超寬帶認知無線電的關鍵技術

1 概述

1.1 認知無線電

認知無線電（Cognitive Radio，CR）技術，無論是在學術界、工業(yè)界還是全球標準化組織中，都受到越來越廣泛的關注。從原理上講，認知無線電能夠通過對它所工作的無線通信環(huán)境的交互感知而自動改變自身的發(fā)送和接收參數(shù)，從而動態(tài)地重復使用可用頻譜。它為日益擁擠的無線通信系統(tǒng)和設備實現(xiàn)頻譜資源的高效利用、共存、兼容和互動展示了美好的前景。

認知無線電最早是由Joseph Mitla在1999年提出的，在其隨后的博士論文中他這樣描述了認知無線電：“無線數(shù)字設備和相關的網(wǎng)絡在無線電資源和通信方面具有充分的計算智能來探測用戶通信需求，并根據(jù)這些需求來提供最適合的無線電資源和無線業(yè)務。”認知無線電的兩個
最主要目標是高度可靠的通信方式以及高效的頻譜利用率。

1.2 超寬帶（UWB）

超寬帶技術自上世紀90年代起應用于民用領域后，在國際上掀起了一股研究熱潮，被認為是下一代無線通信的革命性技術。超寬帶是指信號的- 10dB相對帶寬大于0.20或絕對帶寬超過500MHz的通信系統(tǒng)。UWB的這個定義并沒有限定它的數(shù)據(jù)信號的具體實現(xiàn)形式，既可以采用極窄的脈沖形式，也可以采用傳統(tǒng)的載波方式，也就是說包括了任何可以使用超寬帶頻譜的通信形式。

UWB技術的優(yōu)點是可以獲得很高的通信容量（大于1Gbit/s），抗多徑衰落，靈活的抗干擾能力以及能夠實現(xiàn)精確的測距和定位。

同時，基于認知無線電的可能應用情景，超寬帶無線電通信系統(tǒng)被認為是通向實現(xiàn)認知無線電的首個在技術層面上比較合適的步驟。

1.3 超寬帶與認知無線電相結合的意義

UWB系統(tǒng)的超帶寬、低功率、近似于噪聲的信號特性，以及通過控制噪聲干擾水準從而與已經(jīng)申請了頻率使用權的窄帶通信系統(tǒng)共存并同時在該合法頻帶上進行信號傳輸是其魅力所在。因此，探討UWB與認知無線電技術的結合具有特殊意義。

首先，UWB無線電應用面臨周圍窄帶無線通信系統(tǒng)的嚴重干擾，同時對周圍的窄帶通信系統(tǒng)構成干擾威脅，因此利用認知無線電技術來實現(xiàn)協(xié)作共存策略是大有益處的。

其次，從定義來講，UWB是一種“襯于底層”的通信技術，和傳統(tǒng)的窄帶非認知無線設備能實現(xiàn)共存，因此可以認為這是引進認知無線電概念的最現(xiàn)實和實用的環(huán)境。

最后，UWB設備本身具備很寬的工作頻譜，又可以進行測頻，從而使得它成為能適應多種無線工作環(huán)境的通用物理層的理想候選對象。

從這個背景和動機出發(fā)，有人提出了一個全新的無線通信技術領域，即超寬帶認知無線電及其演進，旨在充分利用UWB無線技術作為認知無線電的一種具體實現(xiàn)手段。

本文將分別從UWB認知無線電適配信號的產(chǎn)生、節(jié)點間的傳輸功率控制和分布式節(jié)點間的合作三部分，詳細介紹UWB認知無線電（CR-UWB）的關鍵技術及其研究現(xiàn)狀。

2 超寬帶認知無線電適配信號的產(chǎn)生

UWB與認知無線電相結合首先要面對的技術問題是如何產(chǎn)生一個頻譜靈活的認知無線電脈沖波，使它能夠動態(tài)地對頻譜分配策略與干擾要求作出反應。這要求該組適配波形的頻譜能適應頻譜分配的頻段，并能滿足FCC頻譜發(fā)射功率譜模板的要求，同時避免對別的系統(tǒng)造成干擾（如圖1所示）。

圖1 CR-UWB與FCC頻譜模板及周邊無線環(huán)境相匹配的可變帶寬方案