認知無線電標準化進展

摘要：認知無線電技術(shù)的出現(xiàn)，為解決頻譜資源不足、實現(xiàn)頻譜動態(tài)管理及提高頻譜利用率提供了強有力的技術(shù)支撐。隨著認知無線電技術(shù)的發(fā)展，各標準化組織和行業(yè)聯(lián)盟也紛紛開展相關(guān)的研究，并且開始著手制訂認知無線電的標準和協(xié)議。美國電氣電子工程師學(xué)會(IEEE)、國際電信聯(lián)盟(ITU)和軟件無線電(SDR)論壇是研究認知無線電相關(guān)標準的主要組織和行業(yè)聯(lián)盟，相關(guān)的標準制訂工作推進了認知無線電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：認知無線電；標準化進展；IEEE 802.22；IEEE 802.16h；IEEE P1900

Abstract: The cognitive radio technology provides a strong technical support to resolve spectrum resource scarcity; it implements dynamic spectrum management and improves spectrum efficiency. With the development of cognitive radio， many standard organizations and industrial unions have initiated pertinent research， and constituted corresponding standards and protocols. The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)， the International Telecommunication Union (ITU)， and the Software Defined Radio (SDR) Forum are the main bodies whose researches promote the development and application of cognitive radio.

Key words: cognitive radio; standardization status; IEEE 802.22; IEEE 802.16h; IEEE P1900

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(60496313)

用戶對多媒體通信業(yè)務(wù)需求的增加，使得通信系統(tǒng)對無線頻譜資源的需求也不斷增加。近年來出現(xiàn)許多無線通信理論與技術(shù)，如鏈路自適應(yīng)、正交頻分復(fù)用(OFDM)以及多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)等，以解決無線頻譜資源緊張的問題。這些技術(shù)在一定程度上提高頻譜利用率，但其提高的程度有限，遠遠不能滿足用戶的通信需求。認知無線電技術(shù)的提出，為解決頻譜資源不足、實現(xiàn)頻譜動態(tài)管理及提高頻譜利用率提供了強有力的技術(shù)支撐。

1 認知無線電的定義

1999年，Joseph Mitola Ⅲ博士首先提出認知無線電的概念，2000年進一步系統(tǒng)地闡述了認知無線電的概念和方法，并明確給出認知無線電的定義[1]。

2003年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)給出了認知無線電的狹義定義[2]。從狹義上講，認知無線電是指能夠通過與工作環(huán)境交互，改變發(fā)射機參數(shù)的無線電設(shè)備，其主體可能是軟件無線電，但既沒有軟件也沒有現(xiàn)場可編程的要求。

從廣義上講，認知無線電以靈活、智能、可重配置為顯著特征，通過感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，有目的地實時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計變化，從而實現(xiàn)任何時間、任何地點的高可靠通信以及對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有限的無線頻譜資源進行高效地利用。

從定義上看，認知無線電的主要出發(fā)點就是使無線用戶之間實現(xiàn)頻譜資源共享。目前，大多數(shù)頻段已根據(jù)不同應(yīng)用目的分配給相應(yīng)的頻段使用者(或稱授權(quán)用戶)，利用認知無線電技術(shù)實現(xiàn)頻譜資源共享是否真的可行？美國FCC的報告[3]指出，當(dāng)前面臨的最主要問題不是頻譜資源稀少，而是現(xiàn)有固定分配方式導(dǎo)致頻譜資源沒有充分利用。

隨著認知無線電技術(shù)的發(fā)展，各標準化組織和行業(yè)聯(lián)盟也紛紛開展相關(guān)的研究，并且開始著手制定認知無線電的標準和協(xié)議，以期推動該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

2 認知無線電相關(guān)標準的進展情況

目前涉及認知無線電標準制訂的組織和行業(yè)聯(lián)盟主要是美國電氣電子工程師學(xué)會(IEEE)、國際電信聯(lián)盟(ITU)和軟件無線電論壇等。

2.1 IEEE相關(guān)標準

IEEE對于認知無線電技術(shù)的標準化推進工作比較積極，目前正在制訂的與認知無線電相關(guān)的標準主要包括：IEEE 802.22[4]、IEEE 802.16h[5]、IEEE P1900[6]、 IEEE 802.11h[7]以及IEEE 802.11y[8]等。

(1) IEEE 802.22標準

2004年10月，IEEE正式成立了IEEE 802.22工作組，這是第一個世界范圍的基于認知無線電技術(shù)的空中接口標準化組織。

IEEE 802.22也被稱為無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WRAN)，系統(tǒng)工作于54 MHz ~ 862 MHz的VHF/UHF頻段上未使用的TV信道，工作模式為點到多點。該工作組目的是利用認知無線電技術(shù)將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶用作寬帶接入。

為了與TV頻道的授權(quán)用戶共存，802.22系統(tǒng)的物理層(PHY層)和媒體接入控制層(MAC層)協(xié)議應(yīng)該允許基站根據(jù)感知結(jié)果，動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的功率或者工作頻率，還應(yīng)包括降噪機制，從而避免對TV頻道的授權(quán)用戶造成干擾。現(xiàn)有的IEEE 802.22標準提案對空中接口進行了規(guī)范，包括PHY層與MAC層的規(guī)范，MAC層和PHY層協(xié)議棧對于所有被支持的服務(wù)都是相同的。

根據(jù)IEEE 802.22標準提案，PHY層可細分為一個會聚子層和一個物理媒體(PMD)子層，PMD是PHY層的主要部分，而會聚子層能自適應(yīng)映射MAC層的特定需要到通用的PMD服務(wù)，IEEE 802.22協(xié)議在PHY層上增加了頻譜感知功能，通過本地頻譜感知技術(shù)以及分布式檢測等方法，來可靠地感知某時刻、某地區(qū)的電視頻段中各子信道是否被授權(quán)的電視信號(ATSC、DVB-T、DMB-T等制式)占用，以使得認知用戶能夠在對授權(quán)用戶系統(tǒng)不造成干擾的情況下接入空閑的電視頻段，充分利用有限的頻譜資源；而MAC層的協(xié)議設(shè)計不同于以往，除提供媒介接入控制等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)能力，還以共存為主要目的，為與授權(quán)用戶共存和保護授權(quán)用戶提供了豐富的手段，并且引入了一個新穎的共存信標協(xié)議(CBP)來使得那些具有重疊覆蓋區(qū)域的802.22基站可以協(xié)作和有效地分享寶貴的頻譜資源。另外，還提供了信道管理和測量功能，這使得MAC層在頻譜管理上更加靈活和有效。

(2) IEEE 802.16h標準

1999年，IEEE成立了802.16工作組專門開發(fā)寬帶固定無線技術(shù)標準(WiMAX)，目標就是要建立一個全球統(tǒng)一的寬帶無線接入標準。但是，隨著802.16系列規(guī)范的不斷制訂和完善，頻譜資源問題成為制約技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題，為此，2004年12月，專門成立了致力于解決共存問題的802.16h工作組，利用認知無線電技術(shù)使802.16系列標準可以在免授權(quán)頻段獲得應(yīng)用，并降低對其他基于

IEEE 802.16免授權(quán)頻段服務(wù)用戶的干擾。同月，IEEE 802.16h工作組公開征集提案，主要針對802.16h規(guī)范涉及的具體方面、新系統(tǒng)對授權(quán)用戶產(chǎn)生的沖突影響、802.16不同PHY層模式下的共存機制、802.16-2004標準中現(xiàn)有的免授權(quán)頻段服務(wù)支持以及802.16h標準制定的主要目標等。2005年1月，確定了IEEE 802.16h標準的具體涉及內(nèi)容，其主要思路是在IEEE 802.16制定的QoS要求下，讓多個系統(tǒng)共用資源。目前公布的最新版本為2006年8月的版本。

IEEE 802.16h標準由License-

Exempt Task Group 所制定，致力于改進諸如策略和媒介接入控制等機制，以確?；贗EEE 802.16的免授權(quán)系統(tǒng)之間的共存，以及與授權(quán)用戶系統(tǒng)之間的共存。

(3) IEEE 1900標準

IEEE 802 .22 和 802.16h都只是認知無線電的簡單應(yīng)用，為了進一步研究認知無線電，IEEE于2005年成立了IEEE 1900標準組，進行與下一代無線通信技術(shù)和高級頻譜管理技術(shù)相關(guān)的電磁兼容研究。該工作組對于認知無線電技術(shù)的發(fā)展及與其他無線通信系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與共存有著極其重要的意義。

IEEE 1900目前包括IEEE 1900.1、IEEE 1900.2、IEEE 1900.3和IEEE 1900.4這4個工作組。IEEE 1900.1工作組的任務(wù)是解釋和定義有關(guān)下一代無線電系統(tǒng)和頻譜管理的術(shù)語和概念，主要澄清術(shù)語并且弄清各個技術(shù)之間的關(guān)系，提供對技術(shù)的準確定義和對關(guān)鍵技術(shù)的解釋，如頻譜管理、政策無線電、自適應(yīng)無線電、軟件無線電等，目前標準草案最新版本是v0.28版本。IEEE 1900.2工作組主要為干擾和共存分析提供操作規(guī)程建議，提供分析各種無線服務(wù)共存和相互間干擾的技術(shù)指導(dǎo)方針，其項目提案需求書(PAR)預(yù)計提交投票和項目完成時間分別是2008年2月和8月。IEEE 1900.3工作組主要為軟件無線電的軟件模塊提供一致性評估的操作規(guī)程建議。提供分析軟件定義無線電的軟件模型以保證符合管理和操作需求的技術(shù)指導(dǎo)方針。其PAR中指出將在2008年9月將草案提交投票，預(yù)計項目結(jié)束時間是2009年9月。IEEE 1900.4工作組主要任務(wù)為動態(tài)頻譜接入的無線系統(tǒng)提供實際應(yīng)用、可靠性驗證和評估可調(diào)整性能。在第一階段，標準將限于結(jié)構(gòu)和功能定義，而后一階段將著重于與信息交換有關(guān)的協(xié)議定義。該標準預(yù)期2009年2月完成。

(4) IEEE 802.11h標準

從表面上看，IEEE 802.11h似乎不是有關(guān)認知無線電的標準。但是，802.11h協(xié)議中的一個關(guān)鍵內(nèi)容：動態(tài)頻譜選擇實際上已經(jīng)屬于認知無線電的范疇。IEEE 802.11h為“無線局域網(wǎng)媒體接入控制和物理層規(guī)范，歐洲5 GHz頻段頻譜和發(fā)射功率管理擴展”協(xié)議，其修改了IEEE 802.11a PHY層標準，增強了5 GHz頻段的網(wǎng)絡(luò)管理、頻譜控制和傳輸功率管理功能，提高了信道能量測量和報告、多個管理域的信道覆蓋、動態(tài)信道選擇和傳輸功率控制機制，及其在協(xié)議中的一些定義和術(shù)語。

(5) IEEE 802.11y

IEEE 802.11y是802.11協(xié)議族中基于競爭的協(xié)議，主要制定標準化的干擾避免機制，同時方便今后新頻段的應(yīng)用，其應(yīng)用頻段主要是2005年7月FCC向公眾應(yīng)用開放的原來用于衛(wèi)星服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的3.65 GHz～3.7 GHz頻段，為該頻段的寬帶無線業(yè)務(wù)分配提供補充和改善。

2006年11月的會議上，將原802.11y草案0.02重新命名為P802.11y草案1.0。

2.2 ITU-R

ITU 關(guān)于認知無線電的研究工作目前仍隸屬于ITU-R8 A工作組中的軟件無線電研究課題。因為軟件無線電不足以涵蓋認知無線電的所有范疇，所以ITU-R于2006年3月提出一項新的建議，將認知無線電單獨作為一個研究課題進行研究，這說明ITU已經(jīng)充分認識到認知無線電技術(shù)在未來通信發(fā)展中的重要意義。

2.3 軟件無線電論壇

2003年8月軟件無線電論壇就開始探討放松當(dāng)前嚴格的頻譜劃分政策的可能性，研究通過開發(fā)新的智能無線電設(shè)備從而提高頻譜利用效率。該論壇于2004年10月成立了認知無線電工作組與認知無線電特殊興趣組，專門開展有關(guān)認知無線電技術(shù)的研究。認知無線電工作組主要任務(wù)是標準化認知無線電定義及確認可用于認知無線電的技術(shù)。特殊興趣組的任務(wù)是對工作組所確認的技術(shù)確定商業(yè)應(yīng)用的價值。鑒于軟件無線電論壇的特殊任務(wù)，目前主要致力于開展認知無線電平臺的分析和多模式調(diào)整功能的研究。

2006年4月，軟件無線電論壇于舊金山召開了認知無線電工作組會議。2006年6月軟件無線電論壇對認知無線電技術(shù)可能面臨的挑戰(zhàn)進行了討論。2006年11月軟件無線電論壇也組織了認知無線電的專題討論會。2007年1月軟件無線電論壇會議上，認知無線電與頻譜效率工作組決定對FCC相關(guān)的一些工作做出回應(yīng)。

2.4 DARPA XG

美國國防部高級研究計劃署(DARPA)于2003年成立了下一代通信計劃(XG)，著眼于開發(fā)認知無線電的實際標準和動態(tài)頻譜管理標準，計劃研制以認知無線電為核心的系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù)，以實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入和共享。該項目將研制和開發(fā)頻譜捷變無線電，這些無線電臺在使用法規(guī)范圍內(nèi)，可以動態(tài)自適應(yīng)變化的無線環(huán)境，在不干擾其他正常工作無線電臺的前提下，使可以接入的頻譜范圍擴大近10倍。

2003年開始，Raytheon公司與DARPA簽訂了下一代無線通信計劃的合同，從事認知無線電相關(guān)的技術(shù)研究與開發(fā)。其許多研究成果未公開，目前公開可查的資料為XG的結(jié)構(gòu)框架文檔1.0版本以及XG項目文檔2.0版本[9]。2006年9月，DARPA啟動無線自適應(yīng)項目，計劃通過智能適應(yīng)與更大的節(jié)點密度減少設(shè)備代價。另外，DARPA計劃在2007年8月，進行有25個XG節(jié)點的系統(tǒng)現(xiàn)場實驗。

在XG已公開的標準提案中對PHY層和MAC層進行了規(guī)范，并制定了分階段實現(xiàn)的思想，初始階段對現(xiàn)有MAC層與PHY層進行修改，如物理增加了XG控制模塊，而MAC層增加了XG處理模塊，然后逐步演進，最終實現(xiàn)具有完全認知特性的MAC層和PHY層。XG控制模塊對部分特定幀進行識別然后進行相應(yīng)處理。而XG處理模塊利用物理層發(fā)送和交換頻譜利用信息，各XG處理模塊彼此協(xié)調(diào)，執(zhí)行動態(tài)頻譜共享，限制對授權(quán)用戶的干擾，還產(chǎn)生物理層的狀態(tài)信息。

3 結(jié)束語

認知無線電技術(shù)的應(yīng)用，無疑為頻譜資源的充分利用提供了非常有力的支持。業(yè)界對認知無線電技術(shù)研究的關(guān)注，推動著認知無線電相關(guān)標準的制訂，反過來，標準制訂工作的推進也對認知無線電技術(shù)的實際應(yīng)用推波助瀾。

4 參考文獻

[1] MITOLA Ⅲ J. Cognitive radio: An integrated agent architecture for software defined radios [D]. Stockholm， Sweden: Royal Institute Technology (KTH)， 2000.

[2] FCC. Notice of proposed rule making and order [R]. FCC Et Docket no. 03-322， 2003.

[3] FCC. Spectrum policy task force report [R]. Tech. Rep 02-155， 2002.

[4] IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee 802.22 WG [EB/OL]. http://www.ieee802.org/22/.

[5] IEEE 802.16’s License-Exempt (LE) Task Group [EB/OL]. http://www.ieee802.org/16/le/.

[6] IEEE P1900 Working Group [EB/OL]. http://grouper.ieee.org/groups/emc/emc/1900/

index.html.

[7] IEEE Std 802.11h?-2003 Part 11. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 5: Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the 5 GHz band in Europe [S]. 2003.

[8] IEEE P802.11-Task Group Y-Meeting Update: Status of project IEEE 802.11y [EB/OL]. http://grouper.ieee.org/groups/802

/11/Reports/tgy_update.html.

[9] The XG Vision.V2.0 [EB/OL]. http://www.ir.bbn.com/projects/xmac/vision.html.

收稿日期：2007-03-16