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频谱无线电论文范文

一、认知无线电技术的背景
二、认知无线电的定义
2.1 Joseph Mitola博士的定义
2.2 FCC的定义
2.3 Simon Haykin的定义
三、认知无线电技术的研究现状
3.1美国方面的研究
3.2德国Karlsruhe大学的研究
3.3国内外其它机构的研究
四、认知无线电的频谱分配技术
五、频谱分配技术的国内外研究现状
六、结束语
无线电频谱资源:hp8558b频谱分析仪和anritsu mt2605a无线电信号分析仪的简单操作使用

李二龙／重庆邮电大学通信新技术应用研究所（重庆 400065）

摘要：认知无线电技术可以有效缓解频谱分配与利用之间的矛盾.频谱分配技术是决定认知无线电能否实现的关键技术之一.本文回顾了认知无线电的由来及相关概念,分析了认知无线电技术及其频谱分配技术国内外发展的现状.

关键词：认知无线电,频谱,分配技术

中图分类号：TN92 文献标识码：B

文章编号；1673-1131(2010)02-040-04

一、认知无线电技术的背景

随着无线通信技术的发展,人们可以获得的带宽不断地增加,移动通信的数据速率从lOkbit/s增长到2Mbit/s．在不久的将来还可能提高到上百兆比特每秒.即便如此,也无法满足人们日益增长的无线接入需求.为了缓解这一矛盾,一方面,人们不断开发新的无线接入技术,利用新的频段来提供各种业务；另一方面,不断改进各种编码调制方式,提高频谱效率.

然而,由于移动终端天线尺寸和功率的限制,可以用于无线接入的频段十分有限.

根据论文范文通信委员会《FCC）．关于美国3-6GHz频谱资源分配情况的研究结果表明．与日俱增的用户需求使得无线频谱资源面临紧缺的危险.

事实果真如此吗7美国加州大学伯克利分校的实地测量数据向我们展示了另一番景象.由此看来．大量的频谱资源处于空闲状态.

为什么会出现这种频谱资源貌似紧张而实际充足的现象呢?究其原因,主要在于FCC对频谱资源的使用采取了一种频谱所有权”独占”的授权分配政策——即使授权用户没有使用授权频谱,该频段也不能被其它非授权用户使用.这一政策造成频谱资源的巨大浪费.

如此说来,FCC的这种频谱所有权“独占”的授权分配政策愈发不合时宜.因此,不少经济学家相信若这些”独占”频谱拥有者再次出售或出租他们的频段,建立频谱的二级市场,将会消除频谱资源紧缺的现象,或者至少可以大幅提高频谱利用率.

认知无线电正好可以满足这样的要求.随着人们对频谱分配与使用间矛盾的认识的加深,认知无线电技术正逐步受到越来越多业内人士的关注.

二、认知无线电的定义

2.1 Joseph Mitola博士的定义

1999年．Joseph Mitola博士在发表的一篇学术论文中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识描述语言(Radio Knowledge Representation Language. RKRL)”的新语言来提高个人无线业务的灵活性,给出了无线认知环的推理模型：并在文献中提出了频谱池(Spectrum Pooling)的概念．指出采用频谱池技术能够拓展系统的可用带宽,并介绍了如何通过认知无线电技术实现频谱池；在随后的2000年瑞典皇家科学院举行的博士论文答辩中,JosephMitola详细探讨了这一理论.

他认为：“认知无线电这个术语确定了这样一个观点,即无线个人数字助理(Personal Digital Assistant, PDA)和相关的网络具有对于无线资源和相关的计算机与计算机之间通信足够的计算智能,包括：作为用户环境的函数,检测用户的通信需求,并且提供满足这些需求的最适当的无线资源和服务.”

2.2 FCC的定义

近年来,通过监测、分析无线频谱使用状况发现：虽然大部分频谱己经被分配给不同的用户,但是在相同时间,相同地点频谱的使用却非常有限.常常是大部分频点未被使用．而某些热点频率又处于超负荷运行.

美国论文范文通信管理委员会任(FCC)充分注意到这点,开始重新思考新的频谱资源管理政策,并于2003年5月召开了认知无线电研讨会．讨论了利用认知无线电实现灵活使用频谱的相关技术问题.

FCC对认知无线电作出了相对狭隘的一个定义：“认知无线电是指能够通过与工作环境的交互,改变发射机参数的无线电设备.认知无线电的主体可能是软件定义无线电(Software Defined Radio．SDR),但既没有软件也没有现场可编程的要求”.同时,描述了五个可能的应用领域：

·在低人口密度和低频谱使用率（如郊区）的区域可以增加发射功率8dB,

·授权用户以可以中断的方式向认知无线电用户租借频谱；

·利用用户的空间和时间特性动态协调频谱共享；

·促进不同系统间的互操作；

·利用发射功率控制和环境判决实现多跳射频网络(multi-hop RF network).

2.3 Simon Haykin的定义

Simon Haykin教授结合J.Mitola博士和FCC对认知无线电的解释,于2005年2月在一篇名为“Cognitive Radio:Brain -Empowered wireless Communications”的文章里,重新定义认知了无线电：

“认知无线电是一个智能无线通信系统.它能够感知外界环境,并使用人工智能技术从环境中学习,通过实时改变某些操作参数（比如传输功率、载波频率和调制技术等）,使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化,以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用.”

三、认知无线电技术的研究现状

3.1美国方面的研究

在美国,从事认知无线电研究的机构主要有B erkeley.Rutgers. Stanford等大学和Intel. Qualcomm,Candence.TI等公司.其中．伯克利无线研究中心(BWRC)和Rutgers大学WINLAB实验室的工作最为显著.

A．伯克利无线研究中心(BWRC)的研究

以Brodersen教授为代表的研究小组提出一种基于认知无线电使用非授权(unlicensed)频谱的CORVUS体系结构.该结构与德国Karlsruhe大学Fiedrich J．提出的结构非常类似,不同之处在于通过用户分组放宽了对中心控制的要求.

Brodersen等人给出了该系统的基本应用场景,描述了评估系统性能的参数,并且建立了粗略的系统协议功能体系,还提出了与实现相关的几个具体问题,包括：

·跨层设计问题：认知无线电系统的设计需要同时考虑RF前端灵敏度,利用针对特定一级用户的信号处理增益和网络协同共享频谱检测结果；

·提出FR前端的基本体系结构,指出需要在接收机的线性度、采样率、精度与功率之间合理折中：

·提出匹配滤波(Matched Filter,MF).能量检测和周期特性检测三种频谱检测方式,分析了各自的优缺点.

Anant Sahai等人从技术可行性的角度对认知无线电技术进行了探讨,他们试图解决决定认知无线电技术应用的基本理论问题.

他们的研究结果表明：对子能量检测器,由于噪声的不确定性和量化误差,当信噪比(Signal to Noise Ratio．SNR)低于某个门限后,信号具有绝对不可检测性.针对这个问题．Anant Sahai等人提出采用导引符号(Pilots)辅助的方法进行信号检测.同时,他们还在文献中指出,可以根据一级用户和二级用户的距离动态调整后者的发射功率,从而提高系统性能.

B．Rutgers大学WINLAB实脸室的研究

在美国国家自然科学基金(N论文范文C)的资助下．WINLAB实验室与Georgia理工和Lucent Bell实验室联合研发认知无线电实验平台,该平台涵盖了从物理层到网络层的所有功能.同时,该实验室还在进行基于认知无线电技术进行开放的频谱接入算法和协议及其相关技术方面的研究.遗憾的是,目前还没有发现公开发表的相关研究结果.

C．美国军方的研究

美国国防部高级研究计划署(DARPA)也资助了下一代(Next Generation)项目．目的在于使得美国军用通信设备可以检测环境变化,根据所处环境选择频谱,目前尚无公开发表的研究结果.

令人感兴趣的是,美国空军研究机构在WCNC会议上发表了如何通过变换域波形合成的方式实现认知无线电自适应发射波形的方法.这一技术有别于传统O:F DM．是认知无线电技术的又一选择.

由此可见．美国在军、民两方面都对认知无线电技术进行了深入研究．

3.2德国Karlsruhe大学的研究

德国Karlsruhe大学Fiedrich Jondral教授的研究小组在德国论文范文研究和技术部(Federal Ministry of Researchand Technology)移动通信项目的资助下,基于Joseph Mitola的“频谱池”概念,开发出一个基于OFDM技术的中心控制的频谱池体系架构.

这个小组的研究主要集中在以下几个方向：

·分析频谱池技术可能获得的系统带宽利用率增益：

·研究中心控制频谱池系统的关键算法,包括：

A．频谱检测算法：提出了通过多点分布式检测、中心控制点合并决策提高检测性能的物理层boosting信令协议,从理论上分析了这种机制的检测和虚警概率.

B．基于OFDM的物理层技术：分析了OFDM用于频谱池系统将会面临的干扰．提出了时域加成型窗和频域加自适应保护频段（子载波）的解决方案：针对OFDMWLAN(IEEE 802.lla/ HIPERLAN/2)系统．分析了频谱池系统中OFDM同步问题,提出了采用本地长PN序列相关的同步方案.

C．无线资源管理：初步设计了中心控制频谱池系统中无线资源分配的方案,仿真了不同调度算法的性能．提出了频谱池组(Spectrum Pooling Group)切换的思想.

Fiedrich Jondral等人提出的中心控制频谱池系统体系架构为认知无线电思想迈向现实应用提供了一个可借鉴的实例.但是,他们的研究没有考虑很多实现的关键技术,如频谱池系统中OFDM的信道估计与预测、信道编译码和多天线对系统的影响,也没有提供链路级和系统级的性能结果,尤其是没有考虑分布式控制下的频谱池系统.

3.3国内外其它机构的研究

2004年10月,IEEE正式成立IEEE 802.22工作组,别名为”无线区域网络”(Wireless Regional Area Network．WRAN).该工作组致力于开发通过认知无线电技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带(北美为54MHz-862MHz)用作宽带访问线路.其中ETRI、SAMSUNG.飞利浦、摩托罗拉以及华为等多家公司加入了IEEE 802.22工作组的标准化制定过程.目前已有MAC层及物理层初步技术提案,但仍需进一步商榷.

同时．无线世界研究论坛(WWRF)也密切关注认知无线电技术的发展,其第六工作组(WG6)从可重配置的网络无线资源管理的角度,提出认知无线电实现可重配置网络的技术,并讨论了当前的可实现性.

从国内来看,微软亚洲研究院正着手”Nautilus:认知、协作、环境相关的分布式控制下的无线电通信”项目,研究“使用认知无线电的概念,提供端对端(peer to peer)机会光谱访问”.目前,还没有关于认知无线电研究的公开报道或成果发表.

综上所述,关于认知无线电的研究正在从概念和基本理论、需求分析,逐步迈向具体实现.这些研究将涵盖从物理层到MAC层以及无线资源管理直至网络体系架构的整个无线通信领域,最终将走向具体的应用.

四、认知无线电的频谱分配技术

在认知无线电中,为了解决频谱资源的匮乏和目前固定分配频谱利用率低的问题,就要求找到更有效的方法来充分检测和利用无线频谱资源.基本途径有两条：其一．提高频谱利用率,将已授权的用户频谱资源充分利用,减少浪费；其二,提高系统通信效率,将已获得的频谱资源与其他资源综合优化分配,进而提高利用率,这些都涉及到频谱分配的内容.

频谱分配是根据需要接入系统的节点数目及其服务要求将频谱分配给一个或多个指定节点.频谱分配策略的选择直接决定系统容量,频谱利用率以及能否满足用户因不同业务而不断变化的需求.在分配时往往需要考虑系统的应用需要以及系统网络结构等特点,下面对不同的频谱分配技术按性质进行分类.

(1)按分配方式分类

频谱分配技术按分配方式分类一般分为固定频谱分配(Fix Channel Allocation,FCA).动态频谱分配(DynamicChannel Allocation,DCA)和混合频谱分配(Hybrid ChannelAllocation,HCA),本文的第四章将对上述3中分配方式进行描述.在认知无线电中,频谱分配算法的设计要求以对可用频谱的检测以及发射功率控制的要求为基础,选择适应无线环境时间变化特征的频谱分配策略,因此,认知无线电中的频谱分配以动态频谱分配为主.利用动态频谱分配可以提高无线通信的灵活性、频谱利用率,可使授权用户和认知用户之间避免冲突并公平地共享频谱.

(2)按网络结构分类

频谱分配技术按网络结构分类可分为：集中式频谱分配和分布式频谱分配.集中式频谱分配指网络小区中存在一个中心实体（如基站）．完成对小区各用户的频谱分配.在认知无线电中,要求小区用户能够周期性的检测可用频谱,将检测结果报告中心实体,中心实体由此生成频谱分配表完成对频谱的统一管理；分布式频谱分配指网络小区采用分布式结构,无中心控制节点,小区中每一个用户都参与可用频谱的检测和频谱的分配工作,频谱分配结果与节点采用的策略有关.

认知无线电按其自身网络结构特点可采用集中式频谱分配方式或分布式频谱分配方式．目前针对两种方式的研究都有较多成就.

(3)按合作方式分类

频谱分配技术按合作方式分类可分为：合作式频谱分配与非合作式频谱分配.合作式频谱分配指小区中各节点相互合作,节点的频谱分配策略不仅考虑本节点的应用需求,还考虑此策略对其他用户造成的影响.因此,集中式频谱分配都属于合作式分配方式,当然,在分布式网络结构中也存在合作式的频谱分配；非合作式频谱分配指节点的频谱分配策略只考虑节点本身的需要,这类用户可定义为自私用户,在这类分配方式下,系统的频谱利用率较之合作式分配方式会有所下降.

五、频谱分配技术的国内外研究现状

由于认知无线电中用户对带宽的需求、可用信道的数量和位置都是随时变化的,灵活有效的频谱分配算法显得至关重要.为此,国内外各研究机构开展了大量的工作,一些研究成果也已经得到了公认,其它较有价值的研究方向也在不断进行当中.

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(1)频谱共享池(Spectrum Pooling)

为解决认知无线电中的频谱分配问题．认知无线电概念的提出者Joseph Mitola博士提出了频谱共享池这一策略,之后,此概念受到了德国Karlsruhe大学Fiedrich Jondral教授的关注．他领导的研究组在德国论文范文研究和技术部移动通信项目的资助下,开展了频谱共享池相关技术的研究.频谱共享池的基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱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,因此子信道是频谱分配的基本单元.基于频谱共享池策略的动态频谱分配实质上是一个受限的信道分配问题,它是以最大化信道利用率为主要目标的同时考虑干扰的最小化和接入的公平性.

(2)下一代(next Generation,XG)计划

为开展如何更有效地利用频谱资源的问题的研究,美国国防高级研究计划局(The Defense Advanced ResearchProject Agency. DARPA)启动了下一代XG计划,主要致力于开发允许多用户共享使用频谱的技术.其中,实现灵活的频谱分配是XG计划的主要目标之一,如何检测并描述无线电环境,辨认可用频谱以及合理分配频谱构成了整个XG计划频谱共享研究的核心.

(3)端到端可重配置(End-to-End Reconfigurability,E2R)

E2R是欧洲委员会第六框架项目(the 6th FrameworkProgrammer of the European Commission)的一个综合性项目.E2R系统可为多种空中接口、协议和应用提供通用的平台和相关的工作环境,通过基于认知算法的可升级和可重配置的架构来优化资源利用：同时可重配置性可以灵活地修改相关设备的软件设置,提高网络和设备的性能.

E2R系统要求实现12个系统功能：服务级协议、安全、干扰、下载、设备重配置、重配置管理、服务适应、垂直移交,服务供应、系统监测、动态资源管理、频谱转移.其中,动态资源管理主要集中于对频谱分配策略的研究.

(4) IEEE 802.16h

为解决WiMAX发展的频谱匮乏问题．IEEE 802.16成立了IEEE 802.16h工作组,致力于改进诸如增强的媒体接入控制等机制,以确保基于IEEE 802.16的免授权许可系统之间的共存．以及与有授权用户之间的共存.IEEE 802.16h使WiMAX能够满足FCC的要求,作为认知用户使用空白的地面电视频道.在标准修订完善的过程中,灵活高效的频谱分配策略是无线资源管理方向研究的重点.

(5) IEEE 802.22

2004年．IEEE正式成立IEEE 802.22工作组．致力于WRAN标准的制定,目的是使用认知无线电的技术．将分配给电视广播的VHF/UHF频带(北美为54MHz-862MHz)的频率用作无线宽带接入.在标准的制定过程中．WRAN小区与授权用户小区的共存问题引起了业界的广泛研究,其中合理的动态频谱分配政策成为研究的热点问题之一.