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中国通信发展
随着通信业务和宽带业务的不断发展，用户对带宽的需求不断增加，各种宽带接入技术也迅速发展。在目前的各种宽带接入技术中，宽带无线接入技术凭借其系统建设速度快、运营成本低、扩展能力强、灵活性高等特点，已日益呈现出其重要性，受到广大运营商的青睐。其中，IEEE 802.11无线局域网（WLAN）技术已经得到了广泛的应用。但是，WLAN存在着一些不足，如由于覆盖范围有限而难以被很好地应用于室外环境，因此IEEE制定了IEEE 802.16无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）技术。
IEEE 802.16又被称为IEEE无线城域网空中接口标准，可以解决“最后一公里”宽带接入问题。它是针对2GHz~66GHz频段提出的一种空中接口标准，所规定的无线接入系统覆盖范围可达50km。
1.IEEE 802.16协议簇
IEEE 802.16协议簇中的主要标准如表2-5所示。
表2-5 IEEE 802.16协议簇中的主要标准
IEEE 802.16a是对IEEE 802.16的扩展，该标准使用2GHz~11GHz的许可和免许可频段，增加了对无线Mesh网络的支持。IEEE 802.16c是致力于解决IEEE 802.16系统的不同厂家产品的兼容性问题的标准。
IEEE 802.16d和IEEE 802.16e是目前IEEE 802.16中分别为固定宽带无线接入系统和移动宽带无线接入系统而设计的两个主流标准。IEEE 802.16d对使用2GHz~66GHz频段的固定宽带无线接入系统的物理层和MAC子层进行了详细规范。IEEE 802.16e标准定义在2GHz~6GHz频段，可以在60km/h的车辆移动速度下，预期提供30Mbit/s的传输速率。IEEE 802.16e可同时支持固定和移动的宽带无线接入系统，在物理层和MAC子层增强了对移动业务的支持。这一标准是IEEE 802.16工作组的一个阶段性的里程碑。
除此之外，IEEE 802.16工作组还研究制定了IEEE 802.16f，该标准定义了IEEE 802.16固定宽带无线接入系统的空中接口的管理信息库（MIB）。IEEE 802.16g标准定义了固定和移动宽带无线接入系统的空中接口的管理流程与服务要求。2007年提出的IEEE 802.16j标准是WiMAX的移动中继（Mobile Multihop Relay，MRS）标准，工作在点到多点模式下。此外，还有定义MAC网桥的IEEE 802.16k标准。
另外，IEEE 802.16工作组制定并发布了解决不同宽带无线接入系统共存问题的标准和空中接口的实现一致性标准，包括IEEE 802.16.1、IEEE 802.16.2等。
2.IEEE 802.16协议框架
IEEE 802.16是宽带无线接入系统的空中接口的物理层和MAC子层规范，其协议框架如图2-19所示，其中包括两个平面：数据/控制平面和管理平面。数据/控制平面定义了必要的传输机制和控制机制来保证数据的正确传输；管理平面中定义的管理实体分别与数据/控制平面的各协议层相对应。
图2-19 IEEE 802.16协议框架
IEEE 802.16支持两种网络拓扑：点到多点（PMP）网络和Mesh网络，如图2-20所示。网络中包含的实体有基站（BS）和用户站（Subscriber Station，SS）。
图2-20 IEEE 802.16支持的网络拓扑
PMP网络由一个中心BS和一组SS组成，即一个BS可以同时为多个SS提供服务。从BS到SS的链路称为下行链路，从SS到BS的链路称为上行链路，数据仅在BS和SS之间传递。BS可以配置全向天线，也可以配置扇区天线，使用扇区天线时，每个扇区之间是相互独立的。位于同一扇区内的所有SS可以同时接收到BS发出的信号，这样可以扩大系统的容量，降低成本。
Mesh网络是多点到多点的无线多跳网络，不仅可以在BS和SS之间传输数据，以及在两个SS之间直接或经过多跳的方式传输数据，还能够通过被称为Mesh BS的节点接入骨干网。与PMP网络相比，Mesh网络中有3个新增的概念：邻居（neighbor）、邻域（neighborhood）和扩展邻域（extended neighborhood）。能够直接通信的Mesh SS互称为“邻居”，“邻居”间的距离仅为一跳。一个Mesh SS的所有“邻居”形成邻域，而所有“邻居”的邻域形成了扩展邻域。
Mesh网络中没有明确的、独立的上行链路和下行链路，都是相对Mesh SS的父节点而定义的。Mesh SS的父节点是其邻域中可以到达Mesh BS的跳数最少的Mesh SS [14] 。如果某个Mesh SS可以与Mesh BS直接连接，则Mesh BS就是其父节点。定义Mesh SS到其父节点为下行链路，则反方向就定义为上行链路。这与PMP网络中的定义既有相同点，又有不同点。
随着移动互联网的迅速发展，以及人们对无线通信业务需求的增加，无线频谱资源日趋紧缺。通常来说，3GHz以下的无线频段具有传输损耗小、频率选择性衰落小、发射机设计功率大等优点，适合远距离、大区域环境下的无线信号传输，成为大家争夺的对象。
为了解决无线频段紧张的问题，近年来，提出了许多无线通信技术，如链路自适应、正交频分复用（OFDM）以及多输入多输出（MIMO）技术等。虽然这些技术在一定程度上提高了频谱利用率，但是仍然远远不能满足人们的通信需求。为了进一步解决频谱资源不足的问题，实现频谱动态管理和提高频谱利用率，学术界提出了认知无线电技术以及基于认知无线电技术的IEEE 802.22标准草案，该标准利用空闲的电视频段来提供宽带无线接入。
1.IEEE 802.22的基本概念
1999年，Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出认知无线电（Cognitive Radio，CR）的概念，并且较为系统地阐述了认知无线电技术的基本原理 [15-16] 。2003年，美国联邦通信委员会和Simon Haykin教授分别给出了两个具有代表性的认知无线电定义。美国联邦通信委员会认为 [17] ，认知无线电从狭义上讲是指能够通过与工作环境交互而改变发射机参数的无线电。Simon Haykin教授认为 [18] ，认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从外界环境中学习，通过实时改变某些操作参数（如传输功率、载波频率和调制技术等），使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到提高通信可靠性和有效利用频谱资源的目的。
认知无线电技术能够监测到无线电环境中已存在的用户，同时监控频谱资源的使用情况，并能动态地调整各无线电用户的传输功率、载波频率和调制技术等传输参数，从而提高频谱资源的利用率。
基于认知无线电技术的IEEE 802.22标准工作在54MHz～862MHz VHF/UHF（扩展频率范围为47MHz～910MHz）频段中的电视信道上，它可以自动检测空闲的频段资源并加以利用，因此可与电视、无线传声器等已有设备共存。对于低人口密度的区域以及乡村区域，无须单独架设网络服务设备，就可以借助电视网等已有网络实现通信。因此，该标准可向低人口密度地区提供类似于城区所得到的宽带服务，适用于无线区域网络（Wireless Regional Area Network，WRAN）。
由于采用具有较低频率的电视频段作为传输介质，因此IEEE 802.22标准的基站覆盖范围比其他IEEE 802系列标准大得多。表2-6给出了IEEE 802.22标准与其他标准之间的区别 [19] 。
表2-6 IEEE 802.22标准与其他标准之间的区别
2.IEEE 802.22协议框架
伯克利大学提出的一种认知无线电网络标准协议框架如图2-21所示 [20] 。其中，认知无线电能感知周围无线环境，通过对环境的理解、主动学习等，以实现在特定的无线操作参数上（如功率、载波调制和编码等方案），实时改变和调整内部状态，从而适应外部无线环境的变化，达到通信系统性能最优化的目的。认知无线电具有在不影响其他授权用户的前提下智能地利用大量空闲频谱并且随时随地提高可靠性的通信潜能。信号处理、人工智能、软件无线电、频率捷变、功率控制等技术的迅猛发展，为认知无线电实现上述特殊性能提供了重要的先决条件。
图2-21 IEEE 802.22协议框架
在该协议框架中，物理层的频谱感知和数据传输模块需要感知可用的工作信道，并且在此基础上进行数据传输。由于这两项技术是IEEE 802.22标准中较为独特的技术，因此下面介绍这两项技术。
3.频谱感知技术
IEEE 802.22标准在数据传输之前的一段时间内进行工作信道的感知 [21] 。也就是说，基站和用户都不发送数据，感知该特定区域内授权用户的信号，从而为频分复用打下基础。常用的信号检测方法包括周期图法、循环平稳检测法、特征值分解检测法等。周期图法根据傅里叶变换获得信号的功率谱密度并进行感知，循环平稳检测法利用调制信号的相关函数的周期性进行感知，特征值分解检测法根据特征值将接收信号分解为信号和噪声的估计量，以获得信号的频率。
IEEE 802.22标准规定了信道检测时间和授权用户感知门限。信道检测时间是指，用于检测当前电视信道内是否存在授权用户感知门限的最大时间，通常为500ms~2s。基站和用户终端设备利用全向天线在每个方向感知授权用户的传输，如果探测到的授权信号高于预先假定的门限，则基站将空出信道，以避免对授权用户产生干扰。对于使用6MHz信道的电视服务，授权用户感知门限是-116dBm。当存在多个用户终端的时候，可以相互联合以进行感知，这就是联合感知技术。
IEEE 802.22标准规定了信道感知的机制，即两段式感知机制：快速感知阶段和精确感知阶段。在快速感知阶段，采用单一的信号检测方法（如周期图法、循环平稳检测法等），迅速感知授权用户的存在。在精确感知阶段，进一步获取快速感知阶段获得的授权用户的详细信息。
4.数据传输技术
为了利用认知无线电技术实现频谱的复用，在IEEE 802.22标准草案中，上行和下行均采用正交频分多址（OFDMA）。为了提高吞吐量，在IEEE 802.22标准草案中，基站根据空闲信道的分布以及衰落情况等，动态分配子载波的位置和个数。IEEE 802.22标准的正交频分多址采用自适应的编码技术和调制技术，根据信道的实际情况动态地调整带宽和编码方式等。