无线频谱资源的应用策略

2023-03-07

随着越来越多的业务采用无线通信方式, 而且越来越多的通信需要更高的传输速率和传输质量, 无线频谱资源也就显得日益紧张。

国际无线电规则将各类无线电应用划分为4 1种业务, 分为地面无线电业务和空间无线电业务两大类。面对如此繁多的无限业务, 如何保证各种业务互不干扰且保证传输质量的进行, 就需要对频谱资源的应用做详细的规划, 更需要对各种通信系统所采用的频谱应用策略做深入的研究。

为了在保证传输质量的前提下尽可能的提高频谱的应用效率, 我们可以尽量减少每一个通信信道所占用的频谱带宽, 这就是窄带和超窄带通信的频谱应用策略;也可以尽可能的展宽每一路信号所占用的带宽以提高信号的抗干扰能力, 从而可以使多路信号可以在同一个频带上同时传输, 这就是宽带和超宽带通信的频谱应用策略;还可以根据所处环境的频谱资源情况, 实时改变自己的通信频带以保证在不影响原有通信系统的情况下完成自己的通信任务, 这就是认知通信技术的频谱应用策略。

1 窄带通信技术

我们生活中常用的GSM以及早期使用的第一代模拟移动通信系统等通信系统就是典型的窄带通信系统。

在这些通信系统中, 每一个通信信道的频带宽度是尽可能的窄, 以保证在可用频段上能让更多的载频来承载用户信息, 从而提高频谱利用率。为了能让信号在这么窄的频道上正常传输, 我们常常需要对信号进行各种预处理, 包括调制、滤波等。

随着移动业务和移动业务用户数目的增加, 为了进一步提高频谱的利用率, 一个很直接的解决办法就是进一步缩小频带宽度。但是研究表明, 如果一个通信系统具有理想的传输特性, 且其频带宽度为B H z, 则该系统无码间串扰时最高的传输速率为2B波特。这个传输速率通常被称为奈奎斯特速率 (Nyquist rate) 。而实际情况下, 无码间串扰传输时的极限速率会小于奈奎斯特速率。所以, 我们不能无限制的缩小频带宽度。

2 宽带通信技术

宽带通信是通过扩频技术实现的, 所以也常称为扩频通信。扩频通信在1980年前后已经广泛地应用于各种军事通信系统中, 成为电子战中通信反对抗中一种必不可少的重要手段, 同时扩频通信也广泛地应用于跟踪、导航、测距、雷达、遥控等各个领域, 近年来扩频通信的应用更是广泛, 已成为现代通信发展的方向, 我们生活中的C D M A等通信系统就是采用这种原理实现的, 而3 G的三个主流技术标准, 也都是基于C D M A技术的。

3 超宽带通信技术

2 0 0 2年2月美国联邦通信委员会 (Federal Communications Commission, FCC对超宽带使用发布无许可证使用后, 超宽带 (UWB, Ultra-Wideband) 技术迅速成为国际无线通信领域研究开发的一个热点并被视为下一代无线通信的关键技术之一。

所谓超宽带, 根据F C C的定义, 是指信号的-1 0 d B相对带宽大于0.2, 或绝对带宽不小于5 0 0 M H z。为了不影响频谱范围内的其它通信系统, 超宽带系统的发射功率受到了严格的限制。

超宽带与普通的数字通信系统具有明显差别, 主要体现在U W B系统没有了射频调制模块, 信道编解码也变得相当简单, 所以整个系统非常简单, 成本也很低。

4 超窄带通信技术

频谱扩展对通信的好处已被充分认识并广为应用, 人们还继续追求占用更宽频谱 (例如超过5 0 0 M H z) 的超宽带通信。U W B的基带实现方式是发射超窄脉冲串, 时域的超窄波形自然对应着频域的超宽带宽, 其极端情况就是白噪声--时域的冲激函数对应频域的无限带宽;另一种极端情况是信号频谱紧缩为一根非零频谱线, 能量高度集中, 理论上带宽为零, 时域波形必然无限延伸为一个纯粹正弦波, 当然也无法传递任何有用信息。

假设该正弦波的频率保持不变, 波形 (幅度、相位、形状或对称性等) 略微抖动, 则其频谱能量仍高度集中在载频上, 但两旁会出现与随机抖动相对应的连续谱, 此外在载频的谐波处也会出现离散的谱线, 这是信号分析的结果。由于波形的抖动很微小, 连续谱和谐波离散谱的能量远低于载频能量 (超窄带时可低几十d B) 。如果载波波形的微小抖动受控于有用信息, 即最大限度压缩用于传输信息的频谱, 就能产生与扩频通信体制形成鲜明对照的缩频通信体制。缩频的目的是实现窄带或超窄带 (UNB, Ultra-Narrowband) 传输。

该技术在9 0年代末刚刚提出的时候, 大部分人持怀疑态度, 最近几年, 随着UNB理论和技术上的进步以及演示系统空中实验的成功, 已有越来越多的人开始相信UNB了。随着UNB技术的突破, 将对解决无线频谱资源紧缺和系统容量需求的矛盾具有重大意义。

5 认知通信技术

认知无线电 (CR, Cognitive Radio) 的概念起源于1999年Joseph Mitolo博士的奠基性工作, 又被称为智能无线电, 它以灵活、智能、可重配置为显著特征, 通过感知外界环境, 并使用人工智能技术从环境中学习, 有目的地实时改变某些操作参数 (比如传输功率、载波频率和调制技术等) , 使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化, 从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知 (S p e c t r u m Sensing) 和系统的智能学习能力, 实现动态频谱分配 (D S A:d y n a m i c s p e c t r u m allocation) 和频谱共享 (Spectrum Sharing) 。

其核心思想是C R具有学习能力, 能与周围环境交互信息, 以感知和利用在该空间的可用频谱, 并限制和降低冲突的发生。

6 结语

在这些频谱应用策略的基础上, 我们可以采用其它各种方法来进一步提高频谱利用率, 如调制技术、编码技术等。通过文中的介绍我们可以看到, 传统的窄带和宽带技术要想继续提高频谱利用率, 就只能从改进其它相关技术上入手;而超宽带、超窄带技术和认知通信技术, 则从根本上就具有更高的频谱利用率, 无疑具有更大的发展前途, 将会是未来研究和应用的方向。

摘要：随着无线业务及无线用户的日益增加, 各种新技术被提出来以解决频谱资源不足的问题。本文总结了目前所采用的几种无线频谱资源的应用策略, 并根据它们的思路提出了今后可能的发展方向。

关键词：无线频谱,应用策略