試論認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的研究及發(fā)展

王薇 馮浩

摘要：作為軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的一個(gè)發(fā)展，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電近年來(lái)備受關(guān)注。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能夠?qū)o(wú)線(xiàn)電環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。調(diào)整傳輸參數(shù)，從空間、時(shí)間、頻率、調(diào)制方式等多維度共享無(wú)線(xiàn)頻譜，可以大幅度提高頻譜利用效率。本文就對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的研究與發(fā)展，做了深入的研究與探討。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)電技術(shù)；研究發(fā)展；功能實(shí)現(xiàn)

前言

由于移動(dòng)終端天線(xiàn)尺寸和功率的限制，可以用于無(wú)線(xiàn)接入的頻段很有限。在提高頻譜效率方面，目前較為先進(jìn)的 CDMA 空中接口技術(shù)，如 HSDPA 可以達(dá)到 1 bit/（s·Hz）的頻譜效率，將來(lái) OFDM 和MIMO 技術(shù)的應(yīng)用也只能達(dá)到 3～4 bit/（s·Hz）的頻譜效率。3～4倍的頻譜效率的提高對(duì)于人們成百上千倍的帶寬需求增長(zhǎng)是微不足道的。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的出現(xiàn)，為解決頻譜資源不足、實(shí)現(xiàn)頻譜動(dòng)態(tài)管理及提高頻譜利用率開(kāi)創(chuàng)了嶄新的局面。

一、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的功能與實(shí)現(xiàn)

從認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的概念我們可以看到，與傳統(tǒng)的以發(fā)射機(jī)為中心的設(shè)計(jì)思想所不同，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電是以接收機(jī)為中心的以目標(biāo)為驅(qū)動(dòng)的框架；與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的是，僅僅實(shí)現(xiàn)底層的功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如果要確保大量認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電設(shè)備正常工作必然要涉及到更高層次的協(xié)議設(shè)計(jì)。

1、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的主要功能

由于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)尚處于起步階段，對(duì)于該技術(shù)的主要功能還處于討論過(guò)程中。Mitola 博士提出的認(rèn)知循環(huán)過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜，包括一系列認(rèn)知學(xué)習(xí)步驟。當(dāng)前，不同組織機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的總體框架中所涉及的具體內(nèi)容也有所不同。從比較完整的意義上一般認(rèn)為，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)應(yīng)該具備檢測(cè)、分析、調(diào)整、推理、學(xué)習(xí)等能力。事實(shí)上，這些具體功能就是一個(gè)認(rèn)知循環(huán)的主要組成部分。

（1）檢測(cè)

由特殊應(yīng)用環(huán)境所決定，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電必須具備精確的無(wú)線(xiàn)頻譜檢測(cè)能力，必須在可使用的全頻段范圍內(nèi)多維度進(jìn)行頻譜檢測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)可使用的頻段。由于是免許可使用，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電必須具備迅速發(fā)現(xiàn)首要用戶(hù)的能力，在工作過(guò)程中時(shí)刻檢測(cè)首要用戶(hù)是否處于活動(dòng)狀態(tài)，從而確保不對(duì)其產(chǎn)生干擾。更為困難的一點(diǎn)是，由于廣播電視用戶(hù)多為啞終端，即僅僅完成接收功能。而作為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)又必須能夠發(fā)現(xiàn)他們的存在，從而避免對(duì)其產(chǎn)生干擾，這就為頻譜檢測(cè)提出了更為艱巨的要求。目前有些研發(fā)人員提出通過(guò)檢測(cè)接收機(jī)本振的頻譜泄漏來(lái)完成對(duì)啞終端的定位，但是仍處于研究階段。

（2）分析

認(rèn)知分析包括對(duì)自身性能、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部狀態(tài)、外部相關(guān)數(shù)據(jù)（包括頻譜使用、策略使用等）和用戶(hù)自身需求等相關(guān)知識(shí)的分析。如果說(shuō)檢測(cè)是信息的獲取，那么分析就是對(duì)相關(guān)信息的初步處理。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電設(shè)備通過(guò)所獲取的頻譜檢測(cè)結(jié)果分析首要用戶(hù)的位置、使用的頻點(diǎn)和發(fā)射時(shí)間，同時(shí)分析可用頻點(diǎn)位置、可用帶寬、信道狀況、自身傳輸可能會(huì)對(duì)其他用戶(hù)產(chǎn)生的影響以及完成業(yè)務(wù)傳輸所需的帶寬和時(shí)間。

（3）調(diào)整

調(diào)整能力是完成傳輸?shù)年P(guān)鍵，根據(jù)檢測(cè)和分析的相關(guān)結(jié)果，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電設(shè)備通過(guò)先進(jìn)的功率控制技術(shù)、不同的編解碼以及調(diào)制技術(shù)，選擇合適的頻點(diǎn)和發(fā)射時(shí)機(jī)，從而成功地完成傳輸。這就要求認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電設(shè)備具備較強(qiáng)的性能，能夠在較寬的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同傳輸方案之間的切換，并且在突發(fā)事件發(fā)生后能夠及時(shí)暫停或恢復(fù)傳輸，確保在不干擾首要用戶(hù)的情況下獲取最大限度的傳輸能力。

2、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵

（1）高靈敏度接收機(jī)

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電在開(kāi)始使用之前必須先對(duì)頻譜功率密度進(jìn)行估計(jì)，以確定哪些頻點(diǎn)正在使用。為了精確測(cè)量頻譜，需要有高靈敏度的接收機(jī)來(lái)測(cè)定小區(qū)邊緣的信號(hào)功率。以一個(gè)位于小區(qū)邊緣的數(shù)字電視機(jī)為例，接收到的信號(hào)可能剛剛超過(guò)接收機(jī)的靈敏度要求。為了能夠檢測(cè)出這一信號(hào)，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電需要具有比數(shù)字電視機(jī)更高的靈敏度。如果認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電不能檢測(cè)到數(shù)字電視信號(hào)，就會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為該頻點(diǎn)未被使用，從而對(duì)數(shù)字電視機(jī)的解碼產(chǎn)生干擾，這種情況被稱(chēng)作“隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題”。同時(shí)，這一技術(shù)也是對(duì)首要用戶(hù)發(fā)射狀態(tài)的檢測(cè)、首要用戶(hù)定位和可用頻譜資源檢測(cè)的關(guān)鍵所在。

（2）智能處理平臺(tái)

高速智能處理平臺(tái)是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電設(shè)備根據(jù)無(wú)線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果分析無(wú)線(xiàn)傳輸背景，包括首要用戶(hù)的存在、定位、頻譜空穴的發(fā)現(xiàn)、信道狀況估計(jì)和傳輸帶寬選擇等多方面參數(shù)確定的基礎(chǔ)。當(dāng)頻譜被分配后，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電必須還能夠估計(jì)首要用戶(hù)的干擾容限，從而確定自身的傳輸功率。很多情況下，這個(gè)限定的量為0.5～ 1 dB，但還要取決于首要用戶(hù)接收機(jī)的鏈路余量。干擾程度至少可以通過(guò)兩個(gè)信息來(lái)確定：首要用戶(hù)信號(hào)帶寬的估計(jì)，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電和被干擾設(shè)備之間的距離。信號(hào)帶寬可以用來(lái)確定被干擾設(shè)備的噪聲門(mén)限，距離可以用來(lái)確定被干擾設(shè)備接收到的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電信號(hào)功率強(qiáng)度。假設(shè)被干擾設(shè)備的噪聲門(mén)限可以允許提高一個(gè)預(yù)先設(shè)定的量值，可以很容易計(jì)算出認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電最大允許發(fā)射功率。當(dāng)然，這種分析過(guò)于簡(jiǎn)單，可以進(jìn)一步細(xì)化，如果認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電能夠?qū)κ滓脩?hù)的信號(hào)類(lèi)型和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行盲識(shí)別，這些額外的知識(shí)可以確定被干擾設(shè)備靈敏度的具體數(shù)值。

二、未來(lái)發(fā)展與展望

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電是無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)展的下一個(gè)里程碑，該技術(shù)的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)歷史性的變革。對(duì)于頻譜管制者而言，該技術(shù)可以大大提高可用頻譜數(shù)量，提高頻譜利用率，有效利用資源；對(duì)于頻譜持有者而言，可以在不受干擾的前提下開(kāi)發(fā)二級(jí)頻譜市場(chǎng)，在相同頻段上提供不同的服務(wù)，該技術(shù)可以為設(shè)備廠(chǎng)商帶來(lái)更多的機(jī)會(huì)，具備認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電功能的設(shè)備將更具競(jìng)爭(zhēng)力；對(duì)終端用戶(hù)而言，可以帶來(lái)更多帶寬，在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)成熟后，用戶(hù)則可以享受到單個(gè)無(wú)線(xiàn)電終端接入多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展目前還存在一些障礙：首先，目前頻譜管制政策尚沒(méi)有完全放開(kāi)，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的應(yīng)用還存在很大障礙；其次，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的靈活性還需要不斷提高，必須能夠隨著應(yīng)用策略的更改靈活配置；認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)需要強(qiáng)大的可重配置硬件平臺(tái)，目前的硬件技術(shù)發(fā)展還滿(mǎn)足不了相關(guān)需求；另外認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電組網(wǎng)工作的語(yǔ)言和協(xié)議目前很不完善，需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)語(yǔ)言和協(xié)議在設(shè)備之間共享無(wú)線(xiàn)背景信息。

作為無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的最新進(jìn)展，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)受到日益關(guān)注，雖然由于技術(shù)的限制，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電近幾年內(nèi)市場(chǎng)不會(huì)很大，但在不久的將來(lái)將會(huì)獲得得突破性的進(jìn)展，為無(wú)線(xiàn)電資源管理和無(wú)線(xiàn)接入市場(chǎng)帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī)和動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]STAPLEG，WERBACHK.Theendofspeetrumseareity[J]，IEEESpeeturm，2004，41（3）：48一52.

[2]趙久洲，談無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展.[J]無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，2013（5）23-25.