感知無線電技術

感知無線電網路的關鍵技術就是透過感知無線電技術，以某種取巧的方式達 到分享頻譜的功能。感知無線電是一個具有智慧型適應行為的無線電技術，可隨 著應用的環境而改變通訊系統參數(如傳送功率、頻率、調變方法)，來滿足使用 者無線存取的需求。以下討論感知無線電的兩種特性：

（1）感知能力(Cognitive capability)：

感知無線電機在跟無線環境即時互動的同時，可以找出在某時間、某地點未 被使用的頻譜。如圖一(a)所示，感知無線電可以使用未被使用的頻譜，這些未被 使用的頻譜稱之為頻譜洞(spectrum hole)或白色空間(white space)。因此，最好的 頻帶就可以被選為使用，並與其他用戶共享，而且不會干擾到有執照的用戶。

（2）重置能力(Reconfigurability)：

一個感知無線電機可以被設計在各種不同的頻率上來傳送和接收，並依硬體 設計使用不同的存取技術。透過這項能力，感知無線電機可以選擇最好的頻段和 最適當的操作參數來重新配置。

為了提供上述兩項能力，感知無線電機必須有較新的無線電收發技術，如圖 一(b)所示，感知無線電收發信機的主要組成為無線電前端(radio front-end)及基頻 處理單元(baseband processing unit)，其最初構想源自軟體定義無線電機(SDR，

software-defined radio)。

圖一：感知無線電概述，(a)頻譜空洞的概念；(b)感知無線電收發器架構

4.3 感知無線電網路架構

想要用通信協定來處理動態頻譜的問題，必須先知道廣泛的感知無線電網路 架構。本節將介紹感知無線電網路架構。

（1）網路組成

如圖二，感知無線電網路的組成架構可以分成兩群，分別是主要網路(primary network)及感知網路(CR network)。

主要網路就是有執照或有授權的網路(licensed network)，也是現存的網路，

在這個現存的網路中，主要用戶有權使用網路的頻帶。如果在主要網路中有公共 基礎建設，主要用戶的所有活動就可以透過此主要基地台來管理及控制。由於主 要用戶在此網路有較高的存取優先權，因此主要用戶的活動不應該被次要用戶或

非執照用戶所影響。

感知無線電網路也稱為動態頻譜存取網路(dynamic spectrum access

network)、或二級網路(secondary network)、或無執照網路(unlicensed network)。

因此，感知無線電網路並沒有執照權去使用有執照的網路。而且，感知用戶需要 更多的功能才能去享用有執照的頻帶。感知無線電網路也可以配備感知無線電基 地台，用來服務感知用戶之間的溝通。感知無線電網路也可能包含了頻譜中繼台 (spectrum brokers)，頻譜中繼台將分配不同感知無線電網路之間的頻譜資源。

圖二：感知無線電網路架構

（2）頻譜異質性

透過寬頻存取技術(wideband access technology)，感知用戶有能力去存取有執 照的頻帶及無執照的頻帶，而且，感知無線電網路的操作形式可以分成執照頻帶 操作(licensed band operation)及無執照頻帶操作(unlicensed band operation)，分述 如下：

„ 執照頻帶操作(licensed band operation)：

有執照頻帶主要是用在主要網路之中，而且，感知無線電網路會著重在偵測 主要用戶是否存在。其通道容量(channel capacity)取決於附近主要用戶的干擾。

一但主要用戶出現並使用這個通道，感知用戶就必須退出這個頻帶並立即移到可 用的頻帶上。

„ 無執照頻帶操作(unlicensed band operation)：

如果主要用戶都不存在的時候，感知用戶就有權力去使用頻譜，而且，感知 用戶需要更加複雜的頻譜分享方法去競爭無執照頻帶。

（3）網路異質性

如圖二，感知用戶有三種存取模式：

„ 感知網路存取(CR network access)：

感知用戶可以存取自己的感知無線基地台，也可以操作在執照頻帶及無執照 頻帶上。因為感知無線電網路之間的互動，感知無線電網路的頻譜分享策略可以 跟主要網路相互獨立。

„ 感知隨建即連網路存取(CR ad hoc access)：

透過隨建即連網路，感知用戶之間的溝通也可以操作在執照頻帶及無執照頻 帶上。

„ 主要網路存取(Primary network access)：

感知用戶也可以透過執照頻帶跟主要用戶溝通，但是感知用戶需要一個適應 性媒體存取控制(MAC，medium access control)協議，才能利用不同的存取技術漫 遊在多個主要網路之間。

（4）頻譜管理組織

感知無線電網路的重點在於如何與主要用戶共存並且滿足所需的服務品 質，所以，新的頻譜管理功能是必要的，但是也面臨三點設計上的困難，分述如 下：

„ 干擾避免：

感知無線電網路應避免去干擾到主要網路。

„ 服務品質的認定：

為了可以決定出適當的頻帶，感知無線電網路必須要對服務品質有認知的能 力，同時還必須考慮動態及異質性頻譜的環境。

„ 無縫通訊：

不論主要用戶是否出現，感知無線電網路都必須能提供無縫通訊，使通訊不

中斷。

面對上述三項挑戰，感知無線電網路必須有能力去管理頻譜，而頻譜管理的 過程包含了頻譜感知(spectrum sensing)、頻譜決策(spectrum decision)、頻譜共享 (spectrum sharing)以及頻譜遷移率(spectrum mobility）。感知無線電網路的頻譜管 理組織如圖三所示，從各層級大量的互動可以發現頻譜管理的功能是需要一種跨 層設計的方法。

圖三：感知無線電網路的頻譜管理組織

4.4 頻譜感知(Spectrum Sensing)

感知無線電機可以感知所處環境的變化而做相對應的改變，因此，頻譜感知 是實現感知無線電網路最重要的能力。頻譜感知讓感知用戶能夠偵測頻譜空洞以 適應當時的環境，而不干擾到主要網路。所以頻譜感知的實現，需要透過即時寬 頻感知能力去偵測微弱的主網路信號。一般而言，頻譜感知的技術分為三類：主 要發射機檢測，主要接收機檢測和干擾溫度管理。

（1）主要發射機檢測：

發射機檢測是感知用戶去檢測主要發射機所發出的微弱信號，通常有三種方 法：匹配濾波器檢測(matched filter detection)、能量檢測(energy detection)和特徵 檢測(feature detection)。

如圖四(a)所示，由於缺乏主要用戶跟感知用戶之間的互動，發送器檢測技術 僅能依靠從主要發射機所發出的微弱信號，因此，感知用戶並不知道主要接收機 的資訊，所以主要發射機檢測技術無法避免干擾到主要接收機。而且，發射器檢 測模式並不能防止隱藏終端問題(hidden terminal problem)。

另如圖四(b)所示，一個感知用戶可能對一個感知接收機有良好的視線通 信，但是缺因為遮蔽效應(shadowing)而無法偵測到主要接收機的存在。因此，從 其他用戶獲得感知資訊是必要的，這可以增加主要發射機檢測的正確性，我們稱 此法為協同檢測(cooperative detection)。理論上，協同檢測透過合作機制會比單 一用戶檢測更加正確，而且，多徑衰褪(multipath fading)跟遮蔽效應也能因此減 輕。不過，協同檢測方法需要過多的資訊流量，這在資源有限的網路中會造成不 良的影響。

圖四：發射機檢測問題，(a) 隱藏終端問題(hidden terminal problem)；(b) 遮蔽效 應問題

（2）主要接收機檢測：

雖然協同檢測可以降低干擾主要接收機的機率，但是對感知用戶而言，檢測 頻譜空洞最有效的方法則是直接偵測正在接收數據的主要接收用戶。通常，主要 接收機的射頻前端(RF front-end)會發出本地振盪器洩漏功率(local oscillator leakage power)，感知用戶可以針對此功率做檢測，不過，由於此洩漏信號通常 較弱，所以一個可靠的偵測器就顯得非常重要。目前這個方法也只實踐在電視接 收機的檢測。

（3）干擾溫度管理

傳統上，透過發射機的輻射功率及位置，干擾可以在發射端受到控制，然而，

干擾實際上是發生在接收端的，如圖四(a)所示。因此，美國聯邦通訊委員會 (Federal Communications Commission，FCC)最近發展了一個新的模式用於測量干 擾，稱為干擾溫度。這種模式將接收機所能容忍的干擾量作為干擾溫度極限，使

得在接收端的干擾受到了有效的控制。只要感知用戶不超過這個限制，就可以使

4.5 頻譜決策(Spectrum Decision)

感知網路還需擁有決策的能力，該能力會依據設備所需之服務品質，從可用 損失(Path loss)、無線鏈路錯誤率(Wireless link errors)以及鏈路層延遲(Link layer delay)。

（2）決策程序

在將可用的頻帶訂出特性之後，就可以依據服務品質需求及相對頻譜特性選 出最適合的頻帶來使用，因此，傳輸模式及使用頻寬就會被重置。為了可以清楚 地描述感知無線電網路的動態特性，必須先定義一個新的標準，那就是主要用戶 的活動性(primary user activity)，主要用戶的活動性的定義就是一位主要用戶在感 知用戶傳輸時出現的機率。因為當感知用戶在使用頻帶時，感知用戶無法確保這 個頻帶會一直可用，所以必須考慮主要用戶多久會出現在這個頻帶。

然而，由於主要網路的運作，感知用戶很難在長時間內建立可靠的通訊通 道，而且，感知用戶也許無法偵測到任何可用的頻帶去滿足用戶的要求。因此，

在感知無線電網路中，感知用戶可以同時使用多個不連續的頻帶來傳輸訊號，如 圖五所示。這個方法不僅可以建立一個高數據容量的信號，而且也可以避開干擾 跟主要用戶的活動性的影響。即使在目前使用的頻帶中，其中一個頻帶必須換 手，剩餘的頻帶也會維持目前的通訊傳輸。

圖五：多個頻譜決策的通道結構

（3）頻譜決策之未來挑戰

„ 決策模式：

在感知無線電網路中，頻譜容量只使用訊雜比(signal-to-noise ratio，SNR)是 不足以將此頻帶描繪出特性或定性，而且，不同設備的服務品質需求也不相同，

因此，適應性的設備及適應性的頻譜決策模式之設計都是目前開放的議題。

„ 重置性協同(Cooperation with reconfiguration)：

感知無線技術使得傳輸參數可以重置，並操作在最佳之頻譜上，例如，不需 要做頻譜決策，只利用適應性調變功能，即使訊雜比改變，傳輸率(bit rate)及傳

輸錯誤率(bit error rate，BER)仍然可以維持不變。因此，對於頻譜決策而言，重 置性協同組織是需要的。

„ 異質性頻帶的頻譜決策(Spectrum decision over heterogeneous spectrum bands)：

目前，某些頻帶因為不同目的而被分配使用，而有些頻帶則是維持無執照的 情況，因此，感知無線電網路應該要能支援頻譜決策可以操作在執照及無執照兩 種頻帶上。

4.6 頻譜共享(Spectrum Sharing)

無線通道的共享性需要感知用戶間在傳輸上的合作，在這方面，頻譜共享應

無線通道的共享性需要感知用戶間在傳輸上的合作，在這方面，頻譜共享應