无线区域网和认知无线电技术(3)

    作者:田峰 程世伦 杨震  802.22工作组的主要任务是开发和建立一套基于认知无线电(CR)技术，在现有电视频段利用暂时空闲的频道进行无线通信的区域网空中接口标准。由于基于802.22协议的无线区域网(WRAN)工作在现有电视频段中，要求不能对正在广播的电视频道产生干扰，所以WRAN采用了认知无线电技术，对电视频段进行感知和测量，利用动态频谱治理技术找到空闲频道进行再分配。认知无线电技术将是未来无线通信的发展方向之一。本讲座分3期对无线区域网和认知无线电技术进行介绍，第1讲已经介绍无线区域网络和IEEE 802.22工作组情况，包括WRAN背景、802.22系统、802.22空中接口等；第2讲已经介绍认知无线电技术和实现其的基础软件无线电(SDR)技术，包括无线电知识描述语言(RKRL)和认知循环、无线电频谱礼仪等；本讲介绍802.22 WRAN频谱共存问题和认知无线电技术的应用。

    基金项目：教育部重点科技项目(206055)

    3802.22系统共存及认知无线电的应用

    IEEE 802.22同其他标准不同的是，其他标准中不同系统共存问题往往是在标准完成后再作讨论，而802.22工作组制订的无线区域网(WRAN)标准，却是工作在已经有固定用户的频段，所以首先就要求空中接口协议和算法把共存作为标准定义的一部分，可见系统共存问题在802.22空中接口中占据非常重要的地位。另一方面，认知无线电作为未来的智能通信方式和技术，将会扩展到各个通信网络中被广泛应用，目前无线通信系统中实现的还只是它的基本功能，可以期待认知无线电(CR)技术将更广泛地被应用到通信系统的各个层面，大大改善通信系统性能。

    3.1802.22系统与其他系统的共存

    802.22WRAN所工作的电视广播频带已经被电视广播、无线麦克风等所使用，导致在同一个频段存在不同的通信方式和空中接口，因此共存技术在802.22空中接口中占据非常重要的地位，同其他的IEEE无线标准不同，需要在标准概念建立的初始阶段就加入共存机制。

    3.1.1天线

    802．22最基本的目的是找到一种不仅可以提供潜在业务而且保证现存授权业务不受干扰的技术。为了达到这个目标满足不同系统共存的需求，802.22中每个用户驻地设备(CPE)需要两个独立的天线：定向天线和全向天线。

    定向天线作为工作天线，主要用于用户驻地设备和基站之间通信。定向天线可以保证能量不向其他不需要的方向发射从而降低干扰。而且这些天线具有提高功率控制效率的能力，从而保证了系统共存的实现。

    全向天线基本上用于感知和测量。因此为了实现可靠感知，这种天线一般都安装在户外。有了全向天线，用户驻地设备可以在它所有方向的邻居节点中寻找授权的原有主用户的信号，而不只是单个方向寻找，这样可以尽可能避免系统冲突。

    3.1.2电视和无线麦克风用户的感知及保护

    802.22中，基站和用户驻地设备均有责任义务保护主用户(PU)的授权业务。由于单个用户驻地设备的感知可能不可靠，基站采用周期性分布式感知机制、数据融合和获取技术来获得可靠的频谱占用数据。

    (1)感知门限

    802.22中，基站和用户驻地设备利用全向天线在每个方向和极化方向来感知授权用户的传输即主用户的检测。假如探测到的授权信号高于预先假定的门限，基站将空出信道。

    (2)响应时间

    响应时间是指在802.22系统空出信道前，电视广播和无线麦克风能够承受的干扰时间。考虑到一般电视和广播电台通常通宵工作，所以响应时间稍长些并不是十分重要。假如考虑采用分布式感知机制来完成电视台的检测，可以忍受的响应时间是数分钟到数十分钟。然而，当电台不是工作在连续模式(例如夜间关闭时)而处于时开时关的模式时，就需要有更快的感知速度，响应时间就越短越好。

    (3)频谱使用表

    802.22标准中要求基站维持一个信道可用性分类的表格。这个功能表中，将信道按可用状态分类，比如被占用(如正在传输PU信号)，可用(可被802.22用户占用)，禁止使用(不能被802.22使用)。这张表可以被系统操作员更新(例如设定某些信道为禁用)或者由802.22感知机制来控制。

    (4)最大功率限制

    在802.22系统中，研究基站和用户驻地设备可能给数字电视接收机带来的干扰问题很重要，IEEE 802.22工作组为之作了许多的假设，读者可以参考相关文献。基于假设可以得出一个结论：802.22基站需要控制用户驻地设备以保证其传输功率不超过表1中最后一列所示的值。因此，用户驻地设备必须依照图9中所示的等效全向辐射功率(EIRP)限制，同样，表2和图10给出了802.22系统基站发射功率的限制。

    (5)带外发射屏蔽

    为了保护数字电视和无线麦克风的正常工作，802.22标准要求EIRP数值达到4 W的基站和用户驻地设备必须满足表3中的规定，以降低频带外的干扰。

    3.2认知无线电的应用和频谱共享

    认知无线电技术通过多种方式被应用于802.22系统中，包括分布式频谱感知、测量、探测算法和频谱治理。认知无线电作为极具潜力的未来的通信方式，早在美国联邦通信委员会FCC03-322的建议制订规则通告(NPRM)中就提到了它用于频谱治理的好处和4个具体应用：乡村市场和未注册设备、公共频谱租借、动态频谱共享以及通信系统和无线网状网(Mesh)之间的交互。认知无线电技术在无线通信领域有巨大的发展潜力，比如CR用户可以与其他用户协商实现更有效的频谱共享，可用于不同频段通信系统之间的交互，作为两个系统之间的桥梁。同样认知无线电可推进频谱资源二级市场的开发使用和乡村地区的频谱接入。认知无线电可以在有中心的网络、分布式网络、自组网(Ad Hoc)和Mesh架构中展示其应用潜力，满足授权用户和未授权用户的需要。

    3.2.1无线环境的场景分析和干扰抑制

    认知无线电系统传输信号时，首先要分析无线传输场景，由无线发射机产生的激励是非平稳、空时信号，因为它们的统计特性依靠于时间和空间。对无线场景分析的任务涉及到空时处理，包含如下操作：自适应地对频谱检测的各种相关功能，比如干扰温度的估计和频谱空穴的检测；用于干扰抑制的自适应波束形成。

    (1)干扰温度的定义和测量

    当前无线环境是以发射机为中心的，距离发射机一定距离的信号功率在设计中要求达到一个噪声底限以降低可能的干扰，可是，由于新的不可预料的新的干扰源的出现，射频噪声底限可能升高，因而引起信号覆盖范围衰减。为防止这种可能性，FCC推荐了一种对干扰的评价方法，也就是从单纯的接收机对干扰进行测量向发射机和接收机之间自适应实时交互测量的方向转变，这种变化导致对干扰给出了一个新的度量，叫做干扰温度(IT)，如图11所示，其中干扰温度Ti公式化为Ti =Pi /kB，k为波尔兹曼常数，等于1.38×10-23J/K，B为相应带宽，Pi为干扰功率(由于内部噪声源和外部射频能量累加产生)，用于量化和治理无线环境的干扰源，而且干扰温度界限提供了特定频段和特定地理位置射频环境的最恶劣情形的描述。在干扰温度界限内，接收机能满足地工作。给定任一个频带，测得通信系统接收处干扰温度不超过一定界限，等待服务的用户就能使用它，干扰温度界限将作为该频带的无线电频率功率的上限。

    对于认知无线电，接收机提供可靠的干扰温度的谱估计非常重要，可以使用多窗方法来估计干扰温度的功率谱，多窗谱估计联合奇异值分解为估计射频环境中噪声低限的功率谱提供了有效的方法。

    (2)频谱空穴感知

    频谱空穴是指被分配给某初始授权用户但在特定时间和具体位置该用户并没有使用的频带。首先，将频谱区域分成3种类型：

    黑色区域，常被高能量的局部干扰占用。

    灰色区域，有部分时间被低能量干扰占用。

    白色区域，只有环境噪声而没有射频干扰的占用。

    一般情况，白色区域和有限度的灰色区域可被等待服务的用户使用。在认知无线电系统中，频谱空穴检测的可靠方案对于系统的设计和实现是极其重要的。目前针对主用户的(有主用户意味着频谱空穴不存在)感知和检测主要采用两种方法：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(比如循环平稳谱估计和特征检测等)性能要比单纯的能量感知好。但无论使用哪种方法，检测过程不得不在某个具体的地点进行，另外检测应足够灵敏。

    (3)基于自适应天线波束形成技术的干扰抑制

    为了优化射频激励信号的空间特性，可以采用自适应天线波束形成技术，对认知无线电接收端的干扰进行抑制。这样做是为了在认知无线电接收机中进行干扰抑制，通过以下两个阶段来完成：

    在认知无线电发射机上采用定向发射天线，避免信号向各个方向传播，还可以节省功率

    誗假定每个认知无线电发射机都有固定的发射方向，则由其他发射机产生的干扰最小化。

    在接收机上采用波束成形对来自已知发射机的干扰进行自适应的残余干扰对消。和其他未知发射机产生的干扰一样，可以设计使用一个具有鲁棒性的通用旁瓣对消器，来保护目标射频信号并沿着干扰方向置零、空信号。

    3.2.2信道状态估计及其容量猜测

    为了解决信道状态估计问题，传统上采用如下两种方法：差分检测、导频传输。差分检测法提供了鲁棒性和实现的简单性，但是代价是接收机端帧差错率(FER)对信噪比(SNR)性能的显著下降；导频传输提高了接收机的性能，但是使用导频在发射功率和信道带宽方面是要付出代价的。基于上述两种方法的结合，可以使用半盲练习的方法达到性能和带宽资源的折衷，它既不同于全盲处理的差分检测法，也不同于指导处理的练习序列传输法。

    信道状态信息是随时间变化的，可由状态空间模型表述。动态噪声和度量噪声的特征决定了使用怎样的状态空间模型。

    高斯噪声环境下，使用高斯状态空间模型，可用传统的卡尔曼滤波器进行信道状态的跟踪；非高斯噪声环境下，使用非高斯状态空间模型，可用粒子滤波器进行跟踪。

    信道估计的结果可用来计算信道容量，用于控制发送端的信号能量，可使用香农定理对信道容量进行计算。另外在信道容量分析过程中，系统反馈时延的影响和高阶马尔可夫模型的使用也是两个值得考虑的问题，一定条件下会影响到通信系统的性能。

    3.2.3功率控制

    在传统的围绕基站建立的无线通信系统中，功率控制通过基站实现，因此可以提供必要的覆盖范围和比较理想的接收机性能。对于一个认知无线电系统，也可以采用这种功率控制技术。不过，还是有必要考虑它也可以工作在无中心方式，因而可以拓宽它的应用范围，这种情形下，应找到某些可选的方式来控制发射功率。多用户CR系统的功率控制问题可看作是一个对策论的问题，不考虑竞争现象，可看作合作对策，该问题就简化为一个最优控制理论问题。对策论方法研究的功率控制问题中每个用户最大化自己的效用，则功率控制问题被归结为一个非合作对策。博弈论和信息论中的注水法可以用来解决功率控制的问题，迭代的注水法有很多方法可以用来处理多用户的场景，两者可相互结合来提高性能。

    3.2.4动态频谱接入和频谱共享

    动态频谱治理也称为动态频谱分配，如图12所示。简单地说，结合功率控制，频谱治理的主要目的在于发展一个自适应的策略用于有效的利用射频(RF)频谱。非凡的频谱治理算法设计如下：通过无线场景分析器建立的频谱空穴检测各个发射功率控制器的输出，选择合适的调制策略以自适应时变的无线射频环境，始终确保在信道上保持可靠的通信。通过适当的频谱分配实现认知无线电系统与授权用户之间的频谱共享。

    调制技术方面，可以考虑采用正交频分复用调制(OFDM)技术，灵活而高效，这也是移动通信中B3G/4G网络将要采用的技术。OFDM使用一组正交的载波频率集合，信息被分别调制到各个载波上，非凡适合频率选择性信道或者可变信道的信息传递。

    通信业务量方面的考虑，假如在一个码分多址(CDMA)系统中，通信业务量和干扰等级是相关的，在一个认知无线电系统中，基于CDMA则动态频谱治理算法自然集中在用户的分配上，首先是分配较低干扰级的白色频谱空间，其次是有较高干扰级的灰色频谱空间。当使用其他的多址技术时，例如OFDM，同信道干扰必须避免。为了满足要求，动态频谱治理算法必须包括占用黑色空间的主用户的通信业务量模型。

    认知无线电是未来无线通信新时代的希望。非凡地，通过频谱共享过程的动态协调，可以创造重要的“白色空间”，使得系统可以在不断改变的动态无线环境下实现频谱利用率的大幅度提高。

    4.结束语

    802.22工作组正在制订第一个基于感知无线电技术的全球性的空中接口标准。这个新的将在电视频段进行操作的标准将采用诸如频谱感知、授权业务检测和冲突避免、频谱治理等技术来实现有效的业务共存以及在现有的授权服务中共享无线资源。本讲座中对802.22工作组所做工作的现状作了一个比较全面而深入的介绍，并得出基于认知无线电的无线通信技术将会有很大发展的结论。总之通过802.22标准的制订，认知无线电技术将对WRAN及其他网络的发展产生巨大的推动作用，而WRAN也必将对未来的通信业务和市场带来深远的影响。认知无线电技术必将是未来无线通信的一个重要发展方向。

    5.参考文献

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    (续完)

    作者简介：

    田峰，南京邮电大学信号与信息处理专业在读博士研究生，研究方向为无线通信与网络信号处理。程世伦，南京邮电大学信号与信息处理专业在读博士研究生，研究方向为无线通信与网络信号处理。杨震，南京邮电大学校长、教授、博士生导师，主要研究方向为无线通信与网络信号处理、语音处理与现代语音通信技术、信息安全技术。（张翀编辑）