基于认知无线电技术的IEEE 802.22

摘要　随着无线通信技术的发展，无线频谱资源越来越贫乏。同时，认知无线电技术以其灵活高效的利用频谱受到广泛的关注。文章结合认知无线电技术的特点，介绍了IEEE 802.22系统中的关键技术。从无线区域网实现的频谱感知技术、共存技术、正交频分多址（OFDMA|0">OFDMA）、信道管理和多信道绑定等关键技术入手，理解认知无线电技术的核心思想。

0、引言

　　随着无线通信技术的飞速发展，无线局域网（WLAN）技术、无线个人域网络（WPAN）和无线城域网络（WMAN）技术迅猛发展，无线频谱日益拥挤。而3GHz以下的频段具有传输损耗小、频率选择性衰落小、发射机设计功率大等显著的优点，适合于远距离、大区域环境下的无线信号传输。因此无线通信运营和技术的争夺，已经集中在对于无线频谱资源的争夺上，尤其是对3GHz以下的无线频段。

　　认知无线电（CR）^[1～2]是针对频谱利用率不高的解决方案。其特点是根据实时感知环境，灵活、高效、可靠地利用频谱资源。这样认知无线电就具备了在已授权频段内，智能利用"空洞频谱"而不干扰其它授权用户的能力。

　　2003年12月，美国联邦通信委员会（FCC）在其规则第15章公布了修正案。法律规定^[2]"只要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带"，为新的无线资源管理技术奠定了法律基础。2004年11月第一个基于认知无线电的无线标准IEEE 802.22工作组^[3～4]成立，目的在于解决运营在广播电视频段的感知无线广域接入网络技术。下面涉及到的内容主要针对IEEE 802.22/D0.1草案^[5]。

1、IEEE 802.22概述

　　IEEE 802.22固定无线区域网络（WRAN）工作于54MHz～862MHz VHF/UHF（扩展频率范围47MHz～910MHz）频段中的TV信道，它可自动检测空闲的频段资源并加以使用，因此可与电视、无线麦克风等已有设备共存。利用WRAN设备的这种特征可向低人口密度地区提供类似于城区所得到的宽带服务。

　　1.1　授权用户

　　在IEEE 802.22工作频段内，有两类授权用户：一类是电视服务，另一类是无线麦克风。与感知电视信号传输相比，感知无线麦克风要困难许多。通常无线麦克风传输功率在50mW左右，覆盖区域在100m左右，占用带宽小于200KHz。由于无线麦克风可能突然地出现和消失，给感知技术带来的巨大的挑战。

　　1.2　拓扑

　　IEEE 802.22系统是固定的一点对多点（PMP）无线空中接口，即基站（BS）管理着整个小区和相关的所有用户终端（CPE）。BS控制小区内媒体接入和下行（DS）传输给相应的CPE。而CPE通过接入请求，在BS允许的上行（US）传输，即任何CPE必须在收到BS的授权后才能传输。由于BS必须兼顾对授权用户的保护，合理的分配感知任务、合理的实现动态频率选择，都是802.22系统的关键问题。

　　1.3　覆盖区域

　　IEEE 802.22系统和其它的IEEE 802的标准相比，是针对无线区域网的。BS的覆盖范围半径最大可达100km，在目前4W的有效全向辐射功率（EIRP）条件下，覆盖面积的半径也达到33km。这样802.22系统的覆盖面积就是当今最大的一个系统。虽然得益于800MHz以下电视频带的良好传播特性，但增加的覆盖范围给技术提供了机遇和挑战。

2、IEEE 802.22关键技术

　　IEEE 802.22技术是认知无线电技术在无线区域内的具体应用。它的特点是在VHF/UHF频段内，不干扰授权用户的情况下，灵活、自适应的频谱的合理配置。具体通过以下关键技术实现。

　　2.1　频谱感知技术

　　在IEEE 802.22系统中，为了实现对授权用户保护，提出工作信道内和工作信道内感知机制。工作信道内感知，BS分配静默期。在静默期内，BS和CPE都不发送数据，感知小区内授权用户信号。工作信道内采用两段式感知（TSS）机制，在快速感知阶段，通常采用单一的感知方法（如能量检测、导频信号能量检测），迅速感知是否存在授权用户。这个过程通常在微秒级，参考IEEE 802.11b中20µs、IEEE 802.11a中9µs。在精细感知阶段，获知已捕获的授权用户的详细信息。这个过程通常在毫秒级，如检测ATSC信号的同步字段需要24ms。工作信道外感知，CPE利用独立的感知天线，可以同时感知工作信道外。

常用的信号检测方法有能量检测法、相关检测法、周期图法、特征值分解检测法、循环平稳检测法等。能量检测法由于收到检测门限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知阶段。相关检测法是利用事先插入的导频或同步序列，与已知的本地序列相关，这个方法本质上还是能量检测。周期图法、特征值分解检测法、循环平稳检测法属于特征检测。周期图法是利用傅里叶变换来获得信号的功率谱密度，实现算法可以利用快速傅里叶变换，便于实现