为了满足商业无线应用的需求,美国联邦通信委员会(FCC)正逐步开放新的频段供非授权商业使用。其中一个例子是允许超宽带(UWB)设备工作于3.1 GHz至10.6 GHz的频段,但必须维持非常低的发射功率。此外,FCC最近还提议允许非授权使用空闲电视频段。FCC最近几年不断开放非授权商用频段的行动将会继续下去,并最终打破频段不足的瓶颈。
为了有效利用最近开放的频段,无线电和协议设计需要发生根本性的变化。这些设计必须包括适应不断发展的FCC法规的能力、可重配置能力以及允许在非主用户之间共享频段的能力。只有高度关注线性度、辐射抑制及混合信号需求等因素才能满足所有这些特性。
一种方法是采用频率捷变无线通信系统。这种系统专注于宽带无线互联网接入,瞄准的主要是家庭和最后一公里接入等消费类应用。例如,这允许通过电视频段(待FCC批准)实现远程病人监护等应用。
在目前工作在授权和非授权频段的商用无线网络中,越来越多的设备是采用可编程平台构建的。可编程平台提供了制造期间的设计灵活性以及部署之后的可升级性。频率捷变无线电在部署后有哪些功能是可升级的将取决于这些可编程平台的设计与架构,如软硬件分割等。开发可编程平台时需要考虑的关键因素是成本、功耗和尺寸,以满足给定应用的性能要求,如吞吐量、延时、距离及鲁棒性等。例如,低吞吐量应用可以通过在某些频段采用全软件无线电(SDR)来实现,但高吞吐量应用(如几个Mbps至Gbps的无线电)则需要更多的硬件器件以满足商用要求。
根据外部因素来适应无线电系统传输特征(频谱使用)的灵活性将成为未来商用无线网络设备的关键。实际上,这是频率捷变无线电所必需的关键功能之一,但并不是SDR的必备功能。特别地,要考虑两个外部因素:一、在其邻近区域内其它无线电系统对频谱的实时使用状况；二、不断发展的FCC法规。频率捷变无线电系统保留了这种灵活性,同时又能满足商业宽带无线应用对成本、功耗及尺寸的要求。
频率捷变无线电工作在原来授权给其它无线电系统但目前空闲的无线电频段。被授权的无线电系统亦称为主无线电系统,譬如广播电视和雷达等。为了在这些空闲频段使用频率捷变无线电,我们建议采用以下几种解决方案:
* 无线电设计:采用基于多载波调制方案(如OFDM)的无线电。不像今天某些不灵活的物理层(如Wi-Fi能工作在预定义的20MHz频段内),我们所建议的物理层将提供很宽范围的灵活参数来适应传输特征。例如,通过将更高的能量分配给没有检测到主用户的子载波,我们所建议的方案能充分利用子载波独立性的优势。此外,具有更高信噪比(SNR)的频段经过调制后可以承载更高的比特率。能够按需设置的参数包括子载波数目、载波间隔、子载波功率、子载波调制次序以及信号带宽等。这种灵活的架构允许无线电用户根据所要求的工作条件适应其传输特征。而且,在实现这种灵活性的同时,它可以满足宽带无线应用的商业化要求,如尺寸和成本等。
在我们感兴趣的整个频段内,线性、滤波、带外辐射抑制及混合信号要求等因素可能不会相同。因此,我们需要根据频率捷变无线电准备工作的频段带宽来考虑前端器件(射频电路和天线等)的设计问题。如果工作在300MHz 至10GHz频段内,这会给天线及RF电路设计带来挑战,即如何满足一定的性能和商业化要求等。不过,我们可以考虑许多架构上的折衷。例如可以考虑采用不只一个的前端,每个前端调谐到频谱的某个特定区段上,以满足性能和商用化要求。另一方面,我们还可以考虑能充分利用未来半导体和天线技术优势的单个统一架构。
* 协议设计:无线协议的一项关键作用是允许用户以一种合理且高效的方式来访问共享的无线介质。除了在类似设备之间共享频谱外(如Wi-Fi等现有协议),我们还建议与授权无线电系统以及在不同的非主无线电系统之间共享协议和算法。
* 与授权无线电系统共享频谱:频率捷变无线电对频段的使用不应该对授权无线电系统的工作造成有害干扰,因而要求即使在极低的信号功率上也能检测到合法通信。为了提高检测可靠性(超越目前Wi-Fi中的载波感应方法),我们建议使用主无线电系统的传输信号特征来确定它的存在。因此,当存在主用户时,频率捷变无线电能够使它对频谱的使用适应外部因素。
* 如果新的主无线电系统被允许工作在非授权频段,那么频率捷变无线电在部署之后可能需要进行重配置。新的主无线电系统的一个例子是公共安全系统。尽管设计这种可重配置系统仍然很有挑战,但业界已经有一些初步的解决方案。
* 在非主无线电系统之间共享频段:频率捷变无线电的另一个重要机会是与尚未定义的其它非主无线电系统共存,以便共享相同的频段(类似于Wi-Fi和蓝牙都拥有相同的权利访问ISM频段的频谱)。不同的频率捷变无线电设备需要协调频谱的使用机会,这可能要求设备就现有机会进行沟通或者按照自愿共享规则来解决问题。
* 适应不断发展的FCC法规:我们的设想是基于DARPA XG计划——一个灵活无线电法规的框架。借助XML文件,FCC政策能够以一种机器可理解的形式来描述。在这些文件中描述的法规可以被频率捷变无线电解释,而且根据变化,无线电设备可以重新设置它们的工作方式以适应新的法规环境。
FCC的政策可能会因为以下因素而发生改变,例如在非授权频段内引入新的主无线电,或者出现可以更好地使用频谱或更可靠地检测现有主无线电的新技术。
作者:Kiran Challapali
首席研究员
Dagnachew Birru
高级研究员
Stefan Mangold
高级研究员
飞利浦美国研究中心无线通信与网络部
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