 2005 年初，Vanu, Inc. 展示了首个全球移动通信系统 (GSM) SDR 基站，该基站配备了一个射频转换器，使无线电信号可以通过本质上是一台没有键盘或显示器的高性能笔记本电脑进行处理。仅仅在五年前，GSM 编解码器和速率适配单元就需要自己的服务器机架和千瓦级的运行功率。在此期间，半导体技术的进步降低了经济实惠的小型蜂窝站点的基站成本，因此如今它可以是一台笔记本电脑或家用电脑。
空中的变化
因此，在过去十年中，正在进行的微电子和计算机技术革命改变了无线电硬件的基本限制，将蜂窝基础设施系统的成本降低到不到原来的 1%。这些转变对先进无线技术及其市场的影响才刚刚开始显现。
在早些年，模拟电视（使用专用硬件，带宽为 6 MHz）是无线电频谱的最大实际消费者。目前，高清数字电视在相同的 6 MHz 频段内提供了相当于近 100 兆比特每秒的传输速率。一台配备英特尔奔腾处理器的笔记本电脑现在可以使用软件和来自射频转换器单元的模拟电视信号的数字化版本生成图像和声音。该转换器将无线电信号的载波频率从天线处的射频更改为模拟数字转换芯片可以转换为软件可处理格式的某个中间频率。高速模拟数字转换芯片因此可以同时利用数百兆赫的射频频谱。一些这样的芯片由微机电系统 (MEMS) 电路供电——半导体集成了微米级机械设备——例如数字可重新配置的模拟射频电容器。在量产情况下，基于 MEMS 的射频外围卡可以访问 30 到 5,600 MHz 之间任何位置的数十兆赫无线电频谱，价格与当今的手机大致相同。[中断]
基于 MEMS 的射频设备进入市场的速度一直很慢，因为它们的成本高于功能较弱的固定射频芯片组。然而，美国联邦通信委员会 (FCC) 在 2004 年做出了一项具有里程碑意义的裁决，该裁决有利于认知无线电的发展，这为制造商采用射频 MEMS 产品提供了新的激励。该政府机构建议将认知无线电技术用于未使用电视频段的低功耗自组织网络。这项决定在典型的城市市场中为认知无线电释放了超过 100 MHz 的频谱。射频 MEMS 的出现和 FCC 的认可共同推动了未来更大的频谱共享。在无线电频谱的低频段和中频段运行，一个或两个射频 MEMS 模拟信道可以在任何授权用户同意出租、共享或以其他方式交易无线电频谱的频段中创建短距离自组织网络。
因此，射频 MEMS 认知无线电卡可以将手机变成 WLAN，将笔记本电脑变成手机，或者将无绳电话变成微微蜂窝“塔”。从这样的微微蜂窝，配备认知无线电控制系统的家用计算机可以向路人出租通话时间，通过相关的互联网服务提供商为安全的无线语音或数据计费。
重塑无线网络
在传统的手机系统中，有效运行的大部分智能都驻留在网络中。尽管较新的蜂窝技术具有更强的处理能力，但它们实际上并没有比它们的前辈智能多少。客户仍然需要与服务提供商签订合同才能访问网络，然后才能访问公共交换电话网络。相比之下，认知无线电技术将连接到无线网络所需的智能嵌入到无线手机、笔记本电脑或无线管理器中。由于认知控制子系统控制 SDR 功能，因此单元可以在任何发现自己的地方检测射频网络机会。
目前，90% 的新型笔记本电脑都包含 WLAN 功能。家庭和企业 WLAN 以及相关的热点正在成倍增加。认知无线电将具有运营智能，可以快速租用或借用 WLAN 和其他射频频谱几秒钟或几分钟，以换取“频谱现金”，这是一种可验证的承诺，即将来将认知无线电自身的微微蜂窝功能借给另一台认知无线电。从这些无线网络接入点，互联网服务提供商随后会将用户的数据或呼叫传输给世界上任何地方的任何人。由此可见，认知无线电不需要专用蜂窝网络即可通过无线和互联网将用户连接到其他设备。此外，随着认知无线电与无线网络的交互扩展，与蜂窝服务提供商签订长期合同的需求减少了。
空间无线电知识
当典型的消费者使用采用当前商业电子产品的无线网络时，系统会尽最大努力消耗尽可能多的稀缺频谱，同时干扰附近的其他无线电。认知无线电将足够智能，可以将礼仪——明智的交易实践——引入射频频谱操作中。它还将智能地检测并与附近的微微蜂窝互动，以保持认知无线电用户的连接，其方式最符合他或她的需求，这些需求在不同的时间和情况下可能会有所不同。
为了完成这些任务，认知无线电单元需要做几件事。首先，它必须“知道”在其位置辐射的射频功率如何随地面距离、障碍物之间以及空中变化。手机不需要此信息，因为固定网络使用专用的无线电频谱，该频谱已经针对现有的辐射功率模式进行了校准。相反，认知无线电会感知低频段、中频段和高频段的整个本地射频环境，并将其特征映射为空间、时间和频率传播的函数。频谱感知认知无线电的开发将需要设计高质量的传感器设备和实用的算法，用于在合作通信节点之间交换频谱监测数据。具有多输入/多输出功能的系统将沿着复杂的多径分量引导传输——从而考虑到来自建筑物和车辆等物体的信号反射——并远离其他可能产生干扰的无线电。[中断]
一个功能齐全的认知无线电系统将足够智能，能够感知本地射频“场景”，选择其需要的无线电频段、模式和服务，以及与所选频段和模式的 SDR 上传连接。然后，它将将其传输能量导向预期的接收器，同时最大限度地减少对其他无线电（包括认知无线电）的干扰。因此，它将表现出高水平的频谱礼仪，并安全可靠地连接用户。
通过开发存储在千兆字节硬盘上的完整本地城市景观的三维计算机表示，可以提高此类操作的准确性，这些表示将在需要时以无线方式访问。基于这些模型的接收信号强度预测将使认知无线电能够避免大多数干扰。拥有标准化的广播信道，认知无线电可以通过这些信道在不干扰其他无线电的情况下“抱怨”干扰，这将完成无线电礼仪周期。
环境产生的总干扰随时间变化，这使得认知无线电礼仪的理想变得复杂，环境干扰包括自然电噪声（来自闪电）、发电机、电动机、汽车点火系统和无线电发射器产生的干扰。这些射频源的影响随时间变化。例如，在晚上，很少有电梯在运行，因此它们的电动驱动电机产生的噪声很小，但在高峰时段，这种噪声会增加。所有来源辐射的总功率往往在上午 10 点左右的城市中心最大，而在农村地区和夜间活动较少。尽管此类聚合源的统计复杂性使其难以预测，但认知无线电将学习已知用户的重要位置（例如工作场所和家庭）的模式。
智能无线电的未来
在确定每个频段中不同的能量模式后，认知无线电设备将能够使用语义网技术 [参见 Tim Berners-Lee、James Hendler 和 Ora Lassila 的文章“语义网”；大众科学，2001 年 5 月] 与其他人自由交换此信息。这将有助于优化每个单元对未充分利用和可出租频谱的搜索。认知无线电因此可以避免干扰其他用户，但以足够的功率进行传输以克服环境干扰并进行创造性合作。
关于认知无线电技术未来的决策正在形成一场两大商业部门之间的战斗：蜂窝电话和电信行业与“互联网行业”，其中包括微软、英特尔、谷歌、互联网服务提供商和消费计算机公司。尽管根深蒂固的利益集团可能会抵制它，但认知无线电的进步似乎是必然的，因为可以避免不受监管的无线电频段（例如现在处理仪器、科学和医疗设备的频段）的相对混乱和不灵活性。最终，基于认知无线电技术的智能运营商礼仪将把千兆赫的未充分利用频谱转变为许多用户的宽带连接。
如果 FCC 监管机构继续目前的道路，他们将使数百兆赫宽的巨大单用途频谱可供共享使用。长期以来一直宣扬的未来无线电频谱短缺可能会被大量可用频率所取代。与其让手机需要一分钟才能上传压缩的百万像素大小的图像，不如让它能够每秒处理 10 张这样的图像。
正如蜂窝电话技术的出现导致了广泛的社会和商业后果一样，认知无线电的采用也将引发类似的变革，因为先进设备将利用无线网络来取代现在传统的手机。认知无线电的增长需要一段时间才能发生，但对我们所有生活的影响将是重大的。