主頁（http://www.www.jjxinkai.com）：自適應(yīng)無線電提高無線連接的頻譜利用效率

現(xiàn)在的無線通信依賴大量的獨(dú)立設(shè)備，每種設(shè)備都有自己的協(xié)議并在一個(gè)固定的頻段上工作。因?yàn)檫@些設(shè)備彼此不能通信，所以它們一起創(chuàng)造的無線環(huán)境工作效率非常低。此外，每種設(shè)備的發(fā)射和接收都有可能對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生干擾，尤其是當(dāng)高功率發(fā)射器與高靈敏度接收器同時(shí)工作的時(shí)候。

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

    自適應(yīng)無線電利用一個(gè)設(shè)備，以適當(dāng)?shù)膮f(xié)議與工作在這些頻帶范圍內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行通信。當(dāng)設(shè)備開始通信時(shí)，自適應(yīng)無線電感測(cè)其環(huán)境，并選擇最好的可用頻帶。在發(fā)射和接收期間，它也許會(huì)幾次改變協(xié)議和頻帶以確保可靠的高速連接。在充分實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)想的系統(tǒng)中，支付這些業(yè)務(wù)的費(fèi)用可以集中到每個(gè)月的賬單中，并且客戶不再需要關(guān)心哪個(gè)協(xié)議或技術(shù)在處理他們的無線通信。

    英特爾公司一直致力于開發(fā)為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)通信所必需的硬件和軟件構(gòu)建模塊，目標(biāo)是能用來構(gòu)建自適應(yīng)智能設(shè)備的廉價(jià)的硅元件和軟件模塊。如今已經(jīng)開發(fā)出許多創(chuàng)新技術(shù)，但實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)想仍存在一些障礙。

    頻譜分配方式

    自適應(yīng)無線電面臨的最大障礙是政策問題，而不是技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)實(shí)現(xiàn)交叉技術(shù)來說，分配給大規(guī)模高速無線通信使用的頻譜資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這個(gè)問題很大程度上歸因于一個(gè)為時(shí)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(dāng)受讓者不使用時(shí)，該頻道帶寬就處于空閑狀態(tài)，而不允許其它設(shè)備使用。同樣，在特定區(qū)域內(nèi)沒有被分配的電視頻道頻帶也不能被其它設(shè)備使用，甚至不能被同一區(qū)域的其它電視廣播設(shè)備使用，因此這些頻道總處于未使用狀態(tài)。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(qū)的原因是各個(gè)電視廣播設(shè)備的發(fā)射功率很高，并且可能相互干擾。在某些環(huán)境下，除非在各個(gè)發(fā)射頻道之間有一個(gè)很寬的頻譜間隔，電視調(diào)諧器才可能清晰地接收廣播信號(hào)。在UHF頻帶上，這個(gè)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(xiàn)有的固定帶寬分配發(fā)展為基于某種規(guī)則的分配方式。多個(gè)用戶可以訪問未被占用的帶寬，而不會(huì)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(xiàn)有已分配的主用戶帶寬上疊加一個(gè)共享的次級(jí)通信頻道。這種共享是在自愿基礎(chǔ)上通過協(xié)商而獲得的，可以在使用前協(xié)商，或使用過程中協(xié)商。其中一個(gè)例子就是公共安全機(jī)構(gòu)使用的頻帶和電視頻帶之間發(fā)生的共享。此外，低功率設(shè)備可以在與電視廣播站附近工作而不會(huì)產(chǎn)生有害干擾。

    第二個(gè)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(fā)射信號(hào)存在其它設(shè)備所用的同一頻譜上，比如Wi-Fi和無繩電話。這些發(fā)射信號(hào)只用于家庭或小辦公室內(nèi)的短距離通信。它們的帶寬很高(高達(dá)幾千兆赫)，因此在給定的頻帶內(nèi)的功率密度很低。當(dāng)這些發(fā)射信號(hào)與相同頻譜上的其它信號(hào)重疊時(shí)，它們對(duì)于其它設(shè)備來說是噪音。利用濾波技術(shù)，設(shè)備可以過濾掉這些不想要的發(fā)射信號(hào)，以免發(fā)生沖突。

    需要更多帶寬的直接原因是自適應(yīng)通信的特性。考慮到當(dāng)蜂窩系統(tǒng)接收到的呼叫遠(yuǎn)多于它能處理的呼叫時(shí)，新的呼叫將被拒絕，因此拒絕訪問可節(jié)省帶寬。在自適應(yīng)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(jìn)行。

    需要額外帶寬的另一個(gè)原因是需要隨時(shí)可用的、可靠的高速通信。當(dāng)然，也會(huì)出現(xiàn)新的應(yīng)用需要使用這個(gè)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(jī)中。立體聲音響和話筒之間的有線連接將成為歷史，計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的連線以及計(jì)算設(shè)備之間的連線也將被淘汰。每個(gè)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(duì)自適應(yīng)無線電的要求

    自適應(yīng)無線電需要識(shí)別它們所處的環(huán)境，它們必須能夠探測(cè)和識(shí)別可用的頻帶范圍。隨后，它們必須檢測(cè)這些頻道，判斷干擾、噪音和其它因素是否會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。它們還必須識(shí)別已獲得授權(quán)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，并迅速與之連接，進(jìn)而通過協(xié)商獲取所需的數(shù)據(jù)吞吐量。

    在探測(cè)到這些信息之后，自適應(yīng)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(xié)議和調(diào)制機(jī)制。最后，設(shè)備應(yīng)自行進(jìn)行重新配置，以便在適當(dāng)?shù)念l帶上使用所選的協(xié)議和調(diào)制技術(shù)。

    一旦通信建立起來，自適應(yīng)無線電必須連續(xù)地監(jiān)測(cè)該頻道以探測(cè)信號(hào)質(zhì)量是否明顯下降，或者發(fā)現(xiàn)更好的可用頻道。如果探測(cè)到這兩種情況中的任何一種，該自適應(yīng)無線電必須無縫地切換到新的頻帶和協(xié)議。其結(jié)果是，自適應(yīng)無線電必須在搜索中把握機(jī)會(huì)，并迅速地重新配置以便充分利用更好頻道的優(yōu)勢(shì)。

    在各個(gè)頻帶和各個(gè)協(xié)議之間無縫切換的能力，還意味著自適應(yīng)無線電必須能夠同步配置和連接到多個(gè)無線電上。因此，自適應(yīng)無線電有時(shí)被稱為認(rèn)知、可重新配置無線電。

    大部分聯(lián)網(wǎng)器件(如NIC和Wi-Fi器件)被構(gòu)建用來滿足一個(gè)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(xié)議在一個(gè)頻道上實(shí)現(xiàn)通信。部分自適應(yīng)技術(shù)已被用于無線連接，例如為通信確定最佳數(shù)據(jù)率，盡管不存在協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)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(hào)并把一些協(xié)議處理算法卸載到ASIC中，其它一些設(shè)計(jì)則采用與加速器緊密結(jié)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(gè)DSP。前面提到的所有器件均偏愛一種簡(jiǎn)單的天線-PHY-MAC硬件架構(gòu)，該架構(gòu)也已成熟且能很好地被理解。

    用一個(gè)可重新配置的處理器來處理必要協(xié)議的軟件解決方案，尚未被看成是一個(gè)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(gè)正在工作的通信協(xié)議時(shí)無法迅速對(duì)自身進(jìn)行重新配置。但隨著IC依據(jù)摩爾定律不斷發(fā)展，可重新配置處理器實(shí)時(shí)執(zhí)行復(fù)雜算法的能力已經(jīng)大大提升。這些自適應(yīng)無線電將提高頻譜的利用效率，因?yàn)樗鼈兡芨�好地利用未被占用的頻譜，并可以隨時(shí)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(zhì)量。

圖2：可重新配置的PE網(wǎng)構(gòu)成自適應(yīng)無線電的核心

    可重新配置的通信內(nèi)核

    自適應(yīng)無線電的硅構(gòu)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(gè)節(jié)點(diǎn)處都采用算術(shù)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(gè)時(shí)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(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ)器和時(shí)鐘周期來正確計(jì)算一個(gè)特定功能。它們?cè)诔叽绾凸β史矫娴某杀颈葘Ｓ眠壿嫺邘讉�(gè)數(shù)量級(jí)(見圖1)。專用邏輯只處理一個(gè)協(xié)議，但粗粒(coarse-grain)可重新配置邏輯和DSP/FPGA邏輯可以支持多個(gè)協(xié)議。當(dāng)然，兩者差別在于DSP/FPGA邏輯可以處理任何事務(wù)，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(nèi)核(RCC)是經(jīng)過廣泛考察多種無線協(xié)議，并從中識(shí)別類似的、計(jì)算負(fù)擔(dān)繁重的處理芯核后而開發(fā)出來的。隨后，具有比FPGA結(jié)構(gòu)粗得多的專用可重新配置加速器被設(shè)計(jì)出來以執(zhí)行這些功能。從最優(yōu)角度看，這些功能只被重新配置一次，目的是避免對(duì)將要執(zhí)行的每個(gè)功能進(jìn)行一個(gè)時(shí)鐘周期接一個(gè)時(shí)鐘周期的重新配置，而且數(shù)據(jù)是從這些PE“流”進(jìn)和“流”出的。處理在空間和時(shí)間兩維上進(jìn)行，而且有相當(dāng)一部分處理在空間上是并行執(zhí)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(shí)分多址技術(shù)在頻帶達(dá)到半導(dǎo)體工藝允許的程度時(shí)才被采用。因此，處理頻帶并沒有與多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器速率綁定在一起，正如專用硬件那樣。這樣做的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可節(jié)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(gòu)具有接近專用硬件的功耗/尺寸的特性，同時(shí)又能保持足夠的可重新配置性，以支持大部分無線協(xié)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(jiǎn)單地控制數(shù)據(jù)包在不同PE之間的路由，并對(duì)PE進(jìn)行重新配置，該無線電可以針對(duì)多種協(xié)議自身進(jìn)行重新配置。

    與多個(gè)專用內(nèi)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(jié)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(yōu)勢(shì)，以及更好的可移植性和元件可擴(kuò)展性，以便于其它平臺(tái)和未來的協(xié)議使用現(xiàn)有的工具。可擴(kuò)展性是通過“構(gòu)建模塊”的網(wǎng)格連接來實(shí)現(xiàn)的。這使得在“新元件”和與其相關(guān)的通信基礎(chǔ)設(shè)施(比如路由節(jié)點(diǎn)等)之間建立連接成為可能，類似于在一個(gè)小區(qū)內(nèi)修建更多的房子時(shí)加修的新道路(見圖2)。這些新“道路”或互連基礎(chǔ)設(shè)施不會(huì)影響現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。這種架構(gòu)建立在這個(gè)事實(shí)上：對(duì)于通信物理層(PHY)應(yīng)用，操作是高度管線化的，而且在大部分時(shí)候，它們需要的只是同最近的相鄰處理單元進(jìn)行通信。如果在非常大的處理單元網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生互連阻塞，也很容易增加一個(gè)選擇便對(duì)該互連架構(gòu)增加一個(gè)簡(jiǎn)單的層次。

    繼續(xù)進(jìn)行的研究正推動(dòng)自適應(yīng)無線電單元進(jìn)一步元件化，目標(biāo)就是讓它們足夠有效、足夠便宜，以成為家庭、工作場(chǎng)所以及路途中持續(xù)、高質(zhì)量無線通信的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。然而，為讓這個(gè)設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)，還將需要修改頻譜分配政策，讓所有可能的帶寬均可用于持續(xù)通信。表中列出了自適應(yīng)無線電設(shè)計(jì)指南。

    技術(shù)的進(jìn)步使更高效的頻譜使用率成為可能，并影響著頻譜分配政策的改革。對(duì)認(rèn)知、可重新配置無線電研究的現(xiàn)有成果將允許無處不在的無線通信跨越多個(gè)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)和頻譜。