無線區域網和認知無線電技術（３）

802.22工作組的主要任務是開發和建立一套基于認知無線電(CR)技術，在現有電視頻段利用暫時空閑的頻道進行無線通信的區域網空中接口標準。由于基于802.22協議的無線區域網(WRAN)工作在現有電視頻段中，要求不能對正在廣播的電視頻道產生干擾，所以WRAN采用了認知無線電技術，對電視頻段進行感知和測量，利用動態頻譜管理技術找到空閑頻道進行再分配。認知無線電技術將是未來無線通信的發展方向之一。本講座分3期對無線區域網和認知無線電技術進行介紹，第1講已經介紹無線802.22工作組的主要任務是開發和建立一套基于認知無線電(CR)技術，在現有電視頻段利用暫時空閑的頻道進行無線通信的區域網空中接口標準。由于基于802.22協議的無線區域網(WRAN)工作在現有電視頻段中，要求不能對正在廣播的電視頻道產生干擾，所以WRAN采用了認知無線電技術，對電視頻段進行感知和測量，利用動態頻譜管理技術找到空閑頻道進行再分配。認知無線電技術將是未來無線通信的發展方向之一。本講座分3期對無線區域網和認知無線電技術進行介紹，第1講已經介紹無線區域網絡和IEEE 802.22工作組情況，包括WRAN背景、802.22系統、802.22空中接口等；第2講已經介紹認知無線電技術和實現其的基礎軟件無線電(SDR)技術，包括無線電知識描述語言(RKRL)和認知循環、無線電頻譜禮儀等；本講介紹802.22 WRAN頻譜共存問題和認知無線電技術的應用。

基金項目：教育部重點科技項目(206055)

3 802.22系統共存及認知無線電的應用

IEEE 802.22同其他標準不同的是，其他標準中不同系統共存問題往往是在標準完成后再作討論，而802.22工作組制訂的無線區域網(WRAN)標準，卻是工作在已經有固定用戶的頻段，所以首先就要求空中接口協議和算法把共存作為標準定義的一部分，可見系統共存問題在802.22空中接口中占據非常重要的地位。另一方面，認知無線電作為未來的智能通信方式和技術，將會擴展到各個通信網絡中被廣泛應用，目前無線通信系統中實現的還只是它的基本功能，可以期待認知無線電(CR)技術將更廣泛地被應用到通信系統的各個層面，大大改善通信系統性能。

3.1 802.22系統與其他系統的共存

802.22WRAN所工作的電視廣播頻帶已經被電視廣播、無線麥克風等所使用，導致在同一個頻段存在不同的通信方式和空中接口，因此共存技術在802.22空中接口中占據非常重要的地位，同其他的IEEE無線標準不同，需要在標準概念建立的初始階段就加入共存機制。

3.1.1 天線

802．22最基本的目的是找到一種不僅可以提供潛在業務而且保證現存授權業務不受干擾的技術。為了達到這個目標滿足不同系統共存的需求，802.22中每個用戶駐地設備(CPE)需要兩個獨立的天線：定向天線和全向天線。

定向天線作為工作天線，主要用于用戶駐地設備和基站之間通信。定向天線可以保證能量不向其他不需要的方向發射從而降低干擾。而且這些天線具有提高功率控制效率的能力，從而保證了系統共存的實現。

全向天線基本上用于感知和測量。因此為了實現可靠感知，這種天線一般都安裝在戶外。有了全向天線，用戶駐地設備可以在它所有方向的鄰居節點中尋找授權的原有主用戶的信號，而不只是單個方向尋找，這樣可以盡可能避免系統沖突。

3.1.2 電視和無線麥克風用戶的感知及保護

802.22中，基站和用戶駐地設備均有責任義務保護主用戶(PU)的授權業務。由于單個用戶駐地設備的感知可能不可靠，基站采用周期性分布式感知機制、數據融合和獲取技術來獲得可靠的頻譜占用數據。

(1)感知門限

802.22中，基站和用戶駐地設備利用全向天線在每個方向和極化方向來感知授權用戶的傳輸即主用戶的檢測。如果探測到的授權信號高于預先假定的門限，基站將空出信道。

(2)響應時間

響應時間是指在802.22系統空出信道前，電視廣播和無線麥克風能夠承受的干擾時間。考慮到一般電視和廣播電臺通常通宵工作，所以響應時間稍長些并不是十分重要。如果考慮采用分布式感知機制來完成電視臺的檢測，可以忍受的響應時間是數分鐘到數十分鐘。然而，當電臺不是工作在連續模式(例如夜間關閉時)而處于時開時關的模式時，就需要有更快的感知速度，響應時間就越短越好。

(3)頻譜使用表

802.22標準中要求基站維持一個信道可用性分類的表格。這個功能表中，將信道按可用狀態分類，比如被占用(如正在傳輸PU信號)，可用(可被802.22用戶占用)，禁止使用(不能被802.22使用)。這張表可以被系統操作員更新(例如設定某些信道為禁用)或者由802.22感知機制來控制。

(4)最大功率限制

在802.22系統中，研究基站和用戶駐地設備可能給數字電視接收機帶來的干擾問題很重要，IEEE 802.22工作組為之作了許多的假設，讀者可以參考相關文獻。基于假設可以得出一個結論：802.22基站需要控制用戶駐地設備以保證其傳輸功率不超過表1中最后一列所示的值。因此，用戶駐地設備必須依照圖9中所示的等效全向輻射功率(EIRP)限制，同樣，表2和圖10給出了802.22系統基站發射功率的限制。

(5)帶外發射屏蔽

為了保護數字電視和無線麥克風的正常工作，802.22標準要求EIRP數值達到4 W的基站和用戶駐地設備必須滿足表3中的規定，以降低頻帶外的干擾。

3.2 認知無線電的應用和頻譜共享

認知無線電技術通過多種方式被應用于802.22系統中，包括分布式頻譜感知、測量、探測算法和頻譜管理。認知無線電作為極具潛力的未來的通信方式，早在美國聯邦通信委員會FCC03-322的建議制訂規則通告(NPRM)中就提到了它用于頻譜管理的好處和4個具體應用：鄉村市場和未注冊設備、公共頻譜租借、動態頻譜共享以及通信系統和無線網狀網(Mesh)之間的交互。認知無線電技術在無線通信領域有巨大的發展潛力，比如CR用戶可以與其他用戶協商實現更有效的頻譜共享，可用于不同頻段通信系統之間的交互，作為兩個系統之間的橋梁。同樣認知無線電可推進頻譜資源二級市場的開發使用和鄉村地區的頻譜接入。認知無線電可以在有中心的網絡、分布式網絡、自組網(Ad Hoc)和Mesh架構中展示其應用潛力，滿足授權用戶和未授權用戶的需要。

3.2.1 無線環境的場景分析和干擾抑制

認知無線電系統傳輸信號時，首先要分析無線傳輸場景，由無線發射機產生的激勵是非平穩、空時信號，因為它們的統計特性依賴于時間和空間。對無線場景分析的任務涉及到空時處理，包含如下操作：自適應地對頻譜檢測的各種相關功能，比如干擾溫度的估計和頻譜空穴的檢測；用于干擾抑制的自適應波束形成。

(1)干擾溫度的定義和測量

當前無線環境是以發射機為中心的，距離發射機一定距離的信號功率在設計中要求達到一個噪聲底限以降低可能的干擾，可是，由于新的不可預料的新的干擾源的出現，射頻噪聲底限可能升高，因而引起信號覆蓋范圍衰減。為防止這種可能性，FCC推薦了一種對干擾的評價方法，也就是從單純的接收機對干擾進行測量向發射機和接收機之間自適應實時交互測量的方向轉變，這種變化導致對干擾給出了一個新的度量，叫做干擾溫度(IT)，如圖11所示，其中干擾溫度Ti公式化為Ti =Pi /kB，k為波爾茲曼常數，等于1.38×10-23J/K，B為相應帶寬，Pi為干擾功率(由于內部噪聲源和外部射頻能量累加產生)，用于量化和管理無線環境的干擾源，而且干擾溫度界限提供了特定頻段和特定地理位置射頻環境的最惡劣情形的描述。在干擾溫度界限內，接收機能滿意地工作。給定任一個頻帶，測得通信系統接收處干擾溫度不超過一定界限，等待服務的用戶就能使用它，干擾溫度界限將作為該頻帶的無線電頻率功率的上限。

對于認知無線電，接收機提供可靠的干擾溫度的譜估計非常重要，可以使用多窗方法來估計干擾溫度的功率譜，多窗譜估計聯合奇異值分解為估計射頻環境中噪聲低限的功率譜提供了有效的方法。

(2)頻譜空穴感知

頻譜空穴是指被分配給某初始授權用戶但在特定時間和具體位置該用戶并沒有使用的頻帶。首先，將頻譜區域分成3種類型：

●黑色區域，常被高能量的局部干擾占用。

●灰色區域，有部分時間被低能量干擾占用。

●白色區域，只有環境噪聲而沒有射頻干擾的占用。

一般情況，白色區域和有限度的灰色區域可被等待服務的用戶使用。在認知無線電系統中，頻譜空穴檢測的可靠方案對于系統的設計和實現是極其重要的。目前針對主用戶的(有主用戶意味著頻譜空穴不存在)感知和檢測主要采用兩種方法：基于能量的感知和基于波形的感知。相比之下，基于波形的感知(比如循環平穩譜估計和特征檢測等)性能要比單純的能量感知好。但無論使用哪種方法，檢測過程不得不在某個具體的地點進行，另外檢測應足夠靈敏。

(3)基于自適應天線波束形成技術的干擾抑制

為了優化射頻激勵信號的空間特性，可以采用自適應天線波束形成技術，對認知無線電接收端的干擾進行抑制。這樣做是為了在認知無線電接收機中進行干擾抑制，通過以下兩個階段來完成：

●在認知無線電發射機上采用定向發射天線，避免信號向各個方向傳播，還可以節省功率。

●假定每個認知無線電發射機都有固定的發射方向，則由其他發射機產生的干擾最小化。

在接收機上采用波束成形對來自已知發射機的干擾進行自適應的殘余干擾對消。和其他未知發射機產生的干擾一樣，可以設計使用一個具有魯棒性的通用旁瓣對消器，來保護目標射頻信號并沿著干擾方向置零、空信號。

3.2.2 信道狀態估計及其容量預測

為了解決信道狀態估計問題，傳統上采用如下兩種方法：差分檢測、導頻傳輸。差分檢測法提供了魯棒性和實現的簡單性，但是代價是接收機端幀差錯率(FER)對信噪比(SNR)性能的顯著下降；導頻傳輸提高了接收機的性能，但是使用導頻在發射功率和信道帶寬方面是要付出代價的。基于上述兩種方法的結合，可以使用半盲訓練的方法達到性能和帶寬資源的折衷，它既不同于全盲處理的差分檢測法，也不同于指導處理的訓練序列傳輸法。

信道狀態信息是隨時間變化的，可由狀態空間模型表述。動態噪聲和度量噪聲的特征決定了使用怎樣的狀態空間模型。

高斯噪聲環境下，使用高斯狀態空間模型，可用傳統的卡爾曼濾波器進行信道狀態的跟蹤；非高斯噪聲環境下，使用非高斯狀態空間模型，可用粒子濾波器進行跟蹤。

信道估計的結果可用來計算信道容量，用于控制發送端的信號能量，可使用香農定理對信道容量進行計算。另外在信道容量分析過程中，系統反饋時延的影響和高階馬爾可夫模型的使用也是兩個值得考慮的問題，一定條件下會影響到通信系統的性能。

3.2.3 功率控制

在傳統的圍繞基站建立的無線通信系統中，功率控制通過基站實現，因此可以提供必要的覆蓋范圍和比較理想的接收機性能。對于一個認知無線電系統，也可以采用這種功率控制技術。不過，還是有必要考慮它也可以工作在無中心方式，因而可以拓寬它的應用范圍，這種情形下，應找到某些可選的方式來控制發射功率。多用戶CR系統的功率控制問題可看作是一個對策論的問題，不考慮競爭現象，可看作合作對策，該問題就簡化為一個最優控制理論問題。對策論方法研究的功率控制問題中每個用戶最大化自己的效用，則功率控制問題被歸結為一個非合作對策。博弈論和信息論中的注水法可以用來解決功率控制的問題，迭代的注水法有很多方法可以用來處理多用戶的場景，兩者可相互結合來提高性能。

3.2.4 動態頻譜接入和頻譜共享

動態頻譜管理也稱為動態頻譜分配，如圖12所示。簡單地說，結合功率控制，頻譜管理的主要目的在于發展一個自適應的策略用于有效的利用射頻(RF)頻譜。特別的頻譜管理算法設計如下：通過無線場景分析器建立的頻譜空穴檢測各個發射功率控制器的輸出，選擇合適的調制策略以自適應時變的無線射頻環境，始終確保在信道上保持可靠的通信。通過適當的頻譜分配實現認知無線電系統與授權用戶之間的頻譜共享。

調制技術方面，可以考慮采用正交頻分復用調制(OFDM)技術，靈活而高效，這也是移動通信中B3G/4G網絡將要采用的技術。OFDM使用一組正交的載波頻率集合，信息被分別調制到各個載波上，特別適合頻率選擇性信道或者可變信道的信息傳遞。

通信業務量方面的考慮，如果在一個碼分多址(CDMA)系統中，通信業務量和干擾等級是相關的，在一個認知無線電系統中，基于CDMA則動態頻譜管理算法自然集中在用戶的分配上，首先是分配較低干擾級的白色頻譜空間，其次是有較高干擾級的灰色頻譜空間。當使用其他的多址技術時，例如OFDM，同信道干擾必須避免。為了滿足要求，動態頻譜管理算法必須包括占用黑色空間的主用戶的通信業務量模型。

認知無線電是未來無線通信新時代的希望。特別地，通過頻譜共享過程的動態協調，可以創造重要的“白色空間”，使得系統可以在不斷改變的動態無線環境下實現頻譜利用率的大幅度提高。

4 結束語

802.22工作組正在制訂第一個基于感知無線電技術的全球性的空中接口標準。這個新的將在電視頻段進行操作的標準將采用諸如頻譜感知、授權業務檢測和沖突避免、頻譜管理等技術來實現有效的業務共存以及在現有的授權服務中共享無線資源。本講座中對802.22工作組所做工作的現狀作了一個比較全面而深入的介紹，并得出基于認知無線電的無線通信技術將會有很大發展的結論。總之通過802.22標準的制訂，認知無線電技術將對WRAN及其他網絡的發展產生巨大的推動作用，而WRAN也必將對未來的通信業務和市場帶來深遠的影響。認知無線電技術必將是未來無線通信的一個重要發展方向。

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http://www.IEEE 802.org/22/.

(續完)

收稿日期：2006-03-23

作者簡介

田峰，南京郵電大學信號與信息處理專業在讀博士研究生，研究方向為無線通信與網絡信號處理。

程世倫，南京郵電大學信號與信息處理專業在讀博士研究生，研究方向為無線通信與網絡信號處理。

楊震，南京郵電大學校長、教授、博士生導師，主要研究方向為無線通信與網絡信號處理、語音處理與現代語音通信技術、信息安全技術。