自適應無線電提高無線連接的頻譜利用效率

時間：2024-07-20　來源：網絡　作者：網絡　點擊：次

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現在的無線通信依賴大量的獨立設備，每種設備都有自己的協議并在一個固定的頻段上工作。因為這些設備彼此不能通信，所以它們一起創造的無線環境工作效率非常低。此外，每種設備的發射和接收都有可能對其它設備產生干擾，尤其是當高功率發射器與高靈敏度接收器同時工作的時候。

如今，人們可能隨身帶著一個以上的手機、Wi-Fi卡、裝有網絡適配器(NIC)的筆記本電腦、支持藍牙的PDA，并且在汽車上安裝GPS設備。但最終人們將希望把所有通信裝置集成到一個智能設備中。

自適應無線電利用一個設備，以適當的協議與工作在這些頻帶范圍內的所有設備進行通信。當設備開始通信時，自適應無線電感測其環境，并選擇最好的可用頻帶。在發射和接收期間，它也許會幾次改變協議和頻帶以確保可靠的高速連接。在充分實現這個設想的系統中，支付這些業務的費用可以集中到每個月的賬單中，并且客戶不再需要關心哪個協議或技術在處理他們的無線通信。

英特爾公司一直致力于開發為實現自適應通信所必需的硬件和軟件構建模塊，目標是能用來構建自適應智能設備的廉價的硅元件和軟件模塊。如今已經開發出許多創新技術，但實現這個設想仍存在一些障礙。

頻譜分配方式

自適應無線電面臨的最大障礙是政策問題，而不是技術挑戰。對實現交叉技術來說，分配給大規模高速無線通信使用的頻譜資源遠遠不夠，這個問題很大程度上歸因于一個為時甚久的政策，即把固定的頻帶分配給專用通信。

例如，分配給電視頻道的固定頻帶只能讓受讓者使用。當受讓者不使用時，該頻道帶寬就處于空閑狀態，而不允許其它設備使用。同樣，在特定區域內沒有被分配的電視頻道頻帶也不能被其它設備使用，甚至不能被同一區域的其它電視廣播設備使用，因此這些頻道總處于未使用狀態。此外，在頻道之間還存在未用的頻譜。存在大量的未用帶寬區的原因是各個電視廣播設備的發射功率很高，并且可能相互干擾。在某些環境下，除非在各個發射頻道之間有一個很寬的頻譜間隔，電視調諧器才可能清晰地接收廣播信號。在UHF頻帶上，這個頻譜間隔包括許多電視頻道，被稱為“禁用頻道”。

頻譜分配方式可能從現有的固定帶寬分配發展為基于某種規則的分配方式。多個用戶可以訪問未被占用的帶寬，而不會干擾主用戶(從原理上講)。這種被稱為“覆蓋(overlay)方法”的解決方案，在現有已分配的主用戶帶寬上疊加一個共享的次級通信頻道。這種共享是在自愿基礎上通過協商而獲得的，可以在使用前協商，或使用過程中協商。其中一個例子就是公共安全機構使用的頻帶和電視頻帶之間發生的共享。此外，低功率設備可以在與電視廣播站附近工作而不會產生有害干擾。

第二個解決方法是讓目前正在使用的已分配帶寬起到雙重作用。在這種方法中，低功率的發射信號存在其它設備所用的同一頻譜上，比如Wi-Fi和無繩電話。這些發射信號只用于家庭或小辦公室內的短距離通信。它們的帶寬很高(高達幾千兆赫)，因此在給定的頻帶內的功率密度很低。當這些發射信號與相同頻譜上的其它信號重疊時，它們對于其它設備來說是噪音。利用濾波技術，設備可以過濾掉這些不想要的發射信號，以免發生沖突。

需要更多帶寬的直接原因是自適應通信的特性。考慮到當蜂窩系統接收到的呼叫遠多于它能處理的呼叫時，新的呼叫將被拒絕，因此拒絕訪問可節省帶寬。在自適應無線電有可能切換到其它頻道的地方，這些帶寬將被使用，使通信得以進行。

需要額外帶寬的另一個原因是需要隨時可用的、可靠的高速通信。當然，也會出現新的應用需要使用這個帶寬。例如，人們很快將需要把視頻流和音頻流無線地傳送到遍布各房間的娛樂中心和電視機中。立體聲音響和話筒之間的有線連接將成為歷史，計算機和外設之間的連線以及計算設備之間的連線也將被淘汰。每個取而代之的無線連接都將消耗頻譜帶寬。

圖1：專用邏輯、粗粒可重新配置邏輯和DSP/FPGA邏輯在靈活性和能源效率之間的折衷

對自適應無線電的要求

自適應無線電需要識別它們所處的環境，它們必須能夠探測和識別可用的頻帶范圍。隨后，它們必須檢測這些頻道，判斷干擾、噪音和其它因素是否會影響信號質量。它們還必須識別已獲得授權的現有網絡，并迅速與之連接，進而通過協商獲取所需的數據吞吐量。

在探測到這些信息之后，自適應無線電必須能夠分析這些頻道，智能地選擇最佳頻道，并確定將使用的協議和調制機制。最后，設備應自行進行重新配置，以便在適當的頻帶上使用所選的協議和調制技術。

一旦通信建立起來，自適應無線電必須連續地監測該頻道以探測信號質量是否明顯下降，或者發現更好的可用頻道。如果探測到這兩種情況中的任何一種，該自適應無線電必須無縫地切換到新的頻帶和協議。其結果是，自適應無線電必須在搜索中把握機會，并迅速地重新配置以便充分利用更好頻道的優勢。

在各個頻帶和各個協議之間無縫切換的能力，還意味著自適應無線電必須能夠同步配置和連接到多個無線電上。因此，自適應無線電有時被稱為認知、可重新配置無線電。

大部分聯網器件(如NIC和Wi-Fi器件)被構建用來滿足一個明確的、定義范圍很窄的需求，即以盡可能低的成本利用一種協議在一個頻道上實現通信。部分自適應技術已被用于無線連接，例如為通信確定最佳數據率，盡管不存在協議/網絡之間的切換。這些靈活性較差的器件一般采用專用硬件。

但通過使用DSP和ASIC，可以獲得一些靈活性。DSP處理信號并把一些協議處理算法卸載到ASIC中，其它一些設計則采用與加速器緊密結合的DSP。然而，DSP需要大量的功率，而且這種類型的無線電或許還需要多個DSP。前面提到的所有器件均偏愛一種簡單的天線-PHY-MAC硬件架構，該架構也已成熟且能很好地被理解。

用一個可重新配置的處理器來處理必要協議的軟件解決方案，尚未被看成是一個可行的替代方案。這種處理器不具備基本的處理能力，或者說它在處理一個正在工作的通信協議時無法迅速對自身進行重新配置。但隨著IC依據摩爾定律不斷發展，可重新配置處理器實時執行復雜算法的能力已經大大提升。這些自適應無線電將提高頻譜的利用效率，因為它們能更好地利用未被占用的頻譜，并可以隨時間、空間和頻帶的變化確定最佳頻譜。這將給用戶帶來更好的通信質量。

圖2：可重新配置的PE網構成自適應無線電的核心

可重新配置的通信內核

自適應無線電的硅構建模塊的研究包括原型無線電，它由一組不同種類的處理單元(PE)組成，在這些單元之間有多條可路由的通路。許多研究人員選擇具有很大靈活性的同類陣列，在每個節點處都采用算術邏輯單元(ALU)和處理器。

這些陣列通常要忍受ALU和處理器每個時鐘周期的都要處理解碼和中繼指令要求。由于其通用性和靈活性，它們需要相當數量的存儲器和時鐘周期來正確計算一個特定功能。它們在尺寸和功率方面的成本比專用邏輯高幾個數量級(見圖1)。專用邏輯只處理一個協議，但粗粒(coarse-grain)可重新配置邏輯和DSP/FPGA邏輯可以支持多個協議。當然，兩者差別在于DSP/FPGA邏輯可以處理任何事務，但這種極大的靈活性也帶來巨大的功率消耗。

可重新配置通信內核(RCC)是經過廣泛考察多種無線協議，并從中識別類似的、計算負擔繁重的處理芯核后而開發出來的。隨后，具有比FPGA結構粗得多的專用可重新配置加速器被設計出來以執行這些功能。從最優角度看，這些功能只被重新配置一次，目的是避免對將要執行的每個功能進行一個時鐘周期接一個時鐘周期的重新配置，而且數據是從這些PE“流”進和“流”出的。處理在空間和時間兩維上進行，而且有相當一部分處理在空間上是并行執行的。

專用硬件處理(空間上完全并行)之間盡可能多的處理相似性被利用起來，而時分多址技術在頻帶達到半導體工藝允許的程度時才被采用。因此，處理頻帶并沒有與多個A/D轉換器速率綁定在一起，正如專用硬件那樣。這樣做的一個優點是可節省面積，從而減輕可重新配置性帶來的面積增加。諸如RCC這樣的架構具有接近專用硬件的功耗/尺寸的特性，同時又能保持足夠的可重新配置性，以支持大部分無線協議。

例如，這些PE是類似于基于濾波器微碼的加速器(filter-microcoded accelerator)、外加接口元件的前向誤差校正(FEC)加速器，以及控制處理元件的元件。通過簡單地控制數據包在不同PE之間的路由，并對PE進行重新配置，該無線電可以針對多種協議自身進行重新配置。

與多個專用內核的替代方案和其它軟件定義無線電方法相比，這種可重新配置的方法可節省功率和尺寸。此外，可重新配置法具有更易于編程的決定性優勢，以及更好的可移植性和元件可擴展性，以便于其它平臺和未來的協議使用現有的工具。可擴展性是通過“構建模塊”的網格連接來實現的。這使得在“新元件”和與其相關的通信基礎設施(比如路由節點等)之間建立連接成為可能，類似于在一個小區內修建更多的房子時加修的新道路(見圖2)。這些新“道路”或互連基礎設施不會影響現有的基礎設施。這種架構建立在這個事實上：對于通信物理層(PHY)應用，操作是高度管線化的，而且在大部分時候，它們需要的只是同最近的相鄰處理單元進行通信。如果在非常大的處理單元網絡上發生互連阻塞，也很容易增加一個選擇便對該互連架構增加一個簡單的層次。