John
Donovan
編譯：柳林緯
無線通訊技術因為有著各式各樣的應用而變得百花齊放，然而，其所造成的影響之一卻是：面對不同的通訊運用，就需要有專屬的通訊裝置，如此不僅造成資源的浪費，也無形增加了使用者的困擾和負擔。因此，為了要讓各種無線通訊技術能在單一設備上兼容並蓄，「感知無線電技術」（CR：cognitive
radio，或譯為「無線電認知」）、以及「軟體無線電技術」（SDR：software-defined
radio），便成為業界積極投入的焦點。本文就以此為題，深入探討這些技術的基本概念與相關議題。
先不講任何技術，請暫時想像一下，你是個穿梭世界各地經商的「空中飛人」。某次，你要前往的地方，是你未曾去過的城市。抵達機場之後，打開行動電話，畫面顯示所在的地方是南美阿根廷的「布宜諾斯艾利斯」（Buenos
Aires），並且自動把系統模式，從原本在上一個城市使用的CDMA，切換成當地主流的GSM模式，立刻搜尋到適合的通訊頻帶，且登入至該網路系統中，順利完成所有漫遊切換的「後台工作」。
而在你走到機場的某個咖啡雅座時，手機偵測到附近有免費的無線上網Wi-Fi訊號，並且「自作主張」地把你目前所有的通訊方式都轉到該網路中。休息片刻之後，當你前往機場的租車櫃台，手機立刻顯示出當初預定的租車訊息，並開始更新其中的GPS（Global
Position
System，全球衛星定位系統）地圖資料。而就在你順利完成一天的會議與活動，想找間不錯的義大利餐廳飽食一頓，系統會馬上告訴你其所推薦且離你最近的餐廳所在，並且協助你向該餐廳訂位。
有點異想天開，卻又指日可待
怎麼樣？這樣的「情境」很誇張吧？雖然，目前這樣的情境好像有點「異想天開」，但事實上，卻「指日可待」。要做到這樣的環境，確實需要許多技術與服務的充分整合才行，但以技術的觀點來看，這就是本文所要介紹的「感知無線電技術」（CR：cognitive
radio，或譯為「無線電認知」）、以及「軟體無線電技術」（SDR：software-defined
radio）的神聖使命之一。
圖一：「軟體無線電技術」（SDR）之硬體架構方塊圖，其中，GPP為泛用型處理器（general purpose
processor）。（製圖：柳林緯）
既然這樣，或許有人會問：那麼，什麼是「感知無線電技術」？根據美國國防軍事設備商通用動力公司旗下的General
Dynamics C4 Systems公司（網址：http://www.gdc4s.com/）通訊網路事業部的首席科學家Bruce
Fette博士指出，所謂的感知無線電技術（CR），說穿了就是把軟體無線電技術（SDR）給更加功能化而已。也就是說，如果沒有弄清楚什麼是SDR的話，那就很難搞得懂CR了。簡單來講，其中的精神──「感知」（cognitive）能力，是透過軟體來「定義」（defined）的，而這樣的軟體，就是SDR。
圖二：SDR「軟體通訊架構」（SCA：software
communications
architecture）的示意圖。（製圖：柳林緯）
同時，國際電機電子工程學會（IEEE）則是把感知無線電技術視為：在不打斷訊號傳輸的前提下，偵測目前所使用的特定無線電頻帶區塊（particular
segment of the radio
spectrum），且透過快速跳頻（jump）的方式轉移到另一個頻帶，而依此精神所研發出的智慧型接收器或發射器技術即屬之。這樣的定義，再加上剛剛稍帶禪意的說法，相信可以讓人對感知無線電技術有點輪廓了。
關於CR與SDR的定義
另外，這個領域的研究先驅之一，且被業界譽為「SDR之父」（father
of SDR）的MITRE公司（譯註：網址http://www.mitre.org/）科學顧問Joe Mitola博士（譯註：全名為Joseph Mitola
III，瑞典皇家科學院KTH博士，其個人簡介與聯絡方式請見：http://web.it.kth.se/~jmitola/）的看法則是，所謂CR，就是把一些實質上的運算智慧（substantial
computational intelligence）機制，特別是關於機器的學習（learning）、辨識（vision）、以及自然語言處理（natural
language processing）整合在一起，而形成的SDR。具體而言，CR嵌入了射頻導向的智慧機制（RF-domain intelligent
agent），以做為使用者的無線訊號與資訊存取代理器（information access
proxy），並在使用的過程中協助處理無線電方面各種鉅細靡遺的技術決策，以大幅增進無線電頻譜的使用效率。因此，從Joe
Mitola的定義來看，CR就是具有感知能力的SDR。也就是說，假以時日，一旦這樣的技術落實到你我身邊，就可以「聰明伶俐」地達成真正的「智慧型無線電」（smart
radios）了。
感知無線電技術，會自動察覺使用者所身處的位置、環境、以及頻譜使用狀態，甚至是其使用習性與偏好。在不依賴事先寫好的程式下，CR可以自行回應外在環境與使用需求的變化，而順勢更動其通訊頻率、收發功率、傳輸模式、以及調變特性等技術項目。而為了達成以發揮最大頻譜效率為目標的CR，同時讓使用者享受到毫無中斷且可以信賴的通訊過程，整個技術就需要做到即時的頻譜調適（adapting）。
舉例來看，假使某個使用者的行動電話手機，裏面具有GPS（全球定位系統）的功能，當他開車前往拜訪客戶的路上，正好經過了紐約的霍蘭隧道（譯註：Holland
Tunnel，位於紐約哈得遜河底的雙管隧道，連接紐約市和紐澤西州的澤西市。一九二七年完工，以設計該隧道的工程師霍蘭Clifford M.
Holland為名，網址：http://www.nycroads.com/crossings/holland/）。手機會根據過去的經驗，知道訊號在進入隧道後會斷線，所以，就會自動切換到其他的頻帶，且操作模式也會跟著轉換，直到快出了隧道，才會換回原本的模式。
而當他到了紐約市中心的曼哈頓地區時，手機偵測到附近有Wi-Fi無線上網的訊號後，就會把原本的行動電話訊號切換到Wi-Fi網路中。而對於Bluetooth（藍牙）的連線方面，一旦手機偵測到之後，就會與電腦中的行事曆、通訊錄互相同步更新，並提醒彼此間的差異，以便使用者決定該用哪一個名單取代既有的名單。到了午餐的時候，行動電話手機還會以其內建的語音辨識（speech
recognition）功能詢問使用者想吃哪種料理，例如：回答了「中國菜」，系統就會找出離使用者最近的（或經過推薦的）中國餐館。同時，也會依據需要，幫使用者預約訂位。
其實要做真的不難
聽起來滿神奇的吧？想想看，剛剛所提到的每一種技術，在時下的可攜式行動裝置中早已處處可見。許多高階手機，普遍都內建了Wi-Fi、Bluetooth、GPS，或甚至其他更新的技術。上述的某些情境，不過只是把GPS透過手機所進行的「行動定位服務」（LBS：location-based
services，又譯為「適地性服務」、「方位型服務」）給更加人性化罷了。雖然要做到整句或較長的辨識還值得業界努力，但簡短的語音辨識，如今也不是什麼問題了。而這一切的一切，身為業界一份子的你我，所該努力的就是，創造出一套聰明伶俐的智慧型軟體把上述功能整合在一起，並且擬定一些嶄新且複雜的硬體平台，就能夠做到了。
根據Mitola的看法，要達成「感知無線電技術的察覺與調適」（AACR：awareness
and adaptation toward cognitive
radio），其實是得整合其他傳統上不屬於無線電領域之「非無線電」（nonradio）的其他技術元素，包括：電腦視覺、方位導航、語音辨識及合成（synthesis）、以及語意網頁（semantic
web）等。
因此，Milola認為，就其個別的發展進程而言，首先當然是要讓系統可以察覺（aware）出其所處的外在環境，然後自行調適（adapt）並改變（change）其通訊的方式，最後再看看預期的改變（anticipate
change）能否在環境中正常運作（act），並藉由使用者的偏好與需求，不斷地學習和反應。
基本上，SDR負責察覺外在環境，也就是說，至少要能監測所身處之環境的：訊號強度、訊號雜音比（SNR：signal-to-noise
ratio）、位元傳輸失誤率（bit-error rate）、鄰近頻道干擾（adjacent channel
interference）、以及像是各種可能的訊號反射及折射路徑（possibly multipath
reflections）等。這些工作一般都可以用程式化的方式，以固定的手法來處理，並藉此解決諸如：改變功率大小、傳輸速率，或是智慧型天線（smart
antenna）的發射方向等問題。
常見的第三代行動電話（3G：3rd
Generation）手機，就已經具備了這種可調適（adaptive）的能力，其模態（mode）可依據通訊的需要，從高數據傳輸速率，或是高傳輸服務品質（QoS：quality
of service），切換到低速率狀態，或甚至在訊號微弱時，還能保持在連線狀態（stay
connected）。當然，SDR比起這些絕對是複雜了許多，而且還需要「軟體定義」（software-defined）的帶凹或梳型濾波器（notch or
comb
filter），來解決鄰近頻道的干擾問題。
察覺與調適
要進一步了解前面所提到的發展進程，在此舉個例子，假使你的手機裏有GPS的功能，但是這個功能沒有和手機裏的其他次系統整合在一起；那麼，這就只能讓你知道閣下目前身在何處，但是，手機本身不並知道你在哪裏。然而，若是手機可以清楚察覺你所在的位置（location
aware），系統就可以根據你先前的設定或偏好，在特定的地點，自動切換訊號頻道和傳輸模式，這麼一來，你的手機就具備「無線電區位調適」（RF-location
adaptive）功能了。
爾後，你的手機就可以依據所在的區位（正通過霍蘭隧道的入口），移動的速度（快速移動，代表你在車上），目前的時段（早上七點，上班途中）等項目，來主動幫你切換訊號頻帶、傳輸模式、功率大小、以及其他相關的通訊技術，以期讓你一路上都能享受到毫無中斷的通訊便利。說到這裏，相信對於還搞不清楚感知無線電技術的讀者，就應該可以輕鬆了解其定義與概念了。
剛剛所舉開車上班的例子，即所謂「理想的感知無線電技術」（iCR：ideal
cognitive
radio）世界，以Mitola的說法來看，這就是在周遭環境裏，找出最適當的可用無線傳輸管道，以便讓各種有用的資訊能更輕易地取得。
進入到注重QoI的境界
所以，比起SDR，iCR超越了以「訊號傳輸」為核心的思維，改以「資訊取得」為圭臬做號召。同時，用技術的觀點來說，就是從強調「傳輸服務品質」（QoS：Quality
of Service），進入到注重
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