AD HOC 網路之感知無線電頻譜管理機制

Ad Hoc network(隨建即連網路)為一種能夠在沒有預先建置網路裝置的環境 下，由無線主機所臨時組成的網路。Ad Hoc network 最主要有兩個特點；首先，

Ad Hoc network 簡化一般網路管理的程序以達到系統穩定性和使用上的彈性，其 次，Ad Hoc 可以在位置移動、不定的連結或無法預測流量的環境下，作最理想 存取裝置必須具有在 5GHz 頻帶上有動態頻譜選擇(DFS)的能力，這表示 Ad-Hoc 存取裝置可以利用動態頻譜選擇(DFS)技術偵測傳輸通道內是否有其他設備，在 取(Carrier Sense Multiple Access)的技術進行資料的連線與存取。在連線之前，每 個網路節點會彼此進行協調，來決定任兩個網路結點所使用的通道，更進一步

整個網路的運行，具有很強的抗毀性。

2. 自我組織：

Ad Hoc Network 的佈設或展開無需依賴於任何預設的網路設施。節點通過分 層協定和分散式演算法發展各自的連線方式，節點透過無線電訊號的接觸後 就可以快速、自動地組成一個獨立的網路。

3. 多點式跳躍連接：

當節點要與其覆蓋範圍之外的節點進行通信時，需要中間節點的多點式跳躍 轉接。與固定網路的多點式跳躍不同， Ad Hoc Network 中的多跳路由是由 普通的網路節點完成的，而不是由專用的路由(Routing)設備(如路由器)完成。

4. 動態拓撲：

Ad Hoc Network 是一個動態的網路。網路節點具有高度的機動性，因此，網 路的拓撲架構不是一個固定的架構，其拓撲架構是隨時在變化中。

Ad hoc 網路的傳送與接收通常不在視線(line of sight)中。它利用節點間資料 封包的轉傳，橫跨網路將資料送達。圖一描述了 Ad hoc 網路中多跳躍(multi-hop) 繞送的現象；A 點的信息藉由 C、D、E、F、G 的跳躍傳送，最後傳達到 B 點。

圖一、一個信息封包的傳遞路徑

此外，Ad Hoc Network 是一種具高度機動性的動態拓撲網路架構，因此，

路由(Routing)的效率對整體Ad Hoc Network效能及自我組織能力影響甚鉅。近年 在無線區域網路興起後，也有不少路由相關的研究。目前相關的研究都因襲傳統 固定網路的通訊路徑演算法，即假設最短路徑(minimum number of hops) 就是最 佳方案，而致力於尋找最「佳」的分散式演算法。但是在感知無線電的使用環境 遠比固定網路複雜而多變，路徑信號強度、設備故障、電力供應中斷等均會影響 感知無線電裝置(Ad Hoc)的選擇，且各節點的資源、移動性差異甚大，因此，利

用感知無線電技術的Ad Hoc Network協定設計需求目標應為：

1. 最佳化(Optimality)：

協定應具備最佳的選擇能力、換句話說是最快找到路徑的能力。

2. 彈性(Flexibility)：

是指一種適應的能力，以適應持續改變的感知無線電裝置，如回應網路的中 斷、恢復、以及頻寬和延遲時間等等的改變。任一路徑中的節點發生問題後，

應該可以很快地選擇下一個最好的路徑來避開問題的網路。

3. 快速收斂(Rapid convergence)：

任何互連網路的改變，應該儘可能以最小的 時間散播給網路上每個路由節 體無線電(software define radio)等新技術。然而，美國國防部的無線網路應用如：

聯合戰術無線電系統(Joint Tactical Radio System)、寬帶網路波形(Wideband Networking Waveform)和士兵無線電波形(Soldier Radio Waveform)等無線電皆必 須和其他軍事或民用系統共存，這大大限制頻譜使用範圍與應用。為了解決這個

3.3 規範發展的實際範例

應該由無線電和通訊協定設計人員自己指定。舉例來說，不應該規訂使用指定的 波形。 規範應該保持最低程度的限制，以確保系統靈活運作。Ad hoc 無線網路 只要遵守共存的規則，就可以依自己想要的模式運作。不過需要討論的是，網路 的控制應不應該包括通道和信標(beacons)；基本上，這些東西不需要包括在規範 當中，只需要系統商決定網路運作方式。當然，所有規範都需要由無線電實際測 試來驗證是否可行。我們以下列例子來看 AD Hoc 網路規範的案例：

案例一、5GHz 雷達與無執照無線存取系統共享

WRC-03 是適用於感知無線電法規的發展前例，它允許無線存取系統(無執 照操作)操作在 5GHz。WRC-03 規範允許雷達和無線存取系統共享 5GHz 頻譜。

共享的基本條件建立在 5230-5350MHz 及 5470-5725MHz 頻帶間的動態頻譜選 擇。

其規範標準流程整理如下：

a. 最大的信號傳輸水平及無線存取系統(無執照的設備)的 EIRPs。

b. 傳輸之前聽取(CSMA)。

c. 在傳輸時並須監測始否有雷達存在。如果偵測到雷達的信號，十秒之內 一定要停止傳輸。

d. 至少要等 30 分鐘，才可以重新嘗試佔領雷達空出來的通道。

進一步，FCC 批准的 5GHz 共享情況，是感知無線電共享標準制定的好典範。用 在無執照國家資訊基礎建設(U-NII)之設備的這些標準規範，都是以 FCC 的條例 (47C.F.R.§ 15.407)作為標準。

根據上述流程，目前仍有幾項議題值得大家注意，分別敘述如下：

(一) 檢查通道是否可用之時間：無執照國家資訊基礎建設(U-NII)之設備在傳輸啟 動通道或者移動到新通道之前，應該檢查是否有雷達系統已經在通道上的操 作。若 60 秒內沒有偵測到任何雷達系統的功率水平高於干擾門檻時，該設 備就可以開始使用此通道。

(二) 更換通道時間：在偵測到雷達存在後，10 秒之內一定要停止傳輸。在這 10 秒內，最多只能維持 200ms 的正常傳輸，剩下的時間必須發送管理和控制 信 號，以方便空出操作通道。

(三) 非佔用期：此通道已經被標記為有雷達系統，因此它有至少 30 分鐘的非占 用期。非占用期的時間由雷達被偵測到時開始計算。

現在我們來說明 FCC 的這些規範。圖二顯示出這些規範的涵意。從圖二我 們可以看到，當節點偵測到雷達信號後，只能維持 200ms 的正常傳輸，在剩下 的 10 秒內可以發送周期性的管理和控制信號。這使感知無線電系統有足夠的時 間來決定和搬遷到新頻譜通道上。如何達到這樣的目的由網路設計者設計，不應 該在法規內限制。另外，IEEE 對更換時間的要求更加寬鬆，並且在回應 FCC 03-287 時表示：偵測主要雷達信號的條件與設備應用有關，因此這也不需要納入 FCC 的規範當中。IEEE 同時表示這樣的靈活性，才不會限制未來性能更好的創 新方法出現。

圖二、在雷達和無執照操作之下的動態頻率選擇(DFS) 案例二、無執照感知無線電系統對氣象雷達的干擾測試

在 ITU WRC-2003 規範下，加拿大已經完成無線存取 DFS 系統對氣象雷達 的影響測試。此測試得到一些結論：

(a) 動態頻率選擇(DFS)會比無線存取系統破壞雷達傳輸更早發現雷達的存在。

(b) 雷達效能退化與平均干擾能量有關；-79dBm 是不讓雷達效能退化的邊界值。

目前國際無線電規範的改變約需 5~10 年，這樣的改變是發展而非革命。現 代化頻譜管理主題並不在 WRC-07 的議程上。另外，WRC 指出現存的國際規範 中提供了對感知無線電的支援；其中規定：除了有明確的條件下，會員國行政當 局不得轉讓頻率劃分表內或其他條例規定的任何頻率給接收站；若使用授權的頻 率，接收站不得造成有害干擾，也不能要求免除有害干擾，使用者必須按照憲法 規定、公約和規章來經營。而 ITU-R 更引用 ITU-R M 162 附件一的內容；即感

知無線電在它移動之前，允許在通道上停留 10 秒，在這 10 秒內不得產生有害干

I. 最小信號水平:

[1] XG Working Group, The XG Vision, Request for Comments, Version 2.0, Fall 2004

[2] ITU Radio Regulations (WRC-03) Allocation of 5.47-5.725 GHz to the mobile service for implementation of wireless access systems (WAS) including RLANs, subject to the provisions of Resolution 229

[3] Xue, Feng and P.R. Kumar, The Number of Neighbors Needed for Connectivity of Wireless Networks, Wireless Networks, 10, 2004 pp 169-181. Kuwer Academic Publishing].

[4] Proposer Information Pamphlet (PIP), BAA 05-05 for Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Advanced Technology Office (ATO)]

[5] Sydor, John, Interference Resolution in Frequency Reuse Environments using Cognitive Radio, Berkeley Wireless Research Center Workshop on Cognitive Radio, November 2004

[6] IEEE 802.18 RR-TAG Comments to FCC 03-287 (2003)\

[7] FCC, NPRM (FCC 03-322) Proposed changes to the Commissions authorization process to better accommodate software-defined radios and smart radio systems. December 17, 2003

[8] Berggren et al.Dynamic Spectrum Access, Phase 1 Report TRITA-S3-RST-0407, September 23, 2004

[9] FCC NPRM Unlicensed Operation in the TV Broadcast Bands, ET Docket No.

04-186 May, 2004

[10] FCC NPRM, Unlicensed Operation in the Band 3650-3700 MHz Docket No.

04-151, April 2004

[11] NTIA (2004) Spectrum Policy for the 21ST Century – The President’s Spectrum Policy Initiative: Report1, Recommendations of the Federal Government Spectrum Task Force June 2004 Executive Summary Spectrum Sharing Innovation Test-Bed

[12] Brandao, Andre, John Sydor and Wayne Brett 5 GHz RLAN Interference on Active Meteorlogical Radars, IEEE VTC2005-Spring 2005