认知无线电在宽带无线通信系统中的应用

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摘要：认知无线电技术(CR)是软件无线电技术的演化，是一种新的智能无线通信技术。认知无线电技术的主要特点，就是根据环境不断调整参数以适应通讯的需求从而提高通讯质量。目前宽带无线通讯系统有正交频分复用(OFDM)，多输入多输出(MIMO)等关键技术。将CR引进OFDM系统中，采用特殊的导频设计，感知宽带的传输特征，从空间、时间、频率、调制方式等多维度共享无线频谱，能提高频谱利用的灵活性，有效抑制窄带干扰。LTE是由3GPP定义的下一个移动宽带网络标准，基于OFDM、MIMO等关键技术，论述了实现CR的过程。
　　认知无线电(CR)的概念是由Joseph Mitola博士提出的，就是在软件无线电的基础上，增加检测需求并主动改变功能的能力，使无线设备能自动适应外界环境和自身需求的变化。其常见的三种频率资源管理方式是：集中式，分布式和集中＋分布式。
　　正交频分复用(OFDM)是集中式管理又是频谱资源利用率目前最高的技术，比较容易实现频谱资源控制管理，也是宽带无线通讯系统关键技术。对认知无线电如何与宽带无线通讯技术结合的研究，将根据从频谱检测和信道估计与预测获得的可用空闲频段的信道信息，同时结合空、频、时多维的自适应数据传输研究，及相应的传输参数研究，如OFDM的各子载波上的功率、数据速率、调制方法及编码方式、多天线的空域选择、各个用户分配的子载波数量及位置。整个检测跟踪学习过程是一个复杂的优化问题。
1 认知无线电的特点
　　CR系统是可以感知外界通信环境的智能通信系统，通过学习不断地感知外界的变化，并自适应地调整其内部的通信机理来达到对环境变化的适应，即具备检测、分析、调整、推理、学习等过程，这一系列的过程组成认知循环。这样的自适应调整过程一方面改进了系统的稳定性，另一方面提高了频谱资源的利用率。
　　由此可知，CR具有以下几个特点：
　　对环境的感知能力
　　对环境变化的学习能力
　　对环境变化的自适应性
　　通信质量的高可靠性
　　对频谱资源的充分利用
　　系统功能模块的可重构性
2 宽带无线技术
　　2.1正交频分复用技术
　　OFDM是一种多载波传输技术，在频域内将所有信道分成许多正交子信道，在每一个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。
　　宽带系统存在的主要问题是：在频域上，多径信道呈现出频率选择性衰落的特性，引起了信号间干扰。为了克服这种衰落，将信道在频域上划分成多个子信道，每个子信道的频谱特性都近似平坦，在整个频带内，衰落只会影响OFDM的子信道的一部分；同时由于OFDM各个子信道相互正交，允许子信道的频谱相互重叠，可以很大限度地利用频谱资源。
　　2.2 多输入多输出技术
　　多输入多输出(MIMO)技术最早是由Marconi于1908年提出来的，它利用在基站和终端使用多天线来抑制信道衰落，从而大幅度地提高信道的容量、覆盖范围和频谱利用率。
　　MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。空时编码技术正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，通过在接收端和发射端空时二维甚至空时频三维的联合设计和优化的编码、调制，使MIMO成为热点研究技术。
　　2.3 HARQ技术和AMC技术
　　混合自动重发请求(HARQ)和自适应调制编码技术(AMC)是高速数据传输的基础，AMC是根据无线信道变化自适应选择最合适的调制和编码方式，及功率分配等参数，每条链路都可以独立调制最大限度的发送信息，使用户达到尽量高的数据吞吐率。HARQ比单独的链路自适应有更大的增益，因为它融合了前向纠错(FEC)技术和传统自动重传请求(ARQ)技术的优势，因此提供了更高可靠性的端对端连接。
　　随着4G无线通信网络研究的开展，数据速率和业务质量要求越来越高的条件下，HARQ是一个值得深入研究的技术。AMC、HARQ如何和OFDM技术、MIMO技术等结合使用，都是研究的热点。
3 技术融合可行性分析
　　OFDM系统是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式。该调制方式可以通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利用，其与自适应技术相结合，除了在传统的时间域上自适应外，还更容易利用多载波的频率域，可以灵活控制和分配频谱、时间、功率等资源，在结合MIMO系统的空间资源，根据用户在不同的位置的不同传输条件，感知环境并且适应环境，并不断地跟踪环境的变化，以合理利用资源、提高系统容量。
　　自适应频谱资源分配的关键技术主要有：载波分配技术、子载波功率控制技术、多天线层资源分配算法和复合自适应传输技术。
　　(1)载波分配技术
　　CR具有感知无线环境的能力。子载波分配就是根据用户的业务和服务质量要求，分配一定数量的频率资源。检测到的宽带资源是不确定的，随时间、空间、移动速度等变化。OFDM系统具有裁剪功能，通过子载波的分配，即在频段内对于用户来说，信干噪比(SINR)较高的不规律和不连续子载波的频谱资源进行整合，按照一定的公平原则将频谱资源分配给不同的用户，确定每个子载波传输的比特数量，选取相应的调制方式，实现资源的合理分配和利用。
　　(2)子载波功率控制技术
　　由于分配给用户的功率和子载波数一般是成比例的，功率控制算法在经典的“注水”算法的基础上，有一系列的派生算法[1]。这些算法追求的是功率控制的完备性和收敛性，既要不造成干扰又要使认知无线电有较好的通过率，且达到实时性的要求。事实上功率控制算法和子载波分配算法是密不可分的。这是因为在判断某子载波是否可以使用时，就要对现状(空间距离、衰落)做出判断，同时还需要计算出可分配的功率大小，对于一个用户如果速率一定，如子载波数目增加所需的功率就会下降。
　　(3)多天线资源分配
　　该技术基本思路是把系统的MIMO信道看作是M个平行的独立子信道的集合(M是信道特征矩阵H的秩)，各个子信道的增益则由其对应的奇异值来决定。发送端会在增益较多的子信道上分配更多的能量，而在衰减比较厉害的子信道上分配较少的能量，甚至不分配能量，从而在整体上充分利用现有资源，达到最大传输容量[2]。可以看出空域资源的分配是和功率分配密切结合的，同时多天线应用时针对不同的应用场景选则不同的方式，既可用增加的子信道提高信息传输率，也可在传输率不变的情况下增加信息的容余度来提高可靠性；而且MIMO-HARQ组合如：两流传输时如都出现错误，可以考虑重传时采用SFBC等空时频域编码技术，而单流出现错误可以考虑CDD等空时方法重发；MU-MIMO可以根据多用户的反馈信息在空域切换等等技术都为更好的应用空域资源提供了各种应用场景。
　　(4)复合自适应传输技术
　　该技术将OFDM、MIMO和CR思想以及一系列自适应传输技术结合，从而达到无线电资源的合理分配和充分利用。为了寻求保证服务质量和最大通过率下的最佳工作状态，自适应传输技术包括动态子载波分配技术、自适应子载波的功率分配技术、自适应调制编码技术，多天线层选择等一系列自适应技术，形成优化的自适应算法。根据子载波的信噪比(SNR)，基站自适应地调整与通信终端的建立链路工作参数，从而达到最佳工作状态。设计合理的自适应传输技术可以大幅提高频谱资源利用率和通信性能。
4 在LTE中实现CR
　　3GPP长期演进(LTE)项目是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，这种以OFDM/FDMA为核心的技术可以被看作“准4G”技术。3GPP LTE项目的主要性能目标包括：在20 MHz频谱带宽能够提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s的峰值速率[3]；在时间和频率,及4根天线上插入导频信号，如图1中的导频图样，由于这些导频信号分布在时间和频率及4个天线上，4个天线上的导频在设计时保持正交，这样通过接收端的检测就能反映出信道的特征。

　　要想系统在链路中，更好的检测用户信息，自动调整以适应环境要求其实现过程分以下几步：
　　第一步：信道估计。因为参考符号是在20 MHz带宽内分布，用户(UE)根据参考符号在全频段内估计各个子载波SINR，分段反馈信道质量，同时结合当前时刻的误帧率，结合信道预测等技术得到当前时刻的UE环境及信道估计信息。
　　第二步：信息反馈。反馈每个子载波的信息固然精度高，但是反馈开销较大，可将子载波分段反馈，即采用开销小又接近理想的反馈最好。
　　第三步：CR过程。基站根据用户全频段的信道质量，采用比例公平原则，根据用户需求的数据速率、反馈的信道信息和空间子信道的增益，选择信道条件最优的子载波分配频率资源，根据所分配子载波的信道质量选取合适的调制编码方式及发射功率，结合MIMO进行天线配置选择，空间子信道选择等等，这些都是根据环境感知信息随时间、环境变化调整、学习的过程。
5 结束语
　　CR是个十分新颖的课题，但演进的过程是分步实现的，要在从800 MHz到5 GHz的全宽带的应用，实现CR所要求的功能，还有很多路要走，实现的复杂度也非常高，但CR的概念为未来无线的发展指明前进的方向，本文所叙述的方法，仅是宽带技术应用的一个方面，即CR的在宽带OFDM系统中如何通过反馈感知环境，系统集中控制频率资源，空域资源使无线设备更有效的适应移动环境的信道变化。
6 参考文献
　　[1] 尹长川, 罗涛，乐光新.多载波宽带无线通信技术[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2004.
　　[2] 罗涛，乐光新.多天线无线通信原理与应用[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2004.   
　　[3] Physical layer aspects for evolved UTRA[R]. 3GPP TR25.814. 2005.