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感知無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵問(wèn)題研究
論文關(guān)鍵詞: 感知無(wú)線(xiàn)電;信道;傳輸場(chǎng)景
論文摘要: 感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是在軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的一種新的智能無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),是軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的擴展,它使軟件無(wú)線(xiàn)電從預先定義協(xié)議的盲目執行者轉變成為無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域的智能代理。感知無(wú)線(xiàn)電雖具有獨特的優(yōu)點(diǎn),但技術(shù)并不成熟,本文對感知無(wú)線(xiàn)電的無(wú)線(xiàn)傳輸場(chǎng)景分析、信道狀態(tài)估計及其容量預測、功率控制和頻譜管理,無(wú)線(xiàn)電知識描述語(yǔ)言等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討,希望能夠對相關(guān)工作的開(kāi)展提供一些參考。
一、感知無(wú)線(xiàn)電的概念
感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)用以實(shí)現動(dòng)態(tài)頻譜共享。通過(guò)檢測空中信號占用頻譜,通過(guò)探知無(wú)線(xiàn)環(huán)境中空閑頻譜資源,選擇可被自己利用頻率進(jìn)行通信。租借系統通過(guò)采用感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù),實(shí)時(shí)跟蹤授權系統占用頻率狀況,隨時(shí)使用、釋放頻段,在保障授權系統通信前提下,與授權系統動(dòng)態(tài)共享頻譜。采用頻譜檢測方式獲取頻譜信息可使感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能適應無(wú)線(xiàn)環(huán)境頻譜使用狀況短期變化,高效利用頻譜,并且感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)不要求改造現有系統,對無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境和用戶(hù)需求都將具有較好適應性。
感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)動(dòng)態(tài)頻譜共享是自適應傳輸技術(shù)思想在頻譜分配領(lǐng)域的運用。自適應傳輸使無(wú)線(xiàn)通信系統數據傳輸適應信道傳輸能力的變化,通過(guò)提高數據傳輸速率來(lái)改善頻譜利用率。而感知無(wú)線(xiàn)電使無(wú)線(xiàn)通信系統占用的頻譜適應無(wú)線(xiàn)環(huán)境頻譜使用狀況的變化,通過(guò)增加共享同一頻段的系統數、用戶(hù)數來(lái)提高頻譜利用率。不管是自適應傳輸技術(shù)還是感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù),其思想的核心都是無(wú)線(xiàn)通信系統能自動(dòng)地適應外界環(huán)境和自身需求的變化。
感知無(wú)線(xiàn)電思想可以推廣到移動(dòng)通信其它層面。從低層到高層,要求未來(lái)移動(dòng)通信系統能檢測系統各層參數與狀態(tài),如鏈路質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò )拓撲、業(yè)務(wù)負載、甚至用戶(hù)需求,并能適應這些變化。從通信端到端,在存在重疊覆蓋多種無(wú)線(xiàn)電通信環(huán)境下,要求移動(dòng)設備能夠在異構網(wǎng)絡(luò )間切換,實(shí)現包括終端、網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)在內的端到端重配置。這也就是所謂的認知網(wǎng)絡(luò )(Cognitive Network)。
二、感知無(wú)線(xiàn)電關(guān)鍵技術(shù)分析
作為一種新的智能無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),感知無(wú)線(xiàn)電可以感知到周?chē)沫h(huán)境特征,采用構建方法進(jìn)行學(xué)習,通過(guò)相關(guān)描述語(yǔ)言(Radio Knowledge Representation Language,RKRL)與通信網(wǎng)絡(luò )智能交流,實(shí)時(shí)調整傳輸參數,使系統的無(wú)線(xiàn)規則與輸入的無(wú)線(xiàn)電激勵的變化相適應,以達到隨時(shí)隨地通信系統的高可靠性和頻譜利用的高效性。無(wú)線(xiàn)規則指一系列適合無(wú)線(xiàn)頻譜合理使用的射頻帶寬、空中接口、相關(guān)協(xié)議和空間時(shí)間模式的設置。感知無(wú)線(xiàn)電系統的重構能力很重要,該功能就是以軟件無(wú)線(xiàn)電作為平臺來(lái)實(shí)現的。重構功能是由軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)現,而感知無(wú)線(xiàn)電的其他任務(wù)是通過(guò)信號處理和機器學(xué)習的過(guò)程實(shí)現,其感知過(guò)程開(kāi)始于無(wú)線(xiàn)電激勵的被動(dòng)感應,以做出反應行為而終止,一個(gè)基本的感知周期要大致分為3個(gè)基本過(guò)程,分別是無(wú)線(xiàn)傳輸場(chǎng)景分析、信道狀態(tài)估計及其容量預測、功率控制和頻譜管理,它們的順序執行使感知無(wú)線(xiàn)電系統的感知功能得以實(shí)現。
2.1感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)與動(dòng)態(tài)頻譜分配
未來(lái)移動(dòng)通信系統滿(mǎn)足用戶(hù)需求的關(guān)鍵點(diǎn)是提高頻譜利用率。移動(dòng)通信的發(fā)展使帶來(lái)了越來(lái)越嚴重的頻率短缺問(wèn)題。解決頻率短缺大致有兩類(lèi)方法,一是擴大可利用的頻率范圍,二是提高頻譜利用率。為增加可用頻率,移動(dòng)通信系統的頻率已擴展至300GHZ。無(wú)線(xiàn)信道的路徑損耗是隨頻率升高而迅速增加的,所以頻率過(guò)高并不利于移動(dòng)通信。因而,更加有效的方法是提高頻譜利用率。
提高頻譜利用率有三類(lèi)途徑,改進(jìn)通信設備的傳輸技術(shù),優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )、提高組網(wǎng)能力。目前廣泛采用這兩種途徑,但是這兩種方法能夠獲得的頻潛利用率增益將越來(lái)越少。第三種提高頻譜利用率的途徑是改進(jìn)頻譜分配方式。
目前國際上主要采用固定頻譜分配方式,一個(gè)頻段只分配給一個(gè)無(wú)線(xiàn)接入系統,不管分配的頻段是否被頻率牌照的所有者實(shí)際使用,其它無(wú)線(xiàn)接入系統不能占用該頻段。為提高頻譜利用率,可以將一些頻段分配給了多個(gè)系統,允許它們同時(shí)占有同一個(gè)頻段,甚至一些頻段可以開(kāi)放為不需牌照的頻段,允許任意系統占用。盡管固定頻譜分配方式能夠改善系統干擾問(wèn)題,但由于頻譜的授權系統并不是在任何地區的任何時(shí)刻都使用頻率,其頻譜利用率很低。而簡(jiǎn)單地允許多個(gè)系統共享一個(gè)頻段,雖然優(yōu)于獨占性的固定頻譜分配方式,但由于它對頻譜共享沒(méi)有加以必要的控制,一個(gè)系統占用頻率前并不知道該頻率是否正在被其它系統使用,從而導致了兩方面的問(wèn)題�？梢�(jiàn),如果僅僅是簡(jiǎn)單地允許多個(gè)系統共享頻譜,而不避免系統間干擾,會(huì )制約頻譜利用率的提高,并且不能保證通信質(zhì)量。
為解決頻譜短缺與頻譜利用率低下的矛盾,可以考慮采用動(dòng)態(tài)頻譜分配方式。允許多個(gè)系統共享同一頻段,各系統只在需要通信時(shí)才能占有頻段,通信結束就釋放頻段,而且必須控制系統間干擾,后接入的系統不能影響其它已有系統的通信。為與現有通信系統兼容,分配頻段上授權系統有使用頻譜的最高優(yōu)先級,只要不影響授權系統通信,租借系統與授權系統動(dòng)態(tài)共享頻譜。這種動(dòng)態(tài)的頻譜共享包含時(shí)間與空間兩方面。在時(shí)間上,當授權系統不使用所分配的頻率時(shí),租借系統可以占用頻率,但當授權系統重新占用頻率時(shí),租借系統必須及時(shí)地歸還頻率。
2.2 信道狀態(tài)估計及其容量預測
信道估計的結果可用來(lái)計算信道容量,用于控制發(fā)送端的信號能量,可使用香農法則計算信道容量C,但在感知無(wú)線(xiàn)電系統中并不直接在發(fā)送端傳輸C的信息,而是量化C,一定的量化率用于反饋發(fā)送端,量化比率是預先確定的,所以接收機接收的信息量要小于信道容量C。一般來(lái)說(shuō),無(wú)線(xiàn)系統的傳輸率是波動(dòng)的,當其超出一定界限時(shí),就會(huì )引起系統的不正常工作,這個(gè)界限決定了最大的傳輸比特率。
2.3 功率控制和頻譜管理
2.3.1功率控制
在感知無(wú)線(xiàn)電通信系統中功率控制的實(shí)現以分布方式進(jìn)行,以擴大系統工作范圍,提高接收機性能�？刂瓢l(fā)送端功率是感知無(wú)線(xiàn)電系統的關(guān)鍵技術(shù)之一。在多址接入的感知無(wú)線(xiàn)電信道環(huán)境中,主要采用協(xié)作機制方法,包括規則及協(xié)議和協(xié)作的Ad hoc網(wǎng)絡(luò )兩方面內容。多用戶(hù)的感知無(wú)線(xiàn)電系統彼此協(xié)作工作,基于先進(jìn)的頻譜管理功能,可以提高系統工作性能,支持更多用戶(hù)接入。
2.3.2動(dòng)態(tài)頻譜管理
動(dòng)態(tài)頻譜管理也稱(chēng)為動(dòng)態(tài)頻譜分配,具有實(shí)現系統頻譜高效利用的功能。在感知無(wú)線(xiàn)電系統中,頻譜管理的算法可這樣描述:基于頻譜空穴和功率控制器的輸出,選擇一種調制方式以適應時(shí)變的無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境,使系統工作在可靠傳輸的狀態(tài)下。系統工作的可靠性可由信噪比差額(SNR gap)的大小確定。
2.4無(wú)線(xiàn)電知識描述語(yǔ)言
傳統的軟件無(wú)線(xiàn)電不能與網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行智能交流,因為沒(méi)有基于模式推理計劃能力和沒(méi)有相關(guān)描述語(yǔ)言。在以軟件無(wú)線(xiàn)電為發(fā)展平臺的感知無(wú)線(xiàn)電研究中,研究表示無(wú)線(xiàn)系統知識、計劃和所需語(yǔ)言是關(guān)鍵技術(shù),無(wú)線(xiàn)電知識描述語(yǔ)言(RKRL)應運而生,它表示了無(wú)線(xiàn)規則、系統配置、軟件模塊、網(wǎng)絡(luò )傳送、用戶(hù)需求、應用環(huán)境等知識。
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