索 引 号 123456/20170315/4019 发布机构 华阴市人民政府 发布时间 2016-10-20
信息标题 自适应无线电提高无线连接的频谱利用效率
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自适应无线电提高无线连接的频谱利用效率

  现在的无线通信依赖大量的独立设备,每种设备都有自己的协议并在一个固定的频段上工作。因为这些设备彼此不能通信,所以它们一起创造的无线环境工作效率非常低。此外,每种设备的发射和接收都有可能对其它设备产生干扰,尤其是当高功率发射器与高灵敏度接收器同时工作的时候。

  如今,人们可能随身带着一个以上的手机、Wi-Fi卡、装有网络适配器(NIC)的笔记本电脑、支持蓝牙的PDA,并且在汽车上安装GPS设备。但最终人们将希望把所有通信装置集成到一个智能设备中。

  自适应无线电利用一个设备,以适当的协议与工作在这些频带范围内的所有设备进行通信。当设备开始通信时,自适应无线电感测其环境,并选择最好的可用频带。在发射和接收期间,它也许会几次改变协议和频带以确保可靠的高速连接。在充分实现这个设想的系统中,支付这些业务的费用可以集中到每个月的帐单中,并且客户不再需要关心哪个协议或技术在处理他们的无线通信。

  英特尔公司一直致力于开发为实现自适应通信所必需的硬件和软件构建模块,目标是能用来构建自适应智能设备的廉价的硅元件和软件模块。如今已经开发出许多创新技术,但实现这个设想仍存在一些障碍。

  频谱分配方式

  自适应无线电面临的最大障碍是政策问题,而不是技术挑战。对实现交叉技术来说,分配给大规模高速无线通信使用的频谱资源远远不够,这个问题很大程度上归因于一个为时甚久的政策,即把固定的频带分配给专用通信。

  例如,分配给电视频道的固定频带只能让受让者使用。当受让者不使用时,该频道带宽就处于空闲状态,而不允许其它设备使用。同样,在特定区域内没有被分配的电视频道频带也不能被其它设备使用,甚至不能被同一区域的其它电视广播设备使用,因此这些频道总处于未使用状态。此外,在频道之间还存在未用的频谱。存在大量的未用带宽区的原因是各个电视广播设备的发射功率很高,并且可能相互干扰。在某些环境下,除非在各个发射频道之间有一个很宽的频谱间隔,电视调谐器才可能清晰地接收广播信号。在UHF频带上,这个频谱间隔包括许多电视频道,被称为“禁用频道”。

  频谱分配方式可能从现有的固定带宽分配发展为基于某种规则的分配方式。多个用户可以访问未被占用的带宽,而不会干扰主用户(从原理上讲)。这种被称为“覆盖(overlay)方法”的解决方案,在现有已分配的主用户带宽上叠加一个共享的次级通信频道。这种共享是在自愿基础上通过协商而获得的,可以在使用前协商,或使用过程中协商。其中一个例子就是公共安全机构使用的频带和电视频带之间发生的共享。此外,低功率设备可以在与电视广播站附近工作而不会产生有害干扰。

  第二个解决方法是让目前正在使用的已分配带宽起到双重作用。在这种方法中,低功率的发射信号存在其它设备所用的同一频谱上,比如Wi-Fi和无绳电话。这些发射信号只用于家庭或小办公室内的短距离通信。它们的带宽很高(高达几千兆赫),因此在给定的频带内的功率密度很低。当这些发射信号与相同频谱上的其它信号重叠时,它们对于其它设备来说是噪音。利用滤波技术,设备可以过滤掉这些不想要的发射信号,以免发生冲突。

  需要更多带宽的直接原因是自适应通信的特性。考虑到当蜂窝系统接收到的呼叫远多于它能处理的呼叫时,新的呼叫将被拒绝,因此拒绝访问可节省带宽。在自适应无线电有可能切换到其它频道的地方,这些带宽将被使用,使通信得以进行。

  需要额外带宽的另一个原因是需要随时可用的、可靠的高速通信。当然,也会出现新的应用需要使用这个带宽。例如,人们很快将需要把视频流和音频流无线地传送到遍布各房间的娱乐中心和电视机中。立体声音响和话筒之间的有线连接将成为历史,计算机和外设之间的连线以及计算设备之间的连线也将被淘汰。每个取而代之的无线连接都将消耗频谱带宽。


  对自适应无线电的要求

  自适应无线电需要识别它们所处的环境,它们必须能够探测和识别可用的频带范围。随后,它们必须检测这些频道,判断干扰、噪音和其它因素是否会影响信号质量。它们还必须识别已获得授权的现有网络,并迅速与之连接,进而通过协商获取所需的数据吞吐量。

  在探测到这些信息之后,自适应无线电必须能够分析这些频道,智能地选择最佳频道,并确定将使用的协议和调制机制。最后,设备应自行进行重新配置,以便在适当的频带上使用所选的协议和调制技术。

  一旦通信建立起来,自适应无线电必须连续地监测该频道以探测信号质量是否明显下降,或者发现更好的可用频道。如果探测到这两种情况中的任何一种,该自适应无线电必须无缝地切换到新的频带和协议。其结果是,自适应无线电必须在搜索中把握机会,并迅速地重新配置以便充分利用更好频道的优势。

  在各个频带和各个协议之间无缝切换的能力,还意味着自适应无线电必须能够同步配置和连接到多个无线电上。因此,自适应无线电有时被称为认知、可重新配置无线电。

  大部分联网器件(如NIC和Wi-Fi器件)被构建用来满足一个明确的、定义范围很窄的需求,即以尽可能低的成本利用一种协议在一个频道上实现通信。部分自适应技术已被用于无线连接,例如为通信确定最佳数据率,尽管不存在协议/网络之间的切换。这些灵活性较差的器件一般采用专用硬件。

  但通过使用DSP和ASIC,可以获得一些灵活性。DSP处理信号并把一些协议处理算法卸载到ASIC中,其它一些设计则采用与加速器紧密结合的DSP。然而,DSP需要大量的功率,而且这种类型的无线电或许还需要多个DSP。前面提到的所有器件均偏爱一种简单的天线-PHY-MAC硬件架构,该架构也已成熟且能很好地被理解。

  用一个可重新配置的处理器来处理必要协议的软件解决方案,尚未被看成是一个可行的替代方案。这种处理器不具备基本的处理能力,或者说它在处理一个正在工作的通信协议时无法迅速对自身进行重新配置。但随着IC依据摩尔定律不断发展,可重新配置处理器实时执行复杂算法的能力已经大大提升。这些自适应无线电将提高频谱的利用效率,因为它们能更好地利用未被占用的频谱,并可以随时间、空间和频带的变化确定最佳频谱。这将给用户带来更好的通信质量。


  可重新配置的通信内核

  自适应无线电的硅构建模块的研究包括原型无线电,它由一组不同种类的处理单元(PE)组成,在这些单元之间有多条可路由的通路。许多研究人员选择具有很大灵活性的同类阵列,在每个节点处都采用算术逻辑单元(ALU)和处理器。

  这些阵列通常要忍受ALU和处理器每个时钟周期的都要处理解码和中继指令要求。由于其通用性和灵活性,它们需要相当数量的存储器和时钟周期来正确计算一个特定功能。它们在尺寸和功率方面的成本比专用逻辑高几个数量级(见图1)。专用逻辑只处理一个协议,但粗粒(coarse-grain)可重新配置逻辑和DSP/FPGA逻辑可以支持多个协议。当然,两者差别在于DSP/FPGA逻辑可以处理任何事务,但这种极大的灵活性也带来巨大的功率消耗。

  可重新配置通信内核(RCC)是经过广泛考察多种无线协议,并从中识别类似的、计算负担繁重的处理芯核后而开发出来的。随后,具有比FPGA结构粗得多的专用可重新配置加速器被设计出来以执行这些功能。从最优角度看,这些功能只被重新配置一次,目的是避免对将要执行的每个功能进行一个时钟周期接一个时钟周期的重新配置,而且数据是从这些PE“流”进和“流”出的。处理在空间和时间两维上进行,而且有相当一部分处理在空间上是并行执行的。

  专用硬件处理(空间上完全并行)之间尽可能多的处理相似性被利用起来,而时分多址技术在频带达到半导体工艺允许的程度时才被采用。因此,处理频带并没有与多个A/D转换器速率绑定在一起,正如专用硬件那样。这样做的一个优点是可节省面积,从而减轻可重新配置性带来的面积增加。诸如RCC这样的架构具有接近专用硬件的功耗/尺寸的特性,同时又能保持足够的可重新配置性,以支持大部分无线协议。

  例如,这些PE是类似于基于滤波器微码的加速器(filter-microcoded accelerator)、外加接口元件的前向误差校正(FEC)加速器,以及控制处理元件的元件。通过简单地控制数据包在不同PE之间的路由,并对PE进行重新配置,该无线电可以针对多种协议自身进行重新配置。

  与多个专用内核的替代方案和其它软件定义无线电方法相比,这种可重新配置的方法可节省功率和尺寸。此外,可重新配置法具有更易于编程的决定性优势,以及更好的可移植性和元件可扩展性,以便于其它平台和未来的协议使用现有的工具。可扩展性是通过“构建模块”的网格连接来实现的。这使得在“新元件”和与其相关的通信基础设施(比如路由节点等)之间建立连接成为可能,类似于在一个小区内修建更多的房子时加修的新道路(见图2)。这些新“道路”或互连基础设施不会影响现有的基础设施。这种架构建立在这个事实上:对于通信物理层(PHY)应用,操作是高度管线化的,而且在大部分时候,它们需要的只是同最近的相邻处理单元进行通信。如果在非常大的处理单元网络上发生互连阻塞,也很容易增加一个选择便对该互连架构增加一个简单的层次。

  继续进行的研究正推动自适应无线电单元进一步元件化,目标就是让它们足够有效、足够便宜,以成为家庭、工作场所以及路途中持续、高质量无线通信的标准解决方案。然而,为让这个设想成为现实,还将需要修改频谱分配政策,让所有可能的带宽均可用于持续通信。表中列出了自适应无线电设计指南。

  技术的进步使更高效的频谱使用率成为可能,并影响着频谱分配政策的改革。对认知、可重新配置无线电研究的现有成果将允许无处不在的无线通信跨越多个协议、网络和频谱。