- 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展，無線局域網（WLAN）技術、無線個人域網絡（WPAN）和無線城域網絡（WMAN）技術迅猛發展，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、發射機設計功率大等顯著的優點，適合于遠距離、大區域環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。其特點是根據實時感知環境，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，美國聯邦通信委員會（FCC）在其規則第15章公布了修正案。法律規定[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固定無線區域網絡（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提供類似于城區所得到的寬帶服務。
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和消失，給感知技術帶來的巨大的挑戰。
1.2 拓撲
IEEE802.22系統是固定的一點對多點（PMP）無線空中接口，即基站（BS）管理著整個小區和相關的所有用戶終端（CPE）。BS控制小區內媒體接入和下行（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、合理的實現動態頻率選擇，都是802.22系統的關鍵問題。
1.3 覆蓋區域
IEEE802.22系統和其它的IEEE802的標準相比，是針對無線區域網的。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系統的覆蓋面積就是當今最大的一個系統。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。
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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。
2.1 頻譜感知技術
在IEEE802.22系統中，為了實現對授權用戶保護，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都不發送數據，感知小區內授權用戶信號。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、循環平穩檢測法等。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、循環平穩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，實現算法可以利用快速傅里葉變換，便于實現。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。循環平穩檢測法利用調制信號的相關函數的周期性，進行感知。特征值分解檢測法、循環平穩檢測法兩種算法計算較復雜。
對應于802.22系統的具體應用環境，系統提出了兩個關鍵參數，對感知技術進行規范。IEEE802.22系統中規定信道檢測時間（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。聯合感知技術是工程上實現感知技術參數的配置算法，合理的配置了小區內的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如何共存的解決方案，只預留了systemtype參數為IEEE802.16和IEEE802.11等認知系統共存。下面只討論與授權用戶和與其它802.22系統的共存。
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內動態分配。這種機制的主要優點是允許認知無線電系統滿足實時系統的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常的出現或消失，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協議保證了保護授權用戶的同時，盡快恢復系統正常工作模式，盡可能地減小系統性能惡化。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，保證了系統平滑的恢復過程。
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2.2.2 與其它IEEE802.22系統共存
目前IEEE802.22草案中支持兩種WRAN系統間通信方式，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聽鄰居小區基站發送的超幀控制頭（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，接收或發送CBP信標。CPE在自共存窗內競爭接入，發送自己的CBP包，也可以監聽來自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分配接收和發送任務時，服務于當前小區。在CPE的被動模式下，CPE可以接收來自相鄰小區的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，還可以用于小區建立和保持同步。一旦CPE收集到相鄰合作小區的CBP，CPE可以總結信息發給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，用于相鄰小區獲得正確的時間偏移量，達到系統同步。
而inter-BS通信允許BS和CPE感知和接收相鄰小區的SCH和CBP包。這種方式只是被動監聽，得到的信息有限。
系統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。基于競爭機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子載波分配，將物理上不連續的頻率資源整合，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。考慮到傳播時延在25µs～50µs的數量級內，循環前綴大概需要40µs才能滿足OFDMA同步要求。為減小循環前綴對系統的負擔，系統采用每個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的吞吐量。在經典的“注水”算法的基礎上，有一系列的衍生算法。根據空閑信道的分布，在已知信道占用情況、衰落等參數情況下，動態分配所使用的子載波位置和個數。
OFDMA調制技術和編碼技術結合的自適應編碼調制技術，可根據信道的實際情況動態地調整帶寬，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。根據感知結果，實現各信道的切換。
由于認知系統工作在授權用戶頻段，一旦工作信道內出現授權用戶，系統迅速退出授權用戶信道，實現對授權用戶的保護。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系統還有一個特點就是支持多信道綁定，即支持動態地利用多個空閑的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的或非連續的多個TV信道（系統現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，發現空閑頻譜并合理地利用空閑頻譜。而IEEE802.22系統是第一個基于認知無線電技術的標準，WRAN系統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絡接入服務。IEEE802.22草案的制定目前也給系統的實現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系統以及Adhoc網絡、UWB等系統的中的應用，無線通信系統可以提供更高的頻譜利用率，更靈活的服務。
