认知无线电在广电频率中应用的思考和探究

许 伟

十堰市四方山广播电视发射台 湖北省 十堰市 442000

引 言

频谱资源是指能够被人类利用的，用于无线通信的电磁谱频段。随着物联网和5G技术的广泛应用，大量终端用户使用无线频谱资源，而可供现在通信使用的频谱资源正在变得日益匮乏。认知无线电（Cognitive radio，CR）概念在1999年首次被约瑟夫·米托拉博士提出，目的是通过智能接入空余频谱来缓解频谱资源的压力，主要过程包括频谱感知、频谱接入、频谱管理等。目前认知无线电技术在无线电监测中有所应用，监测空间是否有违规的无线信号。广播电视频段在国家静态分配频段的政策下，一直是作为播出广播电视节目使用。随着模拟电视的淘汰，现在的地面数字电视可以实现在原来的一个电视频点上，利用数字技术发射多套节目，客观上释放出了一定的电视频段资源。在中国广播电视网络集团有限公司（以下简称：中国广电）拿到5G牌照后，使用原有的700MHz电视频段，部署5G移动通信。由于传播特性好，在移动通信上可以作为基础性网络覆盖，对增加覆盖、节省投资以及降低5G基站能耗等方面，都能起到巨大的作用。因此考虑能否在一定条件下，利用一定的电视白频段，在小范围地区灵活应用，结合认知无线电技术，既保证广播电视频段不受干扰，又可以有效缓解频谱资源压力，还能产生经济效益。

1 认知无线电

认知无线电是一个智能的系统技术，空白、未使用的频谱称之为“频谱空穴”，把没有固定频谱频段，需要使用其他授权频段的用户称为次用户SU（Secondary User），主 用 户PU（Primary User）为有频谱授权用户。如图1次用户动态频谱路径示意图所示，次用户通过实时的、动态的在一定频段内监听周边环境的无线电频谱使用情况，把空闲的频谱找出来，再基于一定的规则，智能的选用一个符合通信要求的空闲频段进行通信。由于主用户即授权用户拥有最高级别的通信权限，所以次用户在使用频段的同时，还需要对周边电磁环境进行感知，当发现主用户信号时，及时退出当前信道，避免对主用户造成干扰。次用户可以选择等待，或对其他频段进行监听并选用下一个空闲信道继续通信。

图1 次用户动态频谱路径示意图

现在主流研究方向是开放获取式认知无线电网络，利用频谱感知技术感知周边电磁频谱环境，使用自组织动态频谱管理模式，把每次获取的无线环境频谱利用模式的信息，储存在一个权重数组中，权重数组根据现实环境进行更新。

在开放获取式认知无线电网络中，需要多个环节的共同努力。首先依赖频谱感知技术是否能够高效有用，但是在现实环境中，频谱感知技术是要求应用在复杂的无线通信环境中，包括各种电磁噪音和信号衰减，同时要求在一定频谱范围内对空间信号的快速判断，实现的难度较大。

从目前的频谱感知算法来看，传统的频谱感知算法主要是基于主用户发射端的检测，包括能量检测算法、匹配滤波算法、循环平稳特征检测算法。其中能量检测算法简单，所需时间短，但是会受到噪声峰值影响，不适合低信噪比的环境；匹配滤波检测方法原理是根据信号的先验知识生成匹配滤波器脉冲响应来帮助判断；循环特征平稳检测方法原理是利用周期信号和噪声在自相关函数的不同，对应自相关函数的傅里叶变化，得到功率谱函数不同来判断。虽然匹配滤波检测算法和循环特征平稳检测精度更高，支持在低信噪比环境下检测，但是需要授权用户的先验信息，现实中难以实现。而由多个认知用户的协作频谱感知技术能解决对于单用户频谱感知中存在的多径阴影等问题，不过相对来说，成本和系统复杂程度加大。近年，机器学习算法等新技术应用到频谱感知领域，如图2机器学习监督学习模型所示，机器学习利用在频谱感知中获取的大量感知数据，通过分析这些数据，从中找到数据间的特征规律，生成合理的参数，抽象出事物变化的模型，可以对数据进行分析与预测。不过可惜的是，机器学习算法的仿真也是针对特定的应用场景，在面向更复杂的电磁环境时，准确度仍然有待验证。

图2 机器学习监督学习模型

有了高效准确的频谱感知后，开放式获取模式一般使用自组织动态频谱管理来解决频谱接入的问题。自组织动态频谱管理SO-DSM（Self-Organized Dynamic Spectrum Management）根据环境约束为相互竞争的次用户分配可用的频谱资源任务。它是去中心化的，是次用户通过与其通信范围内的其他用户通信，交换信息以实现协调，形成一个全局性的网络组织。具体的说，在具有多个次用户时，每个用户基于近期对环境的观察，构建其周围环境的映射，并记住主用户和相邻次用户的频谱利用模式，将提取出来的信息存储在一个权重数组中。当次用户需要接入时，结合频谱感知存储的频谱利用信息选择最好的信道。次用户选择的链路是根据感知存储的权重值决定的，可以减少冲突，但并不一定是次用户本身业务需求的最优链路。当有多个次用户时，每个次用户都追求利益最大化，是相互竞争关系，即尽可能的使自己获得足够的优质频谱资源。在自组织动态频谱管理时，每个次用户的感知权重设置是不同的，为了获得自身的最大效益就可能造成网络的冲突。在自组织动态频谱管理中，次用户持续检测周围环境，把最新测得的子频段的质量用权重值表示，时时更新。

在市场驱动机制的认知无线电网络模式中，它引进了频谱经纪人。频谱经纪人从频谱资源所有者中取得空闲频谱资源信息，负责为认知无线电用户分配信道，推进认知无线电的商业化。频谱经纪人代替了开放获取模式中的频谱感知和动态频谱管理，但是由于主用户和次用户是存在变化的，所以频谱经纪人需要及时做出相应的变化。

2 广播电视频段

广播电视频段的频谱资源中，中波广播频段（525～1605kHz）和调频广播频段（88～108MHz）现在还在大量使用模拟技术，频点相邻带宽较小。中波频段频率相对较低，发射天线尺寸较大，认知无线电的次级用户在这个频段上难以解决发射天线尺寸过大带来的场地问题。而调频广播频段和航空通信频段（118～136.975MHz）接近，次用户的发射设备如果质量性能不佳，可能产生的带外杂散会对航空频段造成干扰，造成重大的安全隐患。CDR（Convergent Digital Radio）广播技术虽然可以实现一个频点多套节目的播出，但是目前在接收端并没有普及。综上所述，在中波和调频频段内不建议开放频谱参与认知无线电的应用。电视频段，频点间隔为8MHz，频谱资源相对较大。地面数字电视技术使用DTMB（Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcast）技术，市场上的家庭电视机都可以解调出电视节目，且市面上有大量的可以移动接受信号的手持电视解调设备。地面数字电视技术按照GB 20600-2006规定，可以根据应用场合的需求，设置调制方式、保护间隔和内码码率等，传输速率范围在5.414～32.486MHz。通过信道编码和数字调制，实现了在原先的一个电视频点内发射多套电视节目的功能。DTMB是我国数字电视地面多媒体广播的信道编码与调制的标准，系统流程如图3 DTMB信道编码与调制所示。信源以TS码流输入后，与伪随机二进制序列进行加扰处理。前向纠错码（Forward Error Correction简称FEC）由外码（BCH码）和内码（LDPC码）联级实现，当传输中出现错误，在接收端根据算法进行纠错，增加数据通讯可信度。星座映射是数字调制的过程，把传输的数据映射为改变载波波形某种属性的信息，产生符号流，不同的调制方式使每个符号携带的信息量不同。交织技术的作用是使信道错误的相关度减小。系统信息符号与信道编码后的数据符复用处理后，与帧头组成信号帧。采用平方根升余弦滤波器进行基带后处理，再进行上变频以及频谱搬移，使其适合无线传输。考虑到实际覆盖效果，目前主流的是原来一个电视频点的带宽上实现4套或8套电视节目的无线传输。这在客观上释放出了一定的电视频道频谱资源。700MHz频段作为5G的移动通信频段使用后，由国家广电总局统筹规划部署，在全国范围内，把工作在700MHz频段上的地面数字电视进行频点迁移，迁移到其他电视频段上。在频点迁移过程中，可以利用单频网适配器和相关技术，在全国或者一定区域内组建地面数字电视单频网，这样各地区的电视频点就相对固定，电视频谱资源可以得到进一步释放，为认知无线电的应用提供了有利条件。ISM（Industrial Scientific Medical Band）频段属于无许可的开放频段，ISM频段允许任何人使用传输数据，但是对功率进行了限制，使得发射和接受之间只能在很短的距离进行，避免不同使用者之间的干扰。在ISM频段中，应用较广的工作频段是2.4GHz（2.4000～2.4835MHz），蓝牙和WiFi在这个频段中通信。电视频段包含5个波段，最小从48.5MHz开始，最高为958MHz，该频段相比2.4GHz频段，传播损耗低，绕射能力和室内覆盖力强，可实现普通楼宇的深度覆盖，在特定的行业应用中有较强的优势。

图3 DTMB信道编码与调制

关于利用认知无线电网络技术解决频谱资源紧张的方案的研究主要集中在开放式获取机制上，在开放式获取机制上研究最多的是频谱感知技术。单从技术上来说，各地区广播电视节目的播出是有一定规律性的，电视白频谱资源相对较多，只要不对播出的电视频点造成邻频干扰，在频谱感知上是比较容易实现的。但是，在现阶段频谱资源管理政策下，电视频段是授权频段，不是开放的频段，是不允许次级用户通过认知无线电技术接入使用的。无线电管理委员会和相关部门，对非法使用授权频段是严厉打击的。从政策上拿出一定的广播电视频段作为开放频段在现阶段基本上是不能实现的。笔者认为具备可行性的方案是使用市场驱动，采用次级频谱管理商的模式，用利益分配的方式刺激方案的落地实施。频谱资源归国家所有，广播电视频段是国家授权给中国广电使用的，在国家政策的允许下，中国广电在全国或者部分地区，拿出一定的电视频谱资源，交给次级频谱管理商，由次级频谱管理商的频谱经纪人开展认知无线电的应用管理。频谱经纪人将申请到的频谱资源向有需求的次用户开放，次用户使用该频谱资源需要在市场机制下进行一定的付费。该方案与直接将频谱资源分配给次用户是有区别的。首先次用户不是一成不变的，次用户有加入也有退出，其次次级用户传输信息的带宽不是一成不变的，次用户根据业务量会改变其需要带宽的大小。当有多个次用户时，需要协调各方的行为，尽可能产生最大化的效益。在开放获取机制中，认知无线的核心是频谱感知和动态频谱管理，在市场驱动机制中，可以使用无线电环境地图 REM （Radio Environment Map），把频谱接入方案录入到数据库中。在这个频谱接入方案中，通过合理的算法，全面协调各个次用户的利益。次级用户通过查询数据库，获得基于地理信息等可用子频段信息，但是这些数据库需要次级频谱管理商及时更新。市场驱动方案中，次用户没有直接应用到认知无线电技术，但是通过REM的接入，实现了认知无线电的功能应用。

具体的设想如图4电视频道次级频谱管理商方案所示，先在部分地区采用试点的模式，在国家政策允许的情况下，由当地政府主管部门和广电部门协商，拿出不影响电视节目播出的本地电视白频谱，交给频谱经纪人。频谱经纪人将主用户和次用户的地理位置和活动模式存储在数据库中，通过一定的策略，得出最佳的频谱分配方案。次用户不需要先进的感知和处理能力，采用数据库接入方案，次用户根据使用的频谱带宽大小和时间长短付费。这里次用户节省了感知和处理所需的硬件和软件费用，并将误接入的风险转交给频谱经纪人。市场驱动需要平衡各方的利益，合理的收费模式至关重要，需要在实践中具体探索。

图4 电视频道次级频谱管理商方案

频谱经纪人将次用户的活动模式告知无线电管理委员会并接受其监督，次用户的数据传输模式要区别于DTMB，不能造成在电视上解调出次用户的信号。次用户需要控制发射功率，满足自身通信即可，不能过多的扩大信号覆盖范围，相邻地区的频谱经纪人需要协调电视白频谱资源的使用。

结束语

自提出认知无线电技术开始，学者开展了多项研究，表明静态分配下的频谱利用率低，希望用开放式的获取机制来缓解频谱紧张压力，其中电视白频谱更是研究者希望放开的频段。但是当时电视还在模拟电视时代，多套电视占用多个电视频点，可利用的电视频段相对较小，且在开放模式下无法避免次用户感知和使用电视频段的相邻频段，其邻频干扰也无法解决。同时在实际应用中，次用户难以达到认知无线电所需要的频谱感知和频谱管理的能力。所以，在全国或地区范围内组建数字电视单频网的条件下，利用频谱经纪人使用市场机制驱动的认知无线电网络，是可以尝试的一种共赢方案。