无线电与WLAN的技术融合探讨

评论摘要：随着无线局域网(WLAN)的迅速普及，有限的可用频谱资源日益紧张。认知无线电(CR)技术具有动态重用空闲频谱资源的能力，可以有效提高频谱利用率，得到了无线通信行业的关注。通过将CR技术与无线局域网相融合，可以为无线局域网提供更为灵活的通信，扩展无线局域网的工作频段。IEEE 802.11y无线局域网标准的制定进一步推动了CR技术的应用。CR技术与无线局域网融合的过程中，还需要完善包括频谱感知、频谱资源共享和分配、动态频率选择和传输功率控制等技术。

 

Abstract:With the rapid development of Wireless Local Area Network (WLAN), the valid spectrum resources are becoming more and more limited over time. With the ability of dynamically reusing the idle spectrum resources and improving the efficiency of spectrum usage, Cognitive Radio (CR) has been paid many attentions. The combination of CR technology and WLAN will provide more flexible communications and extend the valid frequency bands for WLAN. The layout of new WLAN standard IEEE 802.11y will further drive the application of CR. During the combination process, some crucial technologies should be improved, involving spectrum sensing, spectrum resource sharing and allocation, dynamic frequency selection and transmit power control technology.

认知无线电(CR)[1]技术是继软件无线电技术后通信技术的发展热点，它体现了通信技术从网络化向智能化的发展。CR技术旨在通过对无线环境的感知，实现动态重用以提高现有频谱资源的利用率。通过该技术实现的频谱共享，可以利用大多数的频谱资源，包括移动通信、广播电视等所使用的频段。

CR技术中，通常称频段的许可持有者为主用户，而CR用户为从用户。从用户可以在避免对工作频段内其他用户干扰的情况下，实现有效的通信传输。因此CR通信终端需要具备如下的能力[2]：

(1) 感知无线环境的能力：通过在通信终端上配备能够检测频谱状况的功能，实时地探测当前工作区域内的无线环境，获得所探测频段范围内的频谱使用状况；具有一定的协同感知和分布式感知能力。

(2) 频谱管理的能力：根据探测结果，对频谱资源进行分析和评价，确定时间和空间上可用频谱资源；根据一定的规则对频谱资源进行共享和分配。

(3)在线调整工作参数的能力：通过对当前无线环境的实时探测，动态选择自身的工作频段和发射功率等参数，以提供高效的可靠通信。同时要能够及时适应无线环境的变化，避免对所在频段主用户的干扰和规避来自主用户的干扰。

随着无线通信技术的飞速发展, 频谱资源变得越来越紧张。自1999年概念被提出以来，CR技术以其难以替代的优势，日益得到无线通信行业的重视。尽管目前没有成熟的标准和法规, 但CR将引领下一波有冲击性的技术革新浪潮。诸多基于CR技术的国际标准也逐渐出现，如IEEE 802.16h和IEEE 802.22。

以IEEE 802.11标准为基础的无线技术已经成为目前无线局域网(WLAN)技术的主流。通过接入无线网络实现移动办公已经成为很多人生活方式的一部分。随着无线局域网的普及，免授权国家信息基础设施频段的无线通信终端(遵循Wi-Fi规范)在其工作的免授权国家信息基础设施(U-NII)频段，通信业务非常繁忙，近乎达到饱和状态，这样的工作频段已无法满足新的业务请求。更多的可用频段可以提供更多的可用信道，这正是所期望的解决WLAN频段拥挤问题的方法。因此CR技术对于WLAN而言更具有吸引力。评论 1 CR在无线局域网标准中的应用

现有的无线局域网标准中，IEEE 802.11系列标准被广泛的应用。然而如IEEE 802.11a无线局域网标准所使用的5 GHz频段中还存在其他的设备，如雷达，因此保证无线局域网的工作频段不受到这类设备的干扰是困难的。联邦通信委员会(FCC)等法规机构要求IEEE 802.11a无线电能检测雷达信号并避免对它们形成干扰，于是IEEE 802.11工作组制定和发布了IEEE 802.11h无线局域网标准[3]。从CR的角度看来，IEEE 802.11h无线局域网标准可以认为是CR技术在无线局域网中的初步应用。

IEEE 802.11h标准的出现解决了无线局域网与雷达设备的共存问题。对于CR技术，该标准的主要贡献在于引入两个重要的概念：动态频率选择(DFS)和发射功率控制(TPC)。

ERC/DEC/(99)23要求工作在5 GHz的WLAN设备需要引入DFS技术来避免和雷达系统使用相同的信道，同时能够均衡的使用所有可用信道。DFS技术可以实现对当前工作信道和其他信道的检测，能够在检测到雷达设备的时候中止当前的传输并切换到新的信道恢复工作。这一技术也可以用于动态频率规划等方面。

同时要求工作在5 GHz的WLAN设备使用发射功率控制技术，在满足工作信道传输要求的基础上，实现对最大传输功率的控制来降低对其他设备的干扰。这一技术也可以用于控制网络覆盖范围和降低能量损耗。

另一项CR技术的应用是Atheros公司推出的基于Super G技术的无线局域网技术。该技术中加入了自动检测周围其他无线局域网运行的功能，可以根据检测到的邻近无线局域网用户情况自适应地调整信道占用方式，最大限度提高系统传输速率。

然而上述标准中所引入的信道检测和选择的技术还仅仅是CR功能的开始。在不增加可用频段的前提下，少量的有限的可用信道依然难以从根本上满足无线局域网广泛应用的需求。这正是CR技术真正要解决的问题，也催发了新的无线局域网标准的产生。

2 IEEE 802.11y无线局域网标准

2005年7月，FCC开放了用于固定卫星服务网络的3.65 GHz～3.7 GHz频段。IEEE 802.11y工作组计划开发新的无线局域网标准以工作在该频段，同时计划提出一种标准的机制用于避免与该频段内的其他用户形成干扰[4]。

IEEE 802.11y标准的目标是对在与其他用户共享的美国3.65 GHz～3.7 GHz频段中进行IEEE 802.11无线局域网通信的机制进行标准化。IEEE 802.11y中定义了传输初始化的过程，确定信道状况(是否可用)的方法，检测到信道忙时重传的机制等诸多内容。标准中主要包含如下的多个机制：

新的调整等级：通过提供了不同的频道带宽和操作参量，允许IEEE 802.11网络通信并移动到任何新的频率，改变频谱覆盖用以提高性能或使用者的容量，并建立新的通信规则和工作参数。该机制是对IEEE 802.11j标准进行的扩展。

感知技术：通过多种基于能量和基于特征的感知技术，实现多分辨率的无线环境监测规程。该机制是对IEEE 802.11a标准的扩展。

传输功率控制技术：由IEEE 802.11h标准扩展获得。

动态频率选择技术：由IEEE 802.11h标准扩展获得。

由于IEEE 802.11系列标准没有考虑在3.65 GHz～3.7GHz这样的非独占频段中实现数据传输服务，因此IEEE 802.11y标准需要在IEEE 802.11h的“动态频率选择”和“传输功率控制”技术的基础上进行改进实现。评论此外，IEEE 802.11y新的标准的设计还考虑了和其他系统的共存的机制，如同样可以工作在3.65 GHz～3.7GHz频段的IEEE 802.16h系统。这些机制有利于动态频谱交换的实现和其他CR应用的共存问题的解决。

2006年12月，IEEE 802.11y标准的第一份草案已经提出。由于IEEE 802.11y将提供无线局域网标准中的新的物理层选择，我们可以在未来几年看到更多支持工作在该频段的网络设备的出现。

3 CR在WLAN应用中的主要技术

无线局域网具有工作区域小，工作地点灵活等特点。对于WLAN而言，其所面临的无线环境相对简单，更有利于CR技术的实现。CR的特殊性，要求其实现上必然依赖诸多主要技术。

3.1 频谱感知技术

CR中的频谱感知包含两个方面，带内检测和带外检测。从用户在工作时必须频繁地对当前工作频段和其他频段进行感知操作。对当前工作频段感知的目的是检测频段是否出现主用户。当出现主用户时可以进行快速的规避，放弃对当前工作频段的占用，从而避免对主用户形成干扰。对其他频段感知的目的是对周围其他频段的频谱使用状况进行测量。一方面在当前工作频段不可用时，可以及时切换到其他可用的工作频段，另一方面，可以利用新的可用频谱资源扩展工作频段，从而提高传输速率和网络的容量。同时进行频谱感知有利于频谱资源的管理，共享和交换。

频谱感知的方法主要包括基于能量的和基于信号特征的检测[5-6]。而后者由于需要工作频段内主用户信号特征的先验知识，所以限制了应用的范围。

式(1)给出了基于能量的检测中在给定错检概率PFA的情况下的漏检概率PMD。其中N 为采样点数，SNR为从用户处接收到主用户信号的信噪比。从该式可见随接收信噪比的降低，漏检概率将快速恶化。同时进一步研究表明，基于能量的检测在噪声不确定的实际无线环境中，其检测性能更难以令人满意。

受传播损耗和阴影衰落影响，无线局域网可能出现只有距离主用户较近的从用户可以探测到主用户工作的情况。而通常无线局域网中采用载波侦听多路访问/冲突避免CSMA/CA多址协议，这种协议无法保证探测到主用户出现的从用户能及时地竞争到信道并将消息广播出去，无法实现对主用户的及时规避。这个问题可以通过两种途径解决：

(1) 增加公共控制信道用于信令的传输。Pawelczak等人提出了一个简单的CR媒体接入控制( MAC)协议[7]，将IEEE 802.11标准的MAC协议进行改进以满足控制信道的需求。

(2) 采用分布式感知和协同感知技术。文献[8]和文献[9]分别给出了几种协同感知的方法，可以有效提高频谱探测的性能和实时性。

CSMA/CA协议为随机多址协议，我们并不能预测在下一个时隙将由哪一个用户向哪一个用户发送报文。而在单天线的系统中，当接收用户处于在对其他信道进行探测的状态时，是无法接收到来自对应发送用户的报文的。这种情况将导致重传的发生，是我们所不希望的。通过分布式感知和协同感知技术，可以降低单次感知所需要的时间，从而减少重传的发生。另外可以为每个用户终端设备配备两个独立的全向天线，分别用于数据传输和频谱探测功能。

3.2 正交频分复用技术

正交频分复用(OFDM)的基本原理是把高速数据流进行串并变换，形成传输速率相对较低的若干个并行数据流，然后分别在不同的子信道中传输。可用载波被划分为多个正交的子载波或通道，每一子载波传输通信数据的一部分。每一个子载波的状况，包括发射功率、比特速率及是否使用，可以分别进行设定。

CR用户工作的频段可能存在多种不同类型频谱空洞。通过OFDM技术减少子载波可以利用所覆盖频段范围内的多个频率上不连续的频谱空洞，将分散的频谱空洞拼接成一个连续的频谱空洞用于数据传输。利用OFDM技术的特点，系统既能够使用频域内连续的多个信道，即信道连接模式，也能够使用频域内不连续的多个信道，即信道聚合模式。对多信道支持的特性可以采用信道分组与匹配机制以减少一些相关控制信息的开销。评论 IEEE 802.11y中提供了5 MHz、10 MHz、20 MHz等多种带宽的选择，借助OFDM多载波技术，可以实现多种带宽的快速切换，从而提高系统的鲁棒性和灵活性。除切换信道外，WLAN系统也可以利用OFDM的特点，通过调整参数来避免干扰的形成，包括：

将所用带宽从20 MHz调整至10 MHz或5 MHz，避开主用户的工作频段。

降低对应载波得发射功率和调制方式，分多步将数据传输率从54 Mb/s调整到1 Mb/s。

3.3 动态频率选择技术和传输功率控制技术

动态频率选择技术的基础是感知技术。动态频率选择技术通过对当前工作信道和其他信道的感知结果，借助OFDM技术，采取调整带宽或切换信道的方法，及时地在主用户出现时进行工作频段的退避。动态频率选择技术能够实现通信的持续进行，为网络的可靠传输提供保证。信道切换能力是动态频率选择技术中的重要功能。在无线局域网标准中，信标帧是可以实现无冲突发送的。因此可以借助信标帧进行信道切换等信令的传输。

而对于传输功率控制技术而言，其关键是可以实现对任意用户间传播损耗的估计和用户处噪声的测量，根据这些信息，在保证误码率的情况下，尽量降低发射功率从而减少对主用户的干扰。

3.4 频谱资源的共享与分配技术

通常WLAN中所包含的用户数量是很有限的，对于无线频谱感知也仅局限于工作区域内的部分频率范围。将大量时间进行无线频谱的探测是不现实的，同时对区域外主用户的探测也是不理想的。频谱资源的共享与分配技术中，通过多个网络对频段的探测，经过信息交换，任何一个网络都可以构造网络附近的无线频谱的使用状况，进而可以无冲突分享可用的网络资源。该技术的实现将涉及：

不同网络间的信息交换方法。网络之间的通信是通过共存信标协议(CBP)[10]和接入点间通信两种方法实现，同时可以解决系统间的共存问题。

频谱资源的分配方法。分布式的频谱资源共享和分配的实现可以借助博弈理论。文献[11]中提出了无线频谱资源交换的策略，通过虚拟货币等方式，采用如递增叫价的拍卖算法等方法实现不同网络中频谱资源的拍卖。

4 结束语

无线局域网的广泛应用，凸显出无线频谱资源的紧张。而CR技术作为一种有效提高无线频谱资源利用率的新技术，日益得到人们的关注。基于CR技术，已有诸多标准即将产生，如IEEE 802.22、IEEE 802.16h和IEEE 802.11y。在已有的无线局域网协议的基础上，推动CR技术与无线局域网技术的融合，必将为无线局域网的普及铺平道路。纵观IEEE 802.11系列无线局域网标准的发展，我们可以期望未来几年内见到更多模式，功能更强大和灵活的无线网络终端，在这些设备上的投资前景将会非常乐观。当然不可否认的是，CR技术的应用依然会受到国家相应无线电政策法规的约束，CR技术的发展终将在可控的情况下进行。

5 参考文献

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[11] GRANDBLAISE D, MOESSNER K, VIVIER G, et al. Credit token based rental protocol for dynamic channel allocation[C]//Proceedings of 1st International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications (CROWNCOM 2006), June 8-10, 2006, Mykonos Island, Greece. 2006.评论作者简介：

陈东，西安电子科技大学信息科学研究所博士研究生。先后参加国家“863”计划项目、教育部重点项目、国家自然科学基金项目等多个科研项目。已发表论文6篇，其中收入EI检索4篇。主要研究领域为移动通信技术、认知无线电技术等。 李建东，西安电子科技大学研究生院院长、教授、博士生导师，综合业务网理论和关键技术国家重点实验室主任，中国通信学会会士，IEEE高级会员，第1届和第4 届“863”个人通信技术专业专家组成员，享受国家政府特殊津贴。长期从事移动通信、个人通信、软件无线电、分组无线网、自组织网络、宽带无线IP技术等方面的研究。获省部级科技进步奖6项。已出版专著和教材5本，发表论文100余篇。 李维英，西安电子科技大学通信工程学院教授，硕士生导师。主要研究领域为移动通信技术、无线通信技术。