认知无线电在电磁频谱管理中的应用

随着无线通信技术的飞速发展, 频谱资源变得越来越紧张。现有的无线通信系统频谱分配方式大都基于固定分配方式, 频谱利用率极低。一些频谱大部分时间处于空闲状态, 别外一些频谱也只有在部分时间内被使用, 而很多的用户在竞争使用很小范围内的频谱。在目前的频谱管理政策下, 由于已授权频段被分配的用户给特定的业务, 即使在某些时间该频段空闲, 其它的用户也无权使用该频段, 这造成频谱资源的巨大浪费。另一方面, 采用固定频谱分配方式, 也对不同区域、不同通信设备之间的互联互通造成障碍。因此, 增强通信设备的灵活性、兼容性和互通性, 提高频谱利用率成为国内外通信专家学者追求的目标。

认知无线电通过一种“无线电知识表示语言 (Radio Knowledge Representation Language, RKRL) ”, 提高无线业务的灵活性。其核心思想是认知无线电具有学习能力, 能够与周围环境交互信息, 以感知频率、分析时间和空间域等频谱环境, 自适应地调整频率和输出功率, 甚至改变节点传输参数和特性, 利用授权或未授权的闲置频谱进行信号传输, 以满足商业、军事和政府机构不断变化的需求。

1 认知无线电的关键技术

认知无线电技术利用空闲的授权频段进行通信, 必须保证不对主用户造成干扰, 需要一系列技术的支持, 主要包括频谱感知与探测、干扰评估与功率控制等关键技术。

1.1 频谱感知

频谱感知技术是实现认知无线电的基础和前提, 为了不对主用户造成干扰, 认知用户必须能够实时地监测无线环境中频谱的利用状况, 搜寻和判定“频谱空洞” (Spectrum Hole) , 分析估计其特性, 予以利用, 同时将实时监测的结果反馈到发送端, 为高层频谱管理和功率控制提供参数支持。

1.2 干扰评估与功率控制

2003年FCC提出干扰温度的概念用于量化和衡量干扰的程度, 在认知无线电中, 认知用户被当成是对主用户的干扰, 当认知用户和噪声累积的干扰未超过主用户的干扰温度门限时, 主用户可以正常通信, 否则主用户的通信无法进行。对干扰温度的测量采用两种办法, 一种是由接收端进行估计, 反馈给发射端, 以使发射端根据干扰的状态对功率做出调整;另一种办法就是在无线环境中部署大量的无线传感器, 感知环境中通信设备的干扰温度。

2 认知无线电对频谱管理政策的影响

随着无线通信技术的发展, 国际频谱管理走向有偿化、多样化和市场化。国际上目前主要的频谱分配方式除行政审批外, 还包括拍卖、招标等, 与此同时, 政府通过行政手段加强对已售频谱利用率的监督, 与市场机制相结合, 共同建立更有效的频谱使用激励和惩罚机制, 以保证频率资源的有效利用。

认知无线电 (CR) 相当于把频谱管理放到了每一个电台, 这样对频谱管理政策的制定、执行带来巨大的挑战。认知无线电中的频谱管理政策, 相关管理机构的频谱规划、频谱分配、频谱监管都需要重新考虑。

任何一项关键技术产生都离不开政府强有力支持。认知无线电 (CR) 发展尤其如此。

2002年FCC指出非授权设备应具备识别所占用频段的能力。

2003年11月FCC提出新的量化和管理干扰的指标值—干扰温度的概念。

2003年12月FCC成立了认知无线电工作组, 明确表示支持认知无线电技术并修正了美国《电波法》。

2004年FCC建议非授权无线电用户可在TV广播频段内使用。

ITU-R工作组于2006年3月提出一项新的建议, 将认知无线电单独作为一个研究课题进行研究。

这些有利的政策为认知无线电的发展提供了广阔的空间, 使得无线电逐步通过标准化进入产业领域。但是如何在更广的频带范围内协调主用户和认知用户之间资源利用、实现动态频谱管理, 还需要更深入的理论研究为政策的制定提供依据。

3 实时动态频谱管理

由于认知无线电中, 用户对带宽的需求、通信的时间和位置随时可能发生变化, 因此必须动态地对频谱进行分配。

认知无线电技术的频谱分配中, 首先必须解决主用户和认知用户的频谱分配问题, 同时还要考虑为同时接入的多个用户之间分配合适的频谱。目前主要的分配方案都基于一种频谱池 (Spectrum Pooling, SP) 的策略, 把分配给不同业务的频段合并在一起成为一个频谱池, 并分成多个子信道, 由频谱感知的结果得到各个子信道被使用的状态, 动态地把空闲的子信道分配给认知用户。

4 结语

认知无线电技术的提出, 为解决日益增长的无线业务与有限的频谱之间的矛盾提供了解决的办法, 为进一步提高通信设备的灵活性、增强无线设备的互通性开拓了思路。

然而认知无线电技术正面临许多挑战, 提出的频谱感知、频谱管理等许多关键性难题极需突破, 认知无线电技术将会是未来通信领域的研究热点。

摘要：本文介绍了认知无线电中频谱感知、干扰评估与功率控制等关键技术, 从而进一步探讨认知无线电对电磁频谱管理的影响及实现自主的动态频谱管理的必要性。

关键词：认知无线电,频谱感知,干扰温度

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