认知无线电的频谱占用度研究

一、 概要

随着无线通信技术的发展，人们对通信速率（尤其是数据传输速率）的需求也越来越高。根据香农理论，通信速率越高,要求通信系统所占用的频谱带宽也越来越大，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张；另一方面，已经分配或指配给现有很多无线业务的频谱却在时间和空间上存在不同程度的闲置。那么，如何有效地盘活那些闲置的频谱资源，解决这一制约无线通信发展的新瓶颈？美国科学家Joseph Mitola博士提出了认知无线电（CR）的概念。

认知无线电(Cognitive Radio)是在软件无线电的基础上，依靠人工智能的支持，将无线电系统从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能Agent。认知无线电能感知无线通信环境，并实时调整系统工作参数以适应环境变化与用户需求。

美国FCC从提高频谱利用率与通信可靠性的目的出发，提出了相对简化的定义：认知无线电要"感知"周边环境的频谱使用状况以检测出"频谱空洞"。 "频谱空洞"即特定时间和特定位置未被使用的授权频段。"感知"就是能在一定范围的空域、时域、频域对相应授权用户频谱使用规律进行分析，并及时改变传输参数(如调制方式、功率、使用频段等)来充分利用"频谱空洞"。

认知无线电采用交叉共享的频谱访问方式，即采用正常发射功率，在同一区域内使用未利用频段来避开其他用户的干扰，同时不对其他用户造成干扰。因此，认知无线电又称为频谱捷变无线电(Frequency Agile System)。为了形象起见，以路面车辆交通控制作类比来说明这个问题,见下图1。

图1：现有频谱政策与使用认知无线电的频谱使用构想的比较

二、认知无线电的频谱管理

具有认知无线电功能的通信终端在非授权状况下使用无线频谱，是对现有固定频谱划分模式的一次挑战和技术革命。如何对这种崭新的用频方式进行有效管控，非常值得当今无线电管理者进行深入分析和研究。从提高频谱利用效率的角度出发，是不应该压制基于认知功能的非授权频谱业务的。合理的解决方法是改变无线电管理思路和频谱管理规则，积极疏导、协调和利益均衡，使其适应业务需求和技术发展。当然，这些行政措施需要先进的技术手段来支撑。

三、频谱监测与占用度分析

通过日常频谱监测积累了丰富的数据。同时，各级无线电管理部门对所辖区域的频谱使用状况、业务类型、使用单位、工作参数等已基本了解。 通过电磁兼容分析和频谱占用度的分析和比较，推测并评估潜在的频谱可用性和可靠性，以便决定哪些频段适合于认知无线电使用。下面的频谱监测数据是在某栋建筑室内和室外分别测量的，并进行了统计分析和处理。

图2：监测位置和测试设备

图3：频谱测量结果统计（左：9F 室外，右：3F 室内）

从上图3 可看出，监测点位置不同，实际频谱测量结果有很大差异。室内监测由于受建筑物的墙体阻挡，而产生较大的衰耗(穿透损耗大约在5~25dB) 。频段占用度统计（见图4）结果表明：GSM蜂窝移动业务下行频段，占用度特别高(达70%以上)；而其他业务频段，占用度在10%以下； 固定业务频段占用度介于4% 到7% ；对于806 MHz 到2750 MHz整个频段，占用度仅为6.2%。原因分析：

(1) GSM 蜂窝移动业务的下行信号中，由于广播控制信道不参与跳频，且一直处于常发状态， 因此，该频率的占用度高，多个基站采用多个广播控制信道,因此频段占用度也高；而对应的上行信道，由于频段占用度与同时激活/发射的手机数量有关，同时受手机发射功率偏小及跳频的 影响，统计出的占用度较低。

(2) 对于固定业务，一般采用方向性极强的天线，若监测地点选择的不合适（如监测地点位于 发射天线方向性图的旁瓣或后瓣方向），信号衰减严重，可能淹没在噪声之中，很难被发现。 因此，统计出的占用度也较低。

(3) 室内监测，由于受墙体衰耗，接收的的电平偏小，各个不同业务频段的占用度也较低。

总的来说，频段占用度低意味着该频段可考虑作为某认知无线电的候选频段，以达到使用效 益的最大化。有些认知无线电，如果仅局限在室内使用，潜在候选频段将更加广泛。

图4：频段占用度统计

基于频谱监测结果, 按频段占用度大小将业务频段总结为三种不同的类型:
黑空-----如移动通信的下行频段，占用度大于70%；该频段存在高功率的干扰，不适用于叠加认知无线电业务，可由授权用户专用，非授权用户不得占用。
灰空-----如移动通信的上行频段及点对点的固定业务；占用度介于1%到7%之间；该频段存在低功率的干扰，可适当叠加认知无线电业务，但要非常谨慎。
白空-----占用度非常低；仅存在环境噪声，包括热噪声、瞬时反射、脉冲噪声等。该频段几乎没有干扰，可以不受限制占用。
这里，频段占用度分析的目的就是查找适合于认知无线电业务的白空。同时，还需要对工作频段随时间在黑空、灰空和白空之间进行动态转变的特征进行连续的研究，寻找潜在的规律。