認知無線電與ＷＬＡＮ的融合技術

摘要：隨著無線局域網(WLAN)的迅速普及，有限的可用頻譜資源日益緊張。認知無線電(CR)技術具有動態重用空閑頻譜資源的能力，可以有效提高頻譜利用率，得到了無線通信行業的關注。通過將CR技術與無線局域網相融合，可以為無線局域網提供更為靈活的通信，擴展無線局域網的工作頻段。IEEE 802.11y無線局域網標準的制定進一步推動了CR技術的應用。CR技術與無線局域網融合的過程中，還需要完善包括頻譜感知、頻譜資源共享和分配、動態頻率選擇和傳輸功率控制等技術。

關鍵詞：無線局域網；認知無線電；頻譜資源；IEEE 802.11y

Abstract:With the rapid development of Wireless Local Area Network (WLAN)， the valid spectrum resources are becoming more and more limited over time. With the ability of dynamically reusing the idle spectrum resources and improving the efficiency of spectrum usage， Cognitive Radio (CR) has been paid many attentions. The combination of CR technology and WLAN will provide more flexible communications and extend the valid frequency bands for WLAN. The layout of new WLAN standard IEEE 802.11y will further drive the application of CR. During the combination process， some crucial technologies should be improved， involving spectrum sensing， spectrum resource sharing and allocation， dynamic frequency selection and transmit power control technology.

Key words: wireless local area network; cognitive radio; spectrum resource; IEEE 802.11y

基金項目：國家自然科學基金項目(60572146、60496316)，高等學校博士學科點專項科研基金(20050701007)

認知無線電(CR)[1]技術是繼軟件無線電技術后通信技術的發展熱點，它體現了通信技術從網絡化向智能化的發展。CR技術旨在通過對無線環境的感知，實現動態重用以提高現有頻譜資源的利用率。通過該技術實現的頻譜共享，可以利用大多數的頻譜資源，包括移動通信、廣播電視等所使用的頻段。

CR技術中，通常稱頻段的許可持有者為主用戶，而CR用戶為從用戶。從用戶可以在避免對工作頻段內其他用戶干擾的情況下，實現有效的通信傳輸。因此CR通信終端需要具備如下的能力[2]：

(1) 感知無線環境的能力：通過在通信終端上配備能夠檢測頻譜狀況的功能，實時地探測當前工作區域內的無線環境，獲得所探測頻段范圍內的頻譜使用狀況；具有一定的協同感知和分布式感知能力。

(2) 頻譜管理的能力：根據探測結果，對頻譜資源進行分析和評價，確定時間和空間上可用頻譜資源；根據一定的規則對頻譜資源進行共享和分配。

(3)在線調整工作參數的能力：通過對當前無線環境的實時探測，動態選擇自身的工作頻段和發射功率等參數，以提供高效的可靠通信。同時要能夠及時適應無線環境的變化，避免對所在頻段主用戶的干擾和規避來自主用戶的干擾。

隨著無線通信技術的飛速發展， 頻譜資源變得越來越緊張。自1999年概念被提出以來，CR技術以其難以替代的優勢，日益得到無線通信行業的重視。盡管目前沒有成熟的標準和法規， 但CR將引領下一波有沖擊性的技術革新浪潮。諸多基于CR技術的國際標準也逐漸出現，如IEEE 802.16h和IEEE 802.22。

以IEEE 802.11標準為基礎的無線技術已經成為目前無線局域網(WLAN)技術的主流。通過接入無線網絡實現移動辦公已經成為很多人生活方式的一部分。隨著無線局域網的普及，免授權國家信息基礎設施頻段的無線通信終端(遵循Wi-Fi規范)在其工作的免授權國家信息基礎設施(U-NII)頻段，通信業務非常繁忙，近乎達到飽和狀態，這樣的工作頻段已無法滿足新的業務請求。更多的可用頻段可以提供更多的可用信道，這正是所期望的解決WLAN頻段擁擠問題的方法。因此CR技術對于WLAN而言更具有吸引力。

1 CR在無線局域網標準中

的應用

現有的無線局域網標準中，IEEE 802.11系列標準被廣泛的應用。然而如IEEE 802.11a無線局域網標準所使用的5 GHz頻段中還存在其他的設備，如雷達，因此保證無線局域網的工作頻段不受到這類設備的干擾是困難的。聯邦通信委員會(FCC)等法規機構要求IEEE 802.11a無線電能檢測雷達信號并避免對它們形成干擾，于是IEEE 802.11工作組制定和發布了IEEE 802.11h無線局域網標準[3]。從CR的角度看來，IEEE 802.11h無線局域網標準可以認為是CR技術在無線局域網中的初步應用。

IEEE 802.11h標準的出現解決了無線局域網與雷達設備的共存問題。對于CR技術，該標準的主要貢獻在于引入兩個重要的概念：動態頻率選擇(DFS)和發射功率控制(TPC)。

ERC/DEC/(99)23要求工作在5 GHz的WLAN設備需要引入DFS技術來避免和雷達系統使用相同的信道，同時能夠均衡的使用所有可用信道。DFS技術可以實現對當前工作信道和其他信道的檢測，能夠在檢測到雷達設備的時候中止當前的傳輸并切換到新的信道恢復工作。這一技術也可以用于動態頻率規劃等方面。

同時要求工作在5 GHz的WLAN設備使用發射功率控制技術，在滿足工作信道傳輸要求的基礎上，實現對最大傳輸功率的控制來降低對其他設備的干擾。這一技術也可以用于控制網絡覆蓋范圍和降低能量損耗。

另一項CR技術的應用是Atheros公司推出的基于Super G技術的無線局域網技術。該技術中加入了自動檢測周圍其他無線局域網運行的功能，可以根據檢測到的鄰近無線局域網用戶情況自適應地調整信道占用方式，最大限度提高系統傳輸速率。

然而上述標準中所引入的信道檢測和選擇的技術還僅僅是CR功能的開始。在不增加可用頻段的前提下，少量的有限的可用信道依然難以從根本上滿足無線局域網廣泛應用的需求。這正是CR技術真正要解決的問題，也催發了新的無線局域網標準的產生。

2 IEEE 802.11y無線局域網標準

2005年7月，FCC開放了用于固定衛星服務網絡的3.65 GHz～3.7 GHz頻段。IEEE 802.11y工作組計劃開發新的無線局域網標準以工作在該頻段，同時計劃提出一種標準的機制用于避免與該頻段內的其他用戶形成干擾[4]。

IEEE 802.11y標準的目標是對在與其他用戶共享的美國3.65 GHz～3.7 GHz頻段中進行IEEE 802.11無線局域網通信的機制進行標準化。IEEE 802.11y中定義了傳輸初始化的過程，確定信道狀況(是否可用)的方法，檢測到信道忙時重傳的機制等諸多內容。標準中主要包含如下的多個機制：

新的調整等級：通過提供了不同的頻道帶寬和操作參量，允許IEEE 802.11網絡通信并移動到任何新的頻率，改變頻譜覆蓋用以提高性能或使用者的容量，并建立新的通信規則和工作參數。該機制是對IEEE 802.11j標準進行的擴展。

感知技術：通過多種基于能量和基于特征的感知技術，實現多分辨率的無線環境監測規程。該機制是對IEEE 802.11a標準的擴展。

傳輸功率控制技術：由IEEE 802.11h標準擴展獲得。

動態頻率選擇技術：由IEEE 802.11h標準擴展獲得。

由于IEEE 802.11系列標準沒有考慮在3.65 GHz～3.7GHz這樣的非獨占頻段中實現數據傳輸服務，因此IEEE 802.11y標準需要在IEEE 802.11h的“動態頻率選擇”和“傳輸功率控制”技術的基礎上進行改進實現。

此外，IEEE 802.11y新的標準的設計還考慮了和其他系統的共存的機制，如同樣可以工作在3.65 GHz～3.7GHz頻段的IEEE 802.16h系統。這些機制有利于動態頻譜交換的實現和其他CR應用的共存問題的解決。

2006年12月，IEEE 802.11y標準的第一份草案已經提出。由于IEEE 802.11y將提供無線局域網標準中的新的物理層選擇，我們可以在未來幾年看到更多支持工作在該頻段的網絡設備的出現。

3 CR在WLAN應用中的主要技術

無線局域網具有工作區域小，工作地點靈活等特點。對于WLAN而言，其所面臨的無線環境相對簡單，更有利于CR技術的實現。CR的特殊性，要求其實現上必然依賴諸多主要技術。

3.1 頻譜感知技術

CR中的頻譜感知包含兩個方面，帶內檢測和帶外檢測。從用戶在工作時必須頻繁地對當前工作頻段和其他頻段進行感知操作。對當前工作頻段感知的目的是檢測頻段是否出現主用戶。當出現主用戶時可以進行快速的規避，放棄對當前工作頻段的占用，從而避免對主用戶形成干擾。對其他頻段感知的目的是對周圍其他頻段的頻譜使用狀況進行測量。一方面在當前工作頻段不可用時，可以及時切換到其他可用的工作頻段，另一方面，可以利用新的可用頻譜資源擴展工作頻段，從而提高傳輸速率和網絡的容量。同時進行頻譜感知有利于頻譜資源的管理，共享和交換。

頻譜感知的方法主要包括基于能量的和基于信號特征的檢測[5-6]。而后者由于需要工作頻段內主用戶信號特征的先驗知識，所以限制了應用的范圍。

式(1)給出了基于能量的檢測中在給定錯檢概率PFA的情況下的漏檢概率PMD。其中N 為采樣點數，SNR為從用戶處接收到主用戶信號的信噪比。從該式可見隨接收信噪比的降低，漏檢概率將快速惡化。同時進一步研究表明，基于能量的檢測在噪聲不確定的實際無線環境中，其檢測性能更難以令人滿意。

受傳播損耗和陰影衰落影響，無線局域網可能出現只有距離主用戶較近的從用戶可以探測到主用戶工作的情況。而通常無線局域網中采用載波偵聽多路訪問/沖突避免CSMA/CA多址協議，這種協議無法保證探測到主用戶出現的從用戶能及時地競爭到信道并將消息廣播出去，無法實現對主用戶的及時規避。這個問題可以通過兩種途徑解決：

(1) 增加公共控制信道用于信令的傳輸。Pawelczak等人提出了一個簡單的CR媒體接入控制( MAC)協議[7]，將IEEE 802.11標準的MAC協議進行改進以滿足控制信道的需求。

(2) 采用分布式感知和協同感知技術。文獻[8]和文獻[9]分別給出了幾種協同感知的方法，可以有效提高頻譜探測的性能和實時性。

CSMA/CA協議為隨機多址協議，我們并不能預測在下一個時隙將由哪一個用戶向哪一個用戶發送報文。而在單天線的系統中，當接收用戶處于在對其他信道進行探測的狀態時，是無法接收到來自對應發送用戶的報文的。這種情況將導致重傳的發生，是我們所不希望的。通過分布式感知和協同感知技術，可以降低單次感知所需要的時間，從而減少重傳的發生。另外可以為每個用戶終端設備配備兩個獨立的全向天線，分別用于數據傳輸和頻譜探測功能。

3.2 正交頻分復用技術

正交頻分復用(OFDM)的基本原理是把高速數據流進行串并變換，形成傳輸速率相對較低的若干個并行數據流，然后分別在不同的子信道中傳輸。可用載波被劃分為多個正交的子載波或通道，每一子載波傳輸通信數據的一部分。每一個子載波的狀況，包括發射功率、比特速率及是否使用，可以分別進行設定。

CR用戶工作的頻段可能存在多種不同類型頻譜空洞。通過OFDM技術減少子載波可以利用所覆蓋頻段范圍內的多個頻率上不連續的頻譜空洞，將分散的頻譜空洞拼接成一個連續的頻譜空洞用于數據傳輸。利用OFDM技術的特點，系統既能夠使用頻域內連續的多個信道，即信道連接模式，也能夠使用頻域內不連續的多個信道，即信道聚合模式。對多信道支持的特性可以采用信道分組與匹配機制以減少一些相關控制信息的開銷。

IEEE 802.11y中提供了5 MHz、

10 MHz、20 MHz等多種帶寬的選擇，借助OFDM多載波技術，可以實現多種帶寬的快速切換，從而提高系統的魯棒性和靈活性。除切換信道外，WLAN系統也可以利用OFDM的特點，通過調整參數來避免干擾的形成，包括：

將所用帶寬從20 MHz調整至10 MHz或5 MHz，避開主用戶的工作頻段。

降低對應載波得發射功率和調制方式，分多步將數據傳輸率從54 Mb/s調整到1 Mb/s。

3.3 動態頻率選擇技術和傳輸功率控制技術

動態頻率選擇技術的基礎是感知技術。動態頻率選擇技術通過對當前工作信道和其他信道的感知結果，借助OFDM技術，采取調整帶寬或切換信道的方法，及時地在主用戶出現時進行工作頻段的退避。動態頻率選擇技術能夠實現通信的持續進行，為網絡的可靠傳輸提供保證。信道切換能力是動態頻率選擇技術中的重要功能。在無線局域網標準中，信標幀是可以實現無沖突發送的。因此可以借助信標幀進行信道切換等信令的傳輸。

而對于傳輸功率控制技術而言，其關鍵是可以實現對任意用戶間傳播損耗的估計和用戶處噪聲的測量，根據這些信息，在保證誤碼率的情況下，盡量降低發射功率從而減少對主用戶的干擾。

3.4 頻譜資源的共享與分配技術

通常WLAN中所包含的用戶數量是很有限的，對于無線頻譜感知也僅局限于工作區域內的部分頻率范圍。將大量時間進行無線頻譜的探測是不現實的，同時對區域外主用戶的探測也是不理想的。頻譜資源的共享與分配技術中，通過多個網絡對頻段的探測，經過信息交換，任何一個網絡都可以構造網絡附近的無線頻譜的使用狀況，進而可以無沖突分享可用的網絡資源。該技術的實現將涉及：

不同網絡間的信息交換方法。網絡之間的通信是通過共存信標協議(CBP)[10]和接入點間通信兩種方法實現，同時可以解決系統間的共存問題。

頻譜資源的分配方法。分布式的頻譜資源共享和分配的實現可以借助博弈理論。文獻[11]中提出了無線頻譜資源交換的策略，通過虛擬貨幣等方式，采用如遞增叫價的拍賣算法等方法實現不同網絡中頻譜資源的拍賣。

4 結束語

無線局域網的廣泛應用，凸顯出無線頻譜資源的緊張。而CR技術作為一種有效提高無線頻譜資源利用率的新技術，日益得到人們的關注。基于CR技術，已有諸多標準即將產生，如IEEE 802.22、IEEE 802.16h和IEEE 802.11y。在已有的無線局域網協議的基礎上，推動CR技術與無線局域網技術的融合，必將為無線局域網的普及鋪平道路。縱觀IEEE 802.11系列無線局域網標準的發展，我們可以期望未來幾年內見到更多模式，功能更強大和靈活的無線網絡終端，在這些設備上的投資前景將會非常樂觀。當然不可否認的是，CR技術的應用依然會受到國家相應無線電政策法規的約束，CR技術的發展終將在可控的情況下進行。

5 參考文獻

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