感知無線電標準化的發展

目前無線通訊系統的佈建日漸普及，無線通信方面的相關應用也如雨後春筍 般蓬勃發展，然而，目前的通訊頻譜使用是相當缺乏效率的。為了改善這個問題，

感知無線電技術遂應運而生，期能解決頻譜利用率低落的問題。感知無線電技術 能提供通訊系統低成本與高彈性的設計空間，它先藉由感測周遭的無線電環境來 改變通訊系統的通訊頻率、調變或編碼，利用這樣的方式充分使用該區域的閒置 頻段，藉以提高系統的頻譜使用頻率。目前，美國聯邦通信委員會（FCC）和英 國的通訊聯絡辦公室（Ofcom）已經將感知無線電(Cognitive Radio)與動態頻譜共 享(Dynamic Spectrum Access)技術應用在數位電視頻譜的管理上，除了上述政府 機關之外，一些國際電信聯盟標準化組織像是國際電信聯（ITU-R）與美國電子 電機協會(IEEE)都對此感知無線電進行研究與探討。

感知無線電在具體的實做上可藉由軟體程式設定而在不同的協定下重新調 整操作頻率，以符合不同的使用者的不同需求。另外在 IEEE SCC41 (中)P1900.1 將感知無線電做更具體的定義如下：

a. 感知無線電為一種能夠在通信系統中感知環境和系統內部狀態，並且能夠 利用這些訊息來達成預先設定目標。

b. 感知無線電可利用無線電技術與其他相關的電子技術，自動調整其行為或 操作，以達到預期的目標。

圖一 感知無線電系統構成概要圖

圖一為一個可能的感知無線電系統構成概要圖。其主要元件為可重新配置的 無線電元件、感測元件與推理判斷元件，這三個配合政策(policy)元件與資料庫 (database)來達到感知無線電的目的。首先，必須有一個可以透過一些參數而重新 配置的無線電元件，在不改變硬體的架構下的傳輸過程中，即可以調整相關的傳 輸參數，這些傳輸參數包含工作頻率、調變波形、輻射功率、傳送格式，結構長 度，調變型式，空間傳輸模式等，軟體的方式去定義這些參數以達到最大的系統 靈活度。接著，利用一感測元件在無線電環境中找出和感知相關訊息並辨識出特 定時間與空間的頻譜作為使用頻譜資源並選擇最適當的頻譜與傳輸參數。最後，

利用推理判斷元件，接受來自感測元件所輸入訊息和政策資料庫。該推理判斷元 件可以從經驗中學習。藉由對新狀況的組合分析，不僅僅只是使用預先編碼的演 算法，同時也利用結果作為學習機制。在標準的 IEEE 802.22 [8]，推理判斷元件 被當成為頻譜管理的重要依據。除了三個主要元件之外，感知無線電系統需要依 政策資料庫來決定什麼行為是在什麼情況下可以接受的。而這樣的資料庫可用來 動態配置參數，並允許更新其內容。

IEEE 在這一領域曾經有兩個著名的標準活動- SCC41（以前稱為 P1900）[9]

和 IEEE 802.22 [8]。這兩個標準活動都有一個工作小組來討論感知無線電共存 (sharing)的議題。這議題的主題為將不同的系統做標準化的定義，已達大量使用 的目的。由此可知，對無線系統而言，在相同頻帶下使用不同的協議應用是非常 重要的。這個問題在無執照頻帶(unlicense band)的應用環境更是重要，種類繁多 的應用與 IEEE 標準如 802.11、IEEE 802.15 和 IEEE 802.16 都需要被嚴格的定義 清楚以避免信號被干擾。

對共存的議題而言，動態頻譜存取(DSA)與感知無線電(CR)技術的應用可以 被認為是一個共存技術的演變。在有明確定義及分配的結構、頻率的系統中如 802.16e 或 m 下，共存議題會較易解決。然而在 IEEE 802.22 系統中，頻譜主要 使用者如無線麥克風可以隨時開啟跟關閉，或是第二級使用者如網路服務提供者

(ISP)會競爭相同的可用頻率(空白空間)，因此共存的問題便變得很難解決的。

圖二顯示的是感知無線電標準在 IEEE 中對時間的演進，我們以共存標準當 作一個開始點，一開始的共存標準以避免被干擾為目標，專家學者在初期提出了 可以透過手動協調來減經干擾的感知技術。在 1999 年就開始發展這些感知技術 並將之視為第一代的共存標準。接著，人們了解到手動協調的技術可以改成自動 化運作，而具有自動化運作的類功能即為第二代的標準，如 DFS 和 PC。在圖二 中的紅點是指其的基本工作已經完成，那些沒有紅點則是仍在發展。目前為止，

在特定頻段中保持次級使用者不影響到主要使用者(有執照者)為感知無線電中 最為重要的應用，這是因為當頻譜全部都被分配給主要使用者時，會時常發生頻 譜短缺的問題(特別是在 VHF 跟 UHF)。但根據一天的時間和地理位置，大部分 分配給主要使用者的頻段可能都沒有被使用到(見[10]例子)，而次級使用者可以 在主要使用者沒有使用該頻段時利用該頻段來操作，所以次級使用者定義為可使 用特定閒置頻譜的投機使用者。

圖二 感知無線電標準在 IEEE 中對時間的演進

2.2 感知無線電相關標準化活動

手動協調的感知無線電共存的標準訂定清楚解釋干擾與減輕被干擾的機 制。這些工作對於後來演進的自動偵測與頻譜共享奠定了良好的基礎，許多標準 包括動態頻率選擇(DFS)和發射功率控制(TPC)用來協助達成頻譜共享的目的。這 些技術被設計用於偵測其他系統的使用狀況，動態地修改使用頻譜來保護主要使 用者並允許在不同使用規章下達到共享頻譜的目的。在功能上他們幾乎和 DSA 系統為相同的，也能在 IEEE 802 標準中找到。迄今為止已完成標準的活動包括 IEEE 802.16.2-2001、 IEEE 802.15.2-2003、 IEEE 802.15.4-2003、IEEE

802.11h-2003、IEEE 802.16a-2003 和 IEEE 802.16.2-2004。更多關於標準的訊息 描述比較可以在[11]中找到。本文分幾個部份來討論這些規範。

A. 受關注已完成的 CR 標準

SCC 41 和 IEEE 802.22 已經成為主要的感知標準，許多已經完成的 IEEE802

標準清楚地定義/計算各種不同使用的情境如相關建築物的阻隔。例如

IEEE802.15 是其中一個率先加入共存議題的標準族群，因為 IEEE802.15 規章需 要共享同樣由 IEEE802.11 所使用的無執照許可頻段(2.4GHz)。

IEEE 802.15.2 作業團隊在定義感知無線電的共存及它如何發展與量測，在 他們的工作中有值得推薦的實際作法。IEEE 802.15.2 內含協調與非協調技術用 於改善一般系統間的共存，特別是在於 IEEE 802.11 和 IEEE 802.15 之間，而 IEEE 802.15.2 定義共存如下：

「在一給定的共享環境下，各個系統能執行自己的作業程序，但每個系統不 一定有相同的規範」。對於這類共存的系統沒有要求要使用感知技術，但感知技 術可以促進整體性統的使用狀況。

其他先前一些有關感知無線電的 IEEE 標準用來規範 DFS、動態頻道選擇 (DCS)及 TPC 的相關議題。這些標準包括有 IEEE 802.11h、IEEE 802.16-2004 及 IEEE 802.15.4。這些是規範定義有關其他系統(如軍事雷達)可能操作在非專用頻 帶(UNII)及需要保護的頻帶的議題。這些技術發展對 802.11h 可以應用在其他有 相似議題的通信系統有極大的幫助，而且連同感知無線電技術加以運用發展，而 IEEE 802.16-2004 是包括 DFS 和 TPC 的另一個標準。

B IEEE SCC41

標準協調委員會（SCC41）發起區域動態頻譜存取網絡（DySpaN）標準化 專案。由 IEEE 通信和電磁共容協會共同主辦 SCC41 / P1900 活動，SCC41 負責 規劃管理干擾的技術、動態頻譜存取方法、無線技術的協調，及包括網絡管理和 信息共享。SSC41 認為軟體無線電(SDR)對動態頻譜存取是一個關鍵因素 [12]，

在不改變物理層（PHY）和媒體存取控制（MAC）的前提下，軟體無線電專注 於發展建構觀念、規範互不相容無線網路間的管理流程。SCC41 [13]正在發展將 在無固定網絡設施的網路環境下，垂直與水平的網路整合管理方法。

圖三表示在感知與非感知無線電存取網路之間的頻譜管理操作概念。該網絡 可重新配置管理（NRM）與終端無線電管理（TRM）的互通訊息，以提供在無 基礎的固定網路設施之間的提供互相操作的能力。

P1900.4 標準的基礎設施將允許終端和可重整網路利用現有的網路基礎設施，使 工作無縫連接在一起。SCC41 並透過（P1900.5）和射頻頻譜遙感（P1900.6 這兩 個新的工作組織來製作發展介面的架構。

圖三 在感知與非感知無線電存取網路之間的頻譜管理操作概念

C. IEEE 802.22

IEEE 802 LAN/MAN 標準委員會創立 802.22 工作組織(WG)來對應由 FCC 所 規定的無執照類比電視頻帶之使用狀況。在沒有干擾到 VHF 及 UHF 頻帶 (54862MHz) 情況下(也被視為電視的空白空間)，IEEE 802.22 定義了免執照元件 所使用的空間界面。底下是對 IEEE 802.22 的一些細部加強討論。

圖四所描述的是用在 802.22WG 的感知無線電節點所提議的協議參考模型 (PRM)，PRM 界定了系統架構、不同方塊的功用還有他們之間的交互作用，在 PRM 中，將系統拆解為感知、資料數據/控制，及管理等介面。在資料數據和控 制及管理介面方面有著和其他 IEEE 相似的標準，如頻譜感測功能(SSF)和地理資 訊功能。而 PHY、MAC 及轉換層基本上都會跟 802.16 有相同的定義，此外，為 了提供保護作用，在服務存取點(SAP)之間通常會加上安全底層。

802.22WG 已採用了許多和 PHY、MAC 及服務品質(QoS)相關的特色，這些 出自於 IEEE 802.16-2004 和 802.16e 的標準已經針對其不同的傳播及操作情況特 點做了些必要的調整。另外，802.22 的安全工作也正在進行中，如圖四所示，安 全機制被安插在 802.22 系統的 PRM 中，其目的為增加對資訊的偵測、管理/控 制及感知功能。對資料及管理/控制介面的安全指標包括有身份驗證和可用性、

授權，保密和隱私及不可拒絕性。而對感知界面的安全指標則是包括有身份驗證 和可用性，授權，保密和隱私。

802.22 已經主動的加上自我共存的議題，其主要原因為訊號在 VHF/UHF 頻帶的 系統上有較遠的傳輸距離，在使用相似的頻率的情況下，如果不變化的 WRAN 細胞，將有更多共通道的干擾。