感知无线电的关键问题研究
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作者: 廖光源
摘要: 感知无线电技术是在软件无线电技术基础上发展起来的一种新的智能无线通信技术,是软件无线电技术的扩展,它使软件无线电从预先定义协议的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理。感知无线电虽具有独特的优点,但技术并不成熟,本文对感知无线电的无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测、功率控制和频谱管理,无线电知识描述语言等关键问题进行了探讨,希望能够对相关工作的开展提供一些参考。
关键词: 感知无线电;信道;传输场景
一、感知无线电的概念
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信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。
感知无线电技术动态频谱共享是自适应传输技术思想在频谱分配领域的运用。自适应传输使无线通信系统数据传输适应信道传输能力的变化,通过提高数据传输速率来改善频谱利用率。而感知无线电使无线通信系统占用的频谱适应无线环境频谱使用状况的变化,通过增加共享同一频段的系统数、用户数来提高频谱利用率。不管是自适应传输技术还是感知无线电技术,其思想的核心都是无线通信系统能自动地适应外界环境和自身需求的变化。
感知无线电思想可以推广到移动通信其它层面。从低层到高层,要求未来移动通信系统能检测系统各层参数与状态,如链路质量、网络拓扑、业务负载、甚至用户需求,并能适应这些变化。从通信端到端,在存在重叠覆盖多种无线电通信环境下,要求移动设备能够在异构网络间切换,实现包括终端、网络和业务在内的端到端重配置。这也就是所谓的认知网络(Cognitive Network)。
二、感知无线电关键技术分析
作为一种新的智能无线通信技术,感知无线电可以感知到周围的环境特征,采用构建方法进行学习,通过相关描述语言(Radio Knowledge Representation Language,RKRL)与通信网络智能交流,实时调整传输参数,使系统的无线规则与输入的无线电激励的变化相适应,以达到随时随地通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。无线规则指一系列适合无线频谱合理使用的射频带宽、空中接口、相关协议和空间时间模式的设置。感知无线电系统的重构能力很重要,该功能就是以软件无线电作为平台来实现的。重构功能是由软件无线电实现,而感知无线电的其他任务是通过信号处理和机器学习的过程实现,其感知过程开始于无线电激励的被动感应,以做出反应行为而终止,一个基本的感知周期要大致分为3个基本过程,分别是无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测、功率控制和频谱管理,它们的顺序执行使感知无线电系统的感知功能得以实现。
2.1感知无线电技术与动态频谱分配
未来移动通信系统满足用户需求的关键点是提高频谱利用率。移动通信的发展使带来了越来越严重的频率短缺问题。解决频率短缺大致有两类方法,一是扩大可利用的频率范围,二是提高频谱利用率。为增加可用频率,移动通信系统的频率已扩展至300GHZ。无线信道的路径损耗是随频率升高而迅速增加的,所以频率过高并不利于移动通信。因而,更加有效的方法是提高频谱利用率。
提高频谱利用率有三类途径,改进通信设备的传输技术,优化网络、提高组网能力。目前广泛采用这两种途径,但是这两种方法能够获得的频潜利用率增益将越来越少。第三种提高频谱利用率的途径是改进频谱分配方式。
目前国际上主要采用固定频谱分配方式,一个频段只分配给一个无线接入系统,不管分配的频段是否被频率牌照的所有者实际使用,其它无线接入系统不能占用该频段。为提高频谱利用率,可以将一些频段分配给了多个系统,允许它们同时占有同一个频段,甚至一些频段可以开放为不需牌照的频段,允许任意系统占用。尽管固定频谱分配方式能够改善系统干扰问题,但由于频谱的授权系统并不是在任何地区的任何时刻都使用频率,其频谱利用率很低。而简单地允许多个系统共享一个频段,虽然优于独占性的固定频谱分配方式,但由于它对频谱共享没有加以必要的控制,一个系统占用频率前并不知道该频率是否正在被其它系统使用,从而导致了两方面的问题。可见,如果仅仅是简单地允许多个系统共享频谱,而不避免系统间干扰,会制约频谱利用率的提高,并且不能保证通信质量。
为解决频谱短缺与频谱利用率低下的矛盾,可以考虑采用动态频谱分配方式。允许多个系统共享同一频段,各系统只在需要通信时才能占有频段,通信结束就释放频段,而且必须控制系统间干扰,后接入的系统不能影响其它已有系统的通信。为与现有通信系统兼容,分配频段上授权系统有使用频谱的最高优先级,只要不影响授权系统通信,租借系统与授权系统动态共享频谱。这种动态的频谱共享包含时间与空间两方面。在时间上,当授权系统不使用所分配的频率时,租借系统可以占用频率,但当授权系统重新占用频率时,租借系统必须及时地归还频率。
2.2 信道状态估计及其容量预测
信道估计的结果可用来计算信道容量,用于控制发送端的信号能量,可使用香农法则计算信道容量C,但在感知无线电系统中并不直接在发送端传输C的信息,而是量化C,一定的量化率用于反馈发送端,量化比率是预先确定的,所以接收机接收的信息量要小于信道容量C。一般来说,无线系统的传输率是波动的,当其超出一定界限时,就会引起系统的不正常工作,这个界限决定了最大的传输比特率。
2.3 功率控制和频谱管理
2.3.1功率控制
在感知无线电通信系统中功率控制的实现以分布方式进行,以扩大系统工作范围,提高接收机性能。控制发送端功率是感知无线电系统的关键技术之一。在多址接入的感知无线电信道环境中,主要采用协作机制方法,包括规则及协议和协作的Ad hoc网络两方面内容。多用户的感知无线电系统彼此协作工作,基于先进的频谱管理功能,可以提高系统工作性能,支持更多用户接入。
2.3.2动态频谱管理
动态频谱管理也称为动态频谱分配,具有实现系统频谱高效利用的功能。在感知无线电系统中,频谱管理的算法可这样描述:基于频谱空穴和功率控制器的输出,选择一种调制方式以适应时变的无线传输环境,使系统工作在可靠传输的状态下。系统工作的可靠性可由信噪比差额(SNR gap)的大小确定。
2.4无线电知识描述语言
传统的软件无线电不能与网络进行智能交流,因为没有基于模式推理计划能力和没有相关描述语言。在以软件无线电为发展平台的感知无线电研究中,研究表示无线系统知识、计划和所需语言是关键技术,无线电知识描述语言(RKRL)应运而生,它表示了无线规则、系统配置、软件模块、网络传送、用户需求、应用环境等知识。
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