如何实现完整的认知无线电

红灯记

无线频谱是一种宝贵的资源。对此若有怀疑也会因AWS-3频谱拍卖而烟消云散，因为据报道此次拍卖共赚得449亿美元。这么巨大的资金保证了蜂窝提供商能够使用固定地区的特定频段以便支持他们的客户。

固定和预定义的频率和调制技术概念可以追溯到最早的无线电时期。这种概念在我们的频率分配中根深蒂固，并且在上个世纪一直很有效。

遗憾的是，今天人们对频谱的需求超过了有限的供应。业界也采用了不同的技术来减缓这种供需矛盾。比如采用更加高效的调制方案，如正交频分复用(OFDM)。借助OFDM和高效的数字压缩机制，许多国家的地面广播电视频道的频谱利用已达到非常合理的程度。模拟传输也被数字服务所替代，它极大地降低了带宽和保护带的要求。结果是，一些频谱资源被释放出来给其它应用使用。

即使做了上述这些努力，但可用的频谱资源仍不足以满足诸如蜂窝等服务的快速增长需求。结果是，对下一代蜂窝系统的规划和研究正推动着频率向60GHz及以上发展。与目前无线信号覆盖整个区的蜂窝相比，在这些毫米波长工作要困难得多，而且覆盖范围以英尺(或米)计。

这种传统技术方案导致射频频谱中许多部分的利用率相当低。一些报告指出，任一时刻只有10%的可用频谱正在使用。

技术发展

认知无线电(CR)这个概念承诺能够提供高得多的可用频谱利用率。简单的说，具有认知无线电功能的无线产品可以适应当前的环境，并使用没在使用的资源。这种简化的定义解释了为什么认知无线电还没有得到普及。

理想的认知无线电系统应该能够监视很宽范围的频率，并及时识别某一瞬间哪些频率正在被使用，哪些频率是空闲的。

使用一组接收器、每个接收器通过调谐扫描整个频段显然是不切实际的。然而，最新的半导体技术使得使用能够在整个频率范围内执行扫描的可编程接收器成为可能。就拿Lime Microsystems公司的LMS7002M来说，它可以在100kHz至3800MHz之间任意调谐。它有两个可以完全在线可编程的收发器。增益和带宽也是可编程的，而且每个通道在射频域和基带域中都有接收信号强度指示器(RSSI)。这就允许认知无线电扫描感兴趣的射频频率，然后“占用”任何潜在空闲的信道。认知无线电可以提升增益并缩小带宽，以消除错误跳到已占频率上的可能性。

两个或多个具有认知无线电功能的无线电设备要建立一个通信信道，它们必须有一个同意采用什么频率、功率电平和调制方案的机制(图1)。一种技术是使用基站在参与设备之间传递消息。基站只用于交换连接数据，然后认知无线电设备切换到协商一致的设置上。


在呼叫过程中，认知无线电设备需要连续监视信道和其它频率，因为其它(非认知无线电)用户可能突然启动呼叫。这些用户通常被称为许可用户，他们比认知无线电设备的优先级高，要求防止有害的干扰。在这种可能发生的情形中，认知无线电的作用是检测许可用户，建立并同意另一个空闲频率，然后断开当前设置的连接。
为了有助于实现这个功能，认知无线电频谱检测方法需要在不传送信息时提供一定的时隙，帮助系统检测其它信号，并且在帧格式内适应整个认知无线电系统。基站可以从多个认知无线电设备组中校对有关频谱使用情况的报告，并更新记录信道忙闲的表格。

基站可以使用这张表格为申请的服务分配空闲信道。当要求一个新的网络配置，这种算法可以防止认知无线电发生过度的搜寻。这种合作机制还能减轻“隐藏节点”问题，即来自一个远程或阴影下的用户传输没被特定的认知无线电发现。这个直接信号也许太弱了而没被检测到，但如果认知无线电设备在相同频率上开始传送信息，则会对现有用户造成干扰。

考虑认知无线电设备在典型无线环境中的工作。图2所示的初始场景是信道A、B和D被发现目前都没在使用，因为只检测到宽带噪声。此时认知无线电设备组将通过基站进行通信，并使用信道A。在认知无线电呼叫期间，有台认知无线电设备检测到一个许可用户有了连接，那么认知无线电呼叫者就将评估其它频率选项，并切换到目前仍只有噪声记录的信道B。同样在认知无线电呼叫过程中再次检测到许可用户，认知无线电呼叫将重新切换到目前未被使用的信道C…
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