感知无线电

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　　感知无线电技术用以实现动态频谱共享。通过检测空中信号占用频谱，通过探知无线环境中空闲频谱资源，选择可被自己利用频率进行通信。租借系统通过采用感知无线电技术，实时跟踪授权系统占用频率状况，随时使用、释放频段，在保障授权系统通信前提下，与授权系统动态共享频谱。采用频谱检测方式获取频谱息可使感知无线电技术能适应无线环境频谱使用状况短期变化，高效利用频谱，并且感知无线电技术不要求改造现有系统，对无线信道环境和用户需求都将具有较好适应性。

　　1.频谱检测技术

　　频谱检测的目的是发现在时域、频域、空域上的频谱空洞，以便感知用户以机会方式利用频谱。为了使感知用户不对频谱授权用户造成干扰，感知用户在利用频谱空洞进行通信的过程中，需要能够快速检测授权用户的再次出现，及时进行频谱切换，或者通过改变传输功率、调制方式等手段来避免对授权用户产生干扰。这就需要感知无线电系统具有频谱检测功能，能够实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。频谱检测主要是物理层技术，是频谱管理、频谱共享和频谱移动性管理的基础。感知无线电频谱检测技术可以分为基于发射机的检测、合作检测和基于接收机的检测几大类，其中发射机检测又称为非合作检测，它主要有匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳过程特征检测3种方法。当然，在实际的检测算法中，为了提高检测性能会融合各种方法。

　　2.频谱分配技术

　　对频谱资源的分配需要全面考虑系统的应用需要及系统网络结构等特点。目前，针对频谱分配技术有如下几种分类。

　　(1)基于网络结构和控制方式

　　频谱分配技术按照网络结构和控制方式的不同可划分为：集中控制式、分布协调式和集中+分布混合式。

　　集中控制式由一个中心节点来集中地控制管理，其他节点只是起到辅助的功能。通过其他节点的检测获取各种频谱信息，再统一汇总到中心节点处，由中心节点来指挥频谱的分配。这种方式虽然在组网上不够灵活，但结构简单，能降低各感知无线电节点的复杂度，非常适合于在感知无线电的发展初期采用。

　　分布协调式是指网络小区采用分布式结构，无中心控制节点，主要用于无基础架设的场合，小区中的节点都参与可用频谱的检测和分配中且地位平等，而频谱分配的结果与节点采用的策略有关。

　　集中+分布混合式则是两者的结合，可应用在某些特殊的场合，例如局部区域采用集中式，而其余地方采用分布式。

　　(2)基于分配方式

　　频谱分配技术按照分配方式的不同可划分为静态频谱分配、动态频谱分配和混合式频谱分配3种。

　　静态频谱分配是指基于某种固定的频谱分配表将频谱资源分配给系统内各用户，一旦分配则不能改变，即用户不能根据自身的需要及时地调整频谱。这种分配方式比较简单、系统开销小，但是其最大欠缺是灵活性不足。另外，在这种方式下频谱的利用率很低。

　　动态频谱分配与上述静态方式恰好相反，用户系统可以采用一个自适应策略来及时地调整频谱资源分配，以满足用户在不同时刻对资源的不同需求。在这种方式下，系统容量会得到显著提高，频谱利用率也会有所提高。

　　混合式频谱分配是指静态频谱分配和动态频谱分配相结合的方式，它兼具前面两种分配方式的优点，既有静态分配的特点，又提高了灵活性。当前，感知无线电系统中的频谱分配以动态频谱分配为主。

　　(3)基于用户行为方式

　　频谱分配技术按照用户行为方式的不同可划分为协作式和非协作式两种。协作式是指小区中各节点间相互合作，各个节点相互之间实现信息共享。所采用的分配策略不仅仅要考虑该节点的要求，还要综合考虑由此所带来的对其他用户的影响。前文提到的集中控制式均属于协作式，而分布协调式中也存在协作式的频谱分配。非协作式也被称为自私式，是指节点仅仅考虑自身的需要，而不关心该策略对其他节点造成的影响，有时可能会造成很严重的负面影响，对其他节点的性能影响很大。非协作式下的系统的频谱利用率比协作式分配方式低。

　　一般而言，协作式下频谱共享结果要优于非协作式，但会产生更多的信息交互量。另一方面，尽管非协作式在频谱共享结果方面次于协作式，但是却拥有更好的频谱管理灵活性和自适应性，而这点在复杂多变的感知无线电网络中显得尤为重要。因此，我们必须根据用户的需求以及对系统性能的要求来合理地选择频谱分配技术。

　　3.功率控制技术

　　新建的TD-SCDMA网络必须与现有网络共分布系统。结合地铁分布系统现状，目前可行的多系统合路方法包括以下几种。

　　根据应用场景的不同，现有的感知无线电网络中的功率控制算法可以分成两大类：一是适用于分布式场景下的功率控制策略，二是适用于集中式场景下的功率控制策略，而这两类研究又有不同的实现方法。分布式场景下的功率控制策略大多以博弈论为基础，也有参考传统AdHoc网络中功率控制的方法，从集中式策略入手，再将集中式策略转换成分布式策略。集中式场景下的功率控制策略大多会利用基站能集中处理信息的便利，采取联合策略，即将功率控制与频谱分配结合或是将功率控制与接入控制联合考虑等。

　　集中式网络架构中，基站起着中心控制器的作用，负责协调用户之间的行为，分配网络资源，为用户提供满意的服务。因此，考虑到基站能够集中处理信息的便利以及感知无线电网络中频谱动态变化的特点，在设计集中式感知无线电网络中的功率控制算法时，大多数研究都是从与功率控制相结合的联合资源分配的角度来考虑的。

　　相对于集中式的布网方式，分布式的布网更适合于感知无线电这种频谱动态变化的系统。由于分布式网络中缺乏中心控制器，用户之间的行为难以协调，因而在设计分布式的感知无线电网络中的功率控制算法时，应考虑由分布式的网络架构带来的一些问题。按不同的解决方法，现有的关于感知无线电网络中的分布式功率控制算法可以分为两大类：一类是基于并行与分布式算法，一类是基于博弈论。

　　1.感知无线电的市场需求

　　由于感知无线电能够最大程度地自动利用闲置频谱，而不需要来自控制网络的各种指令，因而将为用户节约不少的使用费用。因此，当该技术最终实现市场化时，无线电用户的支出将大大降低。

　　目前，9O％以上的笔记本电脑都具有局域网性能，家用或商用局域网的数量也急剧增加。感知无线电技术的智能操作能在某一时刻根据需要迅速地租用或借用局域网性能以及其他无线电频率的频谱(可以历时几秒或者几分钟)。据此，互联网服务商就可以将用户的数据或电话接通到全球的任何地方，也就是说，利用感知无线电技术，不需要专用蜂窝网络就可以顺利连通其他用户。

　　如果FCC在政策方面继续加大支持力度，它将会把总量达数百兆赫的专用频带变为可共享无线频谱资源，长期困扰人们的无线频谱短缺问题就有可能得到缓解，感知无线电技术就将成为人类更好的通信手段。正如手机技术的不断进步给社会带来了广泛而深刻的影响一样，尽管感知无线电技术的发展尚需时日，但它必将对人类社会带来巨大而深刻的冲击。

　　2.感知无线电技术与其他技术

　　和系统的联合应用感知无线电的技术特点决定其在实际应用中往往不是单独使用，经常会和其他技术或者系统联合应用。最常与感知无线电联合应用的技术和系统有无线传感网(WSN)、超宽带(UWB)技术、Mesh网和无线区域网(WRAN)等。

　　(1)在WSN中的应用

　　WSN由部署在监测区域内一些资源受限的传感器节点组成，它通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统。其作用是协作地感知、采集和处理网络区域中的一些物理现象，并将监测数据发送给观测者。WSN在军事、环境监测、工业控制、灾难抢险等大规模场景中都有广泛的应用前景。在这些场景中，WSN一般具有较高的节点密度，需要实时传输大量数据。如何能够在极少的网络资源限制下，及时、同步地将数据传输出去是WSN关注的问题。基于感知无线电技术的动态频谱访问是实解决此问题的一种重要手段。

　　(2)在UWB中的应用

　　UWB技术被认为是未来多媒体宽带无线通信中最具潜力的技术。2002年FCC定义相对带宽大于25％中心频率或大于500MHz的带宽称为超宽带。目前主要的UWB设计方案包括直接序列UWB方案和多频带OFDM—UWB方案，H．Yamaguchi等人论证了多频带OFDM—UWB方案更适合感知无线电技术的应用。

　　UWB具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低等优点，但由于UWB的超宽带特性，它必然会对共享频段内的其他窄带系统产生干扰。3并且自身也将受到其他系统在某频段的强干扰，如果把感知无线电技术引入NtJWB系统的研究和设计中来，能改善频谱共享，有效抑制窄带干扰，与其他系统更好地共存，同时还可潜在地提高频谱的利用率，提高数据传输速率和整个UWB系统的性能。

　　(3)在Mesh网中的应用

　　无线Mesh网是一种多跳的网络拓扑结构，网络中的每一个节点都可以发送和接收信息，每一个节点都可以与一个或多个对等节点直接通信，它具有随时随地接入、成本低等优点。随着网络密度的增大和吞吐量的提高，无线MeSh网需要更高的处理能力。由于感知无线电技术能够提高频谱的利用率，感知无线电技术和无线Mesh网的结合可以用于人口稠密城市的无线宽带接入。当一个无线Mesh网的骨干网络是由感知接入点和固定中继点组成时，其覆盖范围能够大大增加。

　　(4)在WRAN中的应用

　　IEEE802．22是第一个基于感知无线电技术的世界标准，IEEE802．22工作组己经将感知无线电技术确立为无线区域网的核心技术。IEEE802．22工作组授权开发一个共同操作的点到多点的空中接口(即物理层和MAC层)标准，该标准用于现存广播电视所在的频段，用于基于感知无线电的WRAN。

　　基于感知无线电的WRAN还存在许多难题，比如WRAN空中接口需要很高的灵活性和自适应性；为了实现共存，需要相应的物理层和MAC层控制机制，允许基站以对授权用户的频谱感知来动态地改变网络的功率或频率以避免干扰；为解决排列或重叠覆盖造成的问题，更好地共享频谱，系统还必须包含各基站之间的协调机制。