認(rèn)知無線電及其組網(wǎng)技術(shù)

摘要　文章首先對認(rèn)知無線電技術(shù)進(jìn)行了簡單的介紹，包括其部分關(guān)鍵技術(shù)和工作過程等；然后對其組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了簡單的介紹，包括組網(wǎng)方案和用戶間的通信過程。

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源特別是3GHz以下的頻譜資源變得越來越緊張。由于無線局域網(wǎng)技術(shù)、無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，越來越多的人通過這些技術(shù)以無線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)。而這些技術(shù)大多使用非授權(quán)的頻段工作，進(jìn)而使得這些頻段趨于飽和；但是另外一些授權(quán)頻段（比如廣播電視業(yè)務(wù)頻段）需要電信網(wǎng)絡(luò)給予一定的保護(hù)，以避免對其形成干擾。這樣就導(dǎo)致了這些專用頻段使用效率非常低，而恰恰這些授權(quán)的頻段還占了頻譜資源的一大部分，無形中造成了頻譜資源的巨大浪費(fèi)。圖1是美國伯克利大學(xué)無線電研究中心（BWRC）獲得的0～6GHz頻段內(nèi)的頻譜利用情況[1]，由圖1可知，一些頻帶大部分時(shí)間內(nèi)并沒有用戶使用，另外一些頻帶也只是在部分時(shí)間內(nèi)才被占用，剩余的一小部分頻帶卻被很多不同的用戶來競爭使用。事實(shí)上，頻譜資源的緊張并不是找不到用以通信的頻段，而是因?yàn)轭l譜資源分配不合理造成的。提高頻譜利用率，在各個(gè)地區(qū)內(nèi)充分利用有限的頻譜資源越來越成為通信專家們關(guān)注的焦點(diǎn)。

圖1　市區(qū)6GHz以內(nèi)的頻譜資源使用情況

為了解決頻譜資源“匱乏”的問題，其基本思路就是盡可能的提高頻譜資源的利用率。為此，瑞典皇家技術(shù)學(xué)院Joseph Mitola博士提出了認(rèn)知無線電的概念[2]。從這個(gè)意義上說，認(rèn)知無線電提出的初哀就是為了提高頻譜利用率，使具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”并利用其進(jìn)行通信的能力[3][4]。

1、認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)簡介

從比較完整的意義上講，認(rèn)知無線電系統(tǒng)應(yīng)該具備檢測、分析、學(xué)習(xí)、推理、調(diào)整等功能，而這些功能的實(shí)現(xiàn)需要一系列的技術(shù)來支持，主要包括干擾溫度的界定與測量、動(dòng)態(tài)頻譜分配、傳輸功率控制以及原始用戶檢測等，現(xiàn)一一進(jìn)行簡要介紹。

（1）干擾溫度

干擾溫度是由FCC提出來的，用來表征非授權(quán)用戶在共享頻段內(nèi)對授權(quán)用戶接收機(jī)產(chǎn)生的干擾。系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)保證授權(quán)用戶正常運(yùn)行的干擾溫度門限，該門限由授權(quán)用戶能夠正常工作的最壞信噪比水平?jīng)Q定。非授權(quán)用戶被當(dāng)作為授權(quán)用戶的干擾，一旦包括非授權(quán)用戶信號在內(nèi)的累積干擾超過了干擾溫度門限，授權(quán)用戶系統(tǒng)就無法正常工作；反之，可以保證授權(quán)用戶與非授權(quán)用戶同時(shí)正常工作。

（2）動(dòng)態(tài)頻譜分配

由于CR網(wǎng)絡(luò)中用戶對帶寬的需求、可用信道的數(shù)量和位置都是隨時(shí)變化的，傳統(tǒng)的語音和無線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜分配方法不完全適用。另外，要實(shí)現(xiàn)完全動(dòng)態(tài)頻譜分配受到很多政策、標(biāo)準(zhǔn)及接入?yún)f(xié)議的限制，因此目前基于CR的DSA的研究主要基于頻譜共享池這一策略。頻譜共享池的基本思想是將一部分分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合并成一個(gè)公共的頻譜池，并將整個(gè)頻譜池劃分為若干個(gè)子信道，因此信道是頻譜分配的基本單位[5]。為規(guī)定用戶之間選擇頻譜的協(xié)商機(jī)制，Mitola提出了標(biāo)準(zhǔn)的無線禮儀協(xié)議的初始框架。博弈論，是一種有效的分析實(shí)時(shí)認(rèn)知用戶交互過程的工具。

（3）傳輸功率控制

采用CR技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜共享的前提是必須保證對授權(quán)用戶不造成干擾，而每個(gè)分布式操作的認(rèn)知用戶的功率分配是造成干擾的主要原因，因此需要探索適用于CR技術(shù)的分布式功率控制方法。

（4）原始用戶檢測

在認(rèn)知無線電中，原始用戶的檢測是一個(gè)非常重要的方面。在實(shí)際中，往往會出現(xiàn)這種情況，當(dāng)正在工作的授權(quán)用戶的功率水平很低或是受到屏蔽而無法被認(rèn)知無線電系統(tǒng)及時(shí)有效的檢測到時(shí)，認(rèn)知無線電系統(tǒng)會認(rèn)為授權(quán)用戶正在使用的頻帶為一個(gè)或多個(gè)“頻譜空穴”，從而試圖在該頻段上建立自己的通信，這時(shí)就可能發(fā)生認(rèn)知無線電用戶強(qiáng)行占用已授權(quán)頻譜的問題，而這一問題在認(rèn)知無線電工作過程中是絕對不允許出現(xiàn)的。

2、認(rèn)知無線電中的組網(wǎng)技術(shù)

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)智能多用戶無線通信網(wǎng)，它的基本特征主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）通過CR用戶接收機(jī)對周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測達(dá)到對無線電環(huán)境的掌握；

（2）通過對通信環(huán)境的學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)的調(diào)整無線電收發(fā)機(jī)的射頻前端參數(shù)；

（3）通過多用戶之間以自組織形式的合作使通信過程更加順暢；

（4）通過對資源的合理分配對有競爭關(guān)系的用戶的通信進(jìn)行控制，使每個(gè)通信過程都能順利進(jìn)行。

2.1　認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)

發(fā)射機(jī)如何在動(dòng)態(tài)環(huán)境下精確的定位接收機(jī)是認(rèn)知無線電的一個(gè)主要研究方面，這取決于認(rèn)知無線電的組網(wǎng)方案。一般情況下，認(rèn)知無線電的組網(wǎng)方案有以下幾種[6]：

（1）中心控制結(jié)構(gòu)

其主要特點(diǎn)是發(fā)射信號的控制設(shè)計(jì)相對簡單，但受制于基站的建立，如圖2所示：

圖2　中心控制結(jié)構(gòu)

（2）分布式控制結(jié)構(gòu)

其主要不足是發(fā)射信號的控制設(shè)計(jì)相對困難，而且網(wǎng)絡(luò)組建技術(shù)還不成熟，如圖3所示：

圖3　分布式控制結(jié)構(gòu)

（3）網(wǎng)狀控制結(jié)構(gòu)

其主要特點(diǎn)是本地通信采用Ad-hoc路由，非本地通信利用接入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，如圖4所示：

圖4　網(wǎng)狀控制結(jié)構(gòu)

由于第3種結(jié)構(gòu)在一定程度上綜合了前兩種的優(yōu)點(diǎn)，給用戶之間的通信帶來便利，以下均是基于此種結(jié)構(gòu)來討論。

當(dāng)一個(gè)認(rèn)知無線電用戶進(jìn)入本地通信網(wǎng)后，它應(yīng)該具有下面的五個(gè)基本功能才能保證實(shí)現(xiàn)通信的無縫接入，這主要是：

（1）能夠發(fā)現(xiàn)臨近的用戶；

（2）能夠發(fā)現(xiàn)接入節(jié)點(diǎn)；

（3）能夠不斷的更新臨近用戶的信息；

（4）能夠在本地網(wǎng)中以無線自組網(wǎng)的方式建立與接收節(jié)點(diǎn)的通信路徑；

（5）能夠通過接入節(jié)點(diǎn)建立與其它本地網(wǎng)接收節(jié)點(diǎn)的通信。

圖5是一個(gè)包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)的細(xì)化后的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)示意圖。其中接入節(jié)點(diǎn)的作用是在不同的本地網(wǎng)之間建立通信的路徑，相當(dāng)于圖4中的不同網(wǎng)絡(luò)之間的連接鏈路。其中的節(jié)點(diǎn)15、23、65為新接入的節(jié)點(diǎn)，它們均通過信道A進(jìn)行廣播通信，但信息的傳播距離是有限的；節(jié)點(diǎn)42、60、96為當(dāng)前已經(jīng)存在的節(jié)點(diǎn)，但是它們沒有收到由新加入節(jié)點(diǎn)發(fā)送的“Hello”信息；其余的節(jié)點(diǎn)也是當(dāng)前已經(jīng)存在的，不同的是它們都收到了由新加入的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的“Hello”信息。

圖5　認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

一個(gè)節(jié)點(diǎn)為了能夠發(fā)現(xiàn)其周圍的節(jié)點(diǎn)并能夠在本地網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)之間方便的交換控制信息，每個(gè)本地網(wǎng)中均需要一個(gè)普通的公共控制信道。這同樣有以下兩種可選方案：其一是自適應(yīng)公共控制信道，此時(shí)每個(gè)命令的傳輸均是在與結(jié)點(diǎn)等價(jià)的認(rèn)知信道中進(jìn)行的，這樣做的結(jié)果是系統(tǒng)的復(fù)雜性大大增加；另外也可以采用預(yù)先分配的控制信道，此種信道易于實(shí)現(xiàn)，但是需要從有限的頻譜資源中分配出可觀的部分用于控制信道，這是與認(rèn)知無線電的精神相背離的。

2.2　認(rèn)知無線電用戶之間的通信

當(dāng)一個(gè)認(rèn)知無線電用戶進(jìn)入一個(gè)本地網(wǎng)后，它需要根據(jù)從GPS那里得到的位置信息把自己調(diào)整到信道A上。這時(shí)，此節(jié)點(diǎn)會通過信道A向臨近的用戶發(fā)送“Hello”信息包來表明自身的身份。每個(gè)信息包都應(yīng)該包括該節(jié)點(diǎn)的身份號碼、位置信息、最適宜的頻譜空穴以及一系列單跳的相鄰用戶。此外，通過限制各個(gè)節(jié)點(diǎn)在控制信道A上的廣播信息，可以使更多的節(jié)點(diǎn)能夠通過此信道發(fā)現(xiàn)它們各自的臨近用戶。

如圖6所示，節(jié)點(diǎn)15、23、65都在通過控制信道A廣播自身的信息，不同的是它們所能發(fā)現(xiàn)的各自的臨近節(jié)點(diǎn)互不相同，但都是集中在自己的周圍，即廣播的傳輸范圍是有限的。另外，還可以通過接入節(jié)點(diǎn)與其它的本地網(wǎng)之間進(jìn)行交互。

圖6　臨近用戶的尋找

接入節(jié)點(diǎn)主要用來在不同的本地網(wǎng)之間傳輸信息包，它應(yīng)該知道本地網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)的位置信息，以便于能夠及時(shí)的處理其它網(wǎng)內(nèi)的用戶于本地節(jié)點(diǎn)之間的通信請求。另外，接入節(jié)點(diǎn)可以通過公共信道以一個(gè)較高的功率水平發(fā)出一個(gè)“Hello”廣播包能夠到達(dá)本地網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)；移動(dòng)認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)比接入節(jié)點(diǎn)的功率限制大些。由于接入節(jié)點(diǎn)以一個(gè)較高的功率水平發(fā)送信息，所有的認(rèn)知無線電用戶都應(yīng)該能接收到接入節(jié)點(diǎn)的“Hello”信息包，其中包括接入節(jié)點(diǎn)的與GPS有關(guān)的信息，這樣，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都能夠知道接入節(jié)點(diǎn)的位置信息。利用這一位置信息，每個(gè)認(rèn)知無線電用戶都能知道自身與接入節(jié)點(diǎn)之間的距離，從而適當(dāng)?shù)恼{(diào)整傳輸功率，使接入節(jié)點(diǎn)和認(rèn)知無線電用戶能夠在一個(gè)合適的功率水平上進(jìn)行通信。

圖7　接入節(jié)點(diǎn)廣播圖

圖7中基站節(jié)點(diǎn)以較高的功率水平通過信道B+向本地網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息，因?yàn)閭鬏敼β仕�平較高，所以正常情況下本地節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該能收到此信息。

當(dāng)本地節(jié)點(diǎn)收到來自基站節(jié)點(diǎn)的信息后，它們會根據(jù)自身與基站節(jié)點(diǎn)之間的距離調(diào)整傳輸功率的水平，然后通過信道B-向基站節(jié)點(diǎn)反饋信息，如圖8所示。其中節(jié)點(diǎn)25由于距離基站較近，所以傳輸?shù)墓β仕�平較低；節(jié)點(diǎn)66由于距離基站較遠(yuǎn)，因此傳輸?shù)墓β仕�平較高；而節(jié)點(diǎn)21的距離位于以上兩節(jié)點(diǎn)之間，傳輸?shù)墓β仕�平在二者之間。

圖8　CR節(jié)點(diǎn)反饋圖

一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以定位一個(gè)同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的幾跳以外的節(jié)點(diǎn)。信息包可以通過一個(gè)一個(gè)的節(jié)點(diǎn)順次向下傳遞。這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以得到距離它本身兩跳距離處節(jié)點(diǎn)的信息，如果接收節(jié)點(diǎn)不在源節(jié)點(diǎn)的兩跳范圍內(nèi)，則繼續(xù)搜索三跳內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，依次類推。

3、結(jié)束語

認(rèn)知無線電的核心思想是使設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”并合理利用所發(fā)現(xiàn)的“空穴”的能力，但這是以頻譜管理結(jié)構(gòu)以及授權(quán)用戶開放授權(quán)頻段為基礎(chǔ)的。本文介紹了認(rèn)知無線電的產(chǎn)生及其特點(diǎn)，并在這些特點(diǎn)的基礎(chǔ)上給出了一種認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)模型及其網(wǎng)絡(luò)中用戶之間的通信模型�？梢钥闯�，移動(dòng)Ad hoc技術(shù)在認(rèn)知無線電的組網(wǎng)以及通信過程中起著重要的作用。由于CR技術(shù)有著其自身的巨大優(yōu)勢和顯著特點(diǎn)，近年來得到了迅速的發(fā)展。但是CR技術(shù)還并不成熟，其中一些關(guān)鍵技術(shù)的處理還需要進(jìn)一步的研究。