感知无线电的应用

感知无线电的应用

1总结1.1频谱资源分配困难在我们的日常生活中，无线设备的使用是到处都可以使用的。而无线电频谱分配的目的,就是要能满足各类用户的不同需求。目前无线频谱的使用是由无线电管理机构制定一整套规划,根据业务的特点和需要划分频段,并将不同的频段指派给不同的业务,使各种无线业务都能正常开展。正因为如此,一旦管理部门不能快速优化频谱用途,迅速发展的通信需求会使得频谱资源分配困难和利用不足的矛盾变得非常严重。比如在数百兆到几吉赫兹的无线频带中,一些频带大部分时间都没有用户使用;而另外一些频带的竞争则非常激烈。见图1。专家估计,到2010年,通信频谱的需求量将会是现在的两到三倍。伴随着需求的增长,如何才能更加合理有效地利用频谱,成为人们必须要关注的问题。1.2无线频谱部署很多研究都表明:即便在信息发达的美国,在任意一个给定时刻,人们正在使用的频谱也只占所有可用频谱的2%到6%。只要合理利用好无线频谱资源,部署下一代无线服务所需的频谱并不短缺,事实上可能还有一些富余。因此,目前缺乏的其实是一套相应的政策、技术和方法。通过它们让无线电经恰当配置后,既不会对当前的频谱使用产生影响,又能充分利用这些频谱资源。2新概念动态谱分布2.1基于频率的方法感知无线电(CognitiveRadio,CR)是在软件无线电基础上发展起来的一种新的智能无线通信技术,是软件无线电的扩展。它在软件无线电的基础上增加了一个新元素:依靠人工智能的支持,感知无线电能够识别周围的环境参数并加以研究和利用。它能感知周围的无线电环境及所处位置,如果发现自己使用的通信资源出现障碍或拥堵,就通过改变自身功率、频率或调制等方法来做出调整,利用当前空闲的通信资源找到一条绕过通信障碍的路径。目前的无线电系统只能在指定的频段内工作,这样就导致一定的频谱资源只能提供一定的无线服务,频谱的利用率不高。相比之下,感知无线电可以让我们用相同的频谱资源来提供更多的无线服务,大力提高频谱利用率。感知无线电对无线电设备提出了更高的要求。它要求无线电设备能够做到:(1)探测到当前的无线电使用环境和用户的通信需求;(2)为这些需求提供最合适的无线资源和服务。也就是说,无线电设备能够在多个可用的频谱范围内和多种可以实现通信的技术中选择一个最合适的方案来完成通信任务。这就需要无线电设备具有监测、分析、判决和管理频谱资源的能力。2.2动态频谱管理对于频谱管理部门和用户来说,感知无线电的构想都是很有吸引力的。而我们可以看到,实现对频谱的动态管理是其中的一个关键的步骤。动态频谱管理也可以称为动态频谱分配,就是要求无线电系统能够在感知当前环境之后,对当前的频谱进行动态的分配,以满足当前的需求。它将改变目前的“命令和控制”的频谱分配方式,让频谱做到“按需分配”。这样做实际上是对频谱资源进行优化管理,让频谱资源可以得到高效的利用。2.3基于频谱的“所有权”感知无线电是JosephMitola于2000年在他的博士论文中提出来的概念。他也设想了一个动态频谱分配方案。该方案的核心是通过频谱共用(spectrumpooling)技术来实现动态频谱分配。假定将系统中一段很宽的频谱(可能包括几个不连续的频段)组成一个频谱池(spectrumpool),再将这个频谱池里的用户分为两级:那些得到授权在法律上拥有这些资源使用权的用户称为一级用户(PrimaryUser,PU);那些需要临时使用这些资源的用户统称为二级用户(SecondaryUsers,SU)。在一级用户没有使用频谱资源时二级用户可以暂时使用这些“当前空闲”的资源。实际上,这是一种对空闲频谱进行“出租”的方式。当然,前提是一级用户愿意在自己不使用的时候“租出”这些资源。可以有两种方案来让一级用户“收回”这些资源:(1)一级用户主动提出要求回收这些资源,这要求它本身具有频谱探测能力;(2)一级用户不用考虑二级用户的存在,它自己只是要求使用这些资源,而让出资源的操作完全让二级用户来承担。一旦那些一级用户需要这些频谱资源,那么二级用户就必须让出这些资源。3corvus系统模型美国加州伯克利分校和德国柏林理工的几个学者提出了一个基于频谱动态分配的系统模型-CORVUS系统模型。下面简单地对这个模型做些介绍,详细内容可以查阅参考文献。3.1基于主机的信息控制他们的总体目标是,设计出一种机制,让无线电台在使用传感设备探测到周围的无线电应用环境之后,自动地对那些虽然已经授权给固定用户但是当前没有得到利用的频谱资源做出再次利用。他们称这些频谱资源为“虚拟的未授权频谱资源”。从前面的定义中可以看到,二级用户最基本的要求就是要能够探测到一级用户的当前工作状态,然后对那些“虚拟的未授权频谱资源”进行再利用,以达到提升系统容量和提高频谱资源利用率的目的。CORVUS系统定义工作在从几十兆赫兹到几吉赫兹频谱间的“虚拟的未授权频带”内,然后将它们分为N个子通道以便于控制和管理。二级用户通过分组来进行管理。它们之间的通信使用二级用户链路(SecondaryUserLink,SUL)来进行。为保证通信不因为一级用户的突然“闯入”而中断,SUL链路可以放在不同的子通道上并且最好保证有备用链路。系统使用两种逻辑通道来实现用户组的控制和信息交互:使用通用控制通道(UniversalControlChannel,UCC)来传输当前存在的组信息和管理新用户的加入;使用组控制通道(GroupControlChannel,GCC)来进行组内的各种信息交互。注意它们是逻辑上的功能划分,实际实现并不要求在不同的物理链路中。3.2物理层和链路层根据上面的思路,他们描绘出系统功能模块在ISO/OSI模型中的位置,见图2。系统在ISO/OSI模型中只占用物理层和链路层,从网络层开始可使用其他与本方案无关的标准协议。这个系统中定义了6个系统功能模块和2个控制通道。物理层要实现的是探测频谱中一级用户情况,评估通道质量和进行数据传输;链路层负责二级用户组管理和它们之间的连接管理及子通道的媒质存取控制(MediumAccessControl,MAC)。4国际活动4.1动态频谱接入的必要性美国军方从一开始就非常看重这种构想,把动态频谱分配看成是解决频谱资源难题的关键技术。国防部专家很早就提出:美国军事行动向网络中心战的转变带来相当多的挑战。对于频谱资源的需求是其中极为突出的一个问题。如果有了动态自适应的无线电,军方将不再局限于一个静态的频率规划,而可以从根本上适应需求的变化。美国国防高级研究计划局(DARPA)已经开始进行这方面的研究,2003年他们启动了一个称为“XG”的项目计划(neXtGenerationcommunications)。XG项目不是一个新的无线电设备,而是一整套的动态频谱接入的高级技术。他的目标是开发能让多数用户分享频谱的新技术,并且要求XG研究项目要走在相关政策框架制订之前。4.2国外研究计划欧洲很多国家的国防研究部门也制定了有关动态频谱分配的研究计划,如瑞典的DSA(DynamicSpectrumAccess)研究计划。包括瑞典国防研究局(FOI)、KTH、瑞典邮电局(PTS)等单位都参与了该计划的制定。在民用市场这方面的研究计划也很多,如欧洲第5个研究和技术开发框架计划中的项目DRiVE(DynamicRadioforIP-ServicesinVehicularEnvironments)。该项目把实现动态频谱分配作为四个基本任务之一。并在此项目基础上进一步提出OverDRiVE项目,计划提出一种通过动态频谱分配来实现不同系统间频谱共享的机制。4.3对美国dys人的援助IEEE联合美国计算机学会(ACM)等组织发起了一个叫做DySPAN的研讨会。DySPAN是DynamicSPectrumAccessNetworks的简称。该研讨会聚集众多设计和制造设备的工程师和频谱政策制定者,并且得到了DARPA、朗讯、微软、MOTOROLA等相关机构和企业的赞助,并已经于2005年在美国举行了DySPAN2005会议。第二次DySPAN会议已确定将于今年在爱尔兰首都都柏林举行。4.4国外对利无线和georgia的研究全球的许多研究机构已经开始这方面的研究。在美国包括了加州大学伯克利无线研究中心、VirginiaTech公司和GeorgiaTech公司。在美国之外,德国、英国和法国等国家的很多学校或科研机构都开始了这方面的研究。其中有一些已经开始联合研究具体的技术细节。5动态频谱分配系