基于认知无线电技术的IEEE 802.22

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摘要　随着无线通信技术的发展，无线频谱资源越来越贫乏。同时，认知无线电技术以其灵活高效的利用频谱受到广泛的关注。文章结合认知无线电技术的特点，介绍了IEEE 802.22系统中的关键技术。从无线区域网实现的频谱感知技术、共存技术、正交频分多址（OFDMA）、信道管理和多信道绑定等关键技术入手，理解认知无线电技术的核心思想。
0、引言
随着无线通信技术的飞速发展，无线局域网（WLAN）技术、无线个人域网络（WPAN）和无线城域网络（WMAN）技术迅猛发展，无线频谱日益拥挤。而3GHz以下的频段具有传输损耗小、频率选择性衰落小、发射机设计功率大等显著的优点，适合于远距离、大区域环境下的无线信号传输。因此无线通信运营和技术的争夺，已经集中在对于无线频谱资源的争夺上，尤其是对3GHz以下的无线频段。
认知无线电（CR）[1～2]是针对频谱利用率不高的解决方案。其特点是根据实时感知环境，灵活、高效、可靠地利用频谱资源。这样认知无线电就具备了在已授权频段内，智能利用“空洞频谱”而不干扰其它授权用户的能力。
2003年12月，美国联邦通信委员会（FCC）在其规则第15章公布了修正案。法律规定[2]“只要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带”，为新的无线资源管理技术奠定了法律基础。2004年11月第一个基于认知无线电的无线标准IEEE 802.22工作组[3～4]成立，目的在于解决运营在广播电视频段的感知无线广域接入网络技术。下面涉及到的内容主要针对IEEE 802.22/D0.1草案[5]。
1、IEEE 802.22概述
IEEE 802.22固定无线区域网络（WRAN）工作于54MHz～862MHz VHF/UHF（扩展频率范围47MHz～910MHz）频段中的TV信道，它可自动检测空闲的频段资源并加以使用，因此可与电视、无线麦克风等已有设备共存。利用WRAN设备的这种特征可向低人口密度地区提供类似于城区所得到的宽带服务。
1.1　授权用户
在IEEE 802.22工作频段内，有两类授权用户：一类是电视服务，另一类是无线麦克风。与感知电视信号传输相比，感知无线麦克风要困难许多。通常无线麦克风传输功率在50mW左右，覆盖区域在100m左右，占用带宽小于200KHz。由于无线麦克风可能突然地出现和消失，给感知技术带来的巨大的挑战。
1.2　拓扑
IEEE 802.22系统是固定的一点对多点（PMP）无线空中接口，即基站（BS）管理着整个小区和相关的所有用户终端（CPE）。BS控制小区内媒体接入和下行（DS）传输给相应的CPE。而CPE通过接入请求，在BS允许的上行（US）传输，即任何CPE必须在收到BS的授权后才能传输。由于BS必须兼顾对授权用户的保护，合理的分配感知任务、合理的实现动态频率选择，都是802.22系统的关键问题。
1.3　覆盖区域
IEEE 802.22系统和其它的IEEE 802的标准相比，是针对无线区域网的。BS的覆盖范围半径最大可达100km，在目前4W的有效全向辐射功率（EIRP）条件下，覆盖面积的半径也达到33km。这样802.22系统的覆盖面积就是当今最大的一个系统。虽然得益于800MHz以下电视频带的良好传播特性，但增加的覆盖范围给技术提供了机遇和挑战。
2、IEEE 802.22关键技术
IEEE 802.22技术是认知无线电技术在无线区域内的具体应用。它的特点是在VHF/UHF频段内，不干扰授权用户的情况下，灵活、自适应的频谱的合理配置。具体通过以下关键技术实现。
2.1　频谱感知技术
在IEEE 802.22系统中，为了实现对授权用户保护，提出工作信道内和工作信道内感知机制。工作信道内感知，BS分配静默期。在静默期内，BS和CPE都不发送数据，感知小区内授权用户信号。工作信道内采用两段式感知（TSS）机制，在快速感知阶段，通常采用单一的感知方法（如能量检测、导频信号能量检测），迅速感知是否存在授权用户。这个过程通常在微秒级，参考IEEE 802.11b中20µs、IEEE 802.11a中9µs。在精细感知阶段，获知已捕获的授权用户的详细信息。这个过程通常在毫秒级，如检测ATSC信号的同步字段需要24ms。工作信道外感知，CPE利用独立的感知天线，可以同时感知工作信道外。
常用的信号检测方法有能量检测法、相关检测法、周期图法、特征值分解检测法、循环平稳检测法等。能量检测法由于收到检测门限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知阶段。相关检测法是利用事先插入的导频或同步序列，与已知的本地序列相关，这个方法本质上还是能量检测。周期图法、特征值分解检测法、循环平稳检测法属于特征检测。周期图法是利用傅里叶变换来获得信号的功率谱密度，实现算法可以利用快速傅里叶变换，便于实现。特征值分解检测法利用信号和噪声的不相关，把接收信号分解为信号和噪声的估计量。循环平稳检测法利用调制信号的相关函数的周期性，进行感知。特征值分解检测法、循环平稳检测法两种算法计算较复杂。
对应于802.22系统的具体应用环境，系统提出了两个关键参数，对感知技术进行规范。IEEE802.22系统中规定信道检测时间（CDT）和授权用户感知门限（IDT）。对应VHF/UHF频段内的两类授权用户，信道检测时间定义为≤2s。对于200KHz无线麦克风，授权用户感知门限为-107dBm；而对应6MHz的电视服务，授权用户感知门限为-116dBm。
信道检测时间是指在WRAN系统正常工作时，用来检测在当前TV信道内是否有感知门限之上的所花费最大时间，在检测概率大于90%的情况下，这个时间约为500ms～2s。当联合多个CPE共同感知时，可以缩短感知时间，也可以保证较高的感知正确率。联合感知技术是工程上实现感知技术参数的配置算法，合理的配置了小区内的CPE资源。
2.2　共存
共存在目前IEEE 802.22草案中包括与授权用户共存和其它802.22系统的共存。由于目前的IEEE 802.22草案中并没涉及与其它的认知系统如何共存的解决方案，只预留了system type参数为IEEE 802.16和IEEE 802.11等认知系统共存。下面只讨论与授权用户和与其它802.22系统的共存。
2.2.1　与授权用户共存
与授权用户的共存包括授权用户的感知、授权用户通告、授权检测恢复一系列机制。授权用户感知最大时间由CDT给出，而最大通告时间和恢复时间分别由CCTT和CMT限定。
授权用户感知机制是工作信道内两段式感知机制，在每个CDT内周期性地分配多个快速感知时间，而精细感知时间是在每个CDT内动态分配。这种机制的主要优点是允许认知无线电系统满足实时系统的QoS要求，只在必要时候行精细感知。由于电视授权用户不是经常的出现或消失，通常情况下只需要行快速感知，这样可以保证QoS不受影响。
授权用户通告机制是解决感知授权用户以后及时通知BS的场景。目前IEEE 802.22草案中，有静默期阶段和普通工作阶段。当BS没有分配带宽时，CPE采用竞争方式或CDMA方式接入。即CPE在由BS分配的UCS（Urgent Coexistence Situation）窗中，通过竞争或码分多址（CDMA）码接入。也可以轮询的方式获得CPE的感知报告。
授权用户检测恢复机制是，小区范围内的授权用户由BS确认后，BS进入恢复运行的模式。在这个模式内，BS运行IDRP（Incumbent Detection Recovery Protocol）。IDRP协议保证了保护授权用户的同时，尽快恢复系统正常工作模式，尽可能地减小系统性能恶化。IDRP利用了备用信道，在备用信道上迅速建立通信。由于恢复时间由CCTT或CMT限定，保证了系统平滑的恢复过程。
2.2.2　与其它IEEE 802.22系统共存
目前IEEE 802.22草案中支持两种WRAN系统间通信方式，一种是CBP（Coexistence Beacon Protocol），另一种是inter-BS通信。CBP方式支持主动和被动式，而后者只是被动的监听邻居小区基站发送的超帧控制头（SCH）或CBP包。
CBP信标可以通过空口消息传输，也可以通过有线传输。CBP支持BS在自己分配的自共存（Self-Coexistence）窗内，接收或发送CBP信标。CPE在自共存窗内竞争接入，发送自己的CBP包，也可以监听来自BS的SCH信标。也就是说在BS分配的共存窗内，BS和CPE可以工作在主动模式和被动模式。CPE只在BS分配接收和发送任务时，服务于当前小区。在CPE的被动模式下，CPE可以接收来自相邻小区的SCH信标。
CBP包含大量有用的信息，这些信息不仅可以用于共存，还可以用于小区建立和保持同步。一旦CPE收集到相邻合作小区的CBP，CPE可以总结信息发给BS，由BS制定“无干扰”的共存机制。CBP包可以用于带宽请求，BS可以根据CPE的带宽请求和CBP包提供的信息，避免对其它合作的CPE的干扰。CBP包携带时间戳信息，用于相邻小区获得正确的时间偏移量，达到系统同步。
而inter-BS通信允许BS和CPE感知和接收相邻小区的SCH和CBP包。这种方式只是被动监听，得到的信息有限。
系统共存还包括频谱资源共享技术。目前在草案中提供了按需频谱竞争机制（ODSC）、动态租赁机制、频谱礼仪机制和基于租赁的信用币（credit token）机制，其中频谱礼仪机制是基于准则的租赁机制。除了ODSC机制是基于竞争的，其它机制都是基于租赁机制的。这里存在一个调度算法复杂度和频谱利用率的折中。基于竞争机制的频谱共享机制调度复杂度低，但基于租赁机制的频谱共享机制可以实现较高的频谱利用率。
2.3　正交频分多址（OFDMA）
IEEE 802.22不是第一个采用OFDMA技术的标准。但由于OFDMA技术可以方便地实现子载波分配，将物理上不连续的频率资源整合，为认知无线电高效利用频谱空洞提供了可能。IEEE 802.22草案上行和下行均采用OFDMA调制。考虑到传播时延在25µs～50µs的数量级内，循环前缀大概需要40µs才能满足OFDMA同步要求。为减小循环前缀对系统的负担，系统采用每个TV信道内2K FFT的OFDMA。
子载波分配技术和功率控制技术结合可以提高系统的吞吐量。在经典的“注水”算法的基础上，有一系列的衍生算法。根据空闲信道的分布，在已知信道占用情况、衰落等参数情况下，动态分配所使用的子载波位置和个数。
OFDMA调制技术和编码技术结合的自适应编码调制技术，可根据信道的实际情况动态地调整带宽，调制编码方式等。OFDMA技术可以分配合适的子载波满足不同CPE的不同服务质量需求。与系统提供的QPSK、16-QAM、64-QAM等调制技术以及1/2、3/4、2/3卷积码结合，可以实现从每个子载波几Kbps到整个TV信道19Mbps的速率，为CPE提供灵活的服务。
2.4　信道管理
IEEE 802.22系统把信道分为工作信道集合、候选信道集合、占用信道集合、不允许使用的信道集合和空信道集合。对于多信道支持的情况，工作信道又分为工作信道1和工作信道2。对于每个CPE自身工作信道为工作信道1，其它的当前BS的工作信道为工作信道2。占用信道集合是被授权用户占用的信道。根据感知结果，实现各信道的切换。
由于认知系统工作在授权用户频段，一旦工作信道内出现授权用户，系统迅速退出授权用户信道，实现对授权用户的保护。这时工作信道转化为占用信道。同理，如果授权用户释放了占用的信道，则这个信道可以转化为候选信道集合作为认知系统的候选信道，或者转化为其它信道集合类型。信道管理为更好地保护授权用户，为用户提供更灵活的服务和QoS保证提供了可能。
2.5　多信道绑定
IEEE 802.22系统还有一个特点就是支持多信道绑定，即支持动态地利用多个空闲的TV信道。相应地为了保持子载波之间距离不变，对应两个绑定的TV信道，采用4K的OFDMA；对应于三个绑定的TV信道，采用6K的OFDMA。
多信道绑定技术可以使用频谱上连续的或非连续的多个TV信道（系统现在限定最多支持三个TV信道）。多信道绑定提供了更高的容量，更大的频谱范围和更好的抗干扰特性。多信道中利用CPE的工作信道1和工作信道2实现分布式感知，也为得到全面、高效的授权用户感知报告提供了可能。
3、结束语
认知无线电的思想就是利用具有认知能力的设备，发现空闲频谱并合理地利用空闲频谱。而IEEE 802.22系统是第一个基于认知无线电技术的标准，WRAN系统针对具体的应用场景给出了在不干扰授权用户的前提下，为用户提供高质量和可靠的网络接入服务。IEEE 802.22草案的制定目前也给系统的实现提供了很多可选方案，但认知技术的成熟还有很远的道路。仍然可以肯定的是，随着认知技术在WRAN系统以及Ad hoc网络、UWB等系统的中的应用，无线通信系统可以提供更高的频谱利用率，更灵活的服务。

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