基于認(rèn)知無(wú)線電的高效頻譜利用技術(shù)

1 引言

無(wú)線頻譜是一種珍貴的自然資源，它的分配利用通常是由無(wú)線電法規(guī)部門確定的。目前世界各國(guó)采用的是基于靜態(tài)（固定）頻帶分配的原則與方案。一個(gè)頻段一般僅供一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)獨(dú)立使用，不同的無(wú)線通信系統(tǒng)使用不同的頻段，互不干擾，這種靜態(tài)的無(wú)線頻譜管理方式簡(jiǎn)單而有效地避免了不同無(wú)線通信系統(tǒng)間的相互干擾。然而這也使得當(dāng)前頻譜資源日趨缺乏。2002年11月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）發(fā)布了一項(xiàng)由Spectrum- Policy Task Force提交的旨在有效管理美國(guó)頻譜資源的報(bào)告。該報(bào)告明確指出：“在許多頻帶，頻譜的準(zhǔn)入是一個(gè)比頻譜本身稀缺更加重要的問(wèn)題，很大程度上由于法規(guī)限制了這些頻譜上的潛在用戶獲得準(zhǔn)入。”事實(shí)確實(shí)如此，美國(guó)Shared spectrum公司在2004年1月到2005年8月間，對(duì)美國(guó)30——300000MHZ頻段的頻譜使用情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)該頻段的平均利用率只有 5.2％，其中使用率最高的地區(qū)紐約僅為13.1％，使用率最低的是分配給無(wú)線電天文學(xué)的頻段，利用率僅有1％?？梢姄砣l段的用戶無(wú)法訪問(wèn)其他空閑頻段的靜態(tài)頻譜管理的問(wèn)題，大大限制了頻譜使用率。為此，提高頻譜利用率，便成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題。

2 認(rèn)知無(wú)線電概述

瑞典皇家技術(shù)學(xué)院的J Mitola于1999年在軟件無(wú)線電的基礎(chǔ)上，提出了認(rèn)知無(wú)線電（CR，Cognitive Radio）的概念，希望利用這種新的技術(shù)，靈活有效地動(dòng)態(tài)管理頻譜資源的使用，提高頻率的利用率。CR從定義上講是一種智能無(wú)線通信系統(tǒng)，它能感知周圍環(huán)境，運(yùn)用“理解—構(gòu)建”的方法從周圍環(huán)境中獲取信息，并通過(guò)實(shí)時(shí)改變諸如傳輸功率、載頻、調(diào)制方式等傳輸參數(shù)來(lái)適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境的變化。從原理上講，CR能夠通過(guò)對(duì)它所工作的無(wú)線通信環(huán)境的交互感知而自動(dòng)改變自身的發(fā)送和接入?yún)?shù)，動(dòng)態(tài)地重復(fù)使用可用頻譜。這種交互感知包括被動(dòng)的頻譜感知或者是基于認(rèn)知無(wú)線電本身的只能學(xué)習(xí)推理能力與其他頻譜用戶進(jìn)行主動(dòng)通信和協(xié)商的過(guò)程。通過(guò)優(yōu)化自主調(diào)節(jié)自身的發(fā)射與接收特性以適應(yīng)周圍的無(wú)線環(huán)境，CR的無(wú)線鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層能以最優(yōu)化的方式在有限的信號(hào)空間中有效的傳輸信息，為日益擁擠的無(wú)線通信系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用，共存、兼容和互動(dòng)的展現(xiàn)了美好的前景。

學(xué)術(shù)界和IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織越來(lái)越對(duì)CR技術(shù)感興趣，并將其稱為未來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域的“下一個(gè)大事件”。

3 認(rèn)知無(wú)線電高效利用頻譜的關(guān)鍵技術(shù)

CR 的最終目標(biāo)是通過(guò)頻譜感知，頻譜管理與共享而獲得最佳的可用頻譜。由于多數(shù)頻譜已經(jīng)被分配掉了，因此最大的挑戰(zhàn)就是如何與法定用戶共享頻譜而不對(duì)其產(chǎn)生干擾。CR對(duì)暫時(shí)沒(méi)有被利用的頻譜稱為頻譜孔或空白段，如果這一頻段隨后被法定用戶使用了，那么CR視具體情況，或轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)頻譜孔，或繼續(xù)使用這段頻段。

3。1 頻譜感知

認(rèn)知無(wú)線電能夠靈敏感知周圍環(huán)境的變化，通過(guò)頻譜感知功能發(fā)現(xiàn)頻譜孔，使其與周圍通信環(huán)境相適應(yīng)。由于第一用戶網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有義務(wù)改變它的結(jié)構(gòu)與CR網(wǎng)絡(luò)共享頻譜，因此CR只能獨(dú)立地、可靠地通過(guò)連續(xù)的頻譜感知對(duì)法定用戶進(jìn)行探測(cè)，這是認(rèn)知無(wú)線電的一項(xiàng)核心功能。最有效的探測(cè)方法就是探測(cè)在它通信范圍內(nèi)的，正在接受數(shù)據(jù)的法定用定。在這里，法定用戶也可以被稱為第一用戶，此時(shí)CR用戶就相應(yīng)地被稱為第二用戶。

在進(jìn)行探測(cè)時(shí)，不同類的第一用戶具有不同的感知靈敏度要求，比如電視接收器的靈敏度比GPS接收機(jī)的靈敏度差，電視廣播信號(hào)比GPS信號(hào)容易探測(cè)得到。因此，CR的靈敏度應(yīng)超過(guò)第一用戶接收機(jī)的靈敏度，以避免隱蔽終端問(wèn)題。這是頻譜感知十分具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵原因，既要滿足每一類第一用戶的靈敏度要求并且要有額外的30～40db的余量，需要如此余量的原因在于: CR很難對(duì)第一用戶的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的信道進(jìn)行測(cè)量，只能根據(jù)對(duì)第一用戶的發(fā)射機(jī)的探測(cè)所作出的本地信道情況的測(cè)量而定。

由于無(wú)線電環(huán)境是隨時(shí)變化的，同時(shí)也因?yàn)榈谝挥脩舴N類的不同，傳播損失的不同、干擾等因素，頻譜感知功能的實(shí)現(xiàn)需要CR高度的靈活性。在設(shè)計(jì)方面最主要的挑戰(zhàn)性來(lái)自于如何定義射頻結(jié)構(gòu)，使其在線性、抽樣頻率、準(zhǔn)確性和功率等方面達(dá)成折中平衡。這樣，數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)就可以應(yīng)用到感知功能中去，這也推動(dòng)了信號(hào)處理方面的研究，以降低對(duì)于大寬帶情景下的模擬期間尤其是寬帶放大器，混頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)性要求。

總的來(lái)講，頻譜感知技術(shù)可以歸納為對(duì)發(fā)射機(jī)探測(cè)，合作探測(cè)和基于干擾的探測(cè)，如圖1所示。

圖1 頻譜感知技術(shù)的分類

3。2 頻譜管理

認(rèn)知無(wú)線電通過(guò)頻譜感知功能探測(cè)到的未被使用的頻帶可能分散在包括許可頻帶和非許可頻帶的很廣的頻域上，它們具有不同的諸如中心頻率、帶寬等動(dòng)態(tài)頻譜特征，并且能被使用的時(shí)間也不同。因此，頻譜管理最主要的問(wèn)題是設(shè)計(jì)一個(gè)有效的、高效的利用頻譜的自適應(yīng)策略。比如，假設(shè)存在一組可用頻譜孔，動(dòng)態(tài)頻譜管理在CR不能達(dá)到用戶要求（如滿足不了FER要求）的情況下，能夠選擇一個(gè)更有效的調(diào)制策略或者選擇另外一個(gè)可用的頻譜孔來(lái)提高通信的可靠性，主要包括頻譜分析和頻譜判決兩個(gè)方面。首先通過(guò)頻譜分析，歸納出在CR網(wǎng)絡(luò)中可用頻譜孔在不同時(shí)間段內(nèi)具有的頻譜特征，一旦所有的可用頻譜特性被分析出來(lái)，CR應(yīng)根據(jù)QoS的要求，為當(dāng)前的傳輸選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行頻段。

3。3 頻譜共享

目前普遍認(rèn)為適用于CR的調(diào)制策略是正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）。這是因?yàn)镺FDM的靈活性和計(jì)算上的有效性。很明顯，隨著時(shí)間的變化，可用頻譜孔來(lái)來(lái)去去，OFDM不斷調(diào)整其載頻，如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)頻譜共享過(guò)程

圖 2描述了在四載頻情形下，頻譜共享策略在T1，T2，T3(T1T2T3)時(shí)刻根據(jù)可用頻譜孔的情況分配信道帶寬。頻譜共享的結(jié)果是使 CR在特定地域內(nèi)，在可用頻譜孔隨時(shí)間改變的情況下依然能進(jìn)行。

從圖可看出，頻譜共享的過(guò)程實(shí)際上包含有頻譜移動(dòng)性這一個(gè)概念。CR的目的是使終端設(shè)備能夠動(dòng)態(tài)地使用頻譜，才能使“獲取最好的可用信道”這個(gè)通信概念變得有意義。目前頻譜共享技術(shù)解決方案可以從結(jié)構(gòu)、頻譜分配行為及頻譜接入技術(shù)3個(gè)方面進(jìn)行歸納，如圖3所示。

圖3 頻譜共享技術(shù)的分類

基于結(jié)構(gòu)的頻譜共享技術(shù)可分為集中式頻譜共享和分布式頻譜共享。前者解決方案主要是集中單元控制頻譜分配和接入過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)都把自己探測(cè)感知的頻譜信息匯集到集中控制單元，由它繪制出頻譜分配映射圖。后者解決方案主要應(yīng)用在不能構(gòu)建集中式結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合。相應(yīng)地，在這種情況下，每個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)都參與頻譜分配?；陬l譜分配行為的共享技術(shù)，可以分為合作式頻譜共享和非合作式頻譜共享。合作式頻譜共享解決方案考慮到節(jié)點(diǎn)的行為會(huì)影響到其他的節(jié)點(diǎn)。也就是說(shuō)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知所得都會(huì)與其他節(jié)點(diǎn)分享，而且，頻譜分配算法也會(huì)考慮到這些信息。集中式解決方案可以看作是合作式的，同時(shí)也存在著分布式的合作方案。非合作式頻譜共享與合作式方案不同，非合作式方案僅考慮自己節(jié)點(diǎn)的行為，因而這種方案也被稱作是“自私”的。非合作式方案可能會(huì)導(dǎo)致頻譜利用率的降低，但在實(shí)際應(yīng)用中，它對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的通信要求最低?；诮尤爰夹g(shù)的頻譜共享分為Overlay頻譜共享和Underlay頻譜共享。Overlay頻譜共享具體來(lái)講就是一個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)利用未被使用的一段頻譜接入網(wǎng)絡(luò)，這種情況下對(duì)第一用戶造成的干擾最小。Underlay頻譜共享利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜擴(kuò)展技術(shù)，一旦獲得了頻譜分配射影圖，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)便開始傳輸。在這段頻譜上，第一用戶把認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的傳輸當(dāng)成噪聲來(lái)處理。因而，這種方案需要復(fù)雜的頻譜擴(kuò)展技術(shù)。與Overlay頻譜共享方案相比，Underlay頻譜共享可以利用更寬的寬帶。對(duì)CR網(wǎng)絡(luò)中頻譜接入的理論研究揭示了在設(shè)計(jì)頻譜接入?yún)f(xié)議時(shí)候要考慮的權(quán)衡問(wèn)題。比如，合作式方案的優(yōu)勢(shì)在于它能夠提高頻譜利用率和公平性，然而，如果考慮到諸如用戶之間頻繁的信息交換這些成本開銷的話，它的優(yōu)勢(shì)就不是很明顯了；又比如，Overlay技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)是頻譜孔，Underlay技術(shù)必須要結(jié)合動(dòng)態(tài)擴(kuò)展技術(shù)才能避免對(duì)第一用戶造成干擾，如果考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和性能之間的均衡，混合技術(shù)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，頻譜的分配是固定的。由于通信過(guò)程的突發(fā)性，這些頻譜的利用率很低。另一方面，隨著無(wú)線通信和多媒體的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，無(wú)線頻譜資源日趨緊張，如何提高頻譜利用率成為迫切需要解決的問(wèn)題[6]。CR技術(shù)能在基于通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不同頻率的自動(dòng)傳輸，提高頻譜利用率，還可以用它推出低價(jià)格的4G服務(wù)。