超宽带认知无线电的关键技术研究

2.2 适配脉冲整形技术

　　正如上文所述，为了能满足频谱共享和避免干扰的要求，超宽带认知无线电的波形应能适应任何频谱要求。然而目前要实现一个完全"任意的"优化 UWB波形还是相当困难的。原因在于数字信号处理技术的限制：目前的模/数、数/模转换器没有足够快的运算速度来实现一个真正的认知无线电系统。因此，探讨实现适配波形的一些基本问题，对 于超宽带认知无线电的发展具有探索性的意义。

　　文献[6][7]中论述了在实现适配波形时数字量化的影响（如图2所示），进而探讨了数/模转换器实现这样的超宽带认知波形需要的比特/抽样数量。可以看出，4比特/抽样的分辨率已经足够保持波形的诸如凹槽宽度和凹槽深度等频谱特征。而且在抽样频率在18GHz的时候，适配波形依然保持了其频谱特性，尽管此时凹槽的深度变得稍浅，但仍可接受(>20dB)。

　　考虑到目前的高速数字信号处理技术，可以认为上述CR-UWB适配波形完全可以由18GHz抽样频率的低比特分辨率(4 比特/抽样)数/模转换器实现。

图2 适配脉冲波形及其频谱特性 2.3 基于MB-OFDM的适配信号 　　正交频分复用(OFDM)是一种能够有效地在严重的多径衰落信道中进行高速数据传输的技术。它可以有效地克服多径带来的符号间干扰(ISI)；通过各个子载波的联合编码，OFDM具有很强的抗衰能力。因为具备这些优点，基于多频带正交频分复用(MB-OFDM)的UWB系统在 IEEE802.15.3a中和IR-UWB系统一样都被提案为候选标准。同时MB-OFDM技术能够检测第一用户和比较容易地对频谱进行整形从而降低对第一用户的干扰，因此，它也是实现超宽带认知无线电的一项重要技术。 　　由于MB-OFDM系统在频域里产生传输信号，因此它能够通过关闭通道的方式来整形传输频谱。该系统在频域中产生凹槽(Notch)的一个著名方法就是把与受害者频带(Victim Band)，比如无线电天文频段，重叠的几个子通道关闭掉，被关闭的子通道称作零通道(Zero Tone)。这种方法的优点是接收机不需要预先知晓被关闭子通道的信息，因而实现起来很简单。 　　文献[8]提出了一种新的方案，这种方案只需关闭少量的子通道，然后在关闭掉的子通道两侧插入(Active Interference Cancellation, AIC)子通道产生更深的凹槽。但是这种技术增大了功率谱密度波纹(Ripple)抖动,并且接收机需要提前知道AIC子通道的位置，实现起来比较复杂。但是，它使损失的带宽大大降低，从而使频谱效率最大化。 　　加深凹槽的另外一种技术就是在传输段将经过IFFT变换的信号通过一个窗口滤波器。这种方法中，除关闭几个子通道外，窗口滤波器将进一步加深频谱衰减。 3 超宽带认知网络的传输功率控制 　　传统的无线通信是围绕基站进行的，基站根据覆盖范围和接收机接收性能的要求控制发射功率水平；而认知无线电通信则是以一种分散的方式进行的。这样有利于扩展应用范围，因此超宽带认知网络必须找到新的传输功率控制方案。 　　当前提出的解决方案就是在多用户接入认知无线电信道的时候建立合作机制，它包括以下两个方面： 　　(1) 合作的协议。这些协议好比交通中的信号灯、速度限制、交通指示等。这些协议对于维护节点自身的安全和网络的整体利益是必需的。 　　(2) ad hoc网络。这些网络中没有固定的结构用于节点间的互相通信。 3.1 博弈论在CR-UWB中的应用 　　博弈论是研究具有对抗或竞争性质现象的数字理论和方法，它是现代数学的一个新分支。在博弈论研究的对抗模型中，参与对抗的各方称为局中人 (Player)，每个局中人均有一组策略(Strategies)或行为(Actions)可供选择。当局中人分别采取不同策略时，对应一个得失值函数 (Payoff Function)。 　　显然，可以把认知无线电环境中的传输功率控制视为一个博弈论的问题。在合作的情况下，网络节点间 传输功率控制问题可以简化为一个优化控制论问题：当所有局中人的单值函数达到最优化的时候，网络性能也就达到了最优化。 　　在处理一个多节点的非合作博弈论问题之前，首先要明确三个基本事实，即状态空间要包括所有的单独局中人的状态、确定状态转移是局中人采取的联合行动的函数，以及每个局中人的得失也依赖于联合行动。这样，可以采用随机博弈(Sticgastuc Game)的理论，来描述认知网络中的多节点功率控制问题。 　　此外，随机博弈是两种类型决策过程的交集，即马尔科夫决策过程(Markov Decision Process)和矩阵博弈(Matrix Game)，如图3所示。一个马尔科夫决策过程是随机博弈的一种特殊情况；而一个矩阵博弈是只有一种状态的随机博弈。