认知无线电技术的研究和进展

VIDEOENGINEERINGNo.10Vol.312007(SumNo.307) 文章编号:1002-8692(2007)10-0007-03 认知无线电技术的研究和进展 潘建国 (上海大学 通信与信息工程学院,上海 200072) 【摘 要】简述了认知无线电的基本原理、相关理论研究和应用,并结合国内外当前的发展状况对该技术的发展趋势进行了介绍 和分析。 【关键词】认知无线电;802.22系统;UWB技术;WLAN技术 【中图分类号】TN919.1 【文献标识码】B ResearchandProgressinCognitiveRadioTechnology PANJian-guo (SchoolofCommunicationandInformationEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China) 【Abstract】Inthispaper,thebasicprincipleofCR(cognitiveradio),theresearchandapplicationofrelatedtheoryareintroduced. Andthenthedevelopmentaltendencyofthistechnologyisintroducedandanalyzedaccordingtothestatusoftheresearch. 【Keywords】cognitiveradio;802.22;UWB;WLAN ·技术论坛· 1 引言 近几年,美国联邦通信委员会(FCC)通过大量调研 发现,已分配的频谱资源存在不同程度的闲置,表面上造 成短缺现象的原因是静态的频谱分配方式,如果各无线 系统能自动感知所处的频谱环境,动态利用空闲频谱进 行通信,将大大提高频谱利用率,这促使了CR概念的提 出。1999年软件无线电之父JosephMitola博士首次提出 的CR概念[1],经多机构和学者给出不同的 CR定义。其 中比较有代表性的为FCC的定义,FCC认为:任意无线 电只要具有自适应频谱感知的功能就可称为认知无线 电。针对频谱利用率低的现状,FCC提出采用CR技术实 现开放频谱系统,对于合法的授权用户具有高优先权的 接入频谱,而具有CR功能的非授权用户,可在对授权用 户不造成干扰的情况下也有机会利用该段频谱。 2 认知无线电基本工作原理 在CR技术中,通常称频段的授权用户为主用户,而 CR用户为从用户。从用户可在避免对工作频段内其他 用户干扰的前提下,实现有效通信。因此CR设备需要具 备以下能力[2]: 1)频谱感知能力:CR设备要实时探测当前工作区 域内的无线环境,获得所探测频段内的频谱使用状况。 2)频谱管理能力:根据探测结果,对频谱资源进行 分析和 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 ,确定时间和空间上可用频谱资源,并根据一 定的规则对频谱资源进行共享和分配。 3)动态重构能力:根据当前的无线环境,动态选择 最优的无线传输参数。可重构的参数包括:工作频率、调 制方式、发射功率和通信协议等。 3 认知无线电技术的进展 3.1 CR技术的相关频谱政策 CR技术从本质上撼动了一直以来的静态频谱分配 策略,所以其实现需要频谱管理政策的支持。2002年12 月,FCC规定非授权设备应具备能识别未占用频段的能 力;2003年11月,FCC提出新的量化和管理干扰的指标 值,即干扰温度的概念,以扩展在移动和卫星频段的非授 权操作;同年12月 FCC成立了 CR工作组,明确表示支 持CR技术并修正了美国的 《电波法》;2004年5月FCC 建议非授权无线电可在TV广播频段内操作。这一系列 政策的支持给认知无线电技术的研究提供了发展条件。 3.2 CR技术 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化工作进展 一些国际标准化组织开始已制定相关标准。其中 IEEE802.22组织已将CR技术确立为WRAN的核心技 术[3],目标是将分配给电视广播的VHF/UHF频带的空闲 频道有效利用起来作为宽带访问线路,目前正在研究 CR技术的物理层和MAC层标准的制定,预计 2007年 底推出标准草案;同时WiMAX由于缺乏频段,专门成立 了解决共存问题的IEEE802.16h工作组,利用CR技术 作为其关键技术,使得 IEEE802.16系列标准可在免许 可频段获得应用。 3.3 CR技术的相关理论研究和应用 目前,CR技术主要还处于理论研究阶段,具有代表 性的是由美国国防高级研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 署(DARPA)资助的下 一代无线通信XG(NeXtGeneration)项目,主要研究系统 Developmentforum 7 2007年第31卷第10期(总第307期)电视技术 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和关键技术,以实现基于CR技术的动态频谱应用; 维基尼亚无线通信技术中心(CWT)主要关注基于遗传 算法的认知模型的研究;美国加州大学伯克利分校致力 于对认知无线电试验验证系统的研究和开发,目前已开 发完成BEE2仿真验证平台,可对认知无线电的基本理 论和关键技术提供测试床,推动其大规模应用。 CR并不是一个孤立的技术,如何将CR技术和现有 的一些无线通信技术进行融合,应用到下一代无线通信 系统中,已成为CR技术的一个发展方向和应用前景。下 面将分别介绍基于CR技术的WRAN应用,以及CR技 术和UWB,WLAN的技术融合。 1)IEEE802.22(WRAN) 2004年10月IEEE802.22工作组成立,其别称为无 线区域网络(WirelessRegionalAreaNetwork,WRAN), 利用CR技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带(北美 为 54～862MHz)作为宽带访问线路。由于TV频段传播 能力非常强,WRAN系统的覆盖半径可达到几十公里, 所以适合大范围覆盖偏远地区,作为无线宽带接入。 802.22系统定义了一种点到多点的无线空中接口, 其中 BS(基站)管理自己小区内的 CPEs(消费为目的设 备 ConsumerPremiseEquipments,即认知用户)。每个 CPE都要扫描所有TV频道,实时检测空闲的TV频道资 源,将这些频道占用信息发送到 BS端;随后 BS端动态 进行频谱资源管理,分配可用信道作为无线宽带接入应 用。其中有一个技术难点,为了避免对电视用户的影响, 必须保证 CPE具有很强的频谱探测能力,目前 IEEE 802.22组织建议的频谱检测算法有匹配滤波法、能量检 测法、循环谱特征检测法。其中,匹配滤波法要求针对特 定的电视信号设计相应滤波器,缺乏灵活性;能量检测法 的优点是无需知道所测信号的先验信息,但其缺点是在 低信噪比情况下检测性能急剧恶化;循环谱特征检测法 利用信号的循环特征,不但在低信噪比条件下具有很好 的检测性能,且具有信号识别能力,但计算复杂度高。 由于系统中的CPE不需要注册,一定会出现相互竞 争频谱资源的现象,所以多用户的资源共享是重点解决 的问题。频谱池是一种资源共享的方法,也是目前研究的 主要策略。频谱池策略的思想是将空闲的频谱资源合并 成一个公共的频谱池,并将整个频谱池划分为若干个子 信道,利用博弈论和信息论原理来建立主用户和从用户 之间的协调和管理机制,使频谱资源的利用率最大。 2)CR与UWB的结合 由于UWB系统与传统窄带系统之间存在着不可避 免的干扰,将CR技术与UWB技术相结合来解决干扰问 题也成为近几年的研究热点[4]。UWB无线技术具有高通 信容量、抗多径衰弱、灵活抗干扰能力、精确的测距和定 位等优点,而CR技术是通过智能频谱管理来解决频谱 资源短缺的最有效方法。两者结合被认为是当今多媒体 宽带无线通信中最有前途的候选 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 之一。 UWB信号波形分布在很宽的频域内,一般可分为: 低速率(LDR)UWB系统和高速(HDR)、超高速(VHDR) UWB系统。对于VHDR设备,它既要面临周围窄带无线 通信系统的严重干扰,也将严重干扰周围的窄带通信系 统,基于这种问题,如果将其与CR技术相结合,利用CR 的频谱感知技术能提高频谱利用的灵活性,改善频谱 共享,有效抑制窄带干扰。引入 CR技术后,UWB设备 能智能选择空闲频带进行通信,在高速超宽带无线通 信的国际标准 ECMA368/369中采用多带正交频分复用 (MB-OFDM),能简单实现CR技术的物理层功能。目前 基于UWB的CR技术需要研究以下问题: (1)基于超宽带的无线环境感知和发现策略。这方 面需要解决频谱感知,信道状态估计,信道信息汇聚,空 间干扰分布等问题。 (2)基于超宽带的信号形成。目前可采用的是基于 脉冲无线电的自适应信号产生和基于 OFDM的自适应 信号产生,后者的可行性更大,因为 OFDM更容易灵活 实现CR技术的物理层功能。 (3)基于超宽带的干扰处理和共存技术。目前可采 用多天线、波束形成、自适应滤波等多种抗干扰技术从时 间、频率和空间等多维度消除干扰。 当然,真正要实现认知超宽带技术还面临着理论和 实际多方面的挑战,但两者的结合能够较好的解决提高 频谱利用率的难题,大大推动了认知无线电和UWB技 术实用化的进程。 3)CR与WLAN的结合 以IEEE802.11标准为基础的无线技术已成为目前 无线局域网(WLAN)的主流。主流的WLAN设备都工作 在免受权频段,随着无线局域网的普及,免授权频段的通 信业务将非常繁忙,几乎达到饱和。采用CR技术可解决 WLAN频段拥挤造成的可用频谱资源不多的问题。比如 IEEE802.11a标准所使用的 5GHz频段中还存在其他 设备,如雷达,要保证无线局域网的工作频段不受到这类 设备的干扰是困难的。于是IEEE802.11工作组制定发 布了 IEEE802.11h标准[5],要求无线局域网设备能检测 到雷达等信号并避免与它们形成互干扰。IEEE802.11h 标准的出现解决了 WLAN与雷达设备的共存问题。当 然,CR的主要贡献在于引入了两个重要的概念:动态频 率选择(DFS)和发射功率控制(TPC)。 2005年7月,FCC开放了用于固定卫星服务网络的 3.65～3.7GHz频段。IEEE802.11y工作组计划开发新的 无线局域网标准以工作在该频段,同时引入一种机制用 发展论坛 8 VIDEOENGINEERINGNo.10Vol.312007(SumNo.307) (上接第6页) 务进行全面管理的技术手段和经验。另外,管制程度与开 放性是一对矛盾。融合网络必然要比现有有线电视网络 开放,而其管制水平就会出现问题。完全数字化后,新业 务可能会造成有线电视网络前端在管理功能上的不足。 有线电视网络的体系结构意味着每个用户发出的信息必 然要经过某一个或某几个前端,虽然这仍然可能在前端 通过技术升级来实现对不断出现的新业务进行监控和管 理,但是这样的缺陷足以使有线电视网络失去很多机会。 5.4 鼓励创新,尤其鼓励标准方面的创新 网络融合最早是从工程领域提出的概念,最终也需 要回到具体的网络建设工程实践中去,有必要在此过程 中花大力气鼓励创新。 不论是理论研究方面还是工程技术领域,网络融合 都存在大量的课题。本报告中“数字媒体网络”是从媒体 应用的视角提出了大量网络融合过程中需要解决的问 题。应该鼓励这样的研究。它从多个不同视角分析融合网 络和网络的融合过程,有助于对通信网络演进方向作 出更准确判断,也有助于高效地利用研究与工程资源。 除了理论研究和工程领域的创新,还应注重经验总 结和标准化。一个产业的发展快慢常常取决于一个有效、 通用的标准。因特网成功的重要原因完全可归于其网络 标准体系的建立。目前,鉴于网络与业务的分离趋势,可 将标准化向业务方面倾斜。网络方面相对来说需要作的 比较少:一方面因其已变成通用品;另一方面它已有较成 熟的标准。而服务方面的标准相对较少,因而更能受益于 政府支持的标准方面的工作。我国通信网络的规模和复 杂程度有助于研究者全面研究网络融合问题,也有助于 研究者总结归纳相关的标准。网络融合中相关领域的标 准化问题有可能在未来一段时期内凸现出来。 6 总结 下一代网络泛指所有通信网络演进领域的研究。 下一代网络的研究是在一定的共识框架内进行的, 但是仍然缺乏明确的导向性。众多的研究组织都从自身 的观点出发进行下一代网络的设计。 下一代网络的研究过程是对网络演进的几个重大问 题进行分析和解答的过程。这些问题中首当其冲的是网 络体系结构问题。目前的主流意见是,基于边缘论的IP 协议模式不太可能在 20或 30年后仍然满足市场的需 求,需要对网络体系结构重新进行设计。 网络融合是下一代网络在近期内的表现形式,是当 前网络在市场和技术的双重驱动下的发展趋势。融合网 络采用以IP协议为框架的沙漏型协议体系。融合网络必 须是可控制、可管理、可经营的。 网络融合需要分阶段分步骤地推进。三网融合、数字 媒体网络都是网络融合的具体形式。数字媒体网络对媒 体应用的关注更为集中,因此与广播电视领域的关系也 更为密切。它可比较好地涵盖那些新的媒体业务类型。 广播电视网络的数字化、网络化乃至信息化,对于自 身发展非常重要。这会赋予广播电视网络广泛的互连与 多重业务的承载能力。广播电视网络体系结构在网络演 进中需要重点加以分析和参考。广播电视网络对于组播 和广播业务的先天适应性必须在融合过程中保持下来。 在推进网络融合过程中,要鼓励理论研究与工程领 域的创新,尤其鼓励将研究成果和工程经验标准化。 ! 责任编辑:刘伯义 收稿日期:2007-06-15 (完) 于避免与该频段内其他用户形成干扰。CR技术的优势 能有效解决这个问题。当然其中频谱感知技术、传输功率 控制(TPC)和动态频率选择技术(DFS)仍旧是需要进一 步研究的关键技术。 4 小结 认知无线电的核心思想是使无线通信设备具有发 现闲置频谱资源能力,并合理利用资源能力,从而根本 上解决日益增长的无线通信需求与有限频谱资源之间 的矛盾。将 CR技术应用到 UWB,WLAN,WiMAX等热 门无线通信技术中,预示着CR技术的美好前景。但要真 正实现CR技术还要进一步解决包括频谱检测、动态频 谱管理等关键问题。同时,需要修订国家频谱管理政策。 CR技术从理论到应用还有很长的路要走,能否成为下 一代无线通信技术的主流是值得期待和关注的。 参考文献 [1]MitolaIIIJ.Cognitiveradioforflexiblemobilemultimediacommu- nications[J].JournalMobileNetworksandApplication,2001,6(5): 435-441. [2]HAYKINS.Cognitiveradio:brain-empoweredwirelesscommunica- tions[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2005,23 (2):201-220. [3]CORDEIROC.IEEE802.22:thefirstworldwidewirelessstandard basedoncognitiveradios[J].DySPAN,2005,8(11):328-337. [4]MOYC,BISIAUXA.Anultra-widebandumbilicalcordforcog- nitiveradiosystems[J].IEEECommun.,2005,2(9):775-779. [5] IEEE802.11.Theworkinggroupsettingthestandardforwireless LANs[EB/OL].[2007-07-01].http://www.ieee802.org/11. ! 作者简介: 潘建国(1982-),硕士生,主研认知无线电。 责任编辑:张家豪 收稿日期:2007-09-05 Developmentforum """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 9