認(rèn)知無線電在廣電頻率中應(yīng)用的思考和探究

許 偉

十堰市四方山廣播電視發(fā)射臺(tái) 湖北省 十堰市 442000

引 言

頻譜資源是指能夠被人類利用的，用于無線通信的電磁譜頻段。隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大量終端用戶使用無線頻譜資源，而可供現(xiàn)在通信使用的頻譜資源正在變得日益匱乏。認(rèn)知無線電（Cognitive radio，CR）概念在1999年首次被約瑟夫·米托拉博士提出，目的是通過智能接入空余頻譜來緩解頻譜資源的壓力，主要過程包括頻譜感知、頻譜接入、頻譜管理等。目前認(rèn)知無線電技術(shù)在無線電監(jiān)測(cè)中有所應(yīng)用，監(jiān)測(cè)空間是否有違規(guī)的無線信號(hào)。廣播電視頻段在國家靜態(tài)分配頻段的政策下，一直是作為播出廣播電視節(jié)目使用。隨著模擬電視的淘汰，現(xiàn)在的地面數(shù)字電視可以實(shí)現(xiàn)在原來的一個(gè)電視頻點(diǎn)上，利用數(shù)字技術(shù)發(fā)射多套節(jié)目，客觀上釋放出了一定的電視頻段資源。在中國廣播電視網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱：中國廣電）拿到5G牌照后，使用原有的700MHz電視頻段，部署5G移動(dòng)通信。由于傳播特性好，在移動(dòng)通信上可以作為基礎(chǔ)性網(wǎng)絡(luò)覆蓋，對(duì)增加覆蓋、節(jié)省投資以及降低5G基站能耗等方面，都能起到巨大的作用。因此考慮能否在一定條件下，利用一定的電視白頻段，在小范圍地區(qū)靈活應(yīng)用，結(jié)合認(rèn)知無線電技術(shù)，既保證廣播電視頻段不受干擾，又可以有效緩解頻譜資源壓力，還能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

1 認(rèn)知無線電

認(rèn)知無線電是一個(gè)智能的系統(tǒng)技術(shù)，空白、未使用的頻譜稱之為“頻譜空穴”，把沒有固定頻譜頻段，需要使用其他授權(quán)頻段的用戶稱為次用戶SU（Secondary User），主 用 戶PU（Primary User）為有頻譜授權(quán)用戶。如圖1次用戶動(dòng)態(tài)頻譜路徑示意圖所示，次用戶通過實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的在一定頻段內(nèi)監(jiān)聽周邊環(huán)境的無線電頻譜使用情況，把空閑的頻譜找出來，再基于一定的規(guī)則，智能的選用一個(gè)符合通信要求的空閑頻段進(jìn)行通信。由于主用戶即授權(quán)用戶擁有最高級(jí)別的通信權(quán)限，所以次用戶在使用頻段的同時(shí)，還需要對(duì)周邊電磁環(huán)境進(jìn)行感知，當(dāng)發(fā)現(xiàn)主用戶信號(hào)時(shí)，及時(shí)退出當(dāng)前信道，避免對(duì)主用戶造成干擾。次用戶可以選擇等待，或?qū)ζ渌l段進(jìn)行監(jiān)聽并選用下一個(gè)空閑信道繼續(xù)通信。

圖1 次用戶動(dòng)態(tài)頻譜路徑示意圖

現(xiàn)在主流研究方向是開放獲取式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，利用頻譜感知技術(shù)感知周邊電磁頻譜環(huán)境，使用自組織動(dòng)態(tài)頻譜管理模式，把每次獲取的無線環(huán)境頻譜利用模式的信息，儲(chǔ)存在一個(gè)權(quán)重?cái)?shù)組中，權(quán)重?cái)?shù)組根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行更新。

在開放獲取式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，需要多個(gè)環(huán)節(jié)的共同努力。首先依賴頻譜感知技術(shù)是否能夠高效有用，但是在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，頻譜感知技術(shù)是要求應(yīng)用在復(fù)雜的無線通信環(huán)境中，包括各種電磁噪音和信號(hào)衰減，同時(shí)要求在一定頻譜范圍內(nèi)對(duì)空間信號(hào)的快速判斷，實(shí)現(xiàn)的難度較大。

從目前的頻譜感知算法來看，傳統(tǒng)的頻譜感知算法主要是基于主用戶發(fā)射端的檢測(cè)，包括能量檢測(cè)算法、匹配濾波算法、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)算法。其中能量檢測(cè)算法簡(jiǎn)單，所需時(shí)間短，但是會(huì)受到噪聲峰值影響，不適合低信噪比的環(huán)境；匹配濾波檢測(cè)方法原理是根據(jù)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)生成匹配濾波器脈沖響應(yīng)來幫助判斷；循環(huán)特征平穩(wěn)檢測(cè)方法原理是利用周期信號(hào)和噪聲在自相關(guān)函數(shù)的不同，對(duì)應(yīng)自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變化，得到功率譜函數(shù)不同來判斷。雖然匹配濾波檢測(cè)算法和循環(huán)特征平穩(wěn)檢測(cè)精度更高，支持在低信噪比環(huán)境下檢測(cè)，但是需要授權(quán)用戶的先驗(yàn)信息，現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)。而由多個(gè)認(rèn)知用戶的協(xié)作頻譜感知技術(shù)能解決對(duì)于單用戶頻譜感知中存在的多徑陰影等問題，不過相對(duì)來說，成本和系統(tǒng)復(fù)雜程度加大。近年，機(jī)器學(xué)習(xí)算法等新技術(shù)應(yīng)用到頻譜感知領(lǐng)域，如圖2機(jī)器學(xué)習(xí)監(jiān)督學(xué)習(xí)模型所示，機(jī)器學(xué)習(xí)利用在頻譜感知中獲取的大量感知數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)，從中找到數(shù)據(jù)間的特征規(guī)律，生成合理的參數(shù)，抽象出事物變化的模型，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。不過可惜的是，機(jī)器學(xué)習(xí)算法的仿真也是針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，在面向更復(fù)雜的電磁環(huán)境時(shí)，準(zhǔn)確度仍然有待驗(yàn)證。

圖2 機(jī)器學(xué)習(xí)監(jiān)督學(xué)習(xí)模型

有了高效準(zhǔn)確的頻譜感知后，開放式獲取模式一般使用自組織動(dòng)態(tài)頻譜管理來解決頻譜接入的問題。自組織動(dòng)態(tài)頻譜管理SO-DSM（Self-Organized Dynamic Spectrum Management）根據(jù)環(huán)境約束為相互競(jìng)爭(zhēng)的次用戶分配可用的頻譜資源任務(wù)。它是去中心化的，是次用戶通過與其通信范圍內(nèi)的其他用戶通信，交換信息以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)，形成一個(gè)全局性的網(wǎng)絡(luò)組織。具體的說，在具有多個(gè)次用戶時(shí)，每個(gè)用戶基于近期對(duì)環(huán)境的觀察，構(gòu)建其周圍環(huán)境的映射，并記住主用戶和相鄰次用戶的頻譜利用模式，將提取出來的信息存儲(chǔ)在一個(gè)權(quán)重?cái)?shù)組中。當(dāng)次用戶需要接入時(shí)，結(jié)合頻譜感知存儲(chǔ)的頻譜利用信息選擇最好的信道。次用戶選擇的鏈路是根據(jù)感知存儲(chǔ)的權(quán)重值決定的，可以減少?zèng)_突，但并不一定是次用戶本身業(yè)務(wù)需求的最優(yōu)鏈路。當(dāng)有多個(gè)次用戶時(shí)，每個(gè)次用戶都追求利益最大化，是相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，即盡可能的使自己獲得足夠的優(yōu)質(zhì)頻譜資源。在自組織動(dòng)態(tài)頻譜管理時(shí)，每個(gè)次用戶的感知權(quán)重設(shè)置是不同的，為了獲得自身的最大效益就可能造成網(wǎng)絡(luò)的沖突。在自組織動(dòng)態(tài)頻譜管理中，次用戶持續(xù)檢測(cè)周圍環(huán)境，把最新測(cè)得的子頻段的質(zhì)量用權(quán)重值表示，時(shí)時(shí)更新。

在市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)模式中，它引進(jìn)了頻譜經(jīng)紀(jì)人。頻譜經(jīng)紀(jì)人從頻譜資源所有者中取得空閑頻譜資源信息，負(fù)責(zé)為認(rèn)知無線電用戶分配信道，推進(jìn)認(rèn)知無線電的商業(yè)化。頻譜經(jīng)紀(jì)人代替了開放獲取模式中的頻譜感知和動(dòng)態(tài)頻譜管理，但是由于主用戶和次用戶是存在變化的，所以頻譜經(jīng)紀(jì)人需要及時(shí)做出相應(yīng)的變化。

2 廣播電視頻段

廣播電視頻段的頻譜資源中，中波廣播頻段（525～1605kHz）和調(diào)頻廣播頻段（88～108MHz）現(xiàn)在還在大量使用模擬技術(shù)，頻點(diǎn)相鄰帶寬較小。中波頻段頻率相對(duì)較低，發(fā)射天線尺寸較大，認(rèn)知無線電的次級(jí)用戶在這個(gè)頻段上難以解決發(fā)射天線尺寸過大帶來的場(chǎng)地問題。而調(diào)頻廣播頻段和航空通信頻段（118～136.975MHz）接近，次用戶的發(fā)射設(shè)備如果質(zhì)量性能不佳，可能產(chǎn)生的帶外雜散會(huì)對(duì)航空頻段造成干擾，造成重大的安全隱患。CDR（Convergent Digital Radio）廣播技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)頻點(diǎn)多套節(jié)目的播出，但是目前在接收端并沒有普及。綜上所述，在中波和調(diào)頻頻段內(nèi)不建議開放頻譜參與認(rèn)知無線電的應(yīng)用。電視頻段，頻點(diǎn)間隔為8MHz，頻譜資源相對(duì)較大。地面數(shù)字電視技術(shù)使用DTMB（Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcast）技術(shù)，市場(chǎng)上的家庭電視機(jī)都可以解調(diào)出電視節(jié)目，且市面上有大量的可以移動(dòng)接受信號(hào)的手持電視解調(diào)設(shè)備。地面數(shù)字電視技術(shù)按照GB 20600-2006規(guī)定，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需求，設(shè)置調(diào)制方式、保護(hù)間隔和內(nèi)碼碼率等，傳輸速率范圍在5.414～32.486MHz。通過信道編碼和數(shù)字調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了在原先的一個(gè)電視頻點(diǎn)內(nèi)發(fā)射多套電視節(jié)目的功能。DTMB是我國數(shù)字電視地面多媒體廣播的信道編碼與調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)流程如圖3 DTMB信道編碼與調(diào)制所示。信源以TS碼流輸入后，與偽隨機(jī)二進(jìn)制序列進(jìn)行加擾處理。前向糾錯(cuò)碼（Forward Error Correction簡(jiǎn)稱FEC）由外碼（BCH碼）和內(nèi)碼（LDPC碼）聯(lián)級(jí)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤，在接收端根據(jù)算法進(jìn)行糾錯(cuò)，增加數(shù)據(jù)通訊可信度。星座映射是數(shù)字調(diào)制的過程，把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)映射為改變載波波形某種屬性的信息，產(chǎn)生符號(hào)流，不同的調(diào)制方式使每個(gè)符號(hào)攜帶的信息量不同。交織技術(shù)的作用是使信道錯(cuò)誤的相關(guān)度減小。系統(tǒng)信息符號(hào)與信道編碼后的數(shù)據(jù)符復(fù)用處理后，與幀頭組成信號(hào)幀。采用平方根升余弦濾波器進(jìn)行基帶后處理，再進(jìn)行上變頻以及頻譜搬移，使其適合無線傳輸?？紤]到實(shí)際覆蓋效果，目前主流的是原來一個(gè)電視頻點(diǎn)的帶寬上實(shí)現(xiàn)4套或8套電視節(jié)目的無線傳輸。這在客觀上釋放出了一定的電視頻道頻譜資源。700MHz頻段作為5G的移動(dòng)通信頻段使用后，由國家廣電總局統(tǒng)籌規(guī)劃部署，在全國范圍內(nèi)，把工作在700MHz頻段上的地面數(shù)字電視進(jìn)行頻點(diǎn)遷移，遷移到其他電視頻段上。在頻點(diǎn)遷移過程中，可以利用單頻網(wǎng)適配器和相關(guān)技術(shù)，在全國或者一定區(qū)域內(nèi)組建地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)，這樣各地區(qū)的電視頻點(diǎn)就相對(duì)固定，電視頻譜資源可以得到進(jìn)一步釋放，為認(rèn)知無線電的應(yīng)用提供了有利條件。ISM（Industrial Scientific Medical Band）頻段屬于無許可的開放頻段，ISM頻段允許任何人使用傳輸數(shù)據(jù)，但是對(duì)功率進(jìn)行了限制，使得發(fā)射和接受之間只能在很短的距離進(jìn)行，避免不同使用者之間的干擾。在ISM頻段中，應(yīng)用較廣的工作頻段是2.4GHz（2.4000～2.4835MHz），藍(lán)牙和WiFi在這個(gè)頻段中通信。電視頻段包含5個(gè)波段，最小從48.5MHz開始，最高為958MHz，該頻段相比2.4GHz頻段，傳播損耗低，繞射能力和室內(nèi)覆蓋力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)普通樓宇的深度覆蓋，在特定的行業(yè)應(yīng)用中有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

圖3 DTMB信道編碼與調(diào)制

關(guān)于利用認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決頻譜資源緊張的方案的研究主要集中在開放式獲取機(jī)制上，在開放式獲取機(jī)制上研究最多的是頻譜感知技術(shù)。單從技術(shù)上來說，各地區(qū)廣播電視節(jié)目的播出是有一定規(guī)律性的，電視白頻譜資源相對(duì)較多，只要不對(duì)播出的電視頻點(diǎn)造成鄰頻干擾，在頻譜感知上是比較容易實(shí)現(xiàn)的。但是，在現(xiàn)階段頻譜資源管理政策下，電視頻段是授權(quán)頻段，不是開放的頻段，是不允許次級(jí)用戶通過認(rèn)知無線電技術(shù)接入使用的。無線電管理委員會(huì)和相關(guān)部門，對(duì)非法使用授權(quán)頻段是嚴(yán)厲打擊的。從政策上拿出一定的廣播電視頻段作為開放頻段在現(xiàn)階段基本上是不能實(shí)現(xiàn)的。筆者認(rèn)為具備可行性的方案是使用市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，采用次級(jí)頻譜管理商的模式，用利益分配的方式刺激方案的落地實(shí)施。頻譜資源歸國家所有，廣播電視頻段是國家授權(quán)給中國廣電使用的，在國家政策的允許下，中國廣電在全國或者部分地區(qū)，拿出一定的電視頻譜資源，交給次級(jí)頻譜管理商，由次級(jí)頻譜管理商的頻譜經(jīng)紀(jì)人開展認(rèn)知無線電的應(yīng)用管理。頻譜經(jīng)紀(jì)人將申請(qǐng)到的頻譜資源向有需求的次用戶開放，次用戶使用該頻譜資源需要在市場(chǎng)機(jī)制下進(jìn)行一定的付費(fèi)。該方案與直接將頻譜資源分配給次用戶是有區(qū)別的。首先次用戶不是一成不變的，次用戶有加入也有退出，其次次級(jí)用戶傳輸信息的帶寬不是一成不變的，次用戶根據(jù)業(yè)務(wù)量會(huì)改變其需要帶寬的大小。當(dāng)有多個(gè)次用戶時(shí)，需要協(xié)調(diào)各方的行為，盡可能產(chǎn)生最大化的效益。在開放獲取機(jī)制中，認(rèn)知無線的核心是頻譜感知和動(dòng)態(tài)頻譜管理，在市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)制中，可以使用無線電環(huán)境地圖 REM （Radio Environment Map），把頻譜接入方案錄入到數(shù)據(jù)庫中。在這個(gè)頻譜接入方案中，通過合理的算法，全面協(xié)調(diào)各個(gè)次用戶的利益。次級(jí)用戶通過查詢數(shù)據(jù)庫，獲得基于地理信息等可用子頻段信息，但是這些數(shù)據(jù)庫需要次級(jí)頻譜管理商及時(shí)更新。市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方案中，次用戶沒有直接應(yīng)用到認(rèn)知無線電技術(shù)，但是通過REM的接入，實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知無線電的功能應(yīng)用。

具體的設(shè)想如圖4電視頻道次級(jí)頻譜管理商方案所示，先在部分地區(qū)采用試點(diǎn)的模式，在國家政策允許的情況下，由當(dāng)?shù)卣鞴懿块T和廣電部門協(xié)商，拿出不影響電視節(jié)目播出的本地電視白頻譜，交給頻譜經(jīng)紀(jì)人。頻譜經(jīng)紀(jì)人將主用戶和次用戶的地理位置和活動(dòng)模式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，通過一定的策略，得出最佳的頻譜分配方案。次用戶不需要先進(jìn)的感知和處理能力，采用數(shù)據(jù)庫接入方案，次用戶根據(jù)使用的頻譜帶寬大小和時(shí)間長短付費(fèi)。這里次用戶節(jié)省了感知和處理所需的硬件和軟件費(fèi)用，并將誤接入的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)交給頻譜經(jīng)紀(jì)人。市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)需要平衡各方的利益，合理的收費(fèi)模式至關(guān)重要，需要在實(shí)踐中具體探索。

圖4 電視頻道次級(jí)頻譜管理商方案

頻譜經(jīng)紀(jì)人將次用戶的活動(dòng)模式告知無線電管理委員會(huì)并接受其監(jiān)督，次用戶的數(shù)據(jù)傳輸模式要區(qū)別于DTMB，不能造成在電視上解調(diào)出次用戶的信號(hào)。次用戶需要控制發(fā)射功率，滿足自身通信即可，不能過多的擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍，相鄰地區(qū)的頻譜經(jīng)紀(jì)人需要協(xié)調(diào)電視白頻譜資源的使用。

結(jié)束語

自提出認(rèn)知無線電技術(shù)開始，學(xué)者開展了多項(xiàng)研究，表明靜態(tài)分配下的頻譜利用率低，希望用開放式的獲取機(jī)制來緩解頻譜緊張壓力，其中電視白頻譜更是研究者希望放開的頻段。但是當(dāng)時(shí)電視還在模擬電視時(shí)代，多套電視占用多個(gè)電視頻點(diǎn)，可利用的電視頻段相對(duì)較小，且在開放模式下無法避免次用戶感知和使用電視頻段的相鄰頻段，其鄰頻干擾也無法解決。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，次用戶難以達(dá)到認(rèn)知無線電所需要的頻譜感知和頻譜管理的能力。所以，在全國或地區(qū)范圍內(nèi)組建數(shù)字電視單頻網(wǎng)的條件下，利用頻譜經(jīng)紀(jì)人使用市場(chǎng)機(jī)制驅(qū)動(dòng)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，是可以嘗試的一種共贏方案。