嚴(yán)天峰，孫文灝，伍忠東，綻 琨，廉 敬，鄭 禮，湯春陽，安宇鵬

(1. 蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 甘肅省無線電監(jiān)測(cè)及定位行業(yè)技術(shù)中心，蘭州 730070； 3. 甘肅省高精度北斗定位技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；4. 蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730000)

軟件無線電(software radio,SR)是Joseph Mitola III博士在1992年5月美國(guó)電信會(huì)議上[1]提出的一種“用戶可重構(gòu)的”無線電系統(tǒng).它不但是一種新的無線電工程設(shè)計(jì)方法，還是一種新的思想體系.軟件無線電的思想和設(shè)計(jì)方法推動(dòng)現(xiàn)代通信的發(fā)展，已在移動(dòng)通信、雷達(dá)、電子偵查、無線電頻譜監(jiān)測(cè)等諸多無線電工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它奠定了現(xiàn)代無線數(shù)字通信的理論基礎(chǔ)，是無線通信中的超外差理論自二次世界大戰(zhàn)廣泛發(fā)展和應(yīng)用之后的又一次飛躍.

Joseph Mitola III最早提出的SR是一種理想化無線電系統(tǒng)，SR接收機(jī)在天線之后的數(shù)字化架構(gòu)受限于半導(dǎo)體器件的發(fā)展，只在某些頻段得到實(shí)際應(yīng)用(如1.5～30 MHz短波頻段).SDR軟件定義無線電接收機(jī)(software defined radio,SDR)的射頻前端仍然借鑒傳統(tǒng)的超外差理論，其數(shù)字化往往在射頻到中頻(radio frequency to intermediate frequency,RF-IF)處理之后.

目前，以SDR為基礎(chǔ)的無線電系統(tǒng)向高度復(fù)雜化衍進(jìn)，新型的超寬帶多路數(shù)字化無線電收發(fā)信機(jī)具備動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的功能，可以依照用戶需求，實(shí)現(xiàn)軟件的在線加載和硬件資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度.同時(shí)，認(rèn)知無線電(cognitive radio,CR)[2-4]的提出使得傳統(tǒng)的無線電具備和外界交互的能力，雖然CR具備學(xué)習(xí)的能力，但本質(zhì)上它仍然是軟件無線電SDR基礎(chǔ)之上的衍進(jìn).

SDR靈活的可重構(gòu)性和模塊化特點(diǎn)，使其被廣泛地應(yīng)用于通信的各個(gè)領(lǐng)域，如WiFi[5]、全球移動(dòng)通信(global system for mobile communications,GSM)移動(dòng)基站[6]、衛(wèi)星通信[7]、無線電監(jiān)測(cè)和定位估計(jì)[8-9]、長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution,LTE)通信系統(tǒng)[10]、無線電傳播測(cè)量?jī)x器[11]、多入多出(multiple-input multiple-output,MIMO)系統(tǒng)[12-14]等，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)5G的物理層基礎(chǔ)依然基于軟件無線電理論.

SDR系統(tǒng)的性能除了依賴RF-IF、模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital conversion,ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換(digital to analog conversion,DAC)、數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing,DSP)等器件的指標(biāo)外，很大程度上取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號(hào)處理的模型和算法，包括解調(diào)/調(diào)制、數(shù)字上下變頻、信道編/解碼、均衡、智能天線中的MIMO等，這些用戶可重構(gòu)的模型和算法決定了一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)劣.

SDR系統(tǒng)信號(hào)處理的模型和算法亦由人的思維方式?jīng)Q定.受制于人自身感知和認(rèn)知的局限性，這些模型和算法并非最優(yōu).同時(shí)，SDR系統(tǒng)是由多個(gè)功能模塊組成，構(gòu)成這些功能模塊的內(nèi)核依然是算法，比如:一個(gè)典型的SDR接收機(jī)各個(gè)模塊包括數(shù)字下變頻、均衡、信道解碼、解調(diào)等，這些算法雖然能在局部保證功能模塊的性能最優(yōu)，但組合后未必能夠保證系統(tǒng)最優(yōu).此外，為提高系統(tǒng)的總體性能和指標(biāo)，SDR系統(tǒng)往往采用并行的多模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致系統(tǒng)擴(kuò)展功能時(shí)，必須增加額外的軟硬件功能模塊，這使得SDR系統(tǒng)的定制成本較高.

SDR面臨的問題本質(zhì)上還是傳統(tǒng)無線通信的分散的體系結(jié)構(gòu)和思維方式?jīng)Q定的.為解決SDR面臨的問題，提出了智能無線電或者智能定義的無線電系統(tǒng).IR/IDR系統(tǒng)的核心思想是在保留傳統(tǒng)SDR系統(tǒng)射頻單元功能模塊的同時(shí)，利用可端-端訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)數(shù)字域的全部功能.

IR/IDR系統(tǒng)通過“學(xué)習(xí)”的方式，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化.這樣一方面可以盡可能減小系統(tǒng)受人的影響，另一方面，系統(tǒng)更容易達(dá)到整體最優(yōu).當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行功能擴(kuò)展時(shí)，僅需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行額外的訓(xùn)練，而不必增加額外的軟硬件模塊，功能擴(kuò)展的邊際成本更低.

1 傳統(tǒng)的軟件定義的無線電SDR

一個(gè)SDR軟件無線電收-發(fā)通信系統(tǒng)如圖1所示，其包含無線信號(hào)的發(fā)射與接收兩個(gè)過程.下面以一個(gè)SDR的接收過程為例簡(jiǎn)要介紹SDR系統(tǒng).

射頻前端是無線電信號(hào)接收和發(fā)射的必要物理基礎(chǔ).現(xiàn)階段通常的思路是對(duì)頻段的分段處理，以利于后續(xù)模擬到數(shù)字(analog to digital,A/D)變換和數(shù)字信號(hào)處理.一般而言，對(duì)于9 kHz～30 MHz短波HF以下的頻段，限于最高頻率的上界，可以直接采用低通采樣，以使得ADC盡量靠近天線，即理想的“軟件無線電”SR的方式.

對(duì)于30 MHz以上的頻段，受制于ADC的性能以及為提高接收機(jī)的總體性能指標(biāo)，射頻前端仍采用典型的超外差式變頻方案，通過RF-IF的變換將頻譜變頻到中頻(典型的如70 MHz中頻)，后續(xù)的AD采樣可以采用低通或者帶通采樣的方式，這樣可以最大限度降低A/D和DSP的性能要求.

模-數(shù)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字下變頻模塊(digital down conversion，DDC)用以完成信號(hào)的多速率處理，同時(shí)降低后續(xù)DSP的運(yùn)算要求.A/D之后采樣數(shù)據(jù)實(shí)際上包含有用戶感興趣的多個(gè)窄帶信號(hào)DDC和DSP處理過的各類軟件(算法或模型)，實(shí)質(zhì)上是SDR接收機(jī)用戶可重構(gòu)的核心.它通過軟件的方式來完成接收機(jī)的2個(gè)基本功能:通信和信號(hào)監(jiān)測(cè).通信包括解調(diào)、信號(hào)解碼均衡和信源解碼，完成信號(hào)接收的全過程，典型的如通信電臺(tái)；監(jiān)測(cè)則主要包括域的轉(zhuǎn)換，如FFT等.本質(zhì)上是一個(gè)無線電頻譜儀的基本功能.

DDC可以分成兩類，一類是寬帶DDC，它可以容載多路I/Q(in-phase and quadrature,I/Q)信號(hào)；一類是窄帶DDC，它的目的是完成一個(gè)信號(hào)的接收功能.任何一路的I/Q信號(hào)都可以根據(jù)用戶的需求通過FFT完成信號(hào)監(jiān)測(cè)或者通過解調(diào)輸出給用戶.對(duì)于數(shù)字調(diào)制的信號(hào)還需通過信道解碼和信源解碼，這樣就完成了SDR軟件無線電接收機(jī)兩個(gè)最基本的功能——信息的通信和監(jiān)測(cè).

2 IR/IDR系統(tǒng)

在SDR之上的IR/IDR系統(tǒng)如圖2所示.其采用系統(tǒng)DNN替代SDR數(shù)字域的功能，如信源編解碼、數(shù)字上下變頻、調(diào)制解調(diào)等.系統(tǒng)DNN由多個(gè)子DNN構(gòu)成，各子DNN分別對(duì)應(yīng)于數(shù)字域中各個(gè)模塊的功能.利用子DNN組成的系統(tǒng)DNN進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)到系統(tǒng)的整體優(yōu)化，從而獲得更高的系統(tǒng)有效性和穩(wěn)定性，這即是“智能定義的無線電”的核心思想.

引入高集成度的系統(tǒng)DNN，不僅可以獲得系統(tǒng)層最優(yōu)，還可以大幅度降低無線電通信系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度.也就是說，傳統(tǒng)SDR通信系統(tǒng)A/D之后的大量FPGA和DSP器件，在IR/IDR系統(tǒng)通信系統(tǒng)中會(huì)被一個(gè)DNN芯片所取代，其成本與功耗，與SDR系統(tǒng)相比，會(huì)有明顯優(yōu)勢(shì).

更為重要的是，DNN的可訓(xùn)練性可以使通信系統(tǒng)針對(duì)不同的通信信道進(jìn)行專門的訓(xùn)練.這使得IR/IDR系統(tǒng)可在不同的通信信道中都能夠取得較好的有效性與可靠性，這在通信信道相對(duì)固定的信道中更為簡(jiǎn)捷和有效.

同時(shí)，DNN的可訓(xùn)練性，還為系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的可擴(kuò)展能力.只要提供有效的大規(guī)模訓(xùn)練樣本，IR/IDR系統(tǒng)可靈活地完成更多建立在無線電通信基礎(chǔ)之上的其它工作.

2.1 理想的IR/IDR無線通信系統(tǒng)

一個(gè)理想的基于IR/IDR的無線通信系統(tǒng)如圖3所示.系統(tǒng)采用DNN替代了傳統(tǒng)無線電信號(hào)收-發(fā)系統(tǒng)中的信號(hào)預(yù)處理(包括信源編解碼、信道編解碼、調(diào)制與解調(diào)、交織與均衡、波束合成)、DDC以及數(shù)字上變頻(digital up conversion，DUC)的全過程.

理想的基于IR/IDR的無線通信系統(tǒng)可以通過DNN全過程的訓(xùn)練而達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)，在穩(wěn)定的加性高斯白噪聲信道中容易達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)，但受制于實(shí)現(xiàn)成本和DNN的訓(xùn)練難度，在變參信道或者多徑復(fù)雜的信道如瑞利信道下可能需要有大規(guī)模的訓(xùn)練才能有較好的性能.圖4給出一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)IDR系統(tǒng)方案.與理想系統(tǒng)相比，該方案中的數(shù)字上變頻與部分?jǐn)?shù)字下變頻功能依舊采用傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn).該方案在保持理想IR/IDR優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，可有效降低實(shí)現(xiàn)成本和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練難度.

2.2 IR/IDR無線通信系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化

IR/IDR無線通信系統(tǒng)可以有兩種工作模式.一種為現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容模式，即無線電信號(hào)收發(fā)兩端中，有一個(gè)為傳統(tǒng)通信系統(tǒng)，另一種為聯(lián)合優(yōu)化模式，即無線電信號(hào)收發(fā)雙端均為IR/IDR系統(tǒng).

兼容模式下，IR/IDR系統(tǒng)可利用發(fā)射或接受固定訓(xùn)練信號(hào)的方式，與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)配合工作.實(shí)驗(yàn)證明，在此情形下的無線通信系統(tǒng)的整體性能會(huì)有明顯提升.

聯(lián)合優(yōu)化模式下，IR/IDR系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為一個(gè)帶有內(nèi)部噪聲的特殊DNN.當(dāng)信道固定時(shí)，系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲的變化規(guī)律也隨之確定.利用已知的輸入與輸出信號(hào)數(shù)據(jù)與噪聲描述機(jī)制，聯(lián)合優(yōu)化的IR/IDR系統(tǒng)獲得的有效性和穩(wěn)定性提升較兼容形式下的IR/IDR系統(tǒng)更加顯著.

2.3 IR/IDR的信道優(yōu)化

Y=HX+N,

(1)

其中:H與N分別為廣義信道系統(tǒng)的乘性噪聲和加性噪聲.由式(1)可得

(2)

(3)

由于DNN是H-1N的一個(gè)近似，所以只要用該DNN對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，即可有效降低模擬域信道對(duì)系統(tǒng)的影響.

此外，如果將模擬域的ADC、DAC和射頻前端等都視為信道的一部分，則聯(lián)合優(yōu)化模式的IR/IDR系統(tǒng)可抽象為一個(gè)中間帶有強(qiáng)干擾(固定映射)的大型DNN，如圖5所示.只要對(duì)這個(gè)大型DNN進(jìn)行充分地訓(xùn)練，該DNN有可能會(huì)依據(jù)其工作信道的實(shí)際狀態(tài)，學(xué)習(xí)出適用于該信道的特有信源編解碼方式、信道編解碼方式等，與通用方法相比，該方法有可能更加逼近香農(nóng)極限.

3 IR/IDR系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 基于IR/IDR的模擬調(diào)制信號(hào)通信

圖6為一種基于IR/IDR的FM調(diào)頻接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案.基于DNN的信號(hào)解調(diào)模塊采用經(jīng)典的“編解碼”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重建發(fā)射信號(hào).該結(jié)構(gòu)一方面可對(duì)輸入的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪[15].另一方面，可利用編碼網(wǎng)絡(luò)的多級(jí)下采樣形式，實(shí)現(xiàn)原多速率處理模塊缺失的多重采樣過程.

與傳統(tǒng)SDR接收機(jī)相比，本文提出的接收機(jī)的抗噪性能有了顯著的提升,對(duì)比結(jié)果如表1所列.表1中的數(shù)據(jù)為接收機(jī)重建信號(hào)與發(fā)射原信號(hào)的均方誤差，該值越小，說明接收機(jī)的可靠性越好.

表1 兩種接收機(jī)的可靠性對(duì)比Tab.1 Reliability comparisons of two receivers

3.2 基于IR/IDR的數(shù)字調(diào)制信號(hào)通信

圖7為一種基于IR/IDR的正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)信號(hào)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方案.該接收機(jī)由數(shù)字前端與解調(diào)模塊組成.與FM解調(diào)模塊相比，OFDM解調(diào)模塊更加復(fù)雜.考慮到DNN的實(shí)現(xiàn)和訓(xùn)練成本，該模塊保留了傳統(tǒng)OFDM信號(hào)解調(diào)必需的信號(hào)預(yù)處理(用于去除循環(huán)前/后綴)和定時(shí)同步模塊.OFDM解調(diào)過程的其它功能(如FFT變換、信道估計(jì)、信道均衡、解碼等)均通過功能子網(wǎng)絡(luò)的形式整合進(jìn)一個(gè)DNN模塊.

DNN模塊中的各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)均采用卷積網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn).解映射、解交織、解碼等功能采用與FM解調(diào)模塊相同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn).

事實(shí)上，定時(shí)與同步、信號(hào)預(yù)處理兩個(gè)模塊的功能也可由DNN完成.但這樣做會(huì)較大幅度地提升DNN設(shè)計(jì)的難度與訓(xùn)練難度.考慮各方成本因素，故DDC采用傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn).

3.3 基于IR/IDR的無線電頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)

圖8為一個(gè)基于IR/IDR的無線電頻譜監(jiān)測(cè)機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案.該監(jiān)測(cè)機(jī)由數(shù)字前端與多種DNN功能模塊組成.

智能監(jiān)測(cè)機(jī)的DNN模塊由多個(gè)不同的DNN功能模塊組成.其中，F(xiàn)FT模塊用于將輸入的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻譜數(shù)據(jù).調(diào)制模式識(shí)別模塊用于自動(dòng)識(shí)別接收信號(hào)的調(diào)制方式，如正交相移鍵控(quadrature phase shift keying,QPSK)等.識(shí)別模塊具有自動(dòng)選通的能力，可依據(jù)識(shí)別結(jié)果，將輸入的I/Q信號(hào)直接輸出到后端不同的解調(diào)模塊.

為了在大帶寬條件下提高系統(tǒng)的量化增益與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，監(jiān)測(cè)接收機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換位數(shù)要求較高.所以模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)據(jù)的速率較高，需要保留一個(gè)完整多速率處理模塊來降低數(shù)據(jù)速率.

3.4 基于IR/IDR的無線通信網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)中的無線電收發(fā)機(jī)均為IR/IDR設(shè)備時(shí)，其構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也可采用DNN管理，并通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)級(jí)的整體優(yōu)化.圖9展示了由IR/IDR管理的無線電通信網(wǎng)絡(luò)接收部分.同樣的，信號(hào)的發(fā)射部分也可采用類似的方案進(jìn)行管理.典型的如無線電頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可以采用這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn).

4 結(jié)論

IR/IDR系統(tǒng)中的“智能定義”，意為采用不同的子DNN來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的子模塊功能，并對(duì)子DNN構(gòu)建的系統(tǒng)DNN進(jìn)行整體訓(xùn)練，以獲得完整的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化.

從目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，這種系統(tǒng)級(jí)的完整優(yōu)化具有很大潛力.比如在聯(lián)合優(yōu)化模式下，IR/IDR系統(tǒng)可以使得信道的編解碼方案達(dá)到現(xiàn)有最佳水平，并有進(jìn)一步逼近香農(nóng)極限的可能性.另外，基于IR/IDR的設(shè)計(jì)方法也可在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)以及復(fù)雜無線信道下的微弱信號(hào)識(shí)別中得到廣泛應(yīng)用.

由于DNN易于融合的特性，在通信網(wǎng)絡(luò)管理層，也可采用一個(gè)DNN與各種IR/IDR設(shè)備中內(nèi)嵌的DNN融合，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)層面的管理優(yōu)化，有助于通信網(wǎng)絡(luò)有效與穩(wěn)定的提升IR/IDR的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化特點(diǎn)，使其具有廣泛而光明的未來前景.它真正意義上實(shí)現(xiàn)了將“通信問題演變?yōu)橛?jì)算和數(shù)據(jù)問題”，并可以用通用計(jì)算機(jī)來解決復(fù)雜的通信問題，為無線通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了更多的可能性.

IR/IDR的新的理論和應(yīng)用模式，將人工智能與通信技術(shù)深入交叉和融合，為未來通信技術(shù)(如6G)必將帶來顛覆性的進(jìn)步和飛速發(fā)展.

本文感謝相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的各位老師和同學(xué)自2016年末開始在IR/IDR系統(tǒng)3年多探索工作過程中為IR/IDR理論、IDR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)、基于IDR的無線電指紋識(shí)別、低信噪比的可靠性通信以及相關(guān)IDR專用芯片等諸多全新領(lǐng)域開創(chuàng)性的工作共同付出的辛勤勞動(dòng)和汗水.