基于軟件無線電的廣域自適應頻譜技術(shù)

摘要　伴隨著基于超大規(guī)模集成電路(VLSI)的數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的快速發(fā)展，人們可以逐漸擺脫技術(shù)上的限制，研制出能夠任意訪問與電磁頻譜有關(guān)的全維空間而不受時間、空間、功率等限制的設備。本文介紹了一種新型的能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的自適應頻譜接入技術(shù)，它可以更加靈活地使用頻率資源，在一定程度上解決了軟件無線電(SDR)的頻譜使用問題，同時可以對頻率這種資源的利用更加有效。

關(guān)鍵詞　自適應頻譜接入　動態(tài)頻率選擇　軟件無線電

0、引言

　　本文介紹的自適應頻譜接入技術(shù)是在軟件無線電的基礎之上發(fā)展起來的一種新型的頻率指配和使用系統(tǒng)。該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的頻率指配和使用具有更高的利用率和靈活性。由于政策的制定相比于技術(shù)的發(fā)展具有一定的滯后性，所以對于該系統(tǒng)，可能現(xiàn)行的頻譜政策并不能夠支持。但是我們在文中主要是從技術(shù)的方面來考慮。

1、設計背景

　　以往的無線通信系統(tǒng)的設計都是基于靜態(tài)的。所謂的靜態(tài)是指經(jīng)過頻譜管理部門指配頻段之后，通信系統(tǒng)只能在指配的專有頻段上工作。使用專有的單一的調(diào)制/解調(diào)器、信道協(xié)議等等。即使是多頻段電話也只在預先定義的幾個頻段之間切換。這種設計通常是以惡劣情況為根據(jù)，不能很充分地利用RF頻譜。而理想的軟件無線電能動態(tài)適應頻譜環(huán)境中的任一環(huán)節(jié)的變化，如調(diào)制、編碼、信道協(xié)議以及帶寬等等，并能自適應實時變化，在多維空間上接入頻譜(多維頻譜空間)，最大程度地增加頻譜利用率。

　　靜態(tài)設計不僅降低了射頻頻譜的利用率，在其它方面也有影響。例如移動通信系統(tǒng)中，用戶可以在系統(tǒng)空閑時傳輸數(shù)據(jù)，但這并不能提高數(shù)據(jù)傳輸速率和頻段的利用率。如果系統(tǒng)能自動感知所處的頻譜環(huán)境，實時調(diào)整自身的傳輸或者使用原有指定頻段之外的空閑頻段，這樣無疑能極大改變頻譜利用率，使用戶能獲得額定之外的帶寬而又不需要增加額外的開銷。軟件無線電的高度的靈活性能夠去除靜態(tài)設計的局限性。這使得人們紛紛進行不懈的研究和開發(fā)，自適應頻譜接入技術(shù)就是其中的一種。

2、系統(tǒng)介紹

　　現(xiàn)實當中，由于技術(shù)和頻譜指配制度上的限制，使得任何頻譜的使用在連續(xù)的時間上都不是百分之百的，這樣就造成了頻譜資源的極大浪費。理論上，拋開上述限制，射頻頻譜應可以隨意地使用和分配。這在以往，是不可能實現(xiàn)的，但是隨著無線電技術(shù)從數(shù)字信號處理到天線技術(shù)的高速發(fā)展，使得根據(jù)頻譜環(huán)境來自適應地調(diào)整自身進而接入整個范圍內(nèi)的頻譜空間的系統(tǒng)在技術(shù)上成為可能。這就是自適應頻譜接入技術(shù)。對于什么是自適應頻譜接入技術(shù)，就像軟件無線電到目前為止沒有一個嚴格統(tǒng)一的定義一樣，自適應頻譜系統(tǒng)也沒有一個清晰的定義，但是，這個系統(tǒng)至少要能夠完成以下功能：

　　*具有感知無線電頻譜環(huán)境的能力。

　　*在一個自主的、隨機的、實時的環(huán)境中基于測量和其他先驗信息的自我傳輸控制。

　　*調(diào)整多個傳輸參數(shù)，包括(但是不僅僅限于)頻率、功率、調(diào)制方式、信號定時、數(shù)據(jù)速率、編碼速率和天線等等。

　　*可工作在一個合作模式的網(wǎng)絡系統(tǒng)或者非合作方式的系統(tǒng)環(huán)境下(即隨機對頻譜的應用)。

　　由此可見，系統(tǒng)工作分為三個部分：

　　(1)首先系統(tǒng)實時監(jiān)測射頻信道，感知到那些未被占用的空閑信道(黑色方塊為頻譜主要使用用戶)；

　　(2)根據(jù)所處的頻譜環(huán)境，在空閑的信道上創(chuàng)建與頻譜環(huán)境兼容的射頻傳輸波形，然后采用多個副載波進行數(shù)據(jù)傳輸(副載波如圖中黑白線所示，可以相鄰也可不相鄰)；

　　(3)重復步驟1、2。

　　可以看出對空閑頻譜的自適應接入與信道上主要用戶的活動有很大關(guān)系。通過使用這種技術(shù)，我們可以得到以下幾個好處：

　　(1)提高了頻譜接入和使用率。通過調(diào)整傳輸方式，自適應系統(tǒng)能夠利用未被使用的頻譜，即使其隨著時間而改變；

　　(2)在一個改變的環(huán)境中保持業(yè)務質(zhì)量；

　　(3)調(diào)整輻射功率以減小或者保持對于其他系統(tǒng)的干擾能力。

　　與以往的技術(shù)相比，自適應頻譜接入技術(shù)是一種基于在多維頻譜空間上動態(tài)地選擇頻譜的技術(shù)。所謂多維頻譜空間是指頻率、時間、空間、功率和信號等(不一定滿足正交的條件)。這些參量的確定對于系統(tǒng)來說是很重要的，因為它對于頻譜使用政策的制定和發(fā)展有導向作用，但其更基本的作用是對于使用頻譜擔負的責任和權(quán)利。由圖1我們可以看到，自適應頻譜接入中的主要技術(shù)就是動態(tài)頻率選擇(DFS)技術(shù)。

　　最基本的基于自適應頻譜接入技術(shù)的一些系統(tǒng)工作在沒有執(zhí)照頻段時已經(jīng)很多年了(例如工作在45MHz左右的無繩電話系統(tǒng)必須使用一種信道自動選擇機制來避免在已占用的信道上建立鏈接)。相對于早期的自適應頻譜接入技術(shù)，更加先進的自適應能力包括被二代和三代移動通信標準采用的各種數(shù)據(jù)速率改變、編碼速率等各種方法。

　　近年來技術(shù)上的進步，尤其是在頻譜環(huán)境感知和網(wǎng)絡方面，形成了兩種自適應頻譜接入技術(shù)。第一種，通常被稱為尋找機會的類型。在沒有其它系統(tǒng)工作的頻段區(qū)域通過自適應地改變自身的傳輸來對改變的無線電頻率環(huán)境做出反應。

　　在這種工作方式下，系統(tǒng)能夠與其他系統(tǒng)在非合作的方式下工作，潛在地提高了頻譜利用率。這樣的系統(tǒng)也能夠與其它類似系統(tǒng)分享頻譜環(huán)境的相關(guān)信息，避免其他用戶被自適應系統(tǒng)干擾。

　　這種尋找機會型的自適應頻譜接入是假設在多維頻譜空間上，尤其是頻率和時間上，頻譜并不總是被占用的。而且，該類型只適合于當前環(huán)境下僅有一個自適應頻譜接入設備的接入。

　　另一種類型的自適應頻譜接入就是可以以合作的方式來使用共享的信息或操作來接入多維頻譜空間的頻譜。這種情況不可避免地存在于一個具有多個自適應頻譜接入設備的網(wǎng)絡當中。由于網(wǎng)絡當中每個自適應頻譜接入設備都是一個獨立的節(jié)點，都獨立地在相同的無線電環(huán)境當中進行自適應頻譜接入行為，這樣不可避免地會引起頻譜使用上的沖突，因此在能夠進行正常通信前要做一些必要的協(xié)商工作：

　　(1)在相同的設備用戶間共享頻譜圖；

　　(2)對共享的與電磁環(huán)境有關(guān)的頻譜圖進行優(yōu)化。

　　與前面提到的第一種類型不同的是，通過協(xié)商模式、共享頻譜信息避免了相互間的干擾沖突，因而以協(xié)調(diào)的方式接入多維的頻譜空間，極大地提高了頻譜利用率。

　　未來的通信系統(tǒng)中，可能會用到上述兩種方式中的一種或兩種同時使用，所以它們不應被互相對立地看待。第一種方式由于不存在與相同設備的競爭，所以使用上限制較小，對電磁環(huán)境和設備的要求較低，因而使用靈活。而從第二種方式可以看出，由于存在多個相同自適應設備之間的競爭，相同設備之間不可避免地需要進行協(xié)商，增加了使用上的難度和設備設計上的復雜度，還需要考慮到對主要頻譜使用者的干擾問題。這些都是今后需要研究的方向。

3、未來展望

　　我們敘述了一種基于軟件無線電的自適應頻譜接入技術(shù)，它的出現(xiàn)是數(shù)字信號處理迅猛發(fā)展的結(jié)果，也是對傳統(tǒng)頻譜接入方式的一種挑戰(zhàn)。應該看到，上述的自適應行為還只是一種粗略的自適應行為，需要人們不斷地進行研究改進。人們的目標是創(chuàng)造出具有更高自適應能力的通信系統(tǒng)，因此未來的高級自適應行為大概應該包括下述幾方面：

　　*與該技術(shù)配套的頻譜使用相關(guān)法規(guī)的制定。

　　*限制接入和可以接入的頻譜空間范圍(頻段、時間、位置、方向等)。

　　*滿足特定條件下的頻譜空間的接入(如在特定的區(qū)域、特定的信號標示等)。

　　*利用頻譜空間的維數(shù)來協(xié)商的接入(例如在A地B時刻要求接入C頻段)。

　　*動態(tài)。系統(tǒng)可以不根據(jù)預先定義的行為，而是根據(jù)自身對頻譜環(huán)境的測量來決定采用什么準則和行為來共享信息和提出要求。

　　可以看到，未來的自適應頻譜接入是相當智能的。為了實現(xiàn)上述目標，今后在以下幾方面是我們研究的重點：

　　(1)數(shù)字信號處理

　　*改進的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，具有更高的抽樣率和分辨率。

　　*具有更低功耗、更高處理速度的專用集成電路(ASIC)。

　　*低功耗、高處理速度、可編程的FPGA，DSP，微處理器等。

　　(2)無線電頻率設備

　　*具有自適應技術(shù)的天線(如動態(tài)天線波束、干擾取消、多天線/信道技術(shù))。

　　*功率放大器、低噪聲放大器、濾波器等。

　　(3)其它相關(guān)的電子技術(shù)

　　新技術(shù)的出現(xiàn)必然會帶來對現(xiàn)行頻譜使用政策的沖擊，使得頻譜管理部門要重新制定與這些技術(shù)相適應的法規(guī)政策，這些都是人們今后需要花費大量的精力去解決的。