您最喜歡的廣播電臺在特定頻率上發射訊號。當您將接收器設定為每秒若干週期時，您將天線電路調諧到從空中拾取該電臺的頻率。如果其他發射器干擾您的接收，您唯一真正的選擇是等待問題自行解決。但在理想情況下，您的接收器會立即切換到承載您電臺廣播的開放備用頻率。這種解決方案超出了當今的無線電技術水平，也許這個例子讓問題看起來微不足道。但現在想象一下，干擾正在中斷一個緊急的手機呼叫。在這種情況下，將呼叫快速轉移到清晰的蜂窩通道不僅僅是方便——它可能挽救生命。
工程師們現在正致力於將這種靈活的執行智慧引入未來的無線電、手機和其他無線通訊裝置。在未來十年中，認知無線電技術應該使幾乎任何無線系統都能夠定位並連線到本地可用的未使用無線電頻譜，從而最好地服務於消費者。透過採用自適應軟體，這些智慧裝置可以重新配置其通訊功能，以滿足傳輸網路或使用者的需求。
認知無線電技術將根據先前的經驗知道該怎麼做。例如，在早上開車上班的路上，它會測量不同頻段的傳播特性、訊號強度和傳輸質量。認知無線電單元將因此建立一個內部資料庫，定義它在不同地點和特定時間應該如何最佳地執行。相比之下，當前無線系統的頻段和傳輸協議引數大多是固定的。
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當認知無線電傳送和接收訊號時，它們將根據需要靈活地跳入和跳出空閒頻段，避開那些已經被使用的頻段。這種閃電般快速的通道跳躍應該允許認知無線電系統以合理的速度傳輸語音和資料流。透過更有效地利用現有的射頻 (RF) 資源來解決頻譜可用性交通擁堵問題，無線通訊應該變得更加可靠和便捷，並且可能比今天便宜得多。事實上，如果認知無線電技術按照其開發者所希望的那樣發展，那麼射頻頻譜選項的過剩實際上可能會及時出現。無線電波將永遠不再一樣。
空中沒有空間
不幸的是，如今的無線電波都太擁擠了。一些頻段擁擠不堪，以至於長時間等待和干擾成為常態。這些傳輸鏈路的可用性取決於正在使用的無線系統。無線電頻譜——電磁波譜中包含射頻範圍內波段的部分——如今容納了無數的通訊裝置。在美國，聯邦通訊委員會 (FCC) 為使用者分配特定頻率。這些頻率包括眾所周知的 AM、FM、短波和公民頻段以及 VHF 和 UHF 電影片道，以及數百個不太熟悉的頻段，這些頻段服務於蜂窩和無繩電話、GPS 跟蹤器、空中交通管制雷達、安全警報、無線電控制玩具等。
當前無線電頻譜的短缺在很大程度上是由於上個世紀建立的傳統硬體的成本和效能限制造成的。例如，到 20 世紀 50 年代末，真空管電視機的遺留設計迫使新型電晶體型號只能接收 VHF 訊號，直到工程師在幾年後能夠改造這些電視機。這種與硬體相關的不靈活性現在正透過自適應的、基於軟體的無線設計來解決。
這種下一代無線技術，稱為軟體無線電 (SDR)，既使用嵌入式訊號處理演算法來篩選出微弱的無線電訊號，又使用可重新配置的程式碼結構來接收和發射新的無線電協議。專家預計，在相對較短的時期內，這種軟體驅動的進步將在無線電設計領域產生地震式的轉變。[中斷]
這種改變意味著，例如，在標準筆記型電腦（配備小型射頻外圍元件互連卡）上執行的 SDR 程式碼和其他可程式設計射頻前端介面技術可以接收電視訊號並顯示它們。如果筆記型電腦隨後配備了模擬射頻 SDR 卡，它可以上傳軟體程式設計，使其表現得像蜂窩手機或基站、無線個人管理器，甚至軍用頻率無線電——無論手頭的任務需要（和允許）什麼。儘管很少有人知道，但世界剛剛進入 SDR 無線通訊時代。
認知無線電緊隨 SDR 技術之後到來，並在此基礎上構建。這種新的無線正規化涉及 SDR 系統，這些系統可以重新配置其模擬射頻輸出，並融入“自我意識”以及對傳輸協議、禮儀和程式的知識。這些發展將產生一種認知無線電，它能夠感知其射頻環境和位置，然後改變其功率、頻率、調製和其他執行引數，從而動態地重用任何可用的頻譜。
自我意識是指單元學習自身及其與所處無線電網路關係的能力。工程師可以透過裝置及其環境的計算模型來實現這些功能，該模型將其定義為一個獨立的實體（“自我”），作為一個“無線電”執行；該模型還定義了一個系統可以瞭解的“使用者”。
認知無線電將能夠自主感知其射頻環境如何隨位置和時間變化，包括自身和附近其他發射器輻射的功率。這些資料結構和相關軟體將使認知無線電裝置能夠在充分利用周圍網路的同時，避免來自其他無線電的干擾。在不遠的將來，認知無線電技術將最優地共享可用頻譜，而無需來自控制網路的指令，這最終可能會將使用者從使用者合同和費用中解放出來。
當考慮到認知無線電技術的經濟性時，它重新定義現有無線服務的潛力就變得清晰起來。例如，每月的手機服務賬單包含租賃無線電頻譜、租用蜂窩塔和購買手機的費用，以及蜂窩基站點的硬體攤銷、蜂窩站點之間互連的成本、賬單費用和網路運營商利潤。這些費用支付了蜂窩服務提供商為建立和運營專用射頻網路而進行的投資。
當認知無線電最終在市場上得到釋放時，這些成本可能會大幅下降，服務質量可能會大大提高。想想現在銷售的最好的先進技術手機。超過 1 吉赫 (GHz) 的有用但未充分利用的無線電頻譜可供該手機使用。然而，在任何時刻，該裝置最多使用 10 兆赫 (MHz) —— 只有可用頻譜的百分之一 —— 甚至這是從手機電路可以訪問的約 100 MHz 固定頻譜分配中選擇的。
此外，典型的手機包含每秒數億條指令的處理能力，這些能力主要專用於獨特的蜂窩標準。服務提供商出於自身目的（例如修復軟體中的錯誤）上傳這些標準；它們不一定是為了客戶的直接利益。例如：這種能力可以用於安全地上傳第三方軟體，從而允許手機連線到免費的無線區域網 (WLAN)。在 2004 年的一次移動通訊技術會議上，摩托羅拉的一位高階主管表示，基於 WLAN 的電話在技術上已經可行多年，但蜂窩服務提供商不希望有這樣的裝置。這不足為奇：這樣的手機可以在工作日自動切換到企業 WLAN，每天剝奪服務提供商數小時的費用。[中斷]
但認知無線電的精靈已經出瓶。SDR 進入未充分利用的無線電頻譜，以及認知無線電的自主控制軟體（為了消費者的利益而行動），為採用該技術構建了一條商業道路。
免費頻譜充裕
排除高於 6 GHz 的高頻和微波頻段，目前在 28 至 5,600 MHz 之間分配的無線電頻譜中，約有 2.8 GHz 未被充分利用，但認知無線電可以訪問。（該估計值來源於接收器的標稱靈敏度和現有天線的增益水平。）與此同時，蜂窩電話和無線網際網路服務的頻段通常被過度訂閱。從無鑰匙汽車進入遙控器到車庫門開啟器，再到玩具的無線電控制，無數的電子小工具都在這些頻段上用於短距離資料通訊；使用者聚集，例如無線電控制模型飛機愛好者的聚會，可能會淹沒分配的頻譜。同樣，通常在凌晨 3:30 幾乎空無一人的蜂窩頻段在上午 10 點的呼叫高峰期或傍晚的回家通勤期間完全擁堵，尤其是在道路交通繁忙的情況下。
在 6 GHz 以上，溼度和降水會貪婪地吸收射頻訊號；即使在乾燥的空氣中，吸收峰值也接近 20 和 60 GHz。然而，某些短距離資料鏈路（通常被歸類為“校園”或軍事“上山”鏈路）現在在接近 34 和 70 MHz 的頻率下實現了每秒兆位的傳輸速率。不斷提升的計算機功率最近使在這些較高頻段執行的無線裝置能夠在非常小的覆蓋區域或“微微蜂窩”內提供每秒千兆位的瞬時頻寬。這項技術可能對在高速公路上行駛的車輛之間、行人之間或建築物內的固定無線系統中的移動使用者有所幫助。
斯德哥爾摩皇家理工學院的無線電系統權威專家 Jens Zander 認為，無線電頻譜並不短缺，只是缺乏經濟實惠的通訊基礎設施。蜂窩電話塔、與公共交換電話網路的互連和計費系統等等構成了租賃頻譜必不可少且昂貴的基石。自 20 世紀 90 年代以來，隨著手機從磚頭大小的“手提包電話”縮小到摩托羅拉 StarTac，再到今天的多功能翻蓋裝置，構建和維護專用基礎設施是唯一的出路。然而，在 2005 年初，Vanu, Inc. 展示了首個全球移動通訊系統 (GSM) SDR 基站，該基站配備了一個射頻轉換器，使無線電訊號可以透過本質上是一臺沒有鍵盤或顯示器的高效能筆記型電腦進行處理。僅僅在五年前，GSM 編解碼器和速率適配單元就需要自己的伺服器機架和千瓦級的執行功率。在此期間，半導體技術的進步降低了經濟實惠的小型蜂窩站點的基站成本，因此如今它可以是一臺筆記型電腦或家用電腦。
空中的變化
因此，在過去十年中，正在進行的微電子和計算機技術革命改變了無線電硬體的基本限制，將蜂窩基礎設施系統的成本降低到不到原來的 1%。這些轉變對先進無線技術及其市場的影響才剛剛開始顯現。
在早些年，模擬電視（使用專用硬體，頻寬為 6 MHz）是無線電頻譜的最大實際消費者。目前，高畫質數字電視在相同的 6 MHz 頻段內提供了相當於近 100 兆位元每秒的傳輸速率。一臺配備英特爾奔騰處理器的筆記型電腦現在可以使用軟體和來自射頻轉換器單元的模擬電視訊號的數字化版本生成影像和聲音。該轉換器將無線電訊號的載波頻率從天線處的射頻更改為模擬數字轉換晶片可以轉換為軟體可處理格式的某個中間頻率。高速模擬數字轉換晶片因此可以同時利用數百兆赫的射頻頻譜。一些這樣的晶片由微機電系統 (MEMS) 電路供電——半導體集成了微米級機械裝置——例如數字可重新配置的模擬射頻電容器。在量產情況下，基於 MEMS 的射頻外圍卡可以訪問 30 到 5,600 MHz 之間任何位置的數十兆赫無線電頻譜，價格與當今的手機大致相同。[中斷]
基於 MEMS 的射頻裝置進入市場的速度一直很慢，因為它們的成本高於功能較弱的固定射頻晶片組。然而，美國聯邦通訊委員會 (FCC) 在 2004 年做出了一項具有里程碑意義的裁決，該裁決有利於認知無線電的發展，這為製造商採用射頻 MEMS 產品提供了新的激勵。該政府機構建議將認知無線電技術用於未使用電影片段的低功耗自組織網路。這項決定在典型的城市市場中為認知無線電釋放了超過 100 MHz 的頻譜。射頻 MEMS 的出現和 FCC 的認可共同推動了未來更大的頻譜共享。在無線電頻譜的低頻段和中頻段執行，一個或兩個射頻 MEMS 模擬通道可以在任何授權使用者同意出租、共享或以其他方式交易無線電頻譜的頻段中建立短距離自組織網路。
因此，射頻 MEMS 認知無線電卡可以將手機變成 WLAN，將筆記型電腦變成手機，或者將無繩電話變成微微蜂窩“塔”。從這樣的微微蜂窩，配備認知無線電控制系統的家用計算機可以向路人出租通話時間，透過相關的網際網路服務提供商為安全的無線語音或資料計費。
重塑無線網路
在傳統的手機系統中，有效執行的大部分智慧都駐留在網路中。儘管較新的蜂窩技術具有更強的處理能力，但它們實際上並沒有比它們的前輩智慧多少。客戶仍然需要與服務提供商簽訂合同才能訪問網路，然後才能訪問公共交換電話網路。相比之下，認知無線電技術將連線到無線網路所需的智慧嵌入到無線手機、筆記型電腦或無線管理器中。由於認知控制子系統控制 SDR 功能，因此單元可以在任何發現自己的地方檢測射頻網路機會。
目前，90% 的新型筆記型電腦都包含 WLAN 功能。家庭和企業 WLAN 以及相關的熱點正在成倍增加。認知無線電將具有運營智慧，可以快速租用或借用 WLAN 和其他射頻頻譜幾秒鐘或幾分鐘，以換取“頻譜現金”，這是一種可驗證的承諾，即將來將認知無線電自身的微微蜂窩功能借給另一臺認知無線電。從這些無線網路接入點，網際網路服務提供商隨後會將使用者的資料或呼叫傳輸給世界上任何地方的任何人。由此可見，認知無線電不需要專用蜂窩網路即可透過無線和網際網路將使用者連線到其他裝置。此外，隨著認知無線電與無線網路的互動擴充套件，與蜂窩服務提供商簽訂長期合同的需求減少了。
空間無線電知識
當典型的消費者使用採用當前商業電子產品的無線網路時，系統會盡最大努力消耗盡可能多的稀缺頻譜，同時干擾附近的其他無線電。認知無線電將足夠智慧，可以將禮儀——明智的交易實踐——引入射頻頻譜操作中。它還將智慧地檢測並與附近的微微蜂窩互動，以保持認知無線電使用者的連線，其方式最符合他或她的需求，這些需求在不同的時間和情況下可能會有所不同。
為了完成這些任務，認知無線電單元需要做幾件事。首先，它必須“知道”在其位置輻射的射頻功率如何隨地面距離、障礙物之間以及空中變化。手機不需要此資訊，因為固定網路使用專用的無線電頻譜，該頻譜已經針對現有的輻射功率模式進行了校準。相反，認知無線電會感知低頻段、中頻段和高頻段的整個本地射頻環境，並將其特徵對映為空間、時間和頻率傳播的函式。頻譜感知認知無線電的開發將需要設計高質量的感測器裝置和實用的演算法，用於在合作通訊節點之間交換頻譜監測資料。具有多輸入/多輸出功能的系統將沿著複雜的多徑分量引導傳輸——從而考慮到來自建築物和車輛等物體的訊號反射——並遠離其他可能產生干擾的無線電。[中斷]
一個功能齊全的認知無線電系統將足夠智慧，能夠感知本地射頻“場景”，選擇其需要的無線電頻段、模式和服務，以及與所選頻段和模式的 SDR 上傳連線。然後，它將將其傳輸能量導向預期的接收器，同時最大限度地減少對其他無線電（包括認知無線電）的干擾。因此，它將表現出高水平的頻譜禮儀，並安全可靠地連線使用者。
透過開發儲存在千兆位元組硬碟上的完整本地城市景觀的三維計算機表示，可以提高此類操作的準確性，這些表示將在需要時以無線方式訪問。基於這些模型的接收訊號強度預測將使認知無線電能夠避免大多數干擾。擁有標準化的廣播通道，認知無線電可以透過這些通道在不干擾其他無線電的情況下“抱怨”干擾，這將完成無線電禮儀週期。
環境產生的總干擾隨時間變化，這使得認知無線電禮儀的理想變得複雜，環境干擾包括自然電噪聲（來自閃電）、發電機、電動機、汽車點火系統和無線電發射器產生的干擾。這些射頻源的影響隨時間變化。例如，在晚上，很少有電梯在執行，因此它們的電動驅動電機產生的噪聲很小，但在高峰時段，這種噪聲會增加。所有來源輻射的總功率往往在上午 10 點左右的城市中心最大，而在農村地區和夜間活動較少。儘管此類聚合源的統計複雜性使其難以預測，但認知無線電將學習已知使用者的重要位置（例如工作場所和家庭）的模式。
智慧無線電的未來
在確定每個頻段中不同的能量模式後，認知無線電裝置將能夠使用語義網技術 [參見 Tim Berners-Lee、James Hendler 和 Ora Lassila 的文章“語義網”；大眾科學，2001 年 5 月] 與其他人自由交換此資訊。這將有助於最佳化每個單元對未充分利用和可出租頻譜的搜尋。認知無線電因此可以避免干擾其他使用者，但以足夠的功率進行傳輸以克服環境干擾並進行創造性合作。
關於認知無線電技術未來的決策正在形成一場兩大商業部門之間的戰鬥：蜂窩電話和電信行業與“網際網路行業”，其中包括微軟、英特爾、谷歌、網際網路服務提供商和消費計算機公司。儘管根深蒂固的利益集團可能會抵制它，但認知無線電的進步似乎是必然的，因為可以避免不受監管的無線電頻段（例如現在處理儀器、科學和醫療裝置的頻段）的相對混亂和不靈活性。最終，基於認知無線電技術的智慧運營商禮儀將把千兆赫的未充分利用頻譜轉變為許多使用者的寬頻連線。
如果 FCC 監管機構繼續目前的道路，他們將使數百兆赫寬的巨大單用途頻譜可供共享使用。長期以來一直宣揚的未來無線電頻譜短缺可能會被大量可用頻率所取代。與其讓手機需要一分鐘才能上傳壓縮的百萬畫素大小的影像，不如讓它能夠每秒處理 10 張這樣的影像。
正如蜂窩電話技術的出現導致了廣泛的社會和商業後果一樣，認知無線電的採用也將引發類似的變革，因為先進裝置將利用無線網路來取代現在傳統的手機。認知無線電的增長需要一段時間才能發生，但對我們所有生活的影響將是重大的。