基于认知无线电的ROF-PON光无线接入技术

随着通信网络朝着宽带化、移动化方向的发展，光纤无线通信系统(ROF)将光纤通信和无线通信融合到一起，发挥了光纤线路的宽带化、抗干扰的优点，同时发挥了无线通信方便灵活的特点，满足了人们对宽带的需求。早期的ROF 技术主要是致力于提供高频无线传输服务，如毫米波光纤传输等。随着ROF 技术的发展与成熟，人们开始研究混合有线和无线传输网络，即可同时提供有线和无线服务的光纤无线通信(ROF)系统。

随着无线电通信的飞速发展，频谱资源紧张的状况日渐突出，如何在有限的无线资源条件下提高频谱利用率以缓解频谱资源的供需矛盾，已成为通信领域要解决的问题。认知无线电(CR)是智能频谱共享技术，它通过对授权频谱进行"二次利用"，能有效提高频谱资源利用率，已成为通信领域的研究热点。在802.11 无线局域网[1]、802.16 城域网[2] 和3G 移动通信网络[3]已开始研究应用认知无线电技术提高系统的容量，并开始研究应用ROF 技术实现不同业务信号的混合传输[4]。基于认知无线电的混合传输有线和无线信号的光纤无线通信网络是未来通信网络的发展趋势。基于认知无线电技术的混合传输ROF 系统面临许多新的挑战，例如网络架构设计、各层协议设计、基于多种业务的有线和无线调制信号的产生、网络的管理和调制信号的识别等等。

1 认知无线电技术

认知无线电是解决频谱缺乏和频谱未充分利用的有效途径，认知无线电是智能的无线通信系统，它通过感知周围环境的频谱利用情况，并通过学习自适应地调整自己的参数，达到有效利用频谱资源和可靠通信。应用认知无线电是实现频谱资源从固定分配到动态分配的关键技术。在认知无线电系统中，为了保护授权用户( 或成为主用户) 不受从用户( 或CR 用户)的干扰，频谱感知的功能是感知授权用户是否存在。认知无线电用户当监视到授权用户使用的频带未被使用时可以暂时使用。当监视到授权用户的频带在使用时，CR用户释放该信道给授权用户，这样保证CR 用户不对授权用户产生干扰。因此认知无线通信网络有如下显著特点：

(1) 主用户具有接入信道的绝对优先权。一方面，当授权用户没有占用信道时，从用户机会接入空闲信道；当主用户再次出现时，从用户要及时退出正在使用的信道，将信道还给主用户使用。另一方面，当主用户占用信道时，从用户可以在不影响主用户服务质量的条件下接入信道。

(2)CR 通信终端具有感知、管理和调整功能。首先CR 通信终端能够感知所处工作环境中的频谱和信道环境，并根据探测结果按照一定的规则确定对频谱资源的共享和分配；另一方面CR 通信终端具有在线调整工作参数的能力，如改变载频、调制方式等传输参数来适应环境的变化。

在认知无线通信网络中，频谱感知是关键技术。常用的频谱感知算法有能量检测、匹配滤波检测、循环平稳特征检测方法等，这些方法有各自的优缺点，这些算法的性能取决于获得的先验信息。已有的频谱感知算法有：匹配滤波器、能量检测器和特征检测器方法。

匹配滤波器只能应用到主信号是已知的条件下。能量检测器能够应用到主信号未知的情况下，但当采用短的感知时间时性能变差。由于特征检测器的主要思想是利用信号的循环平稳性，通过谱相关函数进行检测。噪声是宽平稳信号且不具相关性，而调制信号是具有相关性且循环平稳的。因此谱相关函数能够区分噪声能量和已调信号的能量。在噪声不确定的环境下，特征检测器的性能要好于能量检测器。特征检测器在低信噪比下的性能受到限制，有高的计算复杂度，同时要求长的观测时间。这样就减小了CR 系统的数据吞吐量。

随着无线通信技术的发展，频谱资源越来越紧张。由于CR 技术可以缓解这个问题，CR 技术在无线通信网络中得到重视，有许多关于无线通信网络标准都引入认知无线电技术。如IEEE 802.11、IEEE 802.22 和IEEE 802.16h。在802.16h 协议中，有一个重要内容就是动态频谱选择，以利于WiMAX 使用广电频段，它的基础就是频谱感知技术。在无线局域网IEEE 802.11h 国际标准中，引入了两个重要概念：动态频谱选择(DFS)和发射功率控制(TPC)，开始将认知无线电应用到无线局域网中。在802.11y 标准中利用正交频分复用(OFDM)技术提供了多种带宽的选择，可以实现带宽的快速切换，WLAN(无线局域网) 系统可以利用OFDM 的特点通过调整带宽和发射功率参数避免与工作在该频段的其他用户相互干扰。由于光纤无线系统具有光纤通信带宽宽的优点和无线通信灵活的特点得到了广泛应用，近几年光纤中传输射频认知WLAN 信号得到了关注，文献[5-6]的作者提出了在ROF系