基于软件无线电的广域自适应频谱技术

　　摘要　伴随着基于超大规模集成电路(VLSI)的数字信号处理(DSP)技术的快速发展，人们可以逐渐摆脱技术上的限制，研制出能够任意访问与电磁频谱有关的全维空间而不受时间、空间、功率等限制的设备。 本文介绍了一种新型的能够实现上述功能的自适应频谱接入技术，它可以更加灵活地使用频率资源，在一定程度上解决了软件无线电(SDR)的频谱使用问题，同时可以对频率这种资源的利用更加有效。
　　关键词　自适应频谱接入　动态频率选择　软件无线电
0、引言
　　本文介绍的自适应频谱接入技术是在软件无线电的基础之上发展起来的一种新型的频率指配和使用系统。该系统相对于传统的频率指配和使用具有更高的利用率和灵活性。由于政策的制定相比于技术的发展具有一定的滞后性，所以对于该系统，可能现行的频谱政策并不能够支持。但是我们在文中主要是从技术的方面来考虑。
1、设计背景
　　以往的无线通信系统的设计都是基于静态的。所谓的静态是指经过频谱管理部门指配频段之后，通信系统只能在指配的专有频段上工作。使用专有的单一的调制/解调器、信道协议等等。即使是多频段电话也只在预先定义的几个频段之间切换。这种设计通常是以恶劣情况为根据，不能很充分地利用RF频谱。而理想的软件无线电能动态适应频谱环境中的任一环节的变化，如调制、编码、信道协议以及带宽等等，并能自适应实时变化，在多维空间上接入频谱(多维频谱空间)，最大程度地增加频谱利用率。
　　静态设计不仅降低了射频频谱的利用率，在其它方面也有影响。例如移动通信系统中，用户可以在系统空闲时传输数据，但这并不能提高数据传输速率和频段的利用率。如果系统能自动感知所处的频谱环境，实时调整自身的传输或者使用原有指定频段之外的空闲频段，这样无疑能极大改变频谱利用率，使用户能获得额定之外的带宽而又不需要增加额外的开销。软件无线电的高度的灵活性能够去除静态设计的局限性。这使得人们纷纷进行不懈的研究和开发，自适应频谱接入技术就是其中的一种。
2、系统介绍
　　现实当中，由于技术和频谱指配制度上的限制，使得任何频谱的使用在连续的时间上都不是百分之百的，这样就造成了频谱资源的极大浪费。理论上，抛开上述限制，射频频谱应可以随意地使用和分配。这在以往，是不可能实现的，但是随着无线电技术从数字信号处理到天线技术的高速发展，使得根据频谱环境来自适应地调整自身进而接入整个范围内的频谱空间的系统在技术上成为可能。这就是自适应频谱接入技术。对于什么是自适应频谱接入技术，就像软件无线电到目前为止没有一个严格统一的定义一样，自适应频谱系统也没有一个清晰的定义，但是，这个系统至少要能够完成以下功能：
　　*具有感知无线电频谱环境的能力。
　　*在一个自主的、随机的、实时的环境中基于测量和其他先验信息的自我传输控制。
　　*调整多个传输参数，包括(但是不仅仅限于)频率、功率、调制方式、信号定时、数据速率、编码速率和天线等等。
　　*可工作在一个合作模式的网络系统或者非合作方式的系统环境下(即随机对频谱的应用)。
　　由此可见，系统工作分为三个部分：
　　(1)首先系统实时监测射频信道，感知到那些未被占用的空闲信道(黑色方块为频谱主要使用用户)；
　　(2)根据所处的频谱环境，在空闲的信道上创建与频谱环境兼容的射频传输波形，然后采用多个副载波进行数据传输(副载波如图中黑白线所示，可以相邻也可不相邻)；
　　(3)重复步骤1、2。
　　可以看出对空闲频谱的自适应接入与信道上主要用户的活动有很大关系。通过使用这种技术，我们可以得到以下几个好处：
　　(1)提高了频谱接入和使用率。通过调整传输方式，自适应系统能够利用未被使用的频谱，即使其随着时间而改变；
　　(2)在一个改变的环境中保持业务质量；
　　(3)调整辐射功率以减小或者保持对于其他系统的干扰能力。
　　与以往的技术相比，自适应频谱接入技术是一种基于在多维频谱空间上动态地选择频谱的技术。所谓多维频谱空间是指频率、时间、空间、功率和信号等(不一定满足正交的条件)。这些参量的确定对于系统来说是很重要的，因为它对于频谱使用政策的制定和发展有导向作用，但其更基本的作用是对于使用频谱担负的责任和权利。由图1我们可以看到，自适应频谱接入中的主要技术就是动态频率选择(DFS)技术。
　　最基本的基于自适应频谱接入技术的一些系统工作在没有执照频段时已经很多年了(例如工作在45MHz左右的无绳电话系统必须使用一种信道自动选择机制来避免在已占用的信道上建立链接)。相对于早期的自适应频谱接入技术，更加先进的自适应能力包括被二代和三代移动通信标准采用的各种数据速率改变、编码速率等各种方法。
　　近年来技术上的进步，尤其是在频谱环境感知和网络方面，形成了两种自适应频谱接入技术。第一种，通常被称为寻找机会的类型。在没有其它系统工作的频段区域通过自适应地改变自身的传输来对改变的无线电频率环境做出反应。
　　在这种工作方式下，系统能够与其他系统在非合作的方式下工作，潜在地提高了频谱利用率。这样的系统也能够与其它类似系统分享频谱环境的相关信息，避免其他用户被自适应系统干扰。
　　这种寻找机会型的自适应频谱接入是假设在多维频谱空间上，尤其是频率和时间上，频谱并不总是被占用的。而且，该类型只适合于当前环境下仅有一个自适应频谱接入设备的接入。
　　另一种类型的自适应频谱接入就是可以以合作的方式来使用共享的信息或操作来接入多维频谱空间的频谱。这种情况不可避免地存在于一个具有多个自适应频谱接入设备的网络当中。由于网络当中每个自适应频谱接入设备都是一个独立的节点，都独立地在相同的无线电环境当中进行自适应频谱接入行为，这样不可避免地会引起频谱使用上的冲突，因此在能够进行正常通信前要做一些必要的协商工作：
　　(1)在相同的设备用户间共享频谱图；
　　(2)对共享的与电磁环境有关的频谱图进行优化。
　　与前面提到的第一种类型不同的是，通过协商模式、共享频谱信息避免了相互间的干扰冲突，因而以协调的方式接入多维的频谱空间，极大地提高了频谱利用率。
　　未来的通信系统中，可能会用到上述两种方式中的一种或两种同时使用，所以它们不应被互相对立地看待。第一种方式由于不存在与相同设备的竞争，所以使用上限制较小，对电磁环境和设备的要求较低，因而使用灵活。而从第二种方式可以看出，由于存在多个相同自适应设备之间的竞争，相同设备之间不可避免地需要进行协商，增加了使用上的难度和设备设计上的复杂度，还需要考虑到对主要频谱使用者的干扰问题。这些都是今后需要研究的方向。
3、未来展望
　　我们叙述了一种基于软件无线电的自适应频谱接入技术，它的出现是数字信号处理迅猛发展的结果，也是对传统频谱接入方式的一种挑战。应该看到，上述的自适应行为还只是一种粗略的自适应行为，需要人们不断地进行研究改进。人们的目标是创造出具有更高自适应能力的通信系统，因此未来的高级自适应行为大概应该包括下述几方面：
　　*与该技术配套的频谱使用相关法规的制定。
　　*限制接入和可以接入的频谱空间范围(频段、时间、位置、方向等)。
　　*满足特定条件下的频谱空间的接入(如在特定的区域、特定的信号标示等)。
　　*利用频谱空间的维数来协商的接入(例如在A地B时刻要求接入C频段)。
　　*动态。系统可以不根据预先定义的行为，而是根据自身对频谱环境的测量来决定采用什么准则和行为来共享信息和提出要求。
　　可以看到，未来的自适应频谱接入是相当智能的。为了实现上述目标，今后在以下几方面是我们研究的重点：
　　(1)数字信号处理
　　*改进的A/D、D/A转换器，具有更高的抽样率和分辨率。
　　*具有更低功耗、更高处理速度的专用集成电路(ASIC)。
　　*低功耗、高处理速度、可编程的FPGA，DSP，微处理器等。
　　(2)无线电频率设备
　　*具有自适应技术的天线(如动态天线波束、干扰取消、多天线/信道技术)。
　　*功率放大器、低噪声放大器、滤波器等。
　　(3)其它相关的电子技术
　　新技术的出现必然会带来对现行频谱使用政策的冲击，使得频谱管理部门要重新制定与这些技术相适应的法规政策，这些都是人们今后需要花费大量的精力去解决的。

作者：张涛　宋崎军