干擾溫度機制的研究進展

摘要：干擾溫度機制是美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)為應用認知無線電(CR)技術以提高頻譜利用率而提出的一種方法，在一定的范圍內有著廣泛的應用前景。但是實施干擾溫度機制存在一些問題，特別是干擾溫度檢測方法中隱蔽站、暴露站的問題，處理不好將直接導致CR技術無法應用。適當?shù)母淖兪跈嘤脩艚邮諜C使其發(fā)送信標信號可以有效的緩解這些問題。應用智能天線技術可以更好地利用空域信息以減小非授權用戶對授權系統(tǒng)的干擾及非授權用戶之間的相互干擾，促進CR技術的應用與頻譜的共享。

關鍵詞：認知無線電；干擾溫度；隱蔽站；暴露站；智能天線

Abstract:The interference temperature mechanism is put forward by the Federal Communications Commission (FCC) to increase the utility of spectrum using the Cognitive Radio (CR) technology， which has a wide application foreground in a certain area. But， there are some problems with the interference temperature mechanism such as the interference temperature detection， especially the detection of the hidden station and the exposed station， which will cause the inefficacy of the CR technology based on interference temperature mechanism. These problems will be effectively improved by making the receiver of the licensed user to send a beacon signal. The application of smart antenna technologies would be feasible to promote the application of CR technology and the sharing of spectrum. By using the space domain information， it effectively reduces the interference between the unlicensed user and the licensed user， as well as the interference between the unlicensed users.

Key words: cognitive radio; interference temperature; hidden station; exposed station; smart antenna

干擾溫度機制是美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)為應用認知無線電(CR)技術以提高頻譜利用率而提出的一種方法[1]。2002年，F(xiàn)CC專門成立了頻譜政策特別工作組(SPTF)來研究CR技術，提出利用授權用戶的信噪比裕量，使非授權用戶和授權用戶同時使用同一頻段進行工作，以自適應的、動態(tài)的方式實現(xiàn)多用戶的頻譜資源共享，最大限度地提高頻譜利用率。2003年，F(xiàn)CC在法規(guī)制定提案通告(NPRM)[2]中，明確了這種在授權用戶預留頻譜上承載非授權通信的方式，干擾溫度機制是其關注焦點。

根據(jù)香農定理，在噪聲與信號獨立的高斯白噪聲信道中，信道容量和系統(tǒng)信噪比有關。提高信噪比可以增加信道容量；反之，可以通過損失部分信道容量來降低對系統(tǒng)工作信噪比的要求。基于這種考慮，利用現(xiàn)有授權用戶系統(tǒng)的信噪比冗余量，可使授權系統(tǒng)損失部分信道容量允許非授權用戶接入工作。這樣，既保證了原有授權系統(tǒng)的正常運行又為新的非授權用戶提供了工作的機會，從而提高了頻譜利用率。

基于干擾溫度機制的CR技術，在學術界引起了廣泛的關注和討論，包括Wi-Fi聯(lián)盟、高通公司、Sprint公司、Shared Spectrum公司等在內的一系列通信運營商也參與其中。很多系統(tǒng)工作者和科研人員認為開發(fā)新的頻譜管理機制是必要的，但質疑干擾溫度機制的有效性和合理性。本文將對干擾溫度機制的提出、應用及發(fā)展情況作一總結。

1 干擾溫度機制的提出

在CR頻率共享系統(tǒng)中，當授權用戶與非授權用戶共享同一段頻譜工作時，必須首先確保授權用戶的正常工作。系統(tǒng)需要預先估計授權系統(tǒng)可以接受的干擾值，預測引入非授權用戶后在授權用戶接收機處帶來的干擾，依此來判斷是否允許非授權用戶的加入。因此在頻率共享系統(tǒng)中，干擾控制措施，即功率控制方式顯得極其重要。

在現(xiàn)有的傳統(tǒng)頻率復用蜂窩通信系統(tǒng)中，功率控制是一種以發(fā)射機為中心的方式，基站通過檢測上行鏈路各個用戶的信號強度，既可以完成下行的發(fā)射功率控制，也可以通過反饋信道控制移動臺上行的發(fā)射功率。該方式的缺點是基站無法解決外來的干擾源對移動臺通信質量的影響。而在CR頻率共享系統(tǒng)中測量非授權用戶接入引起的干擾值的過程，實際上是測量大量外來干擾源的介入影響。因此，傳統(tǒng)的以發(fā)射機為中心的功率控制方法不再有效，必須尋求新的干擾功率控制的解決方案。針對這一問題，F(xiàn)CC提出了一種以接收機為中心的、接收機與發(fā)射機交互式的自適應功率控制方式，傳統(tǒng)基站所扮演的角色將很大程度上由分散的接收機來承擔。

這一提案的基礎是干擾溫度機制：通過接收機端的干擾溫度來量化和管理無線通信環(huán)境中的干擾源。在干擾溫度機制中，干擾溫度用來表征非授權用戶在共享頻段內對授權用戶接收機產(chǎn)生的干擾功率和授權接收機處系統(tǒng)噪聲功率之和，類似于熱噪聲功率可以用等效噪聲溫度來進行描述：Pn =K·T·B，Pn 為噪聲功率，B為相關的RF帶寬，K為波爾茲曼常數(shù)，T為熱噪聲溫度，干擾溫度是干擾功率的另一種表示形式。

同時設定一個保證授權用戶系統(tǒng)正常運行的“干擾溫度門限”，該門限由授權用戶系統(tǒng)能夠正常工作的最壞信噪比決定。非授權用戶作為授權用戶的干擾，一旦累積干擾超過了干擾溫度門限，授權用戶系統(tǒng)就無法正常工作；反之，可以保證授權用戶與非授權用戶同時正常工作。

干擾溫度機制的目的是更好地量化和管理干擾，并在確定的頻段上增加更多的非授權操作。相比以往僅基于發(fā)射機操作的簡單評估方式，干擾溫度模型基于實際的環(huán)境以及發(fā)射機與接收機間的交互，考慮了所有干擾源的累積效應。當某非授權用戶裝置發(fā)現(xiàn)自己的發(fā)射會導致干擾溫度超過門限時，就選擇不同的發(fā)射頻率，如沒有可用頻率，則停止發(fā)射直到情況允許。

2 干擾溫度機制的執(zhí)行過程

這種預測外來非授權用戶干擾的方法就稱為干擾溫度機制，其執(zhí)行過程涉及3個方面，如圖1所示：

以某種方式準確地測量出授權接收機處的干擾溫度，即非授權用戶必須明確目標頻帶內現(xiàn)有的通信用戶的工作狀況，定量計算目標頻帶里可接受的干擾噪聲的水平，并預測自己的接入會對原有授權用戶接收機產(chǎn)生的干擾。

設置一個合理的“干擾溫度門限”，只要引入非授權用戶后產(chǎn)生的附加干擾溫度值不超過預先設定的門限，系統(tǒng)就可以正常工作。

有效地控制非授權用戶的累積干擾，使授權用戶接收機處的干擾溫度不超過既定門限，從而確保授權用戶系統(tǒng)的正常工作。

3 干擾溫度機制的應用

基于干擾溫度的概念，F(xiàn)CC給出了CR的定義[2]：CR可以在各頻段自動感知非授權用戶在授權用戶接收機處產(chǎn)生的干擾溫度值，若在某頻段上非授權用戶在授權用戶接收機處產(chǎn)生的干擾溫度小于系統(tǒng)預先設置的干擾溫度門限，則該非授權用戶就可以接入此頻段工作，否則就繼續(xù)尋找另外的可用頻段。這樣既保證了授權系統(tǒng)的正常工作，又為非授權用戶提高了工作機會，最大化地提高了頻譜資源的利用率。

FCC提出的這種CR概念的基本出發(fā)點就是：為了提高頻譜利用率，具有認知功能的非授權無線通信設備可以按照干擾溫度機制“伺機”地接入授權用戶正在工作的頻段內。

FCC在2004年5月開始考慮允許非授權用戶在不對授權用戶產(chǎn)生有害干擾的情況下使用電視頻段[3]。FCC這種考慮的原因在于電視頻段自身的特點相對更有利于實現(xiàn)CR的工作模式：

電視頻段一般分配給特定的區(qū)域，相對來說是靜態(tài)的。

電視發(fā)射機總是不斷地工作，位置和頻段很少改變。

電視系統(tǒng)的工作信噪比很高，一般高于10 dB。

這些因素都使得對授權電視用戶是否存在、授權接收機處的干擾溫度的檢測相對比較簡單。同時電視頻段與行政區(qū)域有關，為了避免干擾在相鄰的區(qū)域不會使用同一頻率，電視接收機的工作時間也相對固定，因此非授權用戶與授權用戶可以通過空間復用和時間復用兩種方式共享頻譜資源，如圖2所示：

利用干擾溫度機制可以很好地控制CR用戶的接入工作。

美國加利福尼亞大學伯克利分校的N.Hoven和A.Sahai，在文獻[4]中明確的分析了在高功率電視系統(tǒng)中，考慮兩個用戶(授權用戶與具有認知功能的非授權用戶)共享頻譜時的干擾控制問題。通過分析不同位置測到的授權接收機的信干比，將授權用戶接收機信號的本地信噪比近似換算為非授權用戶與授權用戶間的距離， 從而相應地調整非授權用戶的發(fā)射功率。

結果表明，在具有大通信距離的授權用戶系統(tǒng)中，若授權用戶損失一些可容忍的通信覆蓋范圍就可以給非授權用戶帶來很大的工作機會。

可見，非授權用戶能夠以小功率通信的方式接入具有高功率發(fā)射機的授權系統(tǒng)(如高功率電視發(fā)射塔頻段)，共享頻譜同時工作[4]。首先，具有高功率的授權系統(tǒng)通信范圍較大，系統(tǒng)有足夠的信噪比冗余量，因此非授權用戶有較高的接入工作機會；其次，在高功率的授權系統(tǒng)中，非授權用戶可以很好地檢測到已存在的授權用戶信號，評估它與授權用戶的距離，以確保它有合適的發(fā)射功率而不對授權系統(tǒng)產(chǎn)生不可接受的干擾。

4 干擾溫度機制的問題

大量的分析表明干擾溫度機制的實行還存在一定問題。

(1) 非授權的CR用戶在目前工作效率已經(jīng)很高的授權系統(tǒng)中以共享頻譜的方式接入工作的有效性并不高。首先，非授權用戶可以共享工作的機會很小[5-6]。現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)普遍具有動態(tài)的功率控制功能，可以根據(jù)背景噪聲的大小動態(tài)調節(jié)發(fā)射功率，使發(fā)射功率維持在一個能夠保持通信的最低功率水平上，這樣使得授權用戶信號和背景噪聲之間沒有可以被非授權用戶依據(jù)干擾溫度機制使用的信噪比冗余量。其次，非授權設備的引入將會導致授權系統(tǒng)噪聲水平增加，減小系統(tǒng)的覆蓋范圍、容量和服務質量。實驗數(shù)據(jù)表明一個GSM網(wǎng)絡增加1dB的干擾會損失25%的網(wǎng)絡容量，相應的要維持現(xiàn)狀就要增加33%的小區(qū)數(shù)；一個EDGE網(wǎng)絡增加1dB的干擾會損失15%的覆蓋范圍，相應的要維持現(xiàn)狀就必須增加17%的小區(qū)數(shù)；一個CDMA系統(tǒng)增加1dB的干擾會損失10%-15%的覆蓋范圍，相應的要維持現(xiàn)狀就必須增加12%-17%的小區(qū)數(shù)[7]。 美國Telcordia公司的Drs.Padgett和Ziegler在提交的技術分析報告[8]中指出：在共享頻譜的情況下，由于引入了非授權用戶的干擾，CDMA系統(tǒng)上行鏈路容量大幅度下降；非授權用戶由于受到CDMA手持設備的影響，性能受到了很大限制。授權用戶丟失的容量遠遠超過了非授權設備所能得到的容量，共享的結果是得不償失的。由于這些原因，許多系統(tǒng)工作者反對在現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)中共享頻譜。

(2) 共享情況下，干擾溫度的檢測在很多情況下存在困難。FCC在它發(fā)布的報告NPRM中[2]給出了3種測量干擾溫度值的方法：自我檢測、間接檢測和直接檢測。這3種檢測方法的實現(xiàn)均存在一定的問題。

對于“自我檢測”，即非授權設備自帶干擾溫度測量裝置，感知它的傳輸功率水平，在自身的位置測量授權系統(tǒng)工作狀況，并計算它的傳輸將會給同頻帶授權用戶可能產(chǎn)生的干擾。利用這些信息，如果發(fā)現(xiàn)自身信號造成的干擾水平低于系統(tǒng)允許的工作門限，準許設備工作于該頻段，否則禁止。

這種檢測方式中用戶間干擾的避免完全由非授權用戶負責，導致了典型的“隱蔽站”和“暴露站”的問題。例如在圖3(a)所示的系統(tǒng)中，授權用戶A正向授權用戶B發(fā)送信息，同時非授權用戶1欲向非授權用戶2發(fā)送信息，若非授權用戶1位于授權用戶A的最大通信距離以外，則他會由于沒有檢測到授權用戶A和B正在通信，而向非授權用戶2發(fā)送信息，從而會干擾授權用戶B接收信息，于是產(chǎn)生隱藏終端問題。同樣在圖3(b)所示的系統(tǒng)中，若非授權用戶1位于授權用戶A的最大通信距離以內，則他會由于檢測到授權用戶A正向B發(fā)送信息，而不會向非授權用戶2發(fā)送信息，然而實際情況卻是，由于授權用戶B在非授權用戶1的最大通信距離以外，因此即使非授權用戶1向非授權用戶2發(fā)送信息也不會干擾授權用戶B接收信息，于是就產(chǎn)生暴露終端問題[9]。由于隱藏終端問題會造成對授權用戶的干擾，而暴露終端問題則會降低頻譜資源的利用率，因而自我檢測機制無法正常有效的工作。

對于“間接檢測”，在一個固定的地區(qū)安置檢測機不斷的檢測頻段的干擾水平，并把它轉化為干擾溫度值，通過特定的信道報告給準備工作的非授權發(fā)射機，非授權用戶以此來判斷是否占用該頻段。

為了使得間接檢測的測量值有效，必須保證檢測機測量到的干擾和授權接收機受到的實際干擾有很強的相關性。但是，由于非授權用戶位置的離散性和隨機性使得授權用戶接收機周圍的干擾有著很強的地域獨立性，不同位置測得的干擾值是不同的，這將使得檢測機很難準確測出整個頻帶內的干擾水平。另外，為了保證測量的準確性，需要將檢測機放置在授權用戶接收機的附近。然而很多授權用戶接收機的位置通常難以確定，例如：移動電臺和廣播接收機。而且廣播接收機沒有發(fā)射信號的能力，移動電臺則經(jīng)常處于空閑狀態(tài)，因此授權用戶接收機的位置通常不能有效的確定，使得檢測機也無法準確放置?？梢钥闯?，間接檢測機制受到檢測相關性和檢測機安裝位置的限制，在很多場合下無法工作。

對于“直接檢測”，在下行鏈路中由受影響的授權用戶接收機本身檢測自身附近的干擾溫度值，然后報告給各個非授權用戶。這個方法可以克服 “間接檢測”的上述缺陷，但是要改變現(xiàn)在所有的授權用戶系統(tǒng)使它們具有測量干擾溫度值的能力是很困難的。

總之，目前來說使用上述3種檢測方法，很難確切地得到干擾溫度的估計值，使得基于干擾溫度機制的共享頻譜方式在很多情況下難以實現(xiàn)。

綜上所述，在現(xiàn)有的無線移動通信網(wǎng)絡中，由于共享情況下非授權用戶的工作機會很小、干擾溫度值檢測困難、對授權系統(tǒng)的服務質量影響過大等原因，許多系統(tǒng)工作者反對在工作效率已經(jīng)很高的授權系統(tǒng)中允許非授權用戶的接入。

5 干擾溫度機制的進一步研究

為了克服隱藏終端和暴露終端問題，A. P. Hulbert和S. Mangold等人于2005年提出了一種通過在非授權用戶與授權用戶間以及非授權用戶之間傳送簡單控制信號來避免相互干擾的新型頻譜禮儀[9-11]，即在圖4(a)所示的系統(tǒng)中，若授權用戶接收機B在接收來自授權用戶A信息的同時，給非授權用戶1發(fā)送一個單頻信號，則非授權用戶1就會由于收到此信號，而不會向非授權用戶2發(fā)送信息，從而不會干擾授權用戶B，于是克服了隱藏終端問題。同樣在圖4(b)所示的系統(tǒng)中，若非授權用戶1沒有收到授權用戶B發(fā)出的單頻信號，則它可以向非授權用戶2發(fā)送信息，而不會干擾授權用戶B，于是這就克服了暴露終端問題。

采用這種交互式頻譜禮儀的優(yōu)點是它可以基本避免對授權用戶造成干擾，同時共享頻譜有效地提高頻譜資源的利用率，而缺點則是授權用戶和非授權用戶的通信設備都需要具備頻譜禮儀信號的發(fā)送和接收能力。由于這種交互式頻譜禮儀所要傳送的僅是簡單的控制信號，例如電視接收機僅需要能在開機收看節(jié)目的過程中發(fā)出一個具有一定強度的單頻信號即可，故它不會增加授權用戶通信設備的復雜性，因此近年也開始得到人們的重視和研究[12-18]。

在目前的CR研究中，非授權用戶一般都使用全向天線進行通信，即在所有的方向上發(fā)送和接收信號。雖然使用全向天線可以使頻譜禮儀變得較為簡單，但是非授權用戶在通信過程中，實際僅在某些角度中有效地利用了頻譜資源，而在其他方向上則產(chǎn)生了干擾，因此無法實現(xiàn)對頻譜資源的充分利用。為了減小在共享頻譜時非授權用戶對授權用戶的干擾，同時更加充分有效的利用資源，可以考慮非授權用戶使用智能天線技術。利用交互式頻譜禮儀，非授權用戶發(fā)射機不斷地對其他類型用戶的接收機相對于它的方位和路徑損耗進行估計，從而在這些方向上形成零陷，而僅在期望的方向上發(fā)射信號。同樣非授權用戶接收機也可以僅在期望的方向上接收信號，而將零陷對準其他干擾。這種情況下，由于非授權用戶可以僅在期望的方向上發(fā)送和接收信號，而在其他用戶所在方向上形成零陷，因此可以在避免對授權用戶的干擾同時實現(xiàn)對頻譜資源的充分利用，也大大降低他與其他用戶間的相互干擾，從而提高無線通信網(wǎng)絡的容量。智能天線技術被認為是目前進一步提高頻譜利用率的有效方法之一，但將智能天線技術應用于CR的具體方法還需要進一步的研究和論證。

6 結束語

綜上所述，干擾溫度機制在高功率大區(qū)域授權通信系統(tǒng)中可以很好地施行，在一定程度上可以提高頻譜利用率，在通信業(yè)務非常繁忙或近乎達到飽和狀態(tài)的工作頻段應用機會很小，干擾控制的復雜性高。

基于干擾溫度機制的CR技術可以使通信方式更加靈活，頻譜使用更加高效，它從理論走向實用將有助于解決目前通信中頻譜資源短缺的問題。同時由于頻譜共享改變了傳統(tǒng)的頻譜分配方式，因此還需要得到國家政策上的支持才能更好的得以利用。

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收稿日期：2007-03-20