認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)中的機(jī)會(huì)頻譜接入

徐文超

[摘要]認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)是為了解決頻譜資源日益稀缺的問(wèn)題。將現(xiàn)有的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)分成兩大類(lèi)：機(jī)會(huì)頻譜接入法和同頻接入法。主要針對(duì)前者討論其基本步驟，即頻譜空洞檢測(cè)，預(yù)測(cè)建模以及機(jī)會(huì)頻譜管理。

[關(guān)鍵詞]認(rèn)知無(wú)線電機(jī)會(huì)頻譜接入同頻接入頻譜空洞動(dòng)態(tài)跳頻

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)；1671—7597(2009)1010054—01

一、引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，新的無(wú)線通信技術(shù)和系統(tǒng)的需求迅速增長(zhǎng)，無(wú)線通信現(xiàn)有可用頻譜越來(lái)越少，而拓展新的頻譜資源則受到射頻技術(shù)、天線尺寸、電磁傳播特性和經(jīng)濟(jì)等因素的限制，頻譜成為日益稀缺的珍貴資源，從申請(qǐng)頻譜到牌照頒發(fā)的周期太長(zhǎng)，不利于新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣。因而認(rèn)知無(wú)線電(cognitire Radio)的概念應(yīng)運(yùn)而生。

經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展，認(rèn)知無(wú)線電的內(nèi)涵不斷擴(kuò)大。廣義地，根據(jù)次用戶(hù)和主用戶(hù)是否能同時(shí)在相同頻段傳輸數(shù)據(jù)，我們把認(rèn)知無(wú)線電分為兩類(lèi)，分別稱(chēng)為機(jī)會(huì)頻譜接入和同頻接入。

機(jī)會(huì)頻譜接入方法中，次用戶(hù)利用主用戶(hù)的頻譜空洞進(jìn)行通信。機(jī)會(huì)頻譜接入技術(shù)要求次用戶(hù)能夠周期性地掃描頻譜，檢測(cè)可獲得的頻譜空洞，然后次用戶(hù)可以使用這些頻譜空洞進(jìn)行通信。一旦在某個(gè)空閑頻譜上檢測(cè)到主用戶(hù)到來(lái)，次用戶(hù)立刻放棄該段頻譜，以避免對(duì)主用戶(hù)產(chǎn)生干擾。利用這種技術(shù)，次用戶(hù)可以在不干擾主用戶(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)會(huì)通信。而同頻接入方法包括超寬帶(uWB)技術(shù)和重疊(0verlay)技術(shù)。超寬帶(UWB)技術(shù)對(duì)次用戶(hù)的發(fā)射功率進(jìn)行了嚴(yán)格的限制，以控制其對(duì)主用戶(hù)的干擾。重疊方法通過(guò)臟紙編碼(dirty paper coding)技術(shù)允許次用戶(hù)和主用戶(hù)在相同頻帶上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，但是卻要求次用戶(hù)知道主用戶(hù)的邊信息。

二、機(jī)會(huì)頻譜接入

(一)頻譜空洞檢測(cè)

頻譜空洞指的是這樣的頻帶，它被授權(quán)給了特定的主用戶(hù)，但是在特定的時(shí)間和地點(diǎn)，主用戶(hù)并沒(méi)有使用該頻帶。

1，檢測(cè)方法簡(jiǎn)介

(1)能量檢測(cè)：檢測(cè)器根據(jù)某一或某些頻段內(nèi)電磁波能量的大小是否超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值來(lái)判斷。通常的做法是檢測(cè)器對(duì)接收到的信號(hào)采樣，并求其模平方的和，再把結(jié)果與某一閾值進(jìn)行比較判斷是否檢測(cè)到主用戶(hù)信號(hào)。這種檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單，而且不需要主用戶(hù)的合作。但是，能量檢測(cè)精度不高，造成虛警或漏捕概率較高，而且檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。實(shí)際上。針對(duì)不同的主用戶(hù)系統(tǒng)，能量檢測(cè)法會(huì)有差異。例如在中，提出了專(zhuān)門(mén)針對(duì)wiMAX為主用戶(hù)，UWB為次用戶(hù)的能量檢測(cè)方法。

(2)匹配濾波法：這種方法進(jìn)行的是相干檢測(cè)，它需要知道主用戶(hù)的同步信息和其他一些先驗(yàn)信息(例如主用戶(hù)的訓(xùn)練符號(hào)序列)。這種檢測(cè)方法精度高，檢測(cè)時(shí)間較能量檢測(cè)要短。但是它需要預(yù)先知道主用戶(hù)的先驗(yàn)信息，還需要主用戶(hù)的合作(相干檢測(cè)時(shí)次用戶(hù)要與主用戶(hù)同步)，這造成了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度較高。

(3)循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法：該方法利用了主、次用戶(hù)信號(hào)之間的統(tǒng)計(jì)平穩(wěn)特性的差異來(lái)檢測(cè)主用戶(hù)信號(hào)。

(二)頻譜空洞預(yù)測(cè)建模

由于技術(shù)的限制和成本控制的原因，次用戶(hù)檢測(cè)器不可能做到時(shí)刻檢測(cè)其周?chē)h(huán)境的所有頻譜空洞。為了使檢測(cè)更為有效，人們提出分析已有檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特性，對(duì)信道狀態(tài)建模，并利用該統(tǒng)計(jì)模型指導(dǎo)檢測(cè)。具體地說(shuō)，我們可以根據(jù)某一頻段是否被主用戶(hù)占用將該頻段狀態(tài)分成空閑和占用兩個(gè)狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，該頻段呈現(xiàn)兩種狀態(tài)交替變化。對(duì)于一般的加性噪聲信道，我們可以用一階馬爾可夫過(guò)程對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行建模。對(duì)于時(shí)變的多徑信道，由于信道的記憶性較強(qiáng)，必須得用二階及二階以上的馬爾可夫過(guò)程對(duì)信道狀態(tài)建模。

(三)機(jī)會(huì)頻譜管理

一旦檢測(cè)到頻譜空洞，就要決定如何利用那些頻譜空洞。機(jī)會(huì)頻譜通信的主要特點(diǎn)是頻譜空洞隨著時(shí)間不斷變化，這對(duì)調(diào)制的選擇提出了很高的要求·能夠適應(yīng)這種特點(diǎn)的調(diào)制方式大致有兩種。一種是動(dòng)態(tài)跳頻技術(shù)，一種是正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。

動(dòng)態(tài)跳頻技術(shù)首先在IEEE 802.22標(biāo)準(zhǔn)的草案中提出，它的基本原理是：某個(gè)時(shí)隙，次用戶(hù)在一個(gè)工作信道上傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，在其他信道上進(jìn)行頻譜檢測(cè)；下一時(shí)隙，次用戶(hù)放棄之前的工作信道，切換到一個(gè)檢測(cè)到的空閑頻譜上。

但是次用戶(hù)可用的頻譜空洞可能位于很寬的頻譜范圍并且不連續(xù)，所以O(shè)FDM技術(shù)由于其高效和靈活性成為最佳的候選方案。其基本原理是將整個(gè)頻譜分成若干個(gè)正交的子載波，次用戶(hù)根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果，只利用那些沒(méi)有被主用戶(hù)占用的子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸在進(jìn)行OFDM調(diào)制時(shí)，將被主用戶(hù)占用的子載波置零，同時(shí)考慮到頻譜泄漏問(wèn)題，留出必要的保護(hù)子載波，從而避免對(duì)主用戶(hù)產(chǎn)生干擾。OFDM技術(shù)的特點(diǎn)是高效靈活，但是也存在自身固有的問(wèn)題，比如高峰均比問(wèn)題等。此外，次用戶(hù)應(yīng)用OFDM技術(shù)，子載波間隔和符號(hào)間隔必須和頻譜空洞的帶寬和時(shí)域持續(xù)時(shí)間相匹配。