- IEEE802.22概述
- IEEE802.22關鍵技術
- 正交頻分多址
- 信道管理
- 多信道綁定
隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，無線局域網(wǎng)（WLAN）技術、無線個人域網(wǎng)絡（WPAN）和無線城域網(wǎng)絡（WMAN）技術迅猛發(fā)展，無線頻譜日益擁擠。而3GHz以下的頻段具有傳輸損耗小、頻率選擇性衰落小、發(fā)射機設計功率大等顯著的優(yōu)點，適合于遠距離、大區(qū)域環(huán)境下的無線信號傳輸。因此無線通信運營和技術的爭奪，已經(jīng)集中在對于無線頻譜資源的爭奪上，尤其是對3GHz以下的無線頻段。
認知無線電（CR）[1～2]是針對頻譜利用率不高的解決方案。其特點是根據(jù)實時感知環(huán)境，靈活、高效、可靠地利用頻譜資源。這樣認知無線電就具備了在已授權頻段內，智能利用“空洞頻譜”而不干擾其它授權用戶的能力。
2003年12月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）在其規(guī)則第15章公布了修正案。法律規(guī)定[2]“只要具備認知無線電功能，即使是其用途未獲許可的無線終端，也能使用需要無線許可的現(xiàn)有無線頻帶”，為新的無線資源管理技術奠定了法律基礎。2004年11月第一個基于認知無線電的無線標準IEEE802.22工作組[3～4]成立，目的在于解決運營在廣播電視頻段的感知無線廣域接入網(wǎng)絡技術。下面涉及到的內容主要針對IEEE802.22/D0.1草案[5]。
1、IEEE802.22概述
IEEE802.22固定無線區(qū)域網(wǎng)絡（WRAN）工作于54MHz～862MHzVHF/UHF（擴展頻率范圍47MHz～910MHz）頻段中的TV信道，它可自動檢測空閑的頻段資源并加以使用，因此可與電視、無線麥克風等已有設備共存。利用WRAN設備的這種特征可向低人口密度地區(qū)提供類似于城區(qū)所得到的寬帶服務。
1.1 授權用戶
在IEEE802.22工作頻段內，有兩類授權用戶：一類是電視服務，另一類是無線麥克風。與感知電視信號傳輸相比，感知無線麥克風要困難許多。通常無線麥克風傳輸功率在50mW左右，覆蓋區(qū)域在100m左右，占用帶寬小于200KHz。由于無線麥克風可能突然地出現(xiàn)和消失，給感知技術帶來的巨大的挑戰(zhàn)。
1.2 拓撲
IEEE802.22系統(tǒng)是固定的一點對多點（PMP）無線空中接口，即基站（BS）管理著整個小區(qū)和相關的所有用戶終端（CPE）。BS控制小區(qū)內媒體接入和下行（DS）傳輸給相應的CPE。而CPE通過接入請求，在BS允許的上行（US）傳輸，即任何CPE必須在收到BS的授權后才能傳輸。由于BS必須兼顧對授權用戶的保護，合理的分配感知任務、合理的實現(xiàn)動態(tài)頻率選擇，都是802.22系統(tǒng)的關鍵問題。
1.3 覆蓋區(qū)域
IEEE802.22系統(tǒng)和其它的IEEE802的標準相比，是針對無線區(qū)域網(wǎng)的。BS的覆蓋范圍半徑最大可達100km，在目前4W的有效全向輻射功率（EIRP）條件下，覆蓋面積的半徑也達到33km。這樣802.22系統(tǒng)的覆蓋面積就是當今最大的一個系統(tǒng)。雖然得益于800MHz以下電視頻帶的良好傳播特性，但增加的覆蓋范圍給技術提供了機遇和挑戰(zhàn)。
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2、IEEE802.22關鍵技術
IEEE802.22技術是認知無線電技術在無線區(qū)域內的具體應用。它的特點是在VHF/UHF頻段內，不干擾授權用戶的情況下，靈活、自適應的頻譜的合理配置。具體通過以下關鍵技術實現(xiàn)。
2.1 頻譜感知技術
在IEEE802.22系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對授權用戶保護，提出工作信道內和工作信道內感知機制。工作信道內感知，BS分配靜默期。在靜默期內，BS和CPE都不發(fā)送數(shù)據(jù)，感知小區(qū)內授權用戶信號。工作信道內采用兩段式感知（TSS）機制，在快速感知階段，通常采用單一的感知方法（如能量檢測、導頻信號能量檢測），迅速感知是否存在授權用戶。這個過程通常在微秒級，參考IEEE802.11b中20µs、IEEE802.11a中9µs。在精細感知階段，獲知已捕獲的授權用戶的詳細信息。這個過程通常在毫秒級，如檢測ATSC信號的同步字段需要24ms。工作信道外感知，CPE利用獨立的感知天線，可以同時感知工作信道外。
常用的信號檢測方法有能量檢測法、相關檢測法、周期圖法、特征值分解檢測法、循環(huán)平穩(wěn)檢測法等。能量檢測法由于收到檢測門限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知階段。相關檢測法是利用事先插入的導頻或同步序列，與已知的本地序列相關，這個方法本質上還是能量檢測。周期圖法、特征值分解檢測法、循環(huán)平穩(wěn)檢測法屬于特征檢測。周期圖法是利用傅里葉變換來獲得信號的功率譜密度，實現(xiàn)算法可以利用快速傅里葉變換，便于實現(xiàn)。特征值分解檢測法利用信號和噪聲的不相關，把接收信號分解為信號和噪聲的估計量。循環(huán)平穩(wěn)檢測法利用調制信號的相關函數(shù)的周期性，進行感知。特征值分解檢測法、循環(huán)平穩(wěn)檢測法兩種算法計算較復雜。
對應于802.22系統(tǒng)的具體應用環(huán)境，系統(tǒng)提出了兩個關鍵參數(shù)，對感知技術進行規(guī)范。IEEE802.22系統(tǒng)中規(guī)定信道檢測時間（CDT）和授權用戶感知門限（IDT）。對應VHF/UHF頻段內的兩類授權用戶，信道檢測時間定義為≤2s。對于200KHz無線麥克風，授權用戶感知門限為-107dBm；而對應6MHz的電視服務，授權用戶感知門限為-116dBm。
信道檢測時間是指在WRAN系統(tǒng)正常工作時，用來檢測在當前TV信道內是否有感知門限之上的所花費最大時間，在檢測概率大于90%的情況下，這個時間約為500ms～2s。當聯(lián)合多個CPE共同感知時，可以縮短感知時間，也可以保證較高的感知正確率。聯(lián)合感知技術是工程上實現(xiàn)感知技術參數(shù)的配置算法，合理的配置了小區(qū)內的CPE資源。
2.2 共存
共存在目前IEEE802.22草案中包括與授權用戶共存和其它802.22系統(tǒng)的共存。由于目前的IEEE802.22草案中并沒涉及與其它的認知系統(tǒng)如何共存的解決方案，只預留了systemtype參數(shù)為IEEE802.16和IEEE802.11等認知系統(tǒng)共存。下面只討論與授權用戶和與其它802.22系統(tǒng)的共存。
2.2.1 與授權用戶共存
與授權用戶的共存包括授權用戶的感知、授權用戶通告、授權檢測恢復一系列機制。授權用戶感知最大時間由CDT給出，而最大通告時間和恢復時間分別由CCTT和CMT限定。
授權用戶感知機制是工作信道內兩段式感知機制，在每個CDT內周期性地分配多個快速感知時間，而精細感知時間是在每個CDT內動態(tài)分配。這種機制的主要優(yōu)點是允許認知無線電系統(tǒng)滿足實時系統(tǒng)的QoS要求，只在必要時候行精細感知。由于電視授權用戶不是經(jīng)常的出現(xiàn)或消失，通常情況下只需要行快速感知，這樣可以保證QoS不受影響。
授權用戶通告機制是解決感知授權用戶以后及時通知BS的場景。目前IEEE802.22草案中，有靜默期階段和普通工作階段。當BS沒有分配帶寬時，CPE采用競爭方式或CDMA方式接入。即CPE在由BS分配的UCS（UrgentCoexistenceSituation）窗中，通過競爭或碼分多址（CDMA）碼接入。也可以輪詢的方式獲得CPE的感知報告。
授權用戶檢測恢復機制是，小區(qū)范圍內的授權用戶由BS確認后，BS進入恢復運行的模式。在這個模式內，BS運行IDRP（IncumbentDetectionRecoveryProtocol）。IDRP協(xié)議保證了保護授權用戶的同時，盡快恢復系統(tǒng)正常工作模式，盡可能地減小系統(tǒng)性能惡化。IDRP利用了備用信道，在備用信道上迅速建立通信。由于恢復時間由CCTT或CMT限定，保證了系統(tǒng)平滑的恢復過程。
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2.2.2 與其它IEEE802.22系統(tǒng)共存
目前IEEE802.22草案中支持兩種WRAN系統(tǒng)間通信方式，一種是CBP（CoexistenceBeaconProtocol），另一種是inter-BS通信。CBP方式支持主動和被動式，而后者只是被動的監(jiān)聽鄰居小區(qū)基站發(fā)送的超幀控制頭（SCH）或CBP包。
CBP信標可以通過空口消息傳輸，也可以通過有線傳輸。CBP支持BS在自己分配的自共存（Self-Coexistence）窗內，接收或發(fā)送CBP信標。CPE在自共存窗內競爭接入，發(fā)送自己的CBP包，也可以監(jiān)聽來自BS的SCH信標。也就是說在BS分配的共存窗內，BS和CPE可以工作在主動模式和被動模式。CPE只在BS分配接收和發(fā)送任務時，服務于當前小區(qū)。在CPE的被動模式下，CPE可以接收來自相鄰小區(qū)的SCH信標。
CBP包含大量有用的信息，這些信息不僅可以用于共存，還可以用于小區(qū)建立和保持同步。一旦CPE收集到相鄰合作小區(qū)的CBP，CPE可以總結信息發(fā)給BS，由BS制定“無干擾”的共存機制。CBP包可以用于帶寬請求，BS可以根據(jù)CPE的帶寬請求和CBP包提供的信息，避免對其它合作的CPE的干擾。CBP包攜帶時間戳信息，用于相鄰小區(qū)獲得正確的時間偏移量，達到系統(tǒng)同步。
而inter-BS通信允許BS和CPE感知和接收相鄰小區(qū)的SCH和CBP包。這種方式只是被動監(jiān)聽，得到的信息有限。
系統(tǒng)共存還包括頻譜資源共享技術。目前在草案中提供了按需頻譜競爭機制（ODSC）、動態(tài)租賃機制、頻譜禮儀機制和基于租賃的信用幣（credittoken）機制，其中頻譜禮儀機制是基于準則的租賃機制。除了ODSC機制是基于競爭的，其它機制都是基于租賃機制的。這里存在一個調度算法復雜度和頻譜利用率的折中?；诟偁帣C制的頻譜共享機制調度復雜度低，但基于租賃機制的頻譜共享機制可以實現(xiàn)較高的頻譜利用率。
2.3 正交頻分多址（OFDMA）
IEEE802.22不是第一個采用OFDMA技術的標準。但由于OFDMA技術可以方便地實現(xiàn)子載波分配，將物理上不連續(xù)的頻率資源整合，為認知無線電高效利用頻譜空洞提供了可能。IEEE802.22草案上行和下行均采用OFDMA調制?？紤]到傳播時延在25µs～50µs的數(shù)量級內，循環(huán)前綴大概需要40µs才能滿足OFDMA同步要求。為減小循環(huán)前綴對系統(tǒng)的負擔，系統(tǒng)采用每個TV信道內2KFFT的OFDMA。
子載波分配技術和功率控制技術結合可以提高系統(tǒng)的吞吐量。在經(jīng)典的“注水”算法的基礎上，有一系列的衍生算法。根據(jù)空閑信道的分布，在已知信道占用情況、衰落等參數(shù)情況下，動態(tài)分配所使用的子載波位置和個數(shù)。
OFDMA調制技術和編碼技術結合的自適應編碼調制技術，可根據(jù)信道的實際情況動態(tài)地調整帶寬，調制編碼方式等。OFDMA技術可以分配合適的子載波滿足不同CPE的不同服務質量需求。與系統(tǒng)提供的QPSK、16-QAM、64-QAM等調制技術以及1/2、3/4、2/3卷積碼結合，可以實現(xiàn)從每個子載波幾Kbps到整個TV信道19Mbps的速率，為CPE提供靈活的服務。
2.4 信道管理
IEEE802.22系統(tǒng)把信道分為工作信道集合、候選信道集合、占用信道集合、不允許使用的信道集合和空信道集合。對于多信道支持的情況，工作信道又分為工作信道1和工作信道2。對于每個CPE自身工作信道為工作信道1，其它的當前BS的工作信道為工作信道2。占用信道集合是被授權用戶占用的信道。根據(jù)感知結果，實現(xiàn)各信道的切換。
由于認知系統(tǒng)工作在授權用戶頻段，一旦工作信道內出現(xiàn)授權用戶，系統(tǒng)迅速退出授權用戶信道，實現(xiàn)對授權用戶的保護。這時工作信道轉化為占用信道。同理，如果授權用戶釋放了占用的信道，則這個信道可以轉化為候選信道集合作為認知系統(tǒng)的候選信道，或者轉化為其它信道集合類型。信道管理為更好地保護授權用戶，為用戶提供更靈活的服務和QoS保證提供了可能。
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2.5 多信道綁定
IEEE802.22系統(tǒng)還有一個特點就是支持多信道綁定，即支持動態(tài)地利用多個空閑的TV信道。相應地為了保持子載波之間距離不變，對應兩個綁定的TV信道，采用4K的OFDMA；對應于三個綁定的TV信道，采用6K的OFDMA。
多信道綁定技術可以使用頻譜上連續(xù)的或非連續(xù)的多個TV信道（系統(tǒng)現(xiàn)在限定最多支持三個TV信道）。多信道綁定提供了更高的容量，更大的頻譜范圍和更好的抗干擾特性。多信道中利用CPE的工作信道1和工作信道2實現(xiàn)分布式感知，也為得到全面、高效的授權用戶感知報告提供了可能。
認知無線電的思想就是利用具有認知能力的設備，發(fā)現(xiàn)空閑頻譜并合理地利用空閑頻譜。而IEEE802.22系統(tǒng)是第一個基于認知無線電技術的標準，WRAN系統(tǒng)針對具體的應用場景給出了在不干擾授權用戶的前提下，為用戶提供高質量和可靠的網(wǎng)絡接入服務。IEEE802.22草案的制定目前也給系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了很多可選方案，但認知技術的成熟還有很遠的道路。仍然可以肯定的是，隨著認知技術在WRAN系統(tǒng)以及Adhoc網(wǎng)絡、UWB等系統(tǒng)的中的應用，無線通信系統(tǒng)可以提供更高的頻譜利用率，更靈活的服務。
