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。”

硬件之外的问题
尽管底层的SDR技术还有漫长的道路要走，但Margulies相信许多技术难题正在得到解决。在SDR论坛近期会议上透露的进展支持了Margulies的信念。例如，Discera等新创公司发明的前端滤波   技术可以同BitWave半导体公司最近发布的软收发器配合使用，从而满足业界迫切需要的RF前端灵活性。

Nolan：OFDM是CR系统的基础技术选择之一。
与此同时，Pentek公司、Spectrum Signal Processing公司和Mercury Computer公司介绍了FPGA、DSP和结构化ASIC开发工具和编程环境方面的进展，它们可以加速波形开发并以不断降低的功率和成本实现基带的快速重新配置。此外，软件通信架构（SCA）3.0有望提供所需的安全性、应用编程接口和代码密度，从而有可能使交叉平台波形移植成为现实。
        

“SCA是操作系统——无线电领域的Windows，它定义了接口、连接和即插即用功能，”Margulies说，“它是一个可以用Corba或Java实现的功能规范。” 据Harris公司RF通信软件和安全产品工程部的总监Mark Turner介绍，SCA 3.0目前处于“战略性暂停”的状态。但是SDR论坛的一位发言人表示，他们一直在计划向SCA相关的标准及其扩展提供某种形式的支持，有关的兼容性测试具有极其重要的价值。

同时，Margulies说，除了SCA外还有许多事情要做，如开发设计流程和工具以简化SDR的系统开发过程。他列举了PrismTech、Synplicity和Object Interface Systems公司，认为它们正在朝正确的方向前进。
    

业界的努力
随着认知无线电的硬件基础问题逐渐得到解决，学术界和工业界在FCC对认知无线电采取行动后将出现不和谐的声音。无线电开发曾经只要考虑对单个明确划分的频段进行线性优化，但研究人员现在必须考虑在更宽且连续的频谱范围内进行水平开发。对许多人来说，尤其是合法的频谱许可用户，这是一个让人不舒服的转变。不过，对其他人来说，它是一个全新的机会。
          

全球的大学已经开始研究CR的理论、实现方式和实际应用。大部分CR研究项目在美国进行，最著名的是加州大学伯克利无线研究中心、Virginia Tech公司和Georgia Tech公司。在美国之外，德国的Karlsruhe大学和RWTH Aachen大学、爱尔兰都柏林的圣三一学院也已经发起了认知无线电的研究。
   

在工业界，SDR论坛于2005年1月设立了认知无线电工作小组（CRWG）和认知应用特殊兴趣小组。“CRWG是我们在SDR工作的自然延伸，是开发智能无线电的下一个阶段，”Margulies说。该工作小组将致力于认知无线电的开发，特殊兴趣小组则专注于应用。
        

在IEEE内部，802.18无线电管制技术咨询小组已经分出去一个针对无线区域网的802.22工作小组。其具体目标就是为一个基于CR的物理层和媒体存取控制层（PHY/MAC）无线接口起草一个标准，允许免授权的设备利用这种空中接口访问分配给电视广播服务的频谱，当然是在不干扰电视广播的基础上这么做。“该技术最突出的优点是在传输距离和功率方面的传播特征，”Cadence设计系统公司的无线设计师John Notor指出。Notor本人是CR开发的一位早期参与者。据该IEEE工作小组负责人Carl Stevenson表示：“目标是实现等同于无线DSL或有线电缆的某种东西，但不是54Mbps的802.11a。”
         

该PHY/MAC覆盖的频谱范围从54到860MHz，所允许的最低下载和上传速率分别为1.5Mbps 和384Kbps，这是Stevenson预测在40公里覆盖半径之内的数据。“该MAC将能处理高达100公里的来回程延迟，而且如果采用更高级的调制方案，如64或256QAM，附近的CPE（客户端设备）将可以达到更高的速率。”
          

Stevenson透露，该小组在一个相对窄的频率范围内采用一种“分割和占用”的方法。更重要的是，合法频谱用户可以很容易检测到，从而避免干扰。
不过，Stevenson清醒地意识到广播商目前对潜在干扰问题的担忧，但他表示来自美国国家广播联合会、Fox和CBS的代表也一直出席该工作小组的各次会议。“他们相信将会出现频谱复用的技术，他们参与进来的目的就是确保我们做的正确。”他说。
       

 该工作小组将在2006年初对各种提议进行评估，而一个基础性提案将在3月份准备好。有待解决的许多问题包括电视信号检测和干扰避免，可供选择的方法包括采用谱分析、信标灯和GPS。尽管FCC由于担心干扰的影响，在推动TV频段复用方面动作不力，但Cadence公司的Notor认为这些担心是小题大做，他坚信用现有技术就可实现频带的复用。
      

 IEEE工作小组的努力也许能得到爱尔兰通信价值链研究中心（CTVR）的帮助。CTVR的工作由圣三一学院的研究人员所主导，目前把正交频分复用（OFDM）技术作为一种频谱细分CR系统的基础，它相信这将有助于信号探测和干扰避免。
“为了正确地估计哪些频谱正在使用，你需要良好的测量技术，以及控制已发射波形频谱的手段，”圣三一学院的教授Keith Nolan说，“这就是我们为什么选择OFDM的原因。”

他表示OFDM可以根据意愿进行修改，以避免对频谱合法用户的干扰 CTVR在都柏林地区建立了一个测试网，频段在1.6到2.5GHz之间。它将通过一个Web接口向世界各地的其他CR试验研究人员开放这个测试网。