基于認(rèn)知無線電技術(shù)的IEEE 802.22

　　摘要　隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線頻譜資源越來越貧乏。同時，認(rèn)知無線電技術(shù)以其靈活高效的利用頻譜受到廣泛的關(guān)注。文章結(jié)合認(rèn)知無線電技術(shù)的特點，介紹了 IEEE 802.22系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。從無線區(qū)域網(wǎng)實現(xiàn)的頻譜感知技術(shù)、共存技術(shù)、正交頻分多址(OFDMA)、信道管理和多信道綁定等關(guān)鍵技術(shù)入手，理解認(rèn)知無線電技術(shù)的核心思想。

　　0、引言

　　隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)、無線個人域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)和無線城域網(wǎng)絡(luò)(WMAN)技術(shù)迅猛發(fā)展，無線頻譜日益擁擠。而3GHz以下的頻段具有傳輸損耗小、頻率選擇性衰落小、發(fā)射機(jī)設(shè)計功率大等顯著的優(yōu)點，適合于遠(yuǎn)距離、大區(qū)域環(huán)境下的無線信號傳輸。因此無線通信運(yùn)營和技術(shù)的爭奪，已經(jīng)集中在對于無線頻譜資源的爭奪上，尤其是對3GHz以下的無線頻段。

　　認(rèn)知無線電(CR)[1～2]是針對頻譜利用率不高的解決方案。其特點是根據(jù)實時感知環(huán)境，靈活、高效、可靠地利用頻譜資源。這樣認(rèn)知無線電就具備了在已授權(quán)頻段內(nèi)，智能利用“空洞頻譜”而不干擾其它授權(quán)用戶的能力。

　　2003年12月，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在其規(guī)則第15章公布了修正案。法律規(guī)定[2]“只要具備認(rèn)知無線電功能，即使是其用途未獲許可的無線終端，也能使用需要無線許可的現(xiàn)有無線頻帶”，為新的無線資源管理技術(shù)奠定了法律基礎(chǔ)。2004年11月第一個基于認(rèn)知無線電的無線標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.22工作組[3～4]成立，目的在于解決運(yùn)營在廣播電視頻段的感知無線廣域接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。下面涉及到的內(nèi)容主要針對IEEE 802.22/D0.1草案[5]。

　　1、IEEE 802.22概述

　　IEEE 802.22固定無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WRAN)工作于54MHz～862MHz VHF/UHF(擴(kuò)展頻率范圍47MHz～910MHz)頻段中的TV信道，它可自動檢測空閑的頻段資源并加以使用，因此可與電視、無線麥克風(fēng)等已有設(shè)備共存。利用WRAN設(shè)備的這種特征可向低人口密度地區(qū)提供類似于城區(qū)所得到的寬帶服務(wù)。

　　1.1　授權(quán)用戶

　　在IEEE 802.22工作頻段內(nèi)，有兩類授權(quán)用戶：一類是電視服務(wù)，另一類是無線麥克風(fēng)。與感知電視信號傳輸相比，感知無線麥克風(fēng)要困難許多。通常無線麥克風(fēng)傳輸功率在50mW左右，覆蓋區(qū)域在100m左右，占用帶寬小于200KHz。由于無線麥克風(fēng)可能突然地出現(xiàn)和消失，給感知技術(shù)帶來的巨大的挑戰(zhàn)。

　　1.2　拓?fù)?/P>

　　IEEE 802.22系統(tǒng)是固定的一點對多點(PMP)無線空中接口，即基站(BS)管理著整個小區(qū)和相關(guān)的所有用戶終端(CPE)。BS控制小區(qū)內(nèi)媒體接入和下行(DS)傳輸給相應(yīng)的CPE。而CPE通過接入請求，在BS允許的上行(US)傳輸，即任何CPE必須在收到BS的授權(quán)后才能傳輸。由于BS必須兼顧對授權(quán)用戶的保護(hù)，合理的分配感知任務(wù)、合理的實現(xiàn)動態(tài)頻率選擇，都是802.22系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。

　　1.3　覆蓋區(qū)域

　　IEEE 802.22系統(tǒng)和其它的IEEE 802的標(biāo)準(zhǔn)相比，是針對無線區(qū)域網(wǎng)的。BS的覆蓋范圍半徑最大可達(dá)100km，在目前4W的有效全向輻射功率(EIRP)條件下，覆蓋面積的半徑也達(dá)到 33km。這樣802.22系統(tǒng)的覆蓋面積就是當(dāng)今最大的一個系統(tǒng)。雖然得益于800MHz以下電視頻帶的良好傳播特性，但增加的覆蓋范圍給技術(shù)提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　　2、IEEE 802.22關(guān)鍵技術(shù)

　　IEEE 802.22技術(shù)是認(rèn)知無線電技術(shù)在無線區(qū)域內(nèi)的具體應(yīng)用。它的特點是在VHF/UHF頻段內(nèi)，不干擾授權(quán)用戶的情況下，靈活、自適應(yīng)的頻譜的合理配置。具體通過以下關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)。

　　2.1　頻譜感知技術(shù)

　　在IEEE 802.22系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對授權(quán)用戶保護(hù)，提出工作信道內(nèi)和工作信道內(nèi)感知機(jī)制。工作信道內(nèi)感知，BS分配靜默期。在靜默期內(nèi)，BS和CPE都不發(fā)送數(shù)據(jù)，感知小區(qū)內(nèi)授權(quán)用戶信號。工作信道內(nèi)采用兩段式感知(TSS)機(jī)制，在快速感知階段，通常采用單一的感知方法(如能量檢測、導(dǎo)頻信號能量檢測)，迅速感知是否存在授權(quán)用戶。這個過程通常在微秒級，參考IEEE 802.11b中20µs、IEEE 802.11a中9µs。在精細(xì)感知階段，獲知已捕獲的授權(quán)用戶的詳細(xì)信息。這個過程通常在毫秒級，如檢測ATSC信號的同步字段需要24ms。工作信道外感知，CPE利用獨立的感知天線，可以同時感知工作信道外。

　　常用的信號檢測方法有能量檢測法、相關(guān)檢測法、周期圖法、特征值分解檢測法、循環(huán)平穩(wěn)檢測法等。能量檢測法由于收到檢測門限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知階段。相關(guān)檢測法是利用事先插入的導(dǎo)頻或同步序列，與已知的本地序列相關(guān)，這個方法本質(zhì)上還是能量檢測。周期圖法 、特征值分解檢測法、循環(huán)平穩(wěn)檢測法屬于特征檢測。周期圖法是利用傅里葉變換來獲得信號的功率譜密度，實現(xiàn)算法可以利用快速傅里葉變換，便于實現(xiàn)。特征值分解檢測法利用信號和噪聲的不相關(guān)，把接收信號分解為信號和噪聲的估計量。循環(huán)平穩(wěn)檢測法利用調(diào)制信號的相關(guān)函數(shù)的周期性，進(jìn)行感知。特征值分解檢測法、循環(huán)平穩(wěn)檢測法兩種算法計算較復(fù)雜。

　　對應(yīng)于802.22系統(tǒng)的具體應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)提出了兩個關(guān)鍵參數(shù)，對感知技術(shù)進(jìn)行規(guī)范。IEEE802.22系統(tǒng)中規(guī)定信道檢測時間(CDT)和授權(quán)用戶感知門限(IDT)。對應(yīng)VHF/UHF頻段內(nèi)的兩類授權(quán)用戶，信道檢測時間定義為≤2s。對于200KHz無線麥克風(fēng)，授權(quán)用戶感知門限為- 107dBm;而對應(yīng)6MHz的電視服務(wù)，授權(quán)用戶感知門限為-116dBm。

　　信道檢測時間是指在WRAN系統(tǒng)正常工作時，用來檢測在當(dāng)前TV信道內(nèi)是否有感知門限之上的所花費最大時間，在檢測概率大于90%的情況下，這個時間約為500ms～2s。當(dāng)聯(lián)合多個CPE共同感知時，可以縮短感知時間，也可以保證較高的感知正確率。聯(lián)合感知技術(shù)是工程上實現(xiàn)感知技術(shù)參數(shù)的配置算法，合理的配置了小區(qū)內(nèi)的CPE資源。

　　2.2　共存

　　共存在目前IEEE 802.22草案中包括與授權(quán)用戶共存和其它802.22系統(tǒng)的共存。由于目前的IEEE 802.22草案中并沒涉及與其它的認(rèn)知系統(tǒng)如何共存的解決方案，只預(yù)留了system type參數(shù)為IEEE 802.16和IEEE 802.11等認(rèn)知系統(tǒng)共存。下面只討論與授權(quán)用戶和與其它802.22系統(tǒng)的共存。

　　2.2.1　與授權(quán)用戶共存

　　與授權(quán)用戶的共存包括授權(quán)用戶的感知、授權(quán)用戶通告、授權(quán)檢測恢復(fù)一系列機(jī)制。授權(quán)用戶感知最大時間由CDT給出，而最大通告時間和恢復(fù)時間分別由CCTT和CMT限定。

　　授權(quán)用戶感知機(jī)制是工作信道內(nèi)兩段式感知機(jī)制，在每個CDT內(nèi)周期性地分配多個快速感知時間，而精細(xì)感知時間是在每個CDT內(nèi)動態(tài)分配。這種機(jī)制的主要優(yōu)點是允許認(rèn)知無線電系統(tǒng)滿足實時系統(tǒng)的QoS要求，只在必要時候行精細(xì)感知。由于電視授權(quán)用戶不是經(jīng)常的出現(xiàn)或消失，通常情況下只需要行快速感知，這樣可以保證QoS不受影響。

　　授權(quán)用戶通告機(jī)制是解決感知授權(quán)用戶以后及時通知BS的場景。目前IEEE 802.22草案中，有靜默期階段和普通工作階段。當(dāng)BS沒有分配帶寬時，CPE采用競爭方式或CDMA方式接入。即CPE在由BS分配的UCS (Urgent Coexistence Situation)窗中，通過競爭或碼分多址(CDMA)碼接入。也可以輪詢的方式獲得CPE的感知報告。

　　授權(quán)用戶檢測恢復(fù)機(jī)制是，小區(qū)范圍內(nèi)的授權(quán)用戶由BS確認(rèn)后，BS進(jìn)入恢復(fù)運(yùn)行的模式。在這個模式內(nèi)，BS運(yùn)行IDRP(Incumbent Detection Recovery Protocol)。IDRP協(xié)議保證了保護(hù)授權(quán)用戶的同時，盡快恢復(fù)系統(tǒng)正常工作模式，盡可能地減小系統(tǒng)性能惡化。IDRP利用了備用信道，在備用信道上迅速建立通信。由于恢復(fù)時間由CCTT或CMT限定，保證了系統(tǒng)平滑的恢復(fù)過程。

　　2.2.2　與其它IEEE 802.22系統(tǒng)共存

　　目前IEEE 802.22草案中支持兩種WRAN系統(tǒng)間通信方式，一種是CBP(Coexistence Beacon Protocol)，另一種是inter-BS通信。CBP方式支持主動和被動式，而后者只是被動的監(jiān)聽鄰居小區(qū)基站發(fā)送的超幀控制頭(SCH)或CBP 包。

　　CBP信標(biāo)可以通過空口消息傳輸，也可以通過有線傳輸。CBP支持BS在自己分配的自共存(Self-Coexistence)窗內(nèi)，接收或發(fā)送CBP信標(biāo)。CPE在自共存窗內(nèi)競爭接入，發(fā)送自己的CBP包，也可以監(jiān)聽來自BS的SCH信標(biāo)。也就是說在BS分配的共存窗內(nèi)，BS和CPE可以工作在主動模式和被動模式。CPE只在BS分配接收和發(fā)送任務(wù)時，服務(wù)于當(dāng)前小區(qū)。在CPE的被動模式下，CPE可以接收來自相鄰小區(qū)的SCH信標(biāo)。

　　CBP包含大量有用的信息，這些信息不僅可以用于共存，還可以用于小區(qū)建立和保持同步。一旦CPE收集到相鄰合作小區(qū)的CBP，CPE可以總結(jié)信息發(fā)給BS，由BS制定“無干擾”的共存機(jī)制。CBP包可以用于帶寬請求，BS可以根據(jù)CPE的帶寬請求和CBP包提供的信息，避免對其它合作的CPE 的干擾。CBP包攜帶時間戳信息，用于相鄰小區(qū)獲得正確的時間偏移量，達(dá)到系統(tǒng)同步。

　　而inter-BS通信允許BS和CPE感知和接收相鄰小區(qū)的SCH和CBP包。這種方式只是被動監(jiān)聽，得到的信息有限。

　　系統(tǒng)共存還包括頻譜資源共享技術(shù)。目前在草案中提供了按需頻譜競爭機(jī)制(ODSC)、動態(tài)租賃機(jī)制、頻譜禮儀機(jī)制和基于租 賃的信用幣(credit token)機(jī)制，其中頻譜禮儀機(jī)制是基于準(zhǔn)則的租賃機(jī)制。除了ODSC機(jī)制是基于競爭的，其它機(jī)制都是基于租賃機(jī)制的。這里存在一個調(diào)度算法復(fù)雜度和頻譜利用率的折中?；诟偁帣C(jī)制的頻譜共享機(jī)制調(diào)度復(fù)雜度低，但基于租賃機(jī)制的頻譜共享機(jī)制可以實現(xiàn)較高的頻譜利用率。

　　2.3　正交頻分多址(OFDMA)

　　IEEE 802.22不是第一個采用OFDMA技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。但由于OFDMA技術(shù)可以方便地實現(xiàn)子載波分配，將物理上不連續(xù)的頻率資源整合，為認(rèn)知無線電高效利用頻譜空洞提供了可能。IEEE 802.22草案上行和下行均采用OFDMA調(diào)制?？紤]到傳播時延在25µs～50µs的數(shù)量級內(nèi)，循環(huán)前綴大概需要40µs才能滿足OFDMA同步要求。為減小循環(huán)前綴對系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)采用每個TV信道內(nèi)2K FFT的OFDMA。

　　子載波分配技術(shù)和功率控制技術(shù)結(jié)合可以提高系統(tǒng)的吞吐量。在經(jīng)典的“注水”算法的基礎(chǔ)上，有一系列的衍生算法。根據(jù)空閑信道的分布，在已知信道占用情況、衰落等參數(shù)情況下，動態(tài)分配所使用的子載波位置和個數(shù)。

　　OFDMA調(diào)制

　　技術(shù)和編碼技術(shù)結(jié)合的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)，可根據(jù)信道的實際情況動態(tài)地調(diào)整帶寬，調(diào)制編碼方式等。OFDMA技術(shù)可以分配合適的子載波滿足不同CPE的不同服務(wù)質(zhì)量需求。與系統(tǒng)提供的QPSK、16-QAM、64-QAM等調(diào)制技術(shù)以及1/2、3/4、2/3卷積碼結(jié)合，可以實現(xiàn)從每個子載波幾Kbps到整個TV信道19Mbps的速率，為CPE提供靈活的服務(wù)。

　　2.4　信道管理

　　IEEE 802.22系統(tǒng)把信道分為工作信道集合、候選信道集合、占用信道集合、不允許使用的信道集合和空信道集合。對于多信道支持的情況，工作信道又分為工作信道1和工作信道2。對于每個CPE自身工作信道為工作信道1，其它的當(dāng)前BS的工作信道為工作信道2。占用信道集合是被授權(quán)用戶占用的信道。根據(jù)感知結(jié)果，實現(xiàn)各信道的切換。

　　由于認(rèn)知系統(tǒng)工作在授權(quán)用戶頻段，一旦工作信道內(nèi)出現(xiàn)授權(quán)用戶，系統(tǒng)迅速退出授權(quán)用戶信道，實現(xiàn)對授權(quán)用戶的保護(hù)。這時工作信道轉(zhuǎn)化為占用信道。同理，如果授權(quán)用戶釋放了占用的信道，則這個信道可以轉(zhuǎn)化為候選信道集合作為認(rèn)知系統(tǒng)的候選信道，或者轉(zhuǎn)化為其它信道集合類型。信道管理為更好地保護(hù)授權(quán)用戶，為用戶提供更靈活的服務(wù)和QoS保證提供了可能。

　　2.5　多信道綁定

　　IEEE 802.22系統(tǒng)還有一個特點就是支持多信道綁定，即支持動態(tài)地利用多個空閑的TV信道。相應(yīng)地為了保持子載波之間距離不變，對應(yīng)兩個綁定的TV信道，采用4K的OFDMA;對應(yīng)于三個綁定的TV信道，采用6K的OFDMA。

　　多信道綁定技術(shù)可以使用頻譜上連續(xù)的或非連續(xù)的多個TV信道(系統(tǒng)現(xiàn)在限定最多支持三個TV信道)。多信道綁定提供了更高的容量，更大的頻譜范圍和更好的抗干擾特性。多信道中利用CPE的工作信道1和工作信道2實現(xiàn)分布式感知，也為得到全面、高效的授權(quán)用戶感知報告提供了可能。

　　3、結(jié)束語

　　認(rèn)知無線電的思想就是利用具有認(rèn)知能力的設(shè)備，發(fā)現(xiàn)空閑頻譜并合理地利用空閑頻譜。而IEEE 802.22系統(tǒng)是第一個基于認(rèn)知無線電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，WRAN系統(tǒng)針對具體的應(yīng)用場景給出了在不干擾授權(quán)用戶的前提下，為用戶提供高質(zhì)量和可靠的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。IEEE 802.22草案的制定目前也給系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了很多可選方案，但認(rèn)知技術(shù)的成熟還有很遠(yuǎn)的道路。仍然可以肯定的是，隨著認(rèn)知技術(shù)在WRAN系統(tǒng)以及Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、UWB等系統(tǒng)的中的應(yīng)用，無線通信系統(tǒng)可以提供更高的頻譜利用率，更靈活的服務(wù)。

　　參考文獻(xiàn)

　　1　JosephMitola Ⅲ，GeraldQ.Maguire，JR.Cognitive Radio.Making Software Radios More Personal.RoyalInstytute ofTechnology[A].IEEE Pcrsonal Communications Auguat 1999，volume6 p13～18.

　　2　J.Mitola.Cognitve Radio：An Integrated agent architecture for software defined radio[D].PhD Dissertation，Royal Inst.Technol.(KTH)，Stockholm，Sweden，2000.

　　3　C.Corderio，K.Challapali，D.Birru，et al.IEEE 802.22：The first Worldwide Wireless Standard based on Cognitive Radios[A ].in DySPAN，Nov.，2005，p328～337.

　　4　IEEE 802.22Working Group on Wireless Regional Area Networks. http：//www.ieee802.org/22.

　　5　IEEE P802.22/D0.1 Draft Standard for Wireless Regional Area Networks Part 22：Cognitive Wireless RAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications：Policies and procedures for operation in the TV Bands.