基于認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的IEEE 802.22

　　摘要　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)頻譜資源越來(lái)越貧乏。同時(shí)，認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)以其靈活高效的利用頻譜受到廣泛的關(guān)注。文章結合認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了 IEEE 802.22系統中的關(guān)鍵技術(shù)。從無(wú)線(xiàn)區域網(wǎng)實(shí)現的頻譜感知技術(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，理解認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的核心思想。

　　0、引言

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)絡(luò )(WPAN)和無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)絡(luò )(WMAN)技術(shù)迅猛發(fā)展，無(wú)線(xiàn)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)射機設計功率大等顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，適合于遠距離、大區域環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)信號傳輸。因此無(wú)線(xiàn)通信運營(yíng)和技術(shù)的爭奪，已經(jīng)集中在對于無(wú)線(xiàn)頻譜資源的爭奪上，尤其是對3GHz以下的無(wú)線(xiàn)頻段。

　　認知無(wú)線(xiàn)電(CR)[1～2]是針對頻譜利用率不高的解決方案。其特點(diǎn)是根據實(shí)時(shí)感知環(huán)境，靈活、高效、可靠地利用頻譜資源。這樣認知無(wú)線(xiàn)電就具備了在已授權頻段內，智能利用“空洞頻譜”而不干擾其它授權用戶(hù)的能力。

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

　　1、IEEE 802.22概述

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

　　1.1　授權用戶(hù)

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

　　1.2　拓撲

　　IEEE 802.22系統是固定的一點(diǎn)對多點(diǎn)(PMP)無(wú)線(xiàn)空中接口，即基站(BS)管理著(zhù)整個(gè)小區和相關(guān)的所有用戶(hù)終端(CPE)。BS控制小區內媒體接入和下行(DS)傳輸給相應的CPE。而CPE通過(guò)接入請求，在BS允許的上行(US)傳輸，即任何CPE必須在收到BS的授權后才能傳輸。由于BS必須兼顧對授權用戶(hù)的保護，合理的分配感知任務(wù)、合理的實(shí)現動(dòng)態(tài)頻率選擇，都是802.22系統的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　1.3　覆蓋區域

　　IEEE 802.22系統和其它的IEEE 802的標準相比，是針對無(wú)線(xiàn)區域網(wǎng)的。BS的覆蓋范圍半徑最大可達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到 33km。這樣802.22系統的覆蓋面積就是當今最大的一個(gè)系統。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)提供了機遇和挑戰。

　　2、IEEE 802.22關(guān)鍵技術(shù)

　　IEEE 802.22技術(shù)是認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在無(wú)線(xiàn)區域內的具體應用。它的特點(diǎn)是在VHF/UHF頻段內，不干擾授權用戶(hù)的情況下，靈活、自適應的頻譜的合理配置。具體通過(guò)以下關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現。

　　2.1　頻譜感知技術(shù)

　　在IEEE 802.22系統中，為了實(shí)現對授權用戶(hù)保護，提出工作信道內和工作信道內感知機制。工作信道內感知，BS分配靜默期。在靜默期內，BS和CPE都不發(fā)送數據，感知小區內授權用戶(hù)信號。工作信道內采用兩段式感知(TSS)機制，在快速感知階段，通常采用單一的感知方法(如能量檢測、導頻信號能量檢測)，迅速感知是否存在授權用戶(hù)。這個(gè)過(guò)程通常在微秒級，參考IEEE 802.11b中20µs、IEEE 802.11a中9µs。在精細感知階段，獲知已捕獲的授權用戶(hù)的詳細信息。這個(gè)過(guò)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(xiàn)，可以同時(shí)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)平穩檢測法等。能量檢測法由于收到檢測門(mén)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頻或同步序列，與已知的本地序列相關(guān)，這個(gè)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)平穩檢測法屬于特征檢測。周期圖法是利用傅里葉變換來(lái)獲得信號的功率譜密度，實(shí)現算法可以利用快速傅里葉變換，便于實(shí)現。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)平穩檢測法利用調制信號的相關(guān)函數的周期性，進(jìn)行感知。特征值分解檢測法、循環(huán)平穩檢測法兩種算法計算較復雜。

　　對應于802.22系統的具體應用環(huán)境，系統提出了兩個(gè)關(guān)鍵參數，對感知技術(shù)進(jìn)行規范。IEEE802.22系統中規定信道檢測時(shí)間(CDT)和授權用戶(hù)感知門(mén)限(IDT)。對應VHF/UHF頻段內的兩類(lèi)授權用戶(hù)，信道檢測時(shí)間定義為≤2s。對于200KHz無(wú)線(xiàn)麥克風(fēng)，授權用戶(hù)感知門(mén)限為- 107dBm;而對應6MHz的電視服務(wù)，授權用戶(hù)感知門(mén)限為-116dBm。

　　信道檢測時(shí)間是指在WRAN系統正常工作時(shí)，用來(lái)檢測在當前TV信道內是否有感知門(mén)限之上的所花費最大時(shí)間，在檢測概率大于90%的情況下，這個(gè)時(shí)間約為500ms～2s。當聯(lián)合多個(gè)CPE共同感知時(shí)，可以縮短感知時(shí)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(shí)現感知技術(shù)參數的配置算法，合理的配置了小區內的CPE資源。

　　2.2　共存

　　共存在目前IEEE 802.22草案中包括與授權用戶(hù)共存和其它802.22系統的共存。由于目前的IEEE 802.22草案中并沒(méi)涉及與其它的認知系統如何共存的解決方案，只預留了system type參數為IEEE 802.16和IEEE 802.11等認知系統共存。下面只討論與授權用戶(hù)和與其它802.22系統的共存。

　　2.2.1　與授權用戶(hù)共存

　　與授權用戶(hù)的共存包括授權用戶(hù)的感知、授權用戶(hù)通告、授權檢測恢復一系列機制。授權用戶(hù)感知最大時(shí)間由CDT給出，而最大通告時(shí)間和恢復時(shí)間分別由CCTT和CMT限定。

　　授權用戶(hù)感知機制是工作信道內兩段式感知機制，在每個(gè)CDT內周期性地分配多個(gè)快速感知時(shí)間，而精細感知時(shí)間是在每個(gè)CDT內動(dòng)態(tài)分配。這種機制的主要優(yōu)點(diǎn)是允許認知無(wú)線(xiàn)電系統滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統的QoS要求，只在必要時(shí)候行精細感知。由于電視授權用戶(hù)不是經(jīng)常的出現或消失，通常情況下只需要行快速感知，這樣可以保證QoS不受影響。

　　授權用戶(hù)通告機制是解決感知授權用戶(hù)以后及時(shí)通知BS的場(chǎng)景。目前IEEE 802.22草案中，有靜默期階段和普通工作階段。當BS沒(méi)有分配帶寬時(shí)，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(guò)競爭或碼分多址(CDMA)碼接入。也可以輪詢(xún)的方式獲得CPE的感知報告。

　　授權用戶(hù)檢測恢復機制是，小區范圍內的授權用戶(hù)由BS確認后，BS進(jìn)入恢復運行的模式。在這個(gè)模式內，BS運行IDRP(Incumbent Detection Recovery Protocol)。IDRP協(xié)議保證了保護授權用戶(hù)的同時(shí)，盡快恢復系統正常工作模式，盡可能地減小系統性能惡化。IDRP利用了備用信道，在備用信道上迅速建立通信。由于恢復時(shí)間由CCTT或CMT限定，保證了系統平滑的恢復過(guò)程。

　　2.2.2　與其它IEEE 802.22系統共存

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

　　CBP信標可以通過(guò)空口消息傳輸，也可以通過(guò)有線(xiàn)傳輸。CBP支持BS在自己分配的自共存(Self-Coexistence)窗內，接收或發(fā)送CBP信標。CPE在自共存窗內競爭接入，發(fā)送自己的CBP包，也可以監聽(tīng)來(lái)自BS的SCH信標。也就是說(shuō)在BS分配的共存窗內，BS和CPE可以工作在主動(dòng)模式和被動(dòng)模式。CPE只在BS分配接收和發(fā)送任務(wù)時(shí)，服務(wù)于當前小區。在CPE的被動(dòng)模式下，CPE可以接收來(lái)自相鄰小區的SCH信標。

　　CBP包含大量有用的信息，這些信息不僅可以用于共存，還可以用于小區建立和保持同步。一旦CPE收集到相鄰合作小區的CBP，CPE可以總結信息發(fā)給BS，由BS制定“無(wú)干擾”的共存機制。CBP包可以用于帶寬請求，BS可以根據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(shí)間戳信息，用于相鄰小區獲得正確的時(shí)間偏移量，達到系統同步。

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

　　系統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制(ODSC)、動(dòng)態(tài)租賃機制、頻譜禮儀機制和基于租 賃的信用幣(credit token)機制，其中頻譜禮儀機制是基于準則的租賃機制。除了ODSC機制是基于競爭的，其它機制都是基于租賃機制的。這里存在一個(gè)調度算法復雜度和頻譜利用率的折中?；诟偁帣C制的頻譜共享機制調度復雜度低，但基于租賃機制的頻譜共享機制可以實(shí)現較高的頻譜利用率。

　　2.3　正交頻分多址(OFDMA)

　　IEEE 802.22不是第一個(gè)采用OFDMA技術(shù)的標準。但由于OFDMA技術(shù)可以方便地實(shí)現子載波分配，將物理上不連續的頻率資源整合，為認知無(wú)線(xiàn)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調制?？紤]到傳播時(shí)延在25µs～50µs的數量級內，循環(huán)前綴大概需要40µs才能滿(mǎn)足OFDMA同步要求。為減小循環(huán)前綴對系統的負擔，系統采用每個(gè)TV信道內2K FFT的OFDMA。

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

　　OFDMA調制

　　技術(shù)和編碼技術(shù)結合的自適應編碼調制技術(shù)，可根據信道的實(shí)際情況動(dòng)態(tài)地調整帶寬，調制編碼方式等。OFDMA技術(shù)可以分配合適的子載波滿(mǎn)足不同CPE的不同服務(wù)質(zhì)量需求。與系統提供的QPSK、16-QAM、64-QAM等調制技術(shù)以及1/2、3/4、2/3卷積碼結合，可以實(shí)現從每個(gè)子載波幾Kbps到整個(gè)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(gè)CPE自身工作信道為工作信道1，其它的當前BS的工作信道為工作信道2。占用信道集合是被授權用戶(hù)占用的信道。根據感知結果，實(shí)現各信道的切換。

　　由于認知系統工作在授權用戶(hù)頻段，一旦工作信道內出現授權用戶(hù)，系統迅速退出授權用戶(hù)信道，實(shí)現對授權用戶(hù)的保護。這時(shí)工作信道轉化為占用信道。同理，如果授權用戶(hù)釋放了占用的信道，則這個(gè)信道可以轉化為候選信道集合作為認知系統的候選信道，或者轉化為其它信道集合類(lèi)型。信道管理為更好地保護授權用戶(hù)，為用戶(hù)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系統還有一個(gè)特點(diǎn)就是支持多信道綁定，即支持動(dòng)態(tài)地利用多個(gè)空閑的TV信道。相應地為了保持子載波之間距離不變，對應兩個(gè)綁定的TV信道，采用4K的OFDMA;對應于三個(gè)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的或非連續的多個(gè)TV信道(系統現在限定最多支持三個(gè)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(shí)現分布式感知，也為得到全面、高效的授權用戶(hù)感知報告提供了可能。

　　3、結束語(yǔ)

　　認知無(wú)線(xiàn)電的思想就是利用具有認知能力的設備，發(fā)現空閑頻譜并合理地利用空閑頻譜。而IEEE 802.22系統是第一個(gè)基于認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的標準，WRAN系統針對具體的應用場(chǎng)景給出了在不干擾授權用戶(hù)的前提下，為用戶(hù)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的實(shí)現提供了很多可選方案，但認知技術(shù)的成熟還有很遠的道路。仍然可以肯定的是，隨著(zhù)認知技術(shù)在WRAN系統以及Ad hoc網(wǎng)絡(luò )、UWB等系統的中的應用，無(wú)線(xiàn)通信系統可以提供更高的頻譜利用率，更靈活的服務(wù)。

　　參考文獻

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