認(rèn)知無線電在寬帶無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：認(rèn)知無線電技術(shù)(CR)是軟件無線電技術(shù)的演化，是一種新的智能無線通信技術(shù)。認(rèn)知無線電技術(shù)的主要特點，就是根據(jù)環(huán)境不斷調(diào)整參數(shù)以適應(yīng)通訊的需求從而提高通訊質(zhì)量。目前寬帶無線通訊系統(tǒng)有正交頻分復(fù)用(OFDM)，多輸入多輸出(MIMO)等關(guān)鍵技術(shù)。將CR引進(jìn)OFDM系統(tǒng)中，采用特殊的導(dǎo)頻設(shè)計，感知寬帶的傳輸特征，從空間、時間、頻率、調(diào)制方式等多維度共享無線頻譜，能提高頻譜利用的靈活性，有效抑制窄帶干擾。LTE是由3GPP定義的下一個移動寬帶網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，基于OFDM、MIMO等關(guān)鍵技術(shù)，論述了實現(xiàn)CR的過程。

認(rèn)知無線電(CR)的概念是由Joseph Mitola博士提出的，就是在軟件無線電的基礎(chǔ)上，增加檢測需求并主動改變功能的能力，使無線設(shè)備能自動適應(yīng)外界環(huán)境和自身需求的變化。其常見的三種頻率資源管理方式是：集中式，分布式和集中＋分布式。

正交頻分復(fù)用(OFDM)是集中式管理又是頻譜資源利用率目前最高的技術(shù)，比較容易實現(xiàn)頻譜資源控制管理，也是寬帶無線通訊系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。對認(rèn)知無線電如何與寬帶無線通訊技術(shù)結(jié)合的研究，將根據(jù)從頻譜檢測和信道估計與預(yù)測獲得的可用空閑頻段的信道信息，同時結(jié)合空、頻、時多維的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸研究，及相應(yīng)的傳輸參數(shù)研究，如OFDM的各子載波上的功率、數(shù)據(jù)速率、調(diào)制方法及編碼方式、多天線的空域選擇、各個用戶分配的子載波數(shù)量及位置。整個檢測跟蹤學(xué)習(xí)過程是一個復(fù)雜的優(yōu)化問題。

1 認(rèn)知無線電的特點

CR系統(tǒng)是可以感知外界通信環(huán)境的智能通信系統(tǒng)，通過學(xué)習(xí)不斷地感知外界的變化，并自適應(yīng)地調(diào)整其內(nèi)部的通信機理來達(dá)到對環(huán)境變化的適應(yīng)，即具備檢測、分析、調(diào)整、推理、學(xué)習(xí)等過程，這一系列的過程組成認(rèn)知循環(huán)。這樣的自適應(yīng)調(diào)整過程一方面改進(jìn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面提高了頻譜資源的利用率。

由此可知，CR具有以下幾個特點：

對環(huán)境的感知能力

對環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力

對環(huán)境變化的自適應(yīng)性

通信質(zhì)量的高可靠性

對頻譜資源的充分利用

系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性

2 寬帶無線技術(shù)

2.1正交頻分復(fù)用技術(shù)

OFDM是一種多載波傳輸技術(shù)，在頻域內(nèi)將所有信道分成許多正交子信道，在每一個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。

寬帶系統(tǒng)存在的主要問題是：在頻域上，多徑信道呈現(xiàn)出頻率選擇性衰落的特性，引起了信號間干擾。為了克服這種衰落，將信道在頻域上劃分成多個子信道，每個子信道的頻譜特性都近似平坦，在整個頻帶內(nèi)，衰落只會影響OFDM的子信道的一部分；同時由于OFDM各個子信道相互正交，允許子信道的頻譜相互重疊，可以很大限度地利用頻譜資源。

2.2 多輸入多輸出技術(shù)

多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出來的，它利用在基站和終端使用多天線來抑制信道衰落，從而大幅度地提高信道的容量、覆蓋范圍和頻譜利用率。

MIMO技術(shù)的核心是空時信號處理，也就是利用在空間中分布的多個天線將時間域和空間域結(jié)合起來進(jìn)行信號處理�？諘r編碼技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的編碼和信號處理技術(shù)，通過在接收端和發(fā)射端空時二維甚至空時頻三維的聯(lián)合設(shè)計和優(yōu)化的編碼、調(diào)制，使MIMO成為熱點研究技術(shù)。

2.3 HARQ技術(shù)和AMC技術(shù)

混合自動重發(fā)請求(HARQ)和自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)(AMC)是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕�礎(chǔ)，AMC是根據(jù)無線信道變化自適應(yīng)選擇最合適的調(diào)制和編碼方式，及功率分配等參數(shù)，每條鏈路都可以獨立調(diào)制最大限度的發(fā)送信息，使用戶達(dá)到盡量高的數(shù)據(jù)吞吐率。HARQ比單獨的鏈路自適應(yīng)有更大的增益，因為它融合了前向糾錯(FEC)技術(shù)和傳統(tǒng)自動重傳請求(ARQ)技術(shù)的優(yōu)勢，因此提供了更高可靠性的端對端連接。

隨著4G無線通信網(wǎng)絡(luò)研究的開展，數(shù)據(jù)速率和業(yè)務(wù)質(zhì)量要求越來越高的條件下，HARQ是一個值得深入研究的技術(shù)。AMC、HARQ如何和OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)等結(jié)合使用，都是研究的熱點。

3 技術(shù)融合可行性分析

OFDM系統(tǒng)是目前公認(rèn)的比較容易實現(xiàn)頻譜資源控制的傳輸方式。該調(diào)制方式可以通過頻率的組合或裁剪實現(xiàn)頻譜資源的充分利用，其與自適應(yīng)技術(shù)相結(jié)合，除了在傳統(tǒng)的時間域上自適應(yīng)外，還更容易利用多載波的頻率域，可以靈活控制和分配頻譜、時間、功率等資源，在結(jié)合MIMO系統(tǒng)的空間資源，根據(jù)用戶在不同的位置的不同傳輸條件，感知環(huán)境并且適應(yīng)環(huán)境，并不斷地跟蹤環(huán)境的變化，以合理利用資源、提高系統(tǒng)容量。

自適應(yīng)頻譜資源分配的關(guān)鍵技術(shù)主要有：載波分配技術(shù)、子載波功率控制技術(shù)、多天線層資源分配算法和復(fù)合自適應(yīng)傳輸技術(shù)。

(1)載波分配技術(shù)

CR具有感知無線環(huán)境的能力。子載波分配就是根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)和服務(wù)質(zhì)量要求，分配一定數(shù)量的頻率資源。檢測到的寬帶資源是不確定的，隨時間、空間、移動速度等變化。OFDM系統(tǒng)具有裁剪功能，通過子載波的分配，即在頻段內(nèi)對于用戶來說，信干噪比(SINR)較高的不規(guī)律和不連續(xù)子載波的頻譜資源進(jìn)行整合，按照一定的公平原則將頻譜資源分配給不同的用戶，確定每個子載波傳輸?shù)谋忍財?shù)量，選取相應(yīng)的調(diào)制方式，實現(xiàn)資源的合理分配和利用。

(2)子載波功率控制技術(shù)

由于分配給用戶的功率和子載波數(shù)一般是成比例的，功率控制算法在經(jīng)典的“注水”算法的基礎(chǔ)上，有一系列的派生算法[1]。這些算法追求的是功率控制的完備性和收斂性，既要不造成干擾又要使認(rèn)知無線電有較好的通過率，且達(dá)到實時性的要求。事實上功率控制算法和子載波分配算法是密不可分的。這是因為在判斷某子載波是否可以使用時，就要對現(xiàn)狀(空間距離、衰落)做出判斷，同時還需要計算出可分配的功率大小，對于一個用戶如果速率一定，如子載波數(shù)目增加所需的功率就會下降。

(3)多天線資源分配

該技術(shù)基本思路是把系統(tǒng)的MIMO信道看作是M個平行的獨立子信道的集合(M是信道特征矩陣H的秩)，各個子信道的增益則由其對應(yīng)的奇異值來決定。發(fā)送端會在增益較多的子信道上分配更多的能量，而在衰減比較厲害的子信道上分配較少的能量，甚至不分配能量，從而在整體上充分利用現(xiàn)有資源，達(dá)到最大傳輸容量[2]�？梢钥闯隹沼蛸Y源的分配是和功率分配密切結(jié)合的，同時多天線應(yīng)用時針對不同的應(yīng)用場景選則不同的方式，既可用增加的子信道提高信息傳輸率，也可在傳輸率不變的情況下增加信息的容余度來提高可靠性；而且MIMO-HARQ組合如：兩流傳輸時如都出現(xiàn)錯誤，可以考慮重傳時采用SFBC等空時頻域編碼技術(shù)，而單流出現(xiàn)錯誤可以考慮CDD等空時方法重發(fā)；MU-MIMO可以根據(jù)多用戶的反饋信息在空域切換等等技術(shù)都為更好的應(yīng)用空域資源提供了各種應(yīng)用場景。

(4)復(fù)合自適應(yīng)傳輸技術(shù)

該技術(shù)將OFDM、MIMO和CR思想以及一系列自適應(yīng)傳輸技術(shù)結(jié)合，從而達(dá)到無線電資源的合理分配和充分利用。為了尋求保證服務(wù)質(zhì)量和最大通過率下的最佳工作狀態(tài)，自適應(yīng)傳輸技術(shù)包括動態(tài)子載波分配技術(shù)、自適應(yīng)子載波的功率分配技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)，多天線層選擇等一系列自適應(yīng)技術(shù)，形成優(yōu)化的自適應(yīng)算法。根據(jù)子載波的信噪比(SNR)，基站自適應(yīng)地調(diào)整與通信終端的建立鏈路工作參數(shù)，從而達(dá)到最佳工作狀態(tài)。設(shè)計合理的自適應(yīng)傳輸技術(shù)可以大幅提高頻譜資源利用率和通信性能。

4 在LTE中實現(xiàn)CR

3GPP長期演進(jìn)(LTE)項目是近兩年來3GPP啟動的最大的新技術(shù)研發(fā)項目，這種以O(shè)FDM/FDMA為核心的技術(shù)可以被看作“準(zhǔn)4G”技術(shù)。3GPP LTE項目的主要性能目標(biāo)包括：在20 MHz頻譜帶寬能夠提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s的峰值速率[3]；在時間和頻率,及4根天線上插入導(dǎo)頻信號，如圖1中的導(dǎo)頻圖樣，由于這些導(dǎo)頻信號分布在時間和頻率及4個天線上，4個天線上的導(dǎo)頻在設(shè)計時保持正交，這樣通過接收端的檢測就能反映出信道的特征。

要想系統(tǒng)在鏈路中，更好的檢測用戶信息，自動調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境要求其實現(xiàn)過程分以下幾步：

第一步：信道估計。因為參考符號是在20 MHz帶寬內(nèi)分布，用戶(UE)根據(jù)參考符號在全頻段內(nèi)估計各個子載波SINR，分段反饋信道質(zhì)量，同時結(jié)合當(dāng)前時刻的誤幀率，結(jié)合信道預(yù)測等技術(shù)得到當(dāng)前時刻的UE環(huán)境及信道估計信息。

第二步：信息反饋。反饋每個子載波的信息固然精度高，但是反饋開銷較大，可將子載波分段反饋，即采用開銷小又接近理想的反饋最好。

第三步：CR過程�；�站根據(jù)用戶全頻段的信道質(zhì)量，采用比例公平原則，根據(jù)用戶需求的數(shù)據(jù)速率、反饋的信道信息和空間子信道的增益，選擇信道條件最優(yōu)的子載波分配頻率資源，根據(jù)所分配子載波的信道質(zhì)量選取合適的調(diào)制編碼方式及發(fā)射功率，結(jié)合MIMO進(jìn)行天線配置選擇，空間子信道選擇等等，這些都是根據(jù)環(huán)境感知信息隨時間、環(huán)境變化調(diào)整、學(xué)習(xí)的過程。

5 結(jié)束語

CR是個十分新穎的課題，但演進(jìn)的過程是分步實現(xiàn)的，要在從800 MHz到5 GHz的全寬帶的應(yīng)用，實現(xiàn)CR所要求的功能，還有很多路要走，實現(xiàn)的復(fù)雜度也非常高，但CR的概念為未來無線的發(fā)展指明前進(jìn)的方向，本文所敘述的方法，僅是寬帶技術(shù)應(yīng)用的一個方面，即CR的在寬帶OFDM系統(tǒng)中如何通過反饋感知環(huán)境，系統(tǒng)集中控制頻率資源，空域資源使無線設(shè)備更有效的適應(yīng)移動環(huán)境的信道變化。

6 參考文獻(xiàn)

[1] 尹長川, 羅濤，樂光新.多載波寬帶無線通信技術(shù)[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2004.

[2] 羅濤，樂光新.多天線無線通信原理與應(yīng)用[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2004.   

[3] Physical layer aspects for evolved UTRA[R]. 3GPP TR25.814. 2005.