干扰温度机制的研究进展

    干扰温度机制是美国联邦通信委员会(FCC)为应用认知无线电(CR)技术以提高频谱利用率而提出的一种方法[1]。2002年，FCC专门成立了频谱政策特别工作组(SPTF)来研究CR技术，提出利用授权用户的信噪比裕量，使非授权用户和授权用户同时使用同一频段进行工作，以自适应的、动态的方式实现多用户的频谱资源共享，最大限度地提高频谱利用率。2003年，FCC在法规制定提案通告(NPRM)[2]中，明确了这种在授权用户预留频谱上承载非授权通信的方式，干扰温度机制是其关注焦点。

      根据香农定理，在噪声与信号独立的高斯白噪声信道中，信道容量和系统信噪比有关。提高信噪比可以增加信道容量；反之，可以通过损失部分信道容量来降低对系统工作信噪比的要求。基于这种考虑，利用现有授权用户系统的信噪比冗余量，可使授权系统损失部分信道容量允许非授权用户接入工作。这样，既保证了原有授权系统的正常运行又为新的非授权用户提供了工作的机会，从而提高了频谱利用率。

      基于干扰温度机制的CR技术，在学术界引起了广泛的关注和讨论，包括Wi-Fi联盟、高通公司、Sprint公司、Shared Spectrum公司等在内的一系列通信运营商也参与其中。很多系统工作者和科研人员认为开发新的频谱管理机制是必要的，但质疑干扰温度机制的有效性和合理性。本文将对干扰温度机制的提出、应用及发展情况作一总结。

1 干扰温度机制的提出
      在CR频率共享系统中，当授权用户与非授权用户共享同一段频谱工作时，必须首先确保授权用户的正常工作。系统需要预先估计授权系统可以接受的干扰值，预测引入非授权用户后在授权用户接收机处带来的干扰，依此来判断是否允许非授权用户的加入。因此在频率共享系统中，干扰控制措施，即功率控制方式显得极其重要。

      在现有的传统频率复用蜂窝通信系统中，功率控制是一种以发射机为中心的方式，基站通过检测上行链路各个用户的信号强度，既可以完成下行的发射功率控制，也可以通过反馈信道控制移动台上行的发射功率。该方式的缺点是基站无法解决外来的干扰源对移动台通信质量的影响。而在CR频率共享系统中测量非授权用户接入引起的干扰值的过程，实际上是测量大量外来干扰源的介入影响。因此，传统的以发射机为中心的功率控制方法不再有效，必须寻求新的干扰功率控制的解决方案。针对这一问题，FCC提出了一种以接收机为中心的、接收机与发射机交互式的自适应功率控制方式，传统基站所扮演的角色将很大程度上由分散的接收机来承担。

      这一提案的基础是干扰温度机制：通过接收机端的干扰温度来量化和管理无线通信环境中的干扰源。在干扰温度机制中，干扰温度用来表征非授权用户在共享频段内对授权用户接收机产生的干扰功率和授权接收机处系统噪声功率之和，类似于热噪声功率可以用等效噪声温度来进行描述：Pn =K·T·B,Pn 为噪声功率，B为相关的RF带宽，K为波尔兹曼常数，T为热噪声温度，干扰温度是干扰功率的另一种表示形式。

      同时设定一个保证授权用户系统正常运行的“干扰温度门限”，该门限由授权用户系统能够正常工作的最坏信噪比决定。非授权用户作为授权用户的干扰，一旦累积干扰超过了干扰温度门限，授权用户系统就无法正常工作；反之，可以保证授权用户与非授权用户同时正常工作。

      干扰温度机制的目的是更好地量化和管理干扰，并在确定的频段上增加更多的非授权操作。相比以往仅基于发射机操作的简单评估方式，干扰温度模型基于实际的环境以及发射机与接收机间的交互，考虑了所有干扰源的累积效应。当某非授权用户装置发现自己的发射会导致干扰温度超过门限时，就选择不同的发射频率，如没有可用频率，则停止发射直到情况允许。

2 干扰温度机制的执行过程
      这种预测外来非授权用户干扰的方法就称为干扰温度机制，其执行过程涉及3个方面，如图1所示：

• 以某种方式准确地测量出授权接收机处的干扰温度，即非授权用户必须明确目标频带内现有的通信用户的工作状况，定量计算目标频带里可接受的干扰噪声的水平，并预测自己的接入会对原有授权用户接收机产生的干扰。
• 设置一个合理的“干扰温度门限”，只要引入非授权用户后产生的附加干扰温度值不超过预先设定的门限，系统就可以正常工作。
• 有效地控制非授权用户的累积干扰，使授权用户接收机处的干扰温度不超过既定门限，从而确保授权用户系统的正常工作。
  

3 干扰温度机制的应用
      基于干扰温度的概念，FCC给出了CR的定义[2]：CR可以在各频段自动感知非授权用户在授权用户接收机处产生的干扰温度值，若在某频段上非授权用户在授权用户接收机处产生的干扰温度小于系统预先设置的干扰温度门限，则该非授权用户就可以接入此频段工作，否则就继续寻找另外的可用频段。这样既保证了授权系统的正常工作，又为非授权用户提高了工作机会，最大化地提高了频谱资源的利用率。

      FCC提出的这种CR概念的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的非授权无线通信设备可以按照干扰温度机制“伺机”地接入授权用户正在工作的频段内。

      FCC在2004年5月开始考虑允许非授权用户在不对授权用户产生有害干扰的情况下使用电视频段[3]。FCC这种考虑的原因在于电视频段自身的特点相对更有利于实现CR的工作模式：

• 电视频段一般分配给特定的区域，相对来说是静态的。
• 电视发射机总是不断地工作，位置和频段很少改变。
• 电视系统的工作信噪比很高，一般高于10 dB。
  

      这些因素都使得对授权电视用户是否存在、授权接收机处的干扰温度的检测相对比较简单。同时电视频段与行政区域有关，为了避免干扰在相邻的区域不会使用同一频率，电视接收机的工作时间也相对固定，因此非授权用户与授权用户可以通过空间复用和时间复用两种方式共享频谱资源，如图2所示：

      利用干扰温度机制可以很好地控制CR用户的接入工作。

      美国加利福尼亚大学伯克利分校的N.Hoven和A.Sahai，在文献[4]中明确的分析了在高功率电视系统中，考虑两个用户(授权用户与具有认知功能的非授权用户)共享频谱时的干扰控制问题。通过分析不同位置测到的授权接收机的信干比，将授权用户接收机信号的本地信噪比近似换算为非授权用户与授权用户间的距离, 从而相应地调整非授权用户的发射功率。

      结果表明，在具有大通信距离的授权用户系统中，若授权用户损失一些可容忍的通信覆盖范围就可以给非授权用户带来很大的工作机会。

      可见，非授权用户能够以小功率通信的方式接入具有高功率发射机的授权系统(如高功率电视发射塔频段)，共享频谱同时工作[4]。首先，具有高功率的授权系统通信范围较大，系统有足够的信噪比冗余量，因此非授权用户有较高的接入工作机会；其次，在高功率的授权系统中，非授权用户可以很好地检测到已存在的授权用户信号，评估它与授权用户的距离，以确保它有合适的发射功率而不对授权系统产生不可接受的干扰。

4 干扰温度机制的问题
      大量的分析表明干扰温度机制的实行还存在一定问题。

      (1) 非授权的CR用户在目前工作效率已经很高的授权系统中以共享频谱的方式接入工作的有效性并不高。首先，非授权用户可以共享工作的机会很小[5-6]。现有的无线通信系统普遍具有动态的功率控制功能，可以根据背景噪声的大小动态调节发射功率，使发射功率维持在一个能够保持通信的最低功率水平上，这样使得授权用户信号和背景噪声之间没有可以被非授权用户依据干扰温度机制使用的信噪比冗余量。其次，非授权设备的引入将会导致授权系统噪声水平增加，减小系统的覆盖范围、容量和服务质量。实验数据表明一个GSM网络增加1dB的干扰会损失25%的网络容量，相应的要维持现状就要增加33%的小区数；一个EDGE网络增加1dB的干扰会损失15%的覆盖范围，相应的要维持现状就必须增加17%的小区数；一个CDMA系统增加1dB的干扰会损失10%-15%的覆盖范围，相应的要维持现状就必须增加12%-17%的小区数[7]。 美国Telcordia公司的Drs.Padgett和Ziegler在提交的技术分析报告[8]中指出：在共享频谱的情况下，由于引入了非授权用户的干扰，CDMA系统上行链路容量大幅度下降；非授权用户由于受到CDMA手持设备的影响，性能受到了很大限制。授权用户丢失的容量远远超过了非授权设备所能得到的容量，共享的结果是得不偿失的。由于这些原因，许多系统工作者反对在现有的无线通信系统中共享频谱。

      (2) 共享情况下，干扰温度的检测在很多情况下存在困难。FCC在它发布的报告NPRM中[2]给出了3种测量干扰温度值的方法：自我检测、间接检测和直接检测。这3种检测方法的实现均存在一定的问题。

      对于“自我检测”，即非授权设备自带干扰温度测量装置，感知它的传输功率水平，在自身的位置测量授权系统工作状况，并计算它的传输将会给同频带授权用户可能产生的干扰。利用这些信息，如果发现自身信号造成的干扰水平低于系统允许的工作门限，准许设备工作于该频段，否则禁止。

      这种检测方式中用户间干扰的避免完全由非授权用户负责，导致了典型的“隐蔽站”和“暴露站”的问题。例如在图3(a)所示的系统中，授权用户A正向授权用户B发送信息，同时非授权用户1欲向非授权用户2发送信息，若非授权用户1位于授权用户A的最大通信距离以外，则他会由于没有检测到授权用户A和B正在通信，而向非授权用户2发送信息，从而会干扰授权用户B接收信息，于是产生隐藏终端问题。同样在图3(b)所示的系统中，若非授权用户1位于授权用户A的最大通信距离以内，则他会由于检测到授权用户A正向B发送信息，而不会向非授权用户2发送信息，然而实际情况却是，由于授权用户B在非授权用户1的最大通信距离以外，因此即使非授权用户1向非授权用户2发送信息也不会干扰授权用户B接收信息，于是就产生暴露终端问题[9]。由于隐藏终端问题会造成对授权用户的干扰，而暴露终端问题则会降低频谱资源的利用率，因而自我检测机制无法正常有效的工作。

      对于“间接检测”，在一个固定的地区安置检测机不断的检测频段的干扰水平，并把它转化为干扰温度值，通过特定的信道报告给准备工作的非授权发射机，非授权用户以此来判断是否占用该频段。

      为了使得间接检测的测量值有效，必须保证检测机测量到的干扰和授权接收机受到的实际干扰有很强的相关性。但是，由于非授权用户位置的离散性和随机性使得授权用户接收机周围的干扰有着很强的地域独立性，不同位置测得的干扰值是不同的，这将使得检测机很难准确测出整个频带内的干扰水平。另外，为了保证测量的准确性，需要将检测机放置在授权用户接收机的附近。然而很多授权用户接收机的位置通常难以确定，例如：移动电台和广播接收机。而且广播接收机没有发射信号的能力，移动电台则经常处于空闲状态，因此授权用户接收机的位置通常不能有效的确定，使得检测机也无法准确放置。可以看出，间接检测机制受到检测相关性和检测机安装位置的限制，在很多场合下无法工作。

      对于“直接检测”，在下行链路中由受影响的授权用户接收机本身检测自身附近的干扰温度值，然后报告给各个非授权用户。这个方法可以克服 “间接检测”的上述缺陷，但是要改变现在所有的授权用户系统使它们具有测量干扰温度值的能力是很困难的。

      总之，目前来说使用上述3种检测方法，很难确切地得到干扰温度的估计值，使得基于干扰温度机制的共享频谱方式在很多情况下难以实现。

      综上所述，在现有的无线移动通信网络中，由于共享情况下非授权用户的工作机会很小、干扰温度值检测困难、对授权系统的服务质量影响过大等原因，许多系统工作者反对在工作效率已经很高的授权系统中允许非授权用户的接入。

5 干扰温度机制的进一步研究
      为了克服隐藏终端和暴露终端问题，A. P. Hulbert和S. Mangold等人于2005年提出了一种通过在非授权用户与授权用户间以及非授权用户之间传送简单控制信号来避免相互干扰的新型频谱礼仪[9-11]，即在图4(a)所示的系统中，若授权用户接收机B在接收来自授权用户A信息的同时，给非授权用户1发送一个单频信号，则非授权用户1就会由于收到此信号，而不会向非授权用户2发送信息，从而不会干扰授权用户B，于是克服了隐藏终端问题。同样在图4(b)所示的系统中，若非授权用户1没有收到授权用户B发出的单频信号，则它可以向非授权用户2发送信息，而不会干扰授权用户B，于是这就克服了暴露终端问题。

      采用这种交互式频谱礼仪的优点是它可以基本避免对授权用户造成干扰，同时共享频谱有效地提高频谱资源的利用率，而缺点则是授权用户和非授权用户的通信设备都需要具备频谱礼仪信号的发送和接收能力。由于这种交互式频谱礼仪所要传送的仅是简单的控制信号，例如电视接收机仅需要能在开机收看节目的过程中发出一个具有一定强度的单频信号即可，故它不会增加授权用户通信设备的复杂性，因此近年也开始得到人们的重视和研究[12-18]。

      在目前的CR研究中，非授权用户一般都使用全向天线进行通信，即在所有的方向上发送和接收信号。虽然使用全向天线可以使频谱礼仪变得较为简单，但是非授权用户在通信过程中，实际仅在某些角度中有效地利用了频谱资源，而在其他方向上则产生了干扰，因此无法实现对频谱资源的充分利用。为了减小在共享频谱时非授权用户对授权用户的干扰，同时更加充分有效的利用资源，可以考虑非授权用户使用智能天线技术。利用交互式频谱礼仪，非授权用户发射机不断地对其他类型用户的接收机相对于它的方位和路径损耗进行估计，从而在这些方向上形成零陷，而仅在期望的方向上发射信号。同样非授权用户接收机也可以仅在期望的方向上接收信号，而将零陷对准其他干扰。这种情况下，由于非授权用户可以仅在期望的方向上发送和接收信号，而在其他用户所在方向上形成零陷，因此可以在避免对授权用户的干扰同时实现对频谱资源的充分利用，也大大降低他与其他用户间的相互干扰，从而提高无线通信网络的容量。智能天线技术被认为是目前进一步提高频谱利用率的有效方法之一，但将智能天线技术应用于CR的具体方法还需要进一步的研究和论证。

6 结束语
      综上所述，干扰温度机制在高功率大区域授权通信系统中可以很好地施行，在一定程度上可以提高频谱利用率，在通信业务非常繁忙或近乎达到饱和状态的工作频段应用机会很小，干扰控制的复杂性高。

      基于干扰温度机制的CR技术可以使通信方式更加灵活，频谱使用更加高效，它从理论走向实用将有助于解决目前通信中频谱资源短缺的问题。同时由于频谱共享改变了传统的频谱分配方式，因此还需要得到国家政策上的支持才能更好的得以利用。

7 参考文献
[1] FCC. Spectrum Policy Task Force [R]. ET Docket No.02-135. 2002.
[2] FCC. Notice of Proposed Rule Making and Order [R]. ET Docket No. 03-322. 2003.
[3] FCC. Notice of Proposed Rule Making [R]. ET Docket No.04-113, 2004.
[4] HOVEN N, SAHAI A. Power scaling for cognitive radio[C]//Proceedings of 2005 International Conference on Wireless Communications and Mobile Computing，Jun 13-16, 2005, Maui, HI, USA. Piscataway NJ, USA: IEEE Computer Society, 2005: 250-255.
[5] L L C. V-COMM PCS Noise Floor Study [R]. WT Docket No.02-86. 2003.
[6] LANCETTI L L, MUNSON D.Sprint corporation reply comments [R]. 2004
[7] BRENNER D R. Comments of QUALCOMM incorporated [R]. GN Docket No.04-163. 2004.
[8] PADGETT J E, ZIEGLER R A.Analysis of the interference temperature concept to support spectrum sharing between licensed services and unlicensed devices [R]. 2004.
[9] HULBERT A P. Spectrum sharing through beacons[C]// Proceedings of IEEE 16th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, Sep 11-14, 2005, Berlin, Germany. 2005: 989-993.
[10] MANGOLD S, JAROSCH A, MONNEY C. Operator assisted cognitive radio and dynamic spectrum assignment with dual beacons—detailed evalution [C]//Proceedings of First International Conference on Communication System Software and Middleware, Jan 8-12, 2006, New Delhi, India.Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2006.
[11] MANGOLD S, JAROSCH A, MONNEY C. Operator assisted dynamic spectrum assignment with dual beacons[C]// Proceedings of 2006 International Zurich Seminar on Communication, Feb 22-24, 2006, Zurich, Switzerland. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2006: 54-57.
[12] XING Yiping, CHANDRAMOULI R, MANGOLD S. Dynamic spectrum access in open spectrum wireless network [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2006, 24 (3): 626-637.
[13] SATAPATHY D P, PEHA J M. Performance of unlicensed device with a spectrum etiquette [C]// Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference: Vol 1, Nov 3-8, 1997, Phoenix, AZ, USA. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 1997: 414 - 418.
[14] DEVROYE N, MITRAN P, TAROKH V. Limits on communications in a cognitive radio channel [J]. IEEE Communications Magazine, 2006, 44 (6): 44-49.
[15] BRODERSEN R W, MISHRA S M, WOLISZ A,et al. A cognitive radio approach for usage of virtual unlicensed spectrum [R]. Proceedings of 13th IST Mobile Wireless Communications, Jun 27-30, 2004, Lyon, France. 2004.
[16] FCC 04-113. Unlicensed operation in the TV broadcast bands; additional spectrum for unlicensed devices below 900 MHZ and in the 3 GHz band [EB/OL]. 2004. 
http://hraunfoss.fcc.gov/edocs-public/attachmatch/FCC-04- 113A1.pdf
[17] SAHAI A, HOVEN N, TANDRA R. Some fundamental limits on cognitive radio [C]// Proceedings of Forty-second Allerton Conference on Communication, Control, and Computing, Sep 29-Oct 1, 2004, Monticello, IL, USA. 2004.
[18] TANDRA R, SAHAI A. Fundamental limits on detection in low SNR under noise uncertainty [C]// Proceedings of 2005 International Conference on Wireless Network, Communications Mobile Computing: Vol 1, Jun 13-16, 2005, Maui, HI, USA. Piscataway NJ, USA: IEEE Computer Society, 2005: 464-469.

收稿日期：2007-03-20

[摘要] 干扰温度机制是美国联邦通信委员会(FCC)为应用认知无线电(CR)技术以提高频谱利用率而提出的一种方法，在一定的范围内有着广泛的应用前景。但是实施干扰温度机制存在一些问题，特别是干扰温度检测方法中隐蔽站、暴露站的问题，处理不好将直接导致CR技术无法应用。适当的改变授权用户接收机使其发送信标信号可以有效的缓解这些问题。应用智能天线技术可以更好地利用空域信息以减小非授权用户对授权系统的干扰及非授权用户之间的相互干扰，促进CR技术的应用与频谱的共享。

[关键词] 认知无线电；干扰温度；隐蔽站；暴露站；智能天线

[Abstract] The interference temperature mechanism is put forward by the Federal Communications Commission (FCC) to increase the utility of spectrum using the Cognitive Radio (CR) technology, which has a wide application foreground in a certain area. But, there are some problems with the interference temperature mechanism such as the interference temperature detection, especially the detection of the hidden station and the exposed station, which will cause the inefficacy of the CR technology based on interference temperature mechanism. These problems will be effectively improved by making the receiver of the licensed user to send a beacon signal. The application of smart antenna technologies would be feasible to promote the application of CR technology and the sharing of spectrum. By using the space domain information, it effectively reduces the interference between the unlicensed user and the licensed user, as well as the interference between the unlicensed users.

[Keywords] cognitive radio; interference temperature; hidden station; exposed station; smart antenna