超宽带认知无线电的关键技术研究

0 引言

　　随着信息社会经济的快速发展，人们对移动通信及宽带无线接入业务的需求不断增长，无线电频谱资源也就显得愈加珍贵。然而，目前世界范围内采用的固定频带分配的机制，是造成频谱资源日趋紧张的主要原因之一。这种频谱利用不均的情况引发了通信业界的广泛思考，而认知无线电技术相应地被认为是未来探索频谱特性、高效利用无线电频谱的主要手段之一。

1 概述

1.1 认知无线电

　　认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术，无论是在学术界、工业界还是全球标准化组织中，都受到越来越广泛的关注。从原理上讲，认知无线电能够通过对它所工作的无线通信环境的交互感知而自动改变自身的发送和接收参数，从而动态地重复使用可用频谱。它为日益拥挤的无线通信系统和设备实现频谱资源的高效利用、共存、兼容和互动展示了美好的前景。

　　认知无线电最早是由Joseph Mitla在1999年提出的，在其随后的博士论文中他这样描述了认知无线电："无线数字设备和相关的网络在无线电资源和通信方面具有充分的计算智能来探测用户通信需求，并根据这些需求来提供最适合的无线电资源和无线业务。"认知无线电的两个最主要目标是高度可靠的通信方式以及高效的频谱利用率。

1.2 超宽带（UWB|0">UWB）

　　超宽带技术自上世纪90年代起应用于民用领域后，在国际上掀起了一股研究热潮，被认为是下一代无线通信的革命性技术。超宽带是指信号的- 10dB相对带宽大于0.20或绝对带宽超过500MHz的通信系统。UWB的这个定义并没有限定它的数据信号的具体实现形式，既可以采用极窄的脉冲形式，也可以采用传统的载波方式，也就是说包括了任何可以使用超宽带频谱的通信形式。

　　UWB技术的优点是可以获得很高的通信容量（大于1Gbit/s），抗多径衰落，灵活的抗干扰能力以及能够实现精确的测距和定位。

　　同时，基于认知无线电的可能应用情景，超宽带无线电通信系统被认为是通向实现认知无线电的首个在技术层面上比较合适的步骤。

1.3 超宽带与认知无线电相结合的意义

　　UWB系统的超带宽、低功率、近似于噪声的信号特性，以及通过控制噪声干扰水准从而与已经申请了频率使用权的窄带通信系统共存并同时在该合法频带上进行信号传输是其魅力所在。因此，探讨UWB与认知无线电技术的结合具有特殊意义。

　　首先，UWB无线电应用面临周围窄带无线通信系统的严重干扰，同时对周围的窄带通信系统构成干扰威胁，因此利用认知无线电技术来实现协作共存策略是大有益处的。

　　其次，从定义来讲，UWB是一种"衬于底层"的通信技术，和传统的窄带非认知无线设备能实现共存，因此可以认为这是引进认知无线电概念的最现实和实用的环境。

　　最后，UWB设备本身具备很宽的工作频谱，又可以进行测频，从而使得它成为能适应多种无线工作环境的通用物理层的理想候选对象。

　　从这个背景和动机出发，有人提出了一个全新的无线通信技术领域，即超宽带认知无线电及其演进，旨在充分利用UWB无线技术作为认知无线电的一种具体实现手段。

　　本文将分别从UWB认知无线电适配信号的产生、节点间的传输功率控制和分布式节点间的合作三部分，详细介绍UWB认知无线电（CR-UWB）的关键技术及其研究现状。

2 超宽带认知无线电适配信号的产生

　　UWB与认知无线电相结合首先要面对的技术问题是如何产生一个频谱灵活的认知无线电脉冲波，使它能够动态地对频谱分配策略与干扰要求作出反应。这要求该组适配波形的频谱能适应频谱分配的频段，并能满足FCC频谱发射功率谱模板的要求，同时避免对别的系统造成干扰（如图1所示）。

图1 CR-UWB与FCC频谱模板及周边无线环境相匹配的可变带宽方案 　　常规的UWB基带脉冲，如矩形脉冲、高斯脉冲，具有很大的支流分量，工程应用价值不大。而高斯单周期脉冲虽然没有支流分量，但仍需经历一个复杂的参数调整过程才能满足FCC的频谱要求。为此，一些新型的适配脉冲产生技术应运而生。 2.1 基于PSWF的正交脉冲 　　文献[2]、[3]、[4]等探讨了能满足共存要求和干扰避免要求的优化波形设计，提出了软频谱适配SSA-UWB方案。为实现该方案，文献 [5]探讨了一种利用回转椭球波函数(Prolate Spheroidal Wave Functions, PSWF)涉及脉冲波的方法，这些基于PSWF的脉冲就将作为适配波形中的核心小波序列。 　　将3.1GHz～10.6GHz频段内的任意一个子频带看作是一个滤波器，对其输入一个核心函数后，可以获得一系列脉冲波。这些脉冲波可以更进一步地进行组合从而形成一个适应多频带系统的复杂波形。基于PSWF的正交脉冲波形构成了所提出的软频谱适配SSA的基础，并且特别适合用于脉冲波形调制以及多用户接入环境。 　　基于PSWF的脉冲波形可以应用于M进制脉冲波形调制(M-ary PSM)中，其基本思想是利用波形的正交性来组合波形，然后采用组合后的波形进行数据传输，这样在提高传输速率的同时降低了所需波形的数量。在这里把包括内键控和外键控的软频谱键控(Soft-Spectrum Keying, SSK)策略应用到基于PSWF的M-ary PSM中，或者应用到采用时跳-频跳序列(Time-Frequency-Hopping Sequence, TFHS)的多接入系统中。在内键控中采用二相调制，比如BPSK和QPSK；具有正交特性的脉冲波形调制则应用于外键控中。脉冲重复间隔(PRI)是可变的，以适应不同的速率要求、不同的信道条件和干扰环境。