1无线电技术对宽带网络的影响
1.1宽带无线接入技术的兴起宽带无线接入技术是指以无线传输方式向用户提供连接到宽带固定网络的接入技术。宽带无线接入系统一般由中心基站、远端站和网管系统组成，其中，中心基站包括与有线网络相连接的接口模块、调制解调模块以及通常置于楼顶或塔顶的射频收发模块，大多采用多扇区天线来覆盖远端站；远端站由室外单元和室内单元组成，通常采用口径很小的室外定向天线，室内单元可提供多种类型的用户接口；网管系统主要与中心基站相连，有带内网管、带外网管和本地网管三种方式，实现对系统的操作维护、性能检测、软件下载等功能。1.2宽带无线接入主流技术1）Wi-FiWi-Fi是一种基于IEEE802.11系列协议标准的短距离无线接入技术，使用2.4GHz和5.8GHz公有频段。室内可实现100-200米区域内的全向覆盖，室外添加客户端接受设备可实现2公里范围的全向覆盖或5公里范围内的定向覆盖，添加外接天线后可作为10公里范围内的点对点数据微波传输。根据不同协议标准，Wi-Fi的数据速率介于2Mbps-54Mbps之间。2）WiMAXWiMAX是基于IEEE802.16技术规范的宽带无线接入技术，2007年被批准为3G全球标准，共享3G的TDD频率资源。WiMAX信号覆盖半径为3-10公里，单扇区数据速率可达70Mbps；添加外接天线后可提供50公里以上的点对点高速数据连接，数据速率不低于30Mbps。3）Mesh无线Mesh网络也称多跳网络，是一种基于Wi-Fi技术的新型无线网络技术。与传统无线网络客户通信必须先访问某一固定接入点不同，无线Mesh网络中的任一无线设备节点都可以同时作为接入点和路由器，使得数据可以自动规避流动拥堵的接入点而连接通信流量较小的邻近节点。1.3无线宽带网络类型划分1）无线个域网无线个域网是一种采用无线连接的个人局域网，是在小范围内相互连接数个装置所形成的无线网络。无线个域网在网络构成上位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接，即点到点的短距离连接。支持无线个人局域网的技术包括蓝牙、ZigBee、超频波段、IrDA、HomeRF等，广泛用在电话、计算机、附属设备以及小范围内的数字助理设备之间的通讯。2）无线局域网无线局域网是一种利用无线方式提供无线对等和点到点连接性的数据通信系统，是目前全球重点应用的宽带无线接入技术之一，用于点对多点的无线连接，解决用户群内部的信息交流和网际接入，大多使用2.4GHz频段。3）无线城域网无线城域网主要用于解决城域网的接入问题，主要有3.5GHz/5.8GHz频段的多点多信道分配系统和26GHz/38GHz频段的本地多点分配业务技术。4）无线广域网无线广域网满足超出一个城市范围的信息交流和网际接入需求，IEEE802.20标准和2G、3G蜂窝移动通信系统共同构成无线广域网（WWAN）的无线接入，其中，2G、3G蜂窝移动通信系统在目前使用最多。IEEE802.20标准拥有更高的数据传输速率，达到16Mbit/S，传输距离约为31公里。IEEE802.20移动宽带无线接入标准也被称为Mobile-Fi。1.4无线宽带系统组网方式1）点对点传输方式该方式的工作频率范围为2.4GHz-5.8GHz，传输距离可达50公里，传送速率介于10Mbps-75Mbps之间，数据传输的稳定性较好，对地形环境要求较小，但一套设备只能对应一个接收端，设备利用率低，主要应用于大流量数据的远距离传输。2）点对多点传输方式该方式的工作频率范围为3.5GHz~5.8GHz，传输距离可达15㎞，传送速率介于10Mbps~20Mbps之间，一套设备可以对应8~10个终端，设备利用率较高，但传送距离较短，对地形要求较高，且传输稳定性和速率随着距离的增加而逐渐降低。3）短距离全向覆盖该方式的工作频率范围为2.4GHz-5.8GHz，主要采用IEEE802.11a/b/g和IEEE802.16d技术，对热点地区进行覆盖。通过采用全向天线，终端数量最多可达255个，但覆盖范围小，最大距离为1km~5km，且传输稳定性和速率随着距离的增加而逐渐降低。4）WiMAX和Wi-Fi综合应用该方式借助WiMAX无线接入网络把远端Mesh和核心网连接起来，将远端Wi-Fi的无线接入设备作为用户站，提供标准接口和Wi-Fi无线设备相连；作为WLAN接入点的Wi-Fi无线设备，通过Mesh无线链路与无线终端连接。这一技术在组网方式、传输距离、移动性等方面具有较大提升，能够在城市地区范围内实现Wi-Fi的扩展与延伸，将多个接入点通过无线方式连接成为无线网络或Wi-Fi热区，全面覆盖室外和室内空间。
2无线宽带网络的优势和不足
2.1无线宽带网络的优势1）建设成本低在实际生活中，成本是影响经营商以及用户的重要因素。与传统有线网络的实体通信线路相比，无线网络以无线电波作为媒介，布线工程量大大减少。同时，无线网络节点可以根据网络调整需要随时调整，省去了有线网络的工作量与费用。2）覆盖范围广无线网络与接收终端通过无线电波进行连接，一个节点可以对应多个终端，在空间上实现全覆盖。有线网络通过通信线路与接收终端进行连接，一个节点只能对应一个或几个终端，传播范围受限。3）移动性强随着移动终端的日益普及，移动性成为人们追求的热点。与有线网络相比，无线网络具有极高的移动性与灵活性，有效满足了人们的移动网络信息需求。2.2无线宽带网络的不足1）条件要求较高无线网络依靠无线电技术进行连接，而无线电作为一种电磁波，在空间传输过程中容易受到地形、气象等因素的影响，制约了无线网络的稳定应用。2）传输速率不稳定与传统通信线路传输不同，无线网络在传输过程中，传输稳定性和速率会随着距离的增加而逐渐降低，且现有传输频率相互之间也存在矛盾。
3无线宽带网络发展对策
3.1协调频率分配作为影响无线宽带网络发展的重要因素，无线电传输能力取决于其所分配的频率。因此，政府主管部门要做好频率规划工作，使有限频率资源得到有效利用。近年来，政府管理部门大力推动2.4GHz，3.5GHz，5.8GHz，26GHz等频段的规划和分配，取得了良好成绩，未来仍有必要继续做好政策引导和扶持。3.2融合有线网络无线宽带网络主要以宽带接入网为主，在整个宽带网络体系中，要充分结合宽带骨干网的建设，融合有线网络的稳定性和无线网络的灵活性，满足用户多元化的需求，细化消费市场，使无线宽带网络得到更好更快地发展。3.3强化网络安全作为无线传输技术的弱点，安全性始终是无线网络发展面临的重要命题。对此，无线宽带网络在规划初期就要注重安全通信设计，结合网络类型需要，合理布局无线访问点，升级加密协议，过滤MAC地址，有效增强网络安全。
作者：张学成 单位：丽江市无线电监测站
1煤矿通信现状
1.1矿用泄露通信系统
该系统的工作原理为：对泄露电缆的泄露原理进行使用，从而对煤矿的无线通信进行实现，它是当前矿井主要采用的无线通信系统。该系统借助于超高频实现无线通信，并且能够有效确保信道的稳定性，减少其所受到的电磁干扰。但是其应用限制条件诸多，因而灵活性差，成本投入也高。
1.2矿用超低频透地通信系统
这一系统是把大地作为电磁波传输媒介，利用无线电波从大地穿过的一种无线电通信方法。其需要在地面上将通信发射设备和接收设备进行安装，采用大功率发射机进行放大的系统信号，可以借助于几十千米环形天线的传输作用，将其利用超低频穿过地面实施通信的信号接受机。该设备系统的缺点是功能简单、信道容量小、电磁干扰严重、工作频率低。
2认知无线电关键技术
认知无线电关键技术的首次提出是瑞典皇家技术学院的Mitola博士。其将认知无线电明确指出属于是一种智能化无线通信系统，其可以自动对周围的频谱、环境状态等基本信息生成；同时还能够依照其自动获取的环境基本信息，对其信道状态和容量实施估算，以周围环境的适应程度为传输参数调整的依据，实现通信系统性能的最优化。认知无线电关键技术较之于传统的无线传输技术具有更高的灵活性，它是将人工智能与无线通信相结合的结果，实现了由固定模式逐渐向认知模式模式进行转化，从一开始的环境适应通信系统，逐渐发展成为现今的通信系统适应环境，其中认知无线电通信技术，也就是能够对环境适应的一种新的通信技术，是煤矿通信所需的。目前关于认知无线电通信系统的概念模型和定义比较多，并且各不相同，其中认知无线电通信技术的网络层次结构，对其结构下2层和其他普通开放系统互联模型的差异性进行了主要考虑，但是这一系统的一大弊端是只考虑到了频谱的感知、波性的感知、状态的感知、网络的感知，而没有兼顾到对用户需求的感知、地理位置的感知、本地应用业务的感知和语言的感知。其中认知无线电的重点技术就是认知引擎，其可以从无线电系统自身、RF信道、外部环境以及用户域等将信息成功获取，能够对其最优化的学习进行实现。认知引擎的主要作用是对通信系统的协议行为实施观测，依照用户域传输以及用户的实际需求，对其认知引擎的优化目的进行实现。政策引擎则对依照政策域所传递过来的信息，对配件设备、网络控制状况好监管机构是否达到最优状态实施监测，确定出认知无线电最佳实施方案。
3煤矿通信中认知无线电关键技术的应用
3.1能够提高系统的抗干扰能力
衡量通信系统稳定性的指标之一就是系统的抗干扰能力，在煤矿通信中尤其如此。煤矿环境复杂，巷道的长度、形状均不相同，因而并不能够以地面的电磁干扰传播、耦合为井下的衡量依据，如果采用的是一个单一的固定通信方式，那么在周围环境以及地形条件等不同影响之下，其通信质量必会受到影响，更有甚者会将通信阻断。然而认知无线电通信技术则首先会对周围环境的电磁信息进行感知，并对其获取数据进行相应的分析，其后才会确定最终采用哪一种传输编码，自动调整工作频率参数、发射功率，减少通信系统受到电磁波的干扰。
3.2提升煤矿通信系统容量，发挥全面性功能
传统的煤矿通信系统一旦安装使用，其工作方式、工作频率就会确定下来，而认知无线电通信技术则会根据矿井下的实际情况，对频谱进行动态分配；依照矿井中实际条件的不同，对其相适合的无线电传输参数进行确定，认知无线电通信技术能够在理论层面上将频谱利用率提高十倍，达到远程传输井下实时图像信息、语音通信信息，更好地完成井下作业的监控。
作者：马龙 单位：开滦（集团）有限责任公司信息与控制中心
1认知无线电
认知无线电的主要工作包括无线频谱分析、信道识别、发射功率控制和动态频谱资源管理。通常前两项任务由接收机完成，最后的任务由发射机完成，这三个任务就形成了一个认知过程。图1是认知无线电的基本构成形式和组成部分。这几个部分有机结合，形成一个完整的认知周期，即根据RF探测、分析，快速信道估计，动态分配空闲信道，以及信道状态选择合适的调制方式、传输速率、发射频率等。认知无线电技术的概念最初由JosephMitola博士于1999年在软件无线电技术基础上提出，主要强调通信系统的认知能力。2003年，FCC在此基础上完善了认知无线电技术的定义[5]，指出“认知无线电设备是指能够通过与工作环境交互改变发射机参数的无线电设备”，强调认知无线电的认知能力与重配置能力。其中，认知能力是指认知无线电设备具备从无线环境中捕捉和感知信息的能力，并选择最好的频谱资源及合适的操作参数。重新配置能力是指传输过程中在不改变硬件组件的情况下调整工作参数的能力。2005年，SimonHaykin指出“认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并利用人工智能技术从环境中学习，实时改变某些操作参数，实现可靠的通信及对频谱资源的有效利用[6]。”综合以上关于认知无线电技术的定义，图1给出了认知无线电系统的功能框架图。作为自适应的系统，至少需要包含一个可重新配置的无线电部分，其可配置的参数可以是工作频段或者带宽等。这一模块可以通过软件无线电实现。感知模块用于获得多种外部激励（无线频谱，地理信息等），特别是针对无线频谱环境进行检测。系统还包含一个策略数据库模块，用来决定频谱的基本利用策略，定义在某个环境下认知无线电系统的何种行为是可以接受的。这一策略数据库模块可以被重新配置以适应新的政策的变化。结合感知模块和策略数据模块的信息，系统对频谱的可用性进行学习和推理，这种学习和推理的过程可以利用模糊逻辑或者神经网络等方法实现。最终的决策则依据上述三个模块的输出信息最终确定，并根据结果对无线电通信协议栈的不同层面进行配置。
2认知无线电关键技术
2.1频谱侦听认知无线电技术能实现实时侦听频谱，以便发现“频谱空穴”。同时为了不对主用户造成干扰，需快速检测到主用户的再次出现，以便为主用户腾出频率带宽。这就需要认知无线电具有频谱侦听功能，一般频谱检测可靠率要达到99.9%[7]。由于认知无线电技术的检测能力本身具有一定限制，加之多径衰落和阴影衰落的影响，弱信号较难检测。为了能够检测出不同类型的主用户信号和不同等级的接收功率，相比传统的无线电技术，认知无线电射频前端的灵敏度、带宽频率捷变性能要求较高。目前公认的一种理想方案是同时考虑增强射频前端灵敏度、利用数字信号处理增益和用户间的合作来提高检测能力。2.2动态频谱分配截至目前，学术界已对动态频谱分配技术进行了大量研究工作，提出了多种动态频谱分配算法。由于认知无线电系统中用户对带宽的需求、可用信道数量及用户位置是时变的，已有的算法较难满足要求。考虑到完全动态频谱分配受到诸多政策、标准及接入协议的限制，目前采用认知无线电的频谱共享技术，主要是基于频谱统筹策略。频谱统筹的基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并为一个公共的频谱池，将频谱池划分为若干子信道。未授权用户可以临时占用空闲信道。动态频谱分配可以协调和管理主用户与认知用户间的信道接入。文献[8]提出了两种接入方案：具有控制信道的分配和无控制信道的分配，前者是只要有空闲的子信道，主用户就选择空闲信道而不中断认证用户的通信；后者是主用户只要有需要就占用原信道，而不考虑认知用户是否占用信道。这两种方案在带宽利用率和阻塞率方面差别不大，但无控制信道的分配方案的强制中断率较高，这一问题可通过采用智能调度算法得以解决。动态频谱分配也可用于协调多个认知用户间的频谱选择，以最大化频谱利用率。动态频谱分配可以有效地分析动态分布式资源分配问题，通常将反映实时认知用户交互过程的认知周期映射为一个对策模型，针对经典对策模型不包含学习过程的缺点，采用一些嵌入学习功能的改进模型对分布式动态频谱分配算法进行分析[9]。2.3功率控制在认知无线电系统中采用分布式功率控制以扩大系统的工作范围，每个用户的发射功率是对其他用户造成干扰的主要原因，因此功率控制是认知无线电系统的关键技术之一。博弈论和信息论是解决这一难题的主要技术。认知无线电系统的功率控制可以看成一个博弈论问题，在博弈论中，分为合作对策和非合作对策。如果不考虑非合作对策，功率控制问题可以简化为一个最优控制问题[8]。但完全的合作在多用户系统中是不可能出现的，因为每个用户都试图将自己的功率最大化，所以功率控制应为一个非合作对策。目前主流技术是用Markov对策进行分析，Markov对策是将多步对策看作一个随机过程，而认知无线电系统的功率控制问题，则可以看作是用Markov对策进行分析解决。
3认知无线电的应用
3.1在WRAN中的应用IEEE已于2004年10月正式成立IEEE802.22工作组，2007年下半年完成了标准化工作。IEEE802.22的核心技术就是CR技术。依据IEEE802.22功能需求标准，WRAN空中接口面临的主要挑战是灵活性和自适应性。此外，相比别的IEEE标准，IEEE802.22空中接口的共存问题也很关键，如侦听门限、响应时间等多种机制，还需要进行大量的研究[10]。3.2在UWB中的应用最初将CR技术应用于超宽带（UWB）系统中，即认知UWB无线电技术的提出是为了实现直接序列超宽带（DirectSequenceUWB，DS-UWB）和多频带正交频分复用（MultibandOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，MB-OFDM）两种UWB标准的互通，以及解决IEEE802.15.3a物理层DS-UWB和MB-OFDM两种可选技术标准竞争陷入僵局的问题。由于UWB系统与传统窄带系统之间存在着不可避免的干扰，将CR技术与UWB技术相结合以解决干扰问题，已成为近几年研究的热点，尤其是对UWB系统中基于CR的合作共存算法的研究较多。一个有效的方法是将CR机制嵌入到UWB系统中，如以跳时-脉冲位置调制为例，通过预先检测到的干扰频率，并相应选择合适的跳时序列，可将UWB系统与传统窄带系统间的干扰减至最小[10]。3.3在WLAN中的应用具有认知功能的无线局域网（WLAN）可通过接入点对频谱的不间断扫描，从而识别出可能的干扰信号，并结合对其他信道通信环境和质量的认知，自适应地选择最佳的通信信道。另外，具有认知功能的接入点在不间断进行正常通信业务的同时，通过认知模块对其工作的频段以及更宽的频段进行扫描分析，从而可尽快地发现非法恶意攻击终端。这种技术应用在其他类型的宽带无线通信网络中，也会进一步提高系统的性能和安全性[11]。3.4在网状（Mesh）网中的应用认知Mesh网络是近几年出现的全新的网络结构，它具有无线多跳的网络拓扑结构，通过中继的方式有效地扩展网络覆盖范围。由于微波频段受限于视距传输，基于认知无线电技术的Mesh网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入[11]。3.5在多入多出（MIMO）系统中的应用在无线通信许多新的研究热点中，都有可应用认知无线电的场合。认知MIMO技术可显著提高无线通信系统的频谱效率，这是认知无线电技术的主要目标，故将认知无线电系统与MIMO技术结合，将能提供载波频率和复用增益的双重灵活性[11]。值得关注的是，认知无线电技术不但引起了学术界的相当关注，工业界对如何将其应用于实际通信系统也产生了浓厚的兴趣。关于认知无线电在未来多媒体移动通信中的应用，在此不再赘述。
4认知无线电下的频谱管理
具有认知无线电功能的无线用户在非授权状况下使用频率，必将引起无线电管理部门的注意，并且必定会力求将这种对频率的使用纳入其管理之下。从提高频谱利用效率的角度出发，不应该压制基于认知功能的非授权频谱使用。好的解决方法是改变频谱管理思想和频谱管理规则，使其适应用户的需求和技术的发展。有研究者提出对频谱划分的新设想：依照频谱应用状况以及干扰的影响，对频谱划分三个等级：严格分配管理（不可干扰）、在一定程度上可供非授权使用（可有一定干扰）、无限制的非授权使用。在现阶段，绝大多数频谱为第一等级，即按照严格分配来进行管理，因而频谱利用率较低。新的频谱管理思想和规则应该使第一等级频谱所占的范围缩小，第二和第三等级频谱所占的范围扩大，以此来提高频谱利用率。这样将频谱分为三部分，第一部分非授权用户不可占用，第二部分可适当占用，第三部分可以不受限制占用。第二和第三部分是认知无线电可利用的频谱。目前各种基于认知无线电的频谱管理思想和管理规则仍在研究之中。
5结束语
认知无线电技术是继软件无线电（SDR）之后无线通信技术的“下一件大事”，受到人们的极大关注。目前对于它的研究还处于初始阶段，但在无线通信领域的发展前景十分诱人。虽然认知无线电技术具有独特的优势，但是其技术远不够成熟，还有很多难题需要解决，作者认为今后的研究工作应重点关注以下方面：一是由于认知无线电是动态的利用频谱，所以加强认知无线电的灵活性十分必要，将多输入多输出（MIMO）技术引入认知无线电技术中，可以有效地提高认知无线电频谱利用的灵活性；二是认知无线电技术的协议很不完善，需要设计专门的协议，比如说设计专门的路由协议用于流量控制和拥塞控制，特别是跨层协议的设计；三是认知无线电技术需要强大的重配置能力，重配置能力是指在传输过程中无需修改硬件部分就能调节工作参数，这种能力使得认知无线电可以很容易地适应动态的无线环境，但是目前的硬件技术还满足不了这种需求。
作者：武秀广 宋旭 任培明 单位：国家无线电监测中心
