认知无线电技术前景如何?

文章发布时间:2015/5/26 12:29:33



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认知无线电技术前景如何?这个话题关注了几天依然是没有人回复,所以自己就写一点,期待高人填坑……

前景目前看起来没有特别大的障碍,自从SPTF和伯克利还有NRNRT他们关于频谱利用不均衡性的报道出来之后大家(应该说,欧美的无线频谱资源管理部门)都开始注意到这个问题了,现在FCC已经开放了TVWS给部分组织和机构做二次利用,但是这种利用是有条件的,比如下表:
(此图请不要转载或分享)

这原型滤波器的性能相当不错,基本上除去子载波直接相邻频段之外的响应就是零,不必像OFDM中那么严格要求所有子载波正交了,而且带外泄露也非常小,但FBMC目前的问题是系统过于复杂,实现起来代价比较大,而且同步和均衡实现起来比较麻烦,如果做成实体的话,预计开始的几年成本会比较高。

但退一万步说FBMC实现不了,使用滤波OFDM还是可以满足FCC的要求的,就是效率比较低而已。


CR的核心是共享频谱,要共享,首先要感知,感知方面开展的比较早,目前提出的比较新的方法是联合PHY和MAC层的跨层侦听(2004年左右),随后还有学者提出了各种改进方法,这方面的研究算比较成熟。

然后感知频谱之后可以得到一个类似于可用频谱共享池的资源,如果存在多个CR用户,就要考虑分配可用频谱资源问题,分配资源要考虑尽可能最大化利用信道资源,同时还要保证干扰最小化和接入的公平性,这就有些类似调度算法,因此这方面的研究也是有一定基础的,有些算法经过改进,比如PF调度算法改进之后就可以在CR上做初级的应用。其余的自制智能代理的方法需要借鉴博弈论,但是经典的对策模型往往是不包含学习过程的,后来有学者提出在贝叶斯对策上做出一些改进,使其拥有类似学习的能力,也有部分学者提出了一些更加适应本地环境的分配方法,但通常来说,对策的智能性和自主性越高,其实现的复杂度和网络开销就越大,这块未来有可能和Ad-hoc形成交叉。关于动态分配这块的研究最多,因为这块之前的研究资料比较少,而CR的智能性又是之前不曾有过的。

分配好资源之后的任务就是接入,关于接入的话,就看滤波器组多载波有没有什么重大突破了,如果不行,可以用滤波OFDM先撑一段时间。

最后是功率控制,这个可能是最简单的,以前的功率控制是尽可能避免干扰,在CR中变成在尽可能避免干扰到其他用户的同时,尽可能增加自己的发射功率,但同时保证有新的用户接入时,不会干扰到其他任何一个用户,虽然和之前的方法不同,但实现起来的难度不会很大。


还有一个值得注意的方向是软件无线电的发展,不得不说软件无线电就如同VHDL一样,能节省好多时间,就是贵了些。


以上的几个方面虽然最近十年都有比较大的进展,但是缺少一个能够将所有方面整合在一起的团队或者组织,尤其是在动态接入策略方面,目前的几种方案中选一个合适的可能就要开会吵很久(但和没有好的方法是有本质区别的),但随着老旧的固定频谱划分方式的不灵活性和Free License频段的日益紧张,CR应当会在部分不计成本的领域开始实用(如军事、专用网络中,前几日听说解决CBTC受干扰的方法是加大CBTC信号发射功率,不知真假),随后技术成熟后商业化,最后再进入普罗大众的口袋里面。

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答友:首先感谢 @Norman Karma 君,答案一如既往的简洁、全面。我有个师兄弟在做FBMC,之前一直没多大搞懂其与CR的关系,看了之后大致明白了。
补充一下,楼上的答案提出了整个CR的发展历程和前景,所提及的CR方案大致都是OFDM-Based的。
有篇08年的文章:<Cognitive RadioModulation Techniques>:IEEE Xplore - Error Page
介绍了CR加载数据的几种调制方案。原则都是感知周围频谱然后利用环境频谱信息在频域基于某种调制方式合成发射信号。
楼上讲的实质是属于 MultiCarrier CR System (多载波CR系统),这里面的主角当然是OFDM及其改进方案,主要问题就是带外衰减缓慢,解决办法就是繁杂的滤波器组。还有另一种 MC CR方案是 WAVELET PACKET-BASED CR SYSTEM (MC-WPM),即将原来的FFT变换改成小波变换,可以提供更好的带外衰减。
此外,还有 SingleCarrier CR System (单载波CR系统)的方案,常用的有TDCS(Transform Domain Communication System,变换域通信系统)。与传统避干扰方法不同,其首先设定某一门限、对环境频谱采样并进行使用标记,将占用频段置0、可用频段置1,再基于此‘Spectrum Mask’合成基础波形,然后IFFT到时域做后续处理。也就是说,其在发端、而不是收端、就已经合成了不干扰 Primary User(即授权用户,以下简称PU。临时占用授权频段的CR用户不能干扰 LU)的基础信号。这是TDCS区别于OFDM-Based方案的最大特点,因为后者实在收端才进行去干扰工作。当然,TDCS在合成时域基础波形序列之后仍然可以结合OFDM工作,由于之前已经对此时被 LU占用的频段进行了标记,此时对TDCS时域基础波形序列进行OFDM相当于在那些频段加虚载波,也就无所谓带外泄露干扰;另一方面这样也利用了OFDM可以方便进行同步、均衡的特点,并可以简化CCSK的调制解调。
但是,TDCS也有个天生问题,就是要求发、收两端的‘Spectrum Mask’应当保持一致。当然实际情况常常并非如此,如何处理 'Spectral Mismatch'的问题,这也是目前的研究热点之一。

由于频谱感知和基于频谱信息的信号合成的需要,目前的CR系统通常结合软件无线电技术(Software Defined Radio, SDR)实现。常见的SDR硬件外设有 Ettus Research (现已被NI收购)推出的 USRP(Universal Software Radio Peripheral, 通用软件无线电外设),其特点是:
1)可选子板多可以适配不同频段;
2)FPGA模板只完成简单的ADC/DAC和变采样工作,并将得到的基带数据通过千兆网线传给宿主PC,在高性能PC上通过相对简单的常用软件编程完成实时、复杂的信号处理工作;
3)可以搭配多种开发软件使用,如NI官方推出的LabVIEW,可以快速完成基带信号处理建模;如备受赞誉的开源软件 GNU Radio,拥有强大、可扩展的C++库和相对火热的社区,里面聚集着众多无线电黑客,一起合作出了许多好玩的开源项目;搭配 OpenBTS+Asterisk,还可以搭建出一套“伪基站”。
更多关于 NI-USRP的知识,个人从Youtube上扒下并翻译了 一段官方视频:


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