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射頻/無線  

實現完整的認知無線電

上網時間: 2015年10月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:認知無線電  低雜訊放大器  OFDM  LMS7002M  RSSI 

作者:Paul Dillien

無線頻譜是一種寶貴的資源。即使對此有所疑慮也會因為年初美國FCC拍賣AWS-3頻譜的結果而煙消雲散,因為據報導此次拍賣共標得近449億美元,將近底價的4.5倍。這麼巨大的金額確保無線供應商能使用固定地區的特定頻段提供客戶服務。

固定和預定義頻率的概念以及調變技術可以追溯到最早的無線電時期。這種概念在我們的頻率分配中根深蒂固,而且在上個世紀一直成效卓著。

遺憾的是,今天人們對頻譜的需求超過了有限的供應。業界也採用了不同的技術來減緩這種供需矛盾,例如採用正交頻分多工(OFDM)等更加高效的調變方案。藉助OFDM和高效的數位壓縮機制,許多國家的地面廣播電視頻道利用已達到非常合理的程度。類比傳輸也被數位服務所替代,大幅降低了頻寬和保護頻段的要求。其結果是一些頻譜資源被釋放出來給其它應用使用。

即使做了這些努力,可用的頻譜資源仍不足以滿足諸如蜂巢式服務等快速成長的需求。因此,對於下一代蜂巢式系統的規劃和研究正推動著頻率向60GHz及以上發展。與目前無線訊號覆蓋整區的蜂巢式基地台相較,在這些毫米波波長下作業更困難得多,而且覆蓋範圍僅以英呎(或公尺)計。

這種傳統技術方案導致RF頻譜中許多部份的利用率相當低。一些報告指出,任一時刻中都只使用約10%的可用頻譜。

技術發展

認知無線電(CR)這個概念承諾可提供更高的可用頻譜利用率。簡單的說,具有認知無線電功能的無線產品可以適應當前的環境,並使用未加利用的資源。這種簡化的定義解釋了為什麼認知無線電還未被普遍採用。

理想的認知無線電系統應該能夠監測廣泛範圍的頻率,並及時辨識某一瞬間正使用哪些頻率,以及哪些頻率是閒置的。

逐一為一組接收器進行調諧,使其掃描整個頻段顯然是不切實際的。然而,最新的半導體技術使其能夠使用可編程的接收器在整個頻率範圍內執行掃描。以Lime Microsystems的LMS7002M來看,它可以在100kHz至3800MHz之間進行調諧。它具備兩個可完全編程的收發器。其增益和頻寬也是可編程的,而且每個通道在RF和基頻域中都有接收訊號強度指示器(RSSI),讓認知無線電可掃描所需的RF頻率,然後‘佔用’任何可能閒置的通道。認知無線電可以提升增益並縮小頻寬,以消除錯誤跳到佔用頻率的可能性。

兩個或多個具有認知無線電功能的無線電設備要建立一個通訊通道,必須先有一個同意採用什麼頻率、功率電平和調變機制的方法(圖1)。一種技術是使用基地台在參與設備之間傳遞訊息。基地台只用於交換連線資料,然後認知無線電設備切換到協商一致的設定上。


圖1:認知無線電設備可以連續掃描頻譜

在通話過程中,認知無線電設備必須連續監測通道和其它頻率,因為其它(非認知無線電)用戶可能突然啟動通話。這些用戶通常被稱為授權用戶,他們比認知無線電設備的優先順序高,必須避免有害的干擾。在這種可能發生的情形中,認知無線電的作用是檢測授權用戶,建立並同意另一個閒置頻率,然後中斷當時的連接設定。

為了有助於實現這個功能,認知無線電頻譜檢測方法必須在不傳送資訊時提供一定的時隙,這是為了啟動系統檢測其它訊號,並在訊框格式內調整,以適應整個認知無線電系統。基地台可以從多個認知無線電組合中校對有關頻譜使用情況的報告,並更新記錄通道忙碌與閒置的表格。

基地台可以使用表格為需求的服務分配閒置通道。當要求一個新的網路配置時,這種演算法可以預防認知無線電發生過度的搜尋。這種合作機制還能減輕「隱藏節點」問題,即來自遠端或隱藏傳輸沒被特定的認知無線電發現。這個直接訊號也許太弱了而未被檢測到,但如果認知無線電設備在相同頻率上開始傳送資訊,則會對現有用戶造成干擾。

考慮認知無線電設備在典型無線環境中的工作。圖2顯示原始場景是通道A、B和D都未在使用中,因為只檢測到寬頻雜訊。此時認知無線電組合透過過基地台進行通訊,並使用通道A。在認知無線電通話期間,其中一個認知無線電設備檢測到一個授權使用者建立了連線,因而認知無線電通話方將評估其它頻率選項,並切換到目前仍只記錄雜訊的通道B。同樣地,在認知無線電通話過程再次檢測到授權用戶時,認知無線電通話將切換到未被使用的通道C。


圖2:存在授權用戶時的認知無線電通訊

FPRF半導體元件

最新的現場可編程射頻(FPRF)元件能夠完全克服掃描寬範圍的頻率、檢測活動程度以及快速切換頻率的技術挑戰。此外,CMOS技術也提供了低功耗和高成本效益的單晶片解決方案。

為了檢測和利用閒置通道,必須建立頻譜檢測演算法來檢測能量電平,並允許以機會性和非干預的方式存取。LMS7002M有三個獨立的低雜訊放大器(LNA),分別用於低頻段、高頻段和寬頻段輸入。在初始搜尋模式下,高頻段和低頻段的LNA一般不加電,同時透過寬頻輸入處理RF訊號。該輸入在LNA上配置一個RF接收訊號強度指示器(RSSI),可檢測從-70dBm至-20dBm的輸入。接著訊號被數位化,並透過計算‘2的平方根’算出強度,因而以自動增益控制(AGC)在70dB範圍內設置增益,確保避免發生鉗位。

如果所需的訊號頻段在100kHz至2GHz範圍內,就可以使用低頻段LNA。不然的話,就由高頻段LNA接受高於1.5GHz的訊號。

對於接收頻率進行快速掃描,可在所需的頻譜內進行訊號的粗檢測。接收頻寬可以隨時調整。在初始掃描時可以選擇較廣頻寬,並使用較窄的濾波器‘佔用’任何傳輸。兩個收發器都配備了數位基頻RSSI,以取得頻譜使用率。認知無線電必須能夠忽略偽傳輸與干擾,以及認知無線電系統自身產生的傳輸。

使用OFDM傳輸對認知無線電來說更難檢測。這是因為OFDM使用了大量子載波,而且每個子載波以部份訊息調變。載波頻率經過組織可以達到互不干擾的目的,這是由於系統中進行了正交化設計。然而,來自每個載波的單獨訊號在接收器端檢測和聚合,其重新構成的數位化資料區段將提供更高的資料速率。

因此OFDM非常像雜訊的特徵。然而,OFDM的設計可在雜訊環境中作業,因此,用於恢復資料的演算法包括了糾錯功能。正是這些特徵使得OFDM成為認知無線電採用的最低侵入式傳輸類型之一。

最有效的新機制就是多入多出(MIMO)。這是一種複雜的配置,使用兩支或多支相距一定距離的天線。MIMO技術可以提高頻譜效率,實現提高鏈路可靠性的分集增益。在發送器端使用兩支天線、在接收器端也使用兩支天線的配置稱為2×2 MIMO系統。採用雙路收發器架構設計的FPRF就是以單晶片的形式支援2×2 MIMO。透過增加更多的天線和收發器,還可加以擴展到像4×4的MIMO系統。

接收和發送頻寬可在1.4MHz至56MHz範圍內進行編程,因而讓認知無線電選擇較小的頻寬滿足低資料速率要求(如語音),或利用高輸送量頻寬供串流視訊或其它更高需求的應用使用。

FPRF(圖3)可由透過SPI介面載入的簡單記憶體映射資料加以控制,從而完全控制每個參數,並能旁路或斷電單個模組。因此在掃描模式期間,所有的發送模組都可以斷電。


圖3:FPRF架構圖

在雙工通話期間,兩個收發器中的發送和接收路徑可以隨時進行完全編程設計,讓設備得以調整發送訊號電平,讓遠端設備的訊號噪訊比(SNR)達到足夠的值。同樣,接收器中的RSSI讓認知無線電建議遠端設備調整其發送功率。透過這種機制在最低可能干擾的條件下實現最最化通訊,並且使系統功耗降至最低。

數位基頻資料流程採用同相和正交(I&Q)分量的形式。發送載波由載入SPI記憶體的資料決定,頻率在發送鎖相環(PLL)中產生。RF和資料在混頻器中結合,產生待發送的合成訊號。同樣地,接收PLL為直接轉換混頻器(有時也稱為零中頻)產生暫態頻率,然後將RF轉換為基頻,並恢復出I&Q資料。

在所有手持設備中,尺寸、重量、功耗和成本(簡稱SWaP-C)的重要性越來越高。低成本的LMS7002M在單入單出(SISO)模式下的功耗要求只有很小的550mW,在MIMO模式下是880mW,並且可以採用單電源供電。只需很少量外部元件的這種裝置能夠滿足尺寸和重量方面的要求。

(下一頁繼續:基頻配套晶片)


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