感知無線電

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　　感知無線電技術用以實現動態頻譜共用。通過檢測空中信號占用頻譜，通過探知無線環境中空閑頻譜資源，選擇可被自己利用頻率進行通信。租借系統通過採用感知無線電技術，實時跟蹤授權系統占用頻率狀況，隨時使用、釋放頻段，在保障授權系統通信前提下，與授權系統動態共用頻譜。採用頻譜檢測方式獲取頻譜息可使感知無線電技術能適應無線環境頻譜使用狀況短期變化，高效利用頻譜，並且感知無線電技術不要求改造現有系統，對無線通道環境和用戶需求都將具有較好適應性。

　　1.頻譜檢測技術

　　頻譜檢測的目的是發現在時域、頻域、空域上的頻譜空洞，以便感知用戶以機會方式利用頻譜。為了使感知用戶不對頻譜授權用戶造成干擾，感知用戶在利用頻譜空洞進行通信的過程中，需要能夠快速檢測授權用戶的再次出現，及時進行頻譜切換，或者通過改變傳輸功率、調製方式等手段來避免對授權用戶產生干擾。這就需要感知無線電系統具有頻譜檢測功能，能夠實時地連續偵聽頻譜，以提高檢測的可靠性。頻譜檢測主要是物理層技術，是頻譜管理、頻譜共用和頻譜移動性管理的基礎。感知無線電頻譜檢測技術可以分為基於發射機的檢測、合作檢測和基於接收機的檢測幾大類，其中發射機檢測又稱為非合作檢測，它主要有匹配濾波器檢測、能量檢測和迴圈平穩過程特征檢測3種方法。當然，在實際的檢測演算法中，為了提高檢測性能會融合各種方法。

　　2.頻譜分配技術

　　對頻譜資源的分配需要全面考慮系統的應用需要及系統網路結構等特點。目前，針對頻譜分配技術有如下幾種分類。

　　(1)基於網路結構和控制方式

　　頻譜分配技術按照網路結構和控制方式的不同可劃分為：集中控制式、分佈協調式和集中+分佈混合式。

　　集中控制式由一個中心節點來集中地控制管理，其他節點只是起到輔助的功能。通過其他節點的檢測獲取各種頻譜信息，再統一彙總到中心節點處，由中心節點來指揮頻譜的分配。這種方式雖然在組網上不夠靈活，但結構簡單，能降低各感知無線電節點的複雜度，非常適合於在感知無線電的發展初期採用。

　　分佈協調式是指網路小區採用分散式結構，無中心控制節點，主要用於無基礎架設的場合，小區中的節點都參與可用頻譜的檢測和分配中且地位平等，而頻譜分配的結果與節點採用的策略有關。

　　集中+分佈混合式則是兩者的結合，可應用在某些特殊的場合，例如局部區域採用集中式，而其餘地方採用分散式。

　　(2)基於分配方式

　　頻譜分配技術按照分配方式的不同可劃分為靜態頻譜分配、動態頻譜分配和混合式頻譜分配3種。

　　靜態頻譜分配是指基於某種固定的頻譜分配表將頻譜資源分配給系統內各用戶，一旦分配則不能改變，即用戶不能根據自身的需要及時地調整頻譜。這種分配方式比較簡單、系統開銷小，但是其最大欠缺是靈活性不足。另外，在這種方式下頻譜的利用率很低。

　　動態頻譜分配與上述靜態方式恰好相反，用戶系統可以採用一個自適應策略來及時地調整頻譜資源分配，以滿足用戶在不同時刻對資源的不同需求。在這種方式下，系統容量會得到顯著提高，頻譜利用率也會有所提高。

　　混合式頻譜分配是指靜態頻譜分配和動態頻譜分配相結合的方式，它兼具前面兩種分配方式的優點，既有靜態分配的特點，又提高了靈活性。當前，感知無線電系統中的頻譜分配以動態頻譜分配為主。

　　(3)基於用戶行為方式

　　頻譜分配技術按照用戶行為方式的不同可劃分為協作式和非協作式兩種。協作式是指小區中各節點間相互合作，各個節點相互之間實現信息共用。所採用的分配策略不僅僅要考慮該節點的要求，還要綜合考慮由此所帶來的對其他用戶的影響。前文提到的集中控制式均屬於協作式，而分佈協調式中也存在協作式的頻譜分配。非協作式也被稱為自私式，是指節點僅僅考慮自身的需要，而不關心該策略對其他節點造成的影響，有時可能會造成很嚴重的負面影響，對其他節點的性能影響很大。非協作式下的系統的頻譜利用率比協作式分配方式低。

　　一般而言，協作式下頻譜共用結果要優於非協作式，但會產生更多的信息交互量。另一方面，儘管非協作式在頻譜共用結果方面次於協作式，但是卻擁有更好的頻譜管理靈活性和自適應性，而這點在複雜多變的感知無線電網路中顯得尤為重要。因此，我們必鬚根據用戶的需求以及對系統性能的要求來合理地選擇頻譜分配技術。

　　3.功率控制技術

　　新建的TD-SCDMA網路必須與現有網路共分佈系統。結合地鐵分佈系統現狀，目前可行的多系統合路方法包括以下幾種。

　　根據應用場景的不同，現有的感知無線電網路中的功率控制演算法可以分成兩大類：一是適用於分散式場景下的功率控制策略，二是適用於集中式場景下的功率控制策略，而這兩類研究又有不同的實現方法。分散式場景下的功率控制策略大多以博弈論為基礎，也有參考傳統AdHoc網路中功率控制的方法，從集中式策略入手，再將集中式策略轉換成分散式策略。集中式場景下的功率控制策略大多會利用基站能集中處理信息的便利，採取聯合策略，即將功率控制與頻譜分配結合或是將功率控制與接入控制聯合考慮等。

　　集中式網路架構中，基站起著中心控制器的作用，負責協調用戶之間的行為，分配網路資源，為用戶提供滿意的服務。因此，考慮到基站能夠集中處理信息的便利以及感知無線電網路中頻譜動態變化的特點，在設計集中式感知無線電網路中的功率控制演算法時，大多數研究都是從與功率控制相結合的聯合資源分配的角度來考慮的。

　　相對於集中式的布網方式，分散式的布網更適合於感知無線電這種頻譜動態變化的系統。由於分散式網路中缺乏中心控制器，用戶之間的行為難以協調，因而在設計分散式的感知無線電網路中的功率控制演算法時，應考慮由分散式的網路架構帶來的一些問題。按不同的解決方法，現有的關於感知無線電網路中的分散式功率控制演算法可以分為兩大類：一類是基於並行與分散式演算法，一類是基於博弈論。

　　1.感知無線電的市場需求

　　由於感知無線電能夠最大程度地自動利用閑置頻譜，而不需要來自控制網路的各種指令，因而將為用戶節約不少的使用費用。因此，當該技術最終實現市場化時，無線電用戶的支出將大大降低。

　　目前，9O％以上的筆記本電腦都具有區域網性能，家用或商用區域網的數量也急劇增加。感知無線電技術的智能操作能在某一時刻根據需要迅速地租用或借用區域網性能以及其他無線電頻率的頻譜(可以歷時幾秒或者幾分鐘)。據此，互聯網服務商就可以將用戶的數據或電話接通到全球的任何地方，也就是說，利用感知無線電技術，不需要專用蜂窩網路就可以順利連通其他用戶。

　　如果FCC在政策方面繼續加大支持力度，它將會把總量達數百兆赫的專用頻帶變為可共用無線頻譜資源，長期困擾人們的無線頻譜短缺問題就有可能得到緩解，感知無線電技術就將成為人類更好的通信手段。正如手機技術的不斷進步給社會帶來了廣泛而深刻的影響一樣，儘管感知無線電技術的發展尚需時日，但它必將對人類社會帶來巨大而深刻的衝擊。

　　2.感知無線電技術與其他技術

　　和系統的聯合應用感知無線電的技術特點決定其在實際應用中往往不是單獨使用，經常會和其他技術或者系統聯合應用。最常與感知無線電聯合應用的技術和系統有無線感測網(WSN)、超寬頻(UWB)技術、Mesh網和無線區域網(WRAN)等。

　　(1)在WSN中的應用

　　WSN由部署在監測區域內一些資源受限的感測器節點組成，它通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網路系統。其作用是協作地感知、採集和處理網路區域中的一些物理現象，並將監測數據發送給觀測者。WSN在軍事、環境監測、工業控制、災難搶險等大規模場景中都有廣泛的應用前景。在這些場景中，WSN一般具有較高的節點密度，需要實時傳輸大量數據。如何能夠在極少的網路資源限制下，及時、同步地將數據傳輸出去是WSN關註的問題。基於感知無線電技術的動態頻譜訪問是實解決此問題的一種重要手段。

　　(2)在UWB中的應用

　　UWB技術被認為是未來多媒體寬頻無線通信中最具潛力的技術。2002年FCC定義相對帶寬大於25％中心頻率或大於500MHz的帶寬稱為超寬頻。目前主要的UWB設計方案包括直接序列UWB方案和多頻帶OFDM—UWB方案，H．Yamaguchi等人論證了多頻帶OFDM—UWB方案更適合感知無線電技術的應用。

　　UWB具有傳輸速率高、系統容量大、抗多徑能力強、功耗低、成本低等優點，但由於UWB的超寬頻特性，它必然會對共用頻段內的其他窄帶系統產生干擾。3並且自身也將受到其他系統在某頻段的強干擾，如果把感知無線電技術引入NtJWB系統的研究和設計中來，能改善頻譜共用，有效抑制窄帶干擾，與其他系統更好地共存，同時還可潛在地提高頻譜的利用率，提高數據傳輸速率和整個UWB系統的性能。

　　(3)在Mesh網中的應用

　　無線Mesh網是一種多跳的網路拓撲結構，網路中的每一個節點都可以發送和接收信息，每一個節點都可以與一個或多個對等節點直接通信，它具有隨時隨地接入、成本低等優點。隨著網路密度的增大和吞吐量的提高，無線MeSh網需要更高的處理能力。由於感知無線電技術能夠提高頻譜的利用率，感知無線電技術和無線Mesh網的結合可以用於人口稠密城市的無線寬頻接入。當一個無線Mesh網的骨幹網路是由感知接入點和固定中繼點組成時，其覆蓋範圍能夠大大增加。

　　(4)在WRAN中的應用

　　IEEE802．22是第一個基於感知無線電技術的世界標準，IEEE802．22工作組己經將感知無線電技術確立為無線區域網的核心技術。IEEE802．22工作組授權開發一個共同操作的點到多點的空中介面(即物理層和MAC層)標準，該標準用於現存廣播電視所在的頻段，用於基於感知無線電的WRAN。

　　基於感知無線電的WRAN還存在許多難題，比如WRAN空中介面需要很高的靈活性和自適應性；為了實現共存，需要相應的物理層和MAC層控制機制，允許基站以對授權用戶的頻譜感知來動態地改變網路的功率或頻率以避免干擾；為解決排列或重疊覆蓋造成的問題，更好地共用頻譜，系統還必須包含各基站之間的協調機制。