基于軟件無線電的新型系統(tǒng)--自適應(yīng)頻譜接入技術(shù)介紹

伴隨著基于超大規(guī)模集成電路(VLSI)的數(shù)字信號(hào)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(shí)間、空間、功率等限制的設(shè)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(yīng)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(shí)可以對(duì)頻率這種資源的利用更加有效。

本文介紹的自適應(yīng)頻譜接入技術(shù)是在軟件無線電的基礎(chǔ)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(duì)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(duì)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?cè)谖闹兄饕菑募夹g(shù)的方面來考慮。

1、設(shè)計(jì)背景

以往的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yù)先定義的幾個(gè)頻段之間切換。這種設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)適應(yīng)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(yīng)實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)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(dòng)通信系統(tǒng)中，用戶可以在系統(tǒng)空閑時(shí)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(dòng)感知所處的頻譜環(huán)境，實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)的局限性。這使得人們紛紛進(jìn)行不懈的研究和開發(fā)，自適應(yīng)頻譜接入技術(shù)就是其中的一種。

2、系統(tǒng)介紹

現(xiàn)實(shí)當(dāng)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(shí)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(fèi)。理論上，拋開上述限制，射頻頻譜應(yīng)可以隨意地使用和分配。這在以往，是不可能實(shí)現(xiàn)的，但是隨著無線電技術(shù)從數(shù)字信號(hào)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(yīng)地調(diào)整自身進(jìn)而接入整個(gè)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(yīng)頻譜接入技術(shù)。對(duì)于什么是自適應(yīng)頻譜接入技術(shù)，就像軟件無線電到目前為止沒有一個(gè)嚴(yán)格統(tǒng)一的定義一樣，自適應(yīng)頻譜系統(tǒng)也沒有一個(gè)清晰的定義，但是，這個(gè)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(gè)自主的、隨機(jī)的、實(shí)時(shí)的環(huán)境中基于測(cè)量和其他先驗(yàn)信息的自我傳輸控制。

調(diào)整多個(gè)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(hào)定時(shí)、數(shù)據(jù)速率、編碼速率和天線等等。

可工作在一個(gè)合作模式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或者非合作方式的系統(tǒng)環(huán)境下(即隨機(jī)對(duì)頻譜的應(yīng)用)。

由此可見，系統(tǒng)工作分為三個(gè)部分：

(1)首先系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(gè)副載波進(jìn)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(fù)步驟1、2。

可以看出對(duì)空閑頻譜的自適應(yīng)接入與信道上主要用戶的活動(dòng)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(gè)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(yīng)系統(tǒng)能夠利用未被使用的頻譜，即使其隨著時(shí)間而改變；

(2)在一個(gè)改變的環(huán)境中保持業(yè)務(wù)質(zhì)量；

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

與以往的技術(shù)相比，自適應(yīng)頻譜接入技術(shù)是一種基于在多維頻譜空間上動(dòng)態(tài)地選擇頻譜的技術(shù)。所謂多維頻譜空間是指頻率、時(shí)間、空間、功率和信號(hào)等(不一定滿足正交的條件)。這些參量的確定對(duì)于系統(tǒng)來說是很重要的，因?yàn)樗鼘?duì)于頻譜使用政策的制定和發(fā)展有導(dǎo)向作用，但其更基本的作用是對(duì)于使用頻譜擔(dān)負(fù)的責(zé)任和權(quán)利。由圖1我們可以看到，自適應(yīng)頻譜接入中的主要技術(shù)就是動(dòng)態(tài)頻率選擇(DFS)技術(shù)。

最基本的基于自適應(yīng)頻譜接入技術(shù)的一些系統(tǒng)工作在沒有執(zhí)照頻段時(shí)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(dòng)選擇機(jī)制來避免在已占用的信道上建立鏈接)。相對(duì)于早期的自適應(yīng)頻譜接入技術(shù)，更加先進(jìn)的自適應(yīng)能力包括被二代和三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)步，尤其是在頻譜環(huán)境感知和網(wǎng)絡(luò)方面，形成了兩種自適應(yīng)頻譜接入技術(shù)。第一種，通常被稱為尋找機(jī)會(huì)的類型。在沒有其它系統(tǒng)工作的頻段區(qū)域通過自適應(yīng)地改變自身的傳輸來對(duì)改變的無線電頻率環(huán)境做出反應(yīng)。

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(yīng)系統(tǒng)干擾。

這種尋找機(jī)會(huì)型的自適應(yīng)頻譜接入是假設(shè)在多維頻譜空間上，尤其是頻率和時(shí)間上，頻譜并不總是被占用的。而且，該類型只適合于當(dāng)前環(huán)境下僅有一個(gè)自適應(yīng)頻譜接入設(shè)備的接入。

另一種類型的自適應(yīng)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(gè)具有多個(gè)自適應(yīng)頻譜接入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。由于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中每個(gè)自適應(yīng)頻譜接入設(shè)備都是一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，都獨(dú)立地在相同的無線電環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行自適應(yīng)頻譜接入行為，這樣不可避免地會(huì)引起頻譜使用上的沖突，因此在能夠進(jìn)行正常通信前要做一些必要的協(xié)商工作：

(1)在相同的設(shè)備用戶間共享頻譜圖；

(2)對(duì)共享的與電磁環(huán)境有關(guān)的頻譜圖進(jìn)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(huì)用到上述兩種方式中的一種或兩種同時(shí)使用，所以它們不應(yīng)被互相對(duì)立地看待。第一種方式由于不存在與相同設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)，所以使用上限制較小，對(duì)電磁環(huán)境和設(shè)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(gè)相同自適應(yīng)設(shè)備之間的競(jìng)爭(zhēng)，相同設(shè)備之間不可避免地需要進(jìn)行協(xié)商，增加了使用上的難度和設(shè)備設(shè)計(jì)上的復(fù)雜度，還需要考慮到對(duì)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(yīng)頻譜接入技術(shù)，它的出現(xiàn)是數(shù)字信號(hào)處理迅猛發(fā)展的結(jié)果，也是對(duì)傳統(tǒng)頻譜接入方式的一種挑戰(zhàn)。應(yīng)該看到，上述的自適應(yīng)行為還只是一種粗略的自適應(yīng)行為，需要人們不斷地進(jìn)行研究改進(jìn)。人們的目標(biāo)是創(chuàng)造出具有更高自適應(yīng)能力的通信系統(tǒng)，因此未來的高級(jí)自適應(yīng)行為大概應(yīng)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(shí)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(hào)標(biāo)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(shí)刻要求接入C頻段)。

動(dòng)態(tài)。系統(tǒng)可以不根據(jù)預(yù)先定義的行為，而是根據(jù)自身對(duì)頻譜環(huán)境的測(cè)量來決定采用什么準(zhǔn)則和行為來共享信息和提出要求。

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

(1)數(shù)字信號(hào)處理

改進(jìn)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(shè)備

具有自適應(yīng)技術(shù)的天線(如動(dòng)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(huì)帶來對(duì)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(yīng)的法規(guī)政策，這些都是人們今后需要花費(fèi)大量的精力去解決的。