在WLAN中实现认知无线电技术

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认知无线电(CR, cognitive radio)听起来是个十分新颖的概念，但无线局域网(WLAN)设计人员已经实现了许多认知无线电技术，其中有些还相当复杂。因为这些技术可以按渐进的方式扩展直到实现CR承诺的全部性能，所以它们为未来的无线通信指明了发展方向。

CR的基本逻辑是通过检测周围环境并做出相应调整，无线电可以更好地利用现有频谱。联邦通信委员会(FCC)等法规机构要求802.11a无线电能检测雷达信号并避免与它们形成干扰。这种躲避雷达的能力要求系统具有强大的CR类自适应能力，而这只是WLAN CR功能的开始。

WLAN无线电可以检测出各种各样的无线电环境特征，包括流量统计和其它可识别的RF事件(如雷达、蓝牙、微处理器噪声或微波炉噪声)。它们还包括WLAN的副作用，如冲突、发送失败的数据包、邻近通道干扰、隐蔽站点以及无法识别的噪声源等。

通过记录RF事件、在可能的情况下识别出它们并做出相应的响应，WLAN无线电可以提高它优化吞吐量的能力。考虑到在非授权的WLAN频带内存在大量的无线电干扰，所以WLAN的CR功能对于获得用户期望的鲁棒性能至关重要。

为了分析WLAN接入点或客户端中典型的CR相关功能，整个硬件/软件系统可以被视为一个“无线电”。

硬件可以存储和分析RF事件，并将重要事件传递给软件做进一步分析。在这个过程中，RF事件的征兆通常是接收信号的幅度突然增大，尽管无线电设备也会经常遇到各种低电平信号。

两种逻辑模块可用于分析RF事件：一个是802.11数据包接收模块，另一个是检测非802.11信号属性的模块。这些模块可以并行分析事件，以达到最大的处理速度。

非802.11检测模块可以捕获每种RF事件的几项特征：信号电平、长度、出现时间和频谱内容等。之所以能捕捉到最后一项信息是因为检测逻辑可以访问用来检测802.11信号的快速傅立叶变换模块。

除非RF事件太微弱以致于不可能代表有意义的信号或者造成干扰，否则事件及其特征将被传递给软件。阈值可编程硬件会筛除这些不明显的事件，以免使软件的负荷过重。这种筛选机制非常重要，因为WLAN无线电很灵敏，足以捕获众多数量的RF事件。802.11a/g标准要求-82 dBm的灵敏度，但大多数无线电能达到-90 dBm以上的灵敏度。设计师必须谨慎管理这项能力，以避免给自适应软件输送大量假情报。

适应非WLAN事件

WLAN无线电最显著的CR特性是能够分析非802.11事件，确定其来源，并做出相应调整。这种无线电的嵌入式软件配有一个相当大容量的事件数据库，以搜索已知的信号标志、WLAN“副作用”以及任何无法识别噪声的周期。

因为工作在5GHz频段的WLAN必须留出一个用于检测雷达信号的通道，所以无线电可以检测出某个事件是否来自雷达脉冲。并非所有雷达都采用周期性脉冲，因此这种分析必须相当周密。无线电甚至能探测没有使用的通道，以便在有需要时可以知道它们是否可用。

识别微波炉噪声一般比较直接，因为大多数微波炉采用半波整流器，它在60Hz电源周期的一半时间内操作磁控管。WLAN无线电可以确保数据包在另一半电源周期内被成功发送。这种自适应性要求采用一种分段技术，以充分缩短数据包。只要周期性噪声源不是雷达，无线电可以在任何时间使用这种技术。

变化的模式

来自宿主计算机的处理器噪声应该很容易识别，但一个高速处理器(如2GHz奔腾CPU)的时钟并不具有简单的周期性规律。为了适应FCC的电磁干扰限制，时钟频率通常要发生足够的振动，以避免将所有能量集中在一个较窄的带宽内。WLAN无线电可以识别出这种不断变化的模式，并能通过切换到一个不同的天线和调整信号检测参数来减少干扰的影响。

笔记本电脑和WLAN CardBus卡等系统通常有两根天线，以提供多样性。一般来说，其中一根天线所接收到的处理器噪声会比另一根少。无线电毛刺也可能来自WLAN无线电本身。在这种情况下，无线电可以相应调整它的天线、信号检测和信号解码参数。

如果软件分析探测到以随机频率发生的RF事件，而且它具有较窄的带宽和不变的长度，那么噪声源极可能是蓝牙。蓝牙采用严格的时分复用(TDMA)机制，这会使数据包之间产生精确的时隙。蓝牙还利用跳频方法以随机频率的模式发送数据包。

识别出蓝牙的意义在于避免过度地去适应干扰。改变通道是没有用的，因为蓝牙采用调频，而且蓝牙信号仅在部分时间内造成干扰。WLAN通常能保持正常工作，并简单地重发丢失的数据包。系统设计人员可以利用WLAN与蓝牙芯片之间的硬线连接将干扰限制在同一系统内。如果一个芯片需要接收数据，它可以向另一个芯片发送“等待”信号，以防止这个芯片发射信号从而造成干扰。

自适应WLAN

即便WLAN无线电无法识别出干扰源，WLAN系统也能调整许多因素来避免干扰，包括：

1、 改变通道；

2、 将所用带宽从40MHz调整至20、10或5MHz；

3、 分12步将数据传输率从54Mbps调整到1Mbps；

4、 利用请求发送/清除发送(RTS/CTS)或调整空闲信道评估(CCA)的阈值，以最大程度地减小与其它WLAN信号的冲突；

5、 利用分段来缩短数据包长度。

把带宽和数据率削减到它们的最小值往往有助于使一定量的数据通过噪声环境。业界已经有演示证明当需要时可以将数据率降低至250kbps。此外，更有趣的是通过把两个通道整合在一起可以将带宽增加到40MHz。借助这项技术，无线电能够将数据率提高到108Mbps。利用可同时工作在2.4GHz和5GHz频带的接入点芯片组，如果系统的总带宽达到80 MHz，就可以获得216Mbps的总吞吐量。

利用这种能力的关键是能够识别出WLAN无线电何时会与其它系统发生相互干扰。无论是在这种模式之前还是工作在这种模式期间，无线电都要在整个带宽内进行监听。一旦需要，无线电就可以返回到较窄的带宽。

作者：Bill McFarland

算法和结构总监 Bill McFarland