作者:田峰 程世倫 楊震 802.22工作組的主要任務是開發和建立一套基于認知無線電(CR)技術，在現有電視頻段利用暫時空閑的頻譜進行無線通信的區域網空中接口標準。由于基于802.22協議的無線區域網(WRAN)工作在現有電視頻段中，要求不能對正在廣播的電視頻譜產生干擾，所以WRAN采用了CR技術，對電視頻段進行感知和測量，利用動態頻譜治理技術找到空閑頻譜進行再分配。CR技術將是未來無線通信的發展方向之一。本講座將分3期對無線區域網和認知無線電技術進行介紹，第1講介紹無線區域網和IEEE802.22工作組情況，包括WRAN背景、802.22系統、802.22空中接口等；第2講介紹CR技術和實現其的基礎——軟件無線電(SDR)技術，包括無線電知識描述語言(RKRL)和認知循環、無線電頻譜禮儀等；第3講介紹802.22WRAN頻譜共存問題和CR技術的應用。

    基金項目：教育部重點科技項目(206055)

    1.無線區域網和802.22工作組

    隨著信息時代的到來，無線設備被廣泛使用，使得無線頻譜成為現代社會不可或缺的甚至是比土地和礦藏更寶貴的資源。一般通信系統發射機和接收機進網使用都需要政府批準，授權頻段，然后才能進入通信網絡。因此那些免授權的頻段，如無線局域網(WLAN)所在的頻段(2.4 GHz～2.484 GHz)，在無線技術的發展中起到了重要作用，許多重大技術革新在這里發源。由此產生的一系列突破性的成功以及由之帶來的許多先進技術使得制訂標準的組織，如美國電氣電子工程師學會(IEEE)、美國聯邦通信委員會(FCC)等，開始分析如今頻譜的利用方式以試圖提高無線資源的利用率。

    2002年11月FCC發布了頻譜政策非凡工作組(SPTF)遞交的報告，目的在于提高頻譜治理方式。事實上在許多頻段，頻譜利用率是比頻譜物理稀缺更重要的問題。假如對城市地區和鄉村偏遠地區進行無線電頻譜掃描，就會發現：某些頻段在大部分時間里是空閑的，一些頻段只是有時被占用，剩余頻段則被過度使用。出現這種現象的一個原因是目前有線電視被廣泛使用，收看無線電視的觀眾大大減少，在城市地區這一現象尤其突出。這就促使FCC重新審閱頻譜治理的傳統方法。他們不僅意識到在特定的授權頻帶頻譜利用率很低，而且意識到無線資源的缺乏極大地制約了無線應用的發展，使得包括寬帶接入、公共安全、衛生保健、商業以及娛樂方面的應用無頻率資源可用。

    認知無線電(CR)被認為是解決上述無線頻譜低利用率問題的最佳方案。認知無線電是一種智能的無線通信系統，它能感知四周無線環境，通過對環境的理解、主動學習等措施，實現在特定的無線操作參數上(如功率、載波調制和編碼等)的實時改變并且能調整系統的內部狀態，適應外部無線環境的變化。認知無線電具有在不影響其他授權用戶(即主用戶(PU))的前提下智能地利用空閑頻譜的能力，并具有隨時隨地、智能、高可靠通信的潛能。而諸如信號處理、人工智能、軟件無線電、頻率捷變、功率控制等技術的迅猛發展使得認知無線電具有非凡性能。

    FCC于2004年5月發布建議制訂規則的通告(NPRM)，答應未授權用戶在不影響授權用戶(如電視接收者)業務的前提下，通過基于認知無線電的技術使用電視廣播頻段中的空閑無線資源。

    2004年10月，IEEE 802委員會成立了802.22工作組，授權開發一個共同操作的點到多點(P-MP)的空中接口(即物理層和媒質接入層)標準，該標準用于現存廣播電視服務所在的頻段，實現基于認知無線電的無線區域網(WRAN)。WRAN能夠實現基于包的傳輸，因此支持個人家庭住戶、多聚居單元、小型工作/家庭場所(SOHO)等的一系列通信服務(如因特網接入、數據傳輸、語音和流視頻)。目前，802.22工作組已經基本完成了其技術需求的規范。

    1.1目標市場

    目前，基于802.22協議的WRAN被用于在無干擾的基礎上利用那些未被使用的廣播電視頻段，主要應用在農村和偏遠地區，以及人口密度低、服務困難的地方，實現無線寬帶接入，性能要能和那些在城市和城郊地區使用的固定寬帶接入技術相媲美。由于農村人口密度低且寬帶接入不方便，所以促使FCC加速了為現有網絡技術難以覆蓋地區提供寬帶接入的新技術的研究，同樣WRAN在不發達的南美洲、非洲、亞洲也適用。

    事實上，為農村和偏遠地區提供寬帶接入需要新的網絡具有大的覆蓋面，是FCC選擇電視頻段的主要原因，因為該頻段有非凡適合偏遠地區用戶使用的傳遞特性；另外，假如大多數家庭和商業用戶都依靠光纖和衛星實現電視服務，那么美國許多地區大量的電視頻道都沒有使用，造成了資源的浪費；最后，至關重要的一點是，用于電視頻段的802.22設備不需要牌照，這將進一步降低成本，從而提供一個可負擔得起的服務。然而，這并不是說802.22的應用和市場僅限于農村和偏遠地區。實際上還有許多其他可利用WRAN的市場目標，包括個人家庭住戶、多聚居單元、SOHO、小商業用戶、多用途寫字樓，以及工作場所和校園。相信基于CR的技術必將為現有的各種無線通信系統帶來新的發展機遇。

    1.2基于802.22的WRAN系統

    基于802.22的WRAN系統的目標在于提供類似于不對稱數字用戶線(ADSL)和有線調制解調器差不多的寬帶接入服務，但是在低人口密度的鄉村地區展開部署更經濟。一個802.22系統包含一個802.22物理層和媒體訪問控制(MAC)層的實現，其中至少一個用戶和基站通過點到多點的無線空中接口通信。點到多點的無線電系統主要目標在于使用甚高頻/超高頻(VHF/UHF)廣播電視頻段。在美國，VHF/UHF廣播電視頻段(從2到69電視頻道)，一般一個電視頻道占用6 MHz的帶寬，這樣開放的頻譜范圍包括54～72 MHz、76～88 MHz、740～806 MHz。除了被稱作主要業務的電視業務，FCC答應其他的業務，如無線微型電話，在空閑的電視頻段上進行通信，只要不相互影響。802.22的目標是制訂一個能適用于不同國家的國際標準。由于電視業務未進行全球統一信道化，推出的標準也必須適用于其他國家的各種不同的電視信道帶寬，如6 MHz、7 MHz和8 MHz的帶寬。

    圖1所示為基于802.22的WRAN系統部署結構示意圖。802.22系統必須包括一個基站和多個用戶駐地設備(CPE)，至少要有一個CPE?；颈仨毷屈c到多點，通過使用全向天線和一個成形扇區或者自適應天線陣列實現下行流信號發射到用戶設備。為了實現共存，802.22必須包含相應的物理層和MAC層控制機制，答應基站基于對授權用戶的頻譜感知來動態改變網絡的功率或者頻率，以避免干擾。為了解決排列或重疊覆蓋造成的問題，實現更好的共享頻譜，系統還必須包含各基站之間的協調機制。

    1.2.1無線接入參考模型

    圖2所示為802.22系統的無線接入參考模型，它描述的是用戶網絡(UN)和核心網(CN)之間的空中接口模型。一個大型的802.22系統包括用戶終端、基站互聯網絡和網絡治理等設備，但這個模型主要考慮的是空中接口問題，如模型中所示的核心網絡接口(CNI)和用戶網絡接口(UNI)。一個CPE通過UNI可以支持多個用戶，它們可以互相傳輸數據、語音、圖像等信號；同樣一個基站通過一個或多個CNI也可以支持多個核心網。

    1.2.2網絡實體關系和拓撲結構

    802.22系統規定了固定的點到多點的無線空中接口，中繼器用于擴展覆蓋范圍或者增加網絡的容量，其中的所有設備都必須在基站的控制之下，包括中心化的功率控制、頻譜治理和調度控制。

    在圖1所示的系統里，基站監督和控制無線資源分配?；究刂茊卧獌鹊拿襟w接入并通過下行方向向不同的用戶駐地設備傳送信息，同時用戶駐地設備通過上行方向響應基站。為了確保對授權業務的保護，802.22系統中基站和用戶駐地設備之間應建立嚴格的主從關系。在沒有接收到來自基站的正確授權以前，任何用戶駐地設備都不答應傳送信息，并且基站控制所有用戶駐地設備的射頻特性(如調制、編碼和操作頻率)。除了調整一個單元內的數據傳送外，802.22系統中的基站還具備傳統基站所沒有的分布式感知治理的特性，用來確保授權業務得到保護。在分布式感知過程中，基站通過對相關的用戶駐地設備進行遠程控制實現對射頻環境的分布式感知。假如有反饋信息，則基站根據該反饋信息決定感知單元將要采取的步驟。

    1.2.3業務容量和覆蓋區域

    在802.22點到多點系統中，因為要給許多的用戶駐地設備提供服務，所以基站的容量應該更大。其中每個用戶駐地設備在下行方向上所需的最小吞吐率為1.5 Mb/s，上行方向的峰值吞吐率為384 kb/s，這個速率可與數字用戶線相媲美。頻譜效率是無線接入系統的重要性能指標。在基站的覆蓋范圍之內頻譜效率隨位置的改變而改變，受距離、傳播信道損失、干擾，以及每個給定信道上可用的調制和編碼參數的影響。802.22系統規定了從0.5 b/(s/Hz)～5 b/(s/Hz)的通信頻譜效率。每個可能的傳輸鏈路上每個用戶駐地設備通過設計可以實現最大的頻譜效率。

    與已經制訂的各802標準相比，802.22無線區域網的顯著特點是基站覆蓋范圍更大，可達40～100 km。幾種典型無線網絡的覆蓋范圍如圖3所示。由于WRAN設備采用高功放，加上電視頻段優良的電波傳輸特性，無線區域網具有更大的覆蓋范圍。這種增強的覆蓋范圍不僅提供了機遇，也帶來了技術挑戰。

    1.3802.22協議

    802.22協議決定了多個設備之間的協同操作。協議交互發生在協議的每一層。其中802.22 MAC和物理層協議棧對于所有被支持的服務都是相同的。802.22中MAC層的中心目的是共享無線信道資源。MAC協議定義了如何和何時初始化在信道上的傳輸。

    由于用戶駐地設備與一個或更多的基站競爭容量，所以MAC協議應該有效地治理競爭和資源分配。物理層可細分為一個會聚子層和一個物理媒體(PMD)子層。PMD是物理層的主要部分。就像MAC層的會聚層，物理層的會聚層能自適應映射MAC層的特定需要到通用的PMD服務。

    1.4802.22空中接口

    由于802.22系統中的點到多點無線設備使用的是電視頻段，在該頻段范圍內基站和用戶之間可以在短距離環境和無視線路徑環境下通信，該頻段的無線電波有很強的穿透性，即使在基站和用戶被部分或完全阻擋的情況下仍然可以互相通信。不過在這種情況下會導致信號嚴重衰弱并且存在多徑效應，影響通信質量。為了與原來電視頻道的主用戶共存，802.22系統的物理層和MAC層協議應該答應基站根據感知結果，動態調整系統的功率或者工作頻率，還應包括降噪機制，這樣可以避免對原來電視頻道的主用戶造成干擾。

    為了保證在授權業務不受影響的前提下實現系統操作，802.22空中接口需要有較強的自適應性和可擴展性。自適應性是指對于特定傳輸參數的修改和用戶駐地設備參數的更新與軟件下載。自適應性應該包括速率和功率的自適應性?？蓴U展性是指系統的操作參數可變，如比特速率、信道帶寬、覆蓋程度、部署等?？蓴U展性包括帶寬可擴展性和鏈路對稱可擴展性。

    1.4.1物理層

    圖4描述了授權業務在廣播電視頻段上時域和頻域的占用情況，橫軸是時間，縱軸表示不同的頻段。從圖4可看出，802.22基站和用戶駐地設備間的通信機會也就是信道空閑的出現是隨機的，并且會影響物理層和MAC層的架構設計。此時物理層需要在較低的復雜度下提供高性能可靠通信。

    802.22物理層在調制和編碼方面具有高度的可擴展性。用戶駐地設備到基站有著不同的距離，從而導致的不同的信噪比?；究梢酝ㄟ^動態調整調制和編碼方式來解決，這樣提高了系統效率。

    為了使認知無線電對授權業務以及自身的干擾最小，有效的傳輸功率控制(TPC)非常重要。802.22標準支持鏈路間的功率控制，答應用戶駐地設備的功率減小到一個可靠的可維持鏈路通信的最低等級。為了盡可能地增加鏈路的吞吐量，可以在較低的發射功率和靈活的調制機制之間進行折衷。為此802.22定義了功率控制的動態范圍為以30 dB為中心，上下浮動1 dB。動態頻率選擇(DFS)是實現共存時其物理層需要考慮的另一因素。不僅體現在較短時間內調整操作頻率，而且體現在如何調整頻率以達到節能的目的。當考慮對電視頻帶和其他授權用戶的鄰信道干擾時，WRAN系統只能被限制在很小的一部分信道上操作。802.22必須包含占用信道的可擴展性，至少需要適應現存的6 MHz、7 MHz、8 MHz 3種不同的電視帶寬。從調制的觀點考慮，只要產生干擾便可以釋放其中任何一個被干擾的信道，使得每個電視頻道可以變得獨立。這時WRAN系統可以考慮占用不止一個電視信道來增加鏈路容量。

    1.4.2MAC層

    為了能及時對外界環境的變化如主用戶的出現做出響應，基于認知無線電的802.22 MAC層需要具有高度的動態性能。除了提供媒體接入控制、魯棒數據傳輸等傳統業務能力，802.22 MAC層還需要提供一套傳統標準所沒有的全新的功能，其中包括頻譜的分布式感知和頻譜的動態治理等，以實現與廣播電視共享頻譜。

    (1)接入初始化

    在任何MAC協議中，初始化都是必要的，而且一般依靠中心基站進行。但在WRAN中并不是這樣的，802.22中的用戶駐地設備啟動時，首先需要花一定的時間掃描所有的電視頻段從而建立一個標識，即每個信道占用情況映射圖，用來表示是否探測到主用戶信號。該信息將隨后被傳送給基站。802.22不像現存的無線技術，用戶駐地設備沒有利用預判決信道技術去尋找基站。802.22可能會利用信道融合技術，將多個空閑信道結合在一起，從而提高性能，但這樣一來基站的同步任務將大大增加。

    (2)感知治理和頻譜治理

    為了使802.22系統不對主用戶業務造成破壞性干擾，基站需引導相關用戶駐地設備在帶內或帶外進行周期感知測量活動。其中帶外測量對應于其他所有未受影響的信道，帶內測量涉及基站用于同用戶駐地設備通信的信道以及受該通信影響的鄰近信道。在帶內測量時，基站必須停止信道中的一切數據傳送，而在帶外測量中不需要。802.22設備需要通過基站的動態控制在較低的信噪比下以非相干的方式感知信號，從而確定主用戶的存在。但是在帶內感知時，基站無法和用戶駐地設備通信，因此感知時間越長對通信性能損害越大。另外，基站并不需要每個用戶駐地設備都進行相同的感知活動，它可以使用一些智能的綜合算法將感知任務分配到各個用戶駐地設備，一旦得到足夠的感知數據，那么基站通過將它們進行融合從而獲得整個蜂窩單元的頻譜占用圖，并采取適當的步驟改變相關的用戶駐地設備的操作參數，如操作頻率和功率等級，來解決潛在的干擾問題。802.22的MAC層設計中感知治理還需要考慮感知的測量持續時間、感知的測量頻率以及采用設備等等。802.22還綜合了治理頻譜的功能，比如切換信道、掛起/重啟信道傳輸、終止/重啟信道操作等，以保證主用戶業務得到保護和實現有效共存。

    (3)傳播延遲

    另一個重要的問題是MAC層設計必須能夠支持傳播延遲。如802.22系統試圖在離發送基站100 km范圍內提供服務，其環形傳播延時將超過30 μs。這使得MAC層需要補償由不同用戶駐地設備所引發的不同傳播延遲。這種大的延遲將阻礙有效接入，有效接入在各種業務共存時非凡重要。 (待續)

    作者簡介：

    田峰，南京郵電大學信號與信息處理專業在讀博士研究生，研究方向為無線通信與網絡信號處理。

    程世倫，南京郵電大學信號與信息處理專業在讀博士研究生，研究方向為無線通信與網絡信號處理。

    楊震，南京郵電大學校長、教授、博士生導師，主要研究方向為無線通信與網絡信號處理、語音處理與現代語音通信技術、信息安全技術。（張翀編輯）