认知无线电在700MHz 网络建设中的应用

发布时间:2020-09-18 作者:陈相 阅读量 :

认知无线电的起源与发展

        认知无线电的概念最早出现在1999年,由“软件无线电之父”Joseph Mitola博士提出,旨在充分利用无线设备的计算能力,通过人工智能技术不断感知外界的环境变化,检测未占用频谱并加以利用。这项技术可以在复杂的电磁环境下保障通信服务质量,但是在当时却并没有受到重视,主要是因为2000年前全球的无线电资源十分丰富,运营商完全可以采用新增频谱的简单方式实现通信系统容量与服务质量的双向提升。

        2000年后,随着WLAN、WRAN、UWB、Wi-Fi、Bluetooth、WiMAX等技术逐渐推广,移动通信技术也由2G大步迈进3G、4G、5G,传统无线通信使用的特高频(UHF:0.3~3GHz)用途越来越多,承载用户也越来越多,频谱资源愈发紧张。因此业界在积极向超高频(SHF:3~30GHz)扩张的同时,逐渐重视当前频谱利用率的提升。

认知无线电技术是解决频谱利用率低的有效手段。当无线频谱分配给某一组织时,无论该组织是否发送数据,其他组织都不能占用该频谱,造成频谱利用率低下。认知无线电技术可以充分利用检测到的“频谱空洞”,一方面提高通信系统的服务质量,另一方面提高频谱资源的利用率。美国电气电子工程师协会(IEEE)和国际电信联盟(ITU)等标准化组织均已展开对认知无线电技术的研究,制定相关的标准和协议。

认知无线电是700MHz网络建设的最佳选择

        2020年5月20日,中国移动和中国广电官宣5G共建共享合作框架协议,双方在全国范围内共建共享700MHz 5G无线网络。

        由于历史原因,700MHz频段最早规划用于数字电视地面广播(DTMB),全国范围内有6000余座登记在案的广播电台,此外还有若干根据业务需求临时开启的短期电台、民间私自使用的非法电台等。为避免这部分信号与未来建设的700MHz 5G网络之间互相干扰,首先需要对全国范围内的700MHz广播电台进行频率迁移。当移频工作完成后,面对仍然存在的不明电台干扰,在定位干扰源位置的同时,首先需要保障700MHz 5G网络通信服务稳定性,充分利用未干扰的频谱继续服务于用户,此时,认知无线电技术就成为了最佳选择。

认知无线电技术应用于700MHz网络的探索

        认知无线电作为一项问世不超过20年的新兴技术,中兴通讯率先将之应用于国内700MHz网络建设,克服了频谱检测、自适应频谱资源分配和无线频谱管理等关键技术问题,是认知无线电技术创新落地的重大进展。

        上行频段通过预留空白RE资源、采样环境信号的方式,识别位于上行频段的干扰信号,并在与700MHz 5G终端的上行通信过程中屏蔽已经被干扰的频谱,充分利用未干扰频谱的RB资源块;下行频段基站接收来自终端的信道质量反馈,不再调用已被严重干扰的子带,在剩余子带中,采用灵活的调度策略,终端少时保障终端通信质量,终端多时保障整体系统容量,使得存在下行干扰的情况下,得以最大限度利用700MHz频谱。详细干扰规避流程图如图1所示。


            图1    上下行干扰规避流程

        详细来说,在上行频段(UL:703~743MHz),基站会提前预留子帧内特定时刻的全带宽RE,用于环境信号采样,不参与通信系统上行资源分配。由于该部分RE既不会用于终端发起上行业务请求,也不会用于终端发送上行业务数据,因此在该部分RE上接收到的信号中,不包含正常用户信号,全部为干扰信号。环境信号采样基于每个子帧,因此整个跟踪过程可以实现毫秒级别的精度。

        在获得全带宽的干扰信号数据后,为避免数据量过大、占用存储资源过多,影响基站正常处理用户业务,需要定义一个可编辑的上报周期(中兴通讯建议为10ms),将整个周期内的干扰数据进行平滑化处理,降低冗余,根据处理后的结果更新干扰图谱,存储在通信系统内部。干扰图谱是一个以RB为横轴,以干扰功率为纵轴的柱状图,基站基于设定的判定门限筛选满足要求的RB资源块。直到下一个上报周期来临时,基站都将基于已有的干扰图谱调度上行资源,只有筛选出满足要求的RB资源块才会分配给终端,其余RB资源块默认已被严重干扰无法使用。

        在下行频段(DL:758~798MHz),基站仅能发送下行数据而无法评估下行信道质量,因此,下行干扰的评估完全依赖于终端设备的反馈。终端设备受限于系统能力,只能将8/16个RB编为一组,称之为子带,终端评估每个子带的信道质量并反馈到基站。子带是终端评估下行信道质量的最小单位,虽然无法实现上行基于RB级别的评估效果,但已经远远超过4G时代将所有RB作为一个整体评估的精度。

        基站接收到终端反馈的子带评估结果后,基于设定的判定门限筛选满足要求的子带,同时对全部子带的质量进行高低排序,根据基站活跃用户数,采用不同的调度策略:

        -当活跃用户数较少,系统容量宽裕时,基站将根据子带质量排序,只选择高质量子带用于下行数据发送;

        -当活跃用户数适中,系统容量不受限时,基站从全局考虑,为每个终端选择合适的子带互相适配,实现整体系统资源利用率最大化;

        -当活跃用户数较多,系统容量受限时,除满足门限要求的子带外,部分低于门限的子带也将用于下行数据发送。

        在无线频谱资源日益紧张的今天,如何提高频谱效率是所有运营商共同面对的难题,尤其在700MHz 5G移动通信网的建设上,数字广播移频后仍然存在的不明干扰将会直接干扰5G网络的信号质量,严重时致使5G网络阻塞中断,既影响客户体验,又浪费了700MHz黄金频谱。基于这一背景,中兴通讯坚持创新,率先将认知无线电技术应用于700MHz网络建设,快速规避随时可能出现的不明干扰,充分利用700MHz频谱提供5G网络服务,为中国特色700MHz 5G网络商用部署提供有力的支撑,也为将来进一步的大规模应用提供了宝贵的实践经验。