超寬帶認知無線電的關鍵技術研究

    0 引言

　　隨著信息社會經濟的快速發(fā)展，人們對移動通信及寬帶無線接入業(yè)務的需求不斷增長，無線電頻譜資源也就顯得愈加珍貴。然而，目前世界范圍內采用的固定頻帶分配的機制，是造成頻譜資源日趨緊張的主要原因之一。這種頻譜利用不均的情況引發(fā)了通信業(yè)界的廣泛思考，而認知無線電技術相應地被認為是未來探索頻譜特性、高效利用無線電頻譜的主要手段之一。

　　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，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：“無線數字設備和相關的網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據信號的具體實現形式，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協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共存，因此可以認為這是引進認知無線電概念的最現實和實用的環(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手段。

　　本文將分別從UWB認知無線電適配信號的產生、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狀。

　　2 超寬帶認知無線電適配信號的產生

　　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

　　常規(guī)的UWB基帶脈沖，如矩形脈沖、高斯脈沖，具有很大的支流分量，工程應用價值不大。而高斯單周期脈沖雖然沒有支流分量，但仍需經歷一個復雜的參數調整過程才能滿足FCC的頻譜要求。為此，一些新型的適配脈沖產生技術應運而生。

　　2.1 基于PSWF的正交脈沖

　　文獻[2]、[3]、[4]等探討了能滿足共存要求和干擾避免要求的優(yōu)化波形設計，提出了軟頻譜適配SSA-UWB方案。為實現該方案，文獻 [5]探討了一種利用回轉橢球波函數(Prolate Spheroidal Wave Functions, PSWF)涉及脈沖波的方法，這些基于PSWF的脈沖就將作為適配波形中的核心小波序列。

　　將3.1GHz～10.6GHz頻段內的任意一個子頻帶看作是一個濾波器，對其輸入一個核心函數后，可以獲得一系列脈沖波。這些脈沖波可以更進一步地進行組合從而形成一個適應多頻帶系統(tǒng)的復雜波形。基于PSWF的正交脈沖波形構成了所提出的軟頻譜適配SSA的基礎，并且特別適合用于脈沖波形調制以及多用戶接入環(huán)境。 

　　基于PSWF的脈沖波形可以應用于M進制脈沖波形調制(M-ary PSM)中，其基本思想是利用波形的正交性來組合波形，然后采用組合后的波形進行數據傳輸，這樣在提高傳輸速率的同時降低了所需波形的數量。在這里把包括內鍵控和外鍵控的軟頻譜鍵控(Soft-Spectrum Keying, SSK)策略應用到基于PSWF的M-ary PSM中，或者應用到采用時跳-頻跳序列(Time-Frequency-Hopping Sequence, TFHS)的多接入系統(tǒng)中。在內鍵控中采用二相調制，比如BPSK和QPSK；具有正交特性的脈沖波形調制則應用于外鍵控中。脈沖重復間隔(PRI)是可變的，以適應不同的速率要求、不同的信道條件和干擾環(huán)境。

 
　　2.2 適配脈沖整形技術

　　正如上文所述，為了能滿足頻譜共享和避免干擾的要求，超寬帶認知無線電的波形應能適應任何頻譜要求。然而目前要實現一個完全“任意的”優(yōu)化 UWB波形還是相當困難的。原因在于數字信號處理技術的限制：目前的模/數、數/模轉換器沒有足夠快的運算速度來實現一個真正的認知無線電系統(tǒng)。因此，探討實現適配波形的一些基本問題，對 于超寬帶認知無線電的發(fā)展具有探索性的意義。

　　文獻[6][7]中論述了在實現適配波形時數字量化的影響（如圖2所示），進而探討了數/模轉換器實現這樣的超寬帶認知波形需要的比特/抽樣數量。可以看出，4比特/抽樣的分辨率已經足夠保持波形的諸如凹槽寬度和凹槽深度等頻譜特征。而且在抽樣頻率在18GHz的時候，適配波形依然保持了其頻譜特性，盡管此時凹槽的深度變得稍淺，但仍可接受(>20dB)。

　　考慮到目前的高速數字信號處理技術，可以認為上述CR-UWB適配波形完全可以由18GHz抽樣頻率的低比特分辨率(4 比特/抽樣)數/模轉換器實現。



圖2 適配脈沖波形及其頻譜特性

　　2.3 基于MB-OFDM的適配信號

　　正交頻分復用(OFDM)是一種能夠有效地在嚴重的多徑衰落信道中進行高速數據傳輸的技術。它可以有效地克服多徑帶來的符號間干擾(ISI)；通過各個子載波的聯合編碼，OFDM具有很強的抗衰能力。因為具備這些優(yōu)點，基于多頻帶正交頻分復用(MB-OFDM)的UWB系統(tǒng)在 IEEE802.15.3a中和IR-UWB系統(tǒng)一樣都被提案為候選標準。同時MB-OFDM技術能夠檢測第一用戶和比較容易地對頻譜進行整形從而降低對第一用戶的干擾，因此，它也是實現超寬帶認知無線電的一項重要技術。

　　由于MB-OFDM系統(tǒng)在頻域里產生傳輸信號，因此它能夠通過關閉通道的方式來整形傳輸頻譜。該系統(tǒng)在頻域中產生凹槽(Notch)的一個著名方法就是把與受害者頻帶(Victim Band)，比如無線電天文頻段，重疊的幾個子通道關閉掉，被關閉的子通道稱作零通道(Zero Tone)。這種方法的優(yōu)點是接收機不需要預先知曉被關閉子通道的信息，因而實現起來很簡單。

　　文獻[8]提出了一種新的方案，這種方案只需關閉少量的子通道，然后在關閉掉的子通道兩側插入(Active Interference Cancellation, AIC)子通道產生更深的凹槽。但是這種技術增大了功率譜密度波紋(Ripple)抖動,并且接收機需要提前知道AIC子通道的位置，實現起來比較復雜。但是，它使損失的帶寬大大降低，從而使頻譜效率最大化。

　　加深凹槽的另外一種技術就是在傳輸段將經過IFFT變換的信號通過一個窗口濾波器。這種方法中，除關閉幾個子通道外，窗口濾波器將進一步加深頻譜衰減。

　　3 超寬帶認知網絡的傳輸功率控制

　　傳統(tǒng)的無線通信是圍繞基站進行的，基站根據覆蓋范圍和接收機接收性能的要求控制發(fā)射功率水平；而認知無線電通信則是以一種分散的方式進行的。這樣有利于擴展應用范圍，因此超寬帶認知網絡必須找到新的傳輸功率控制方案。

　　當前提出的解決方案就是在多用戶接入認知無線電信道的時候建立合作機制，它包括以下兩個方面：

　　(1) 合作的協議。這些協議好比交通中的信號燈、速度限制、交通指示等。這些協議對于維護節(jié)點自身的安全和網絡的整體利益是必需的。

　　(2) ad hoc網絡。這些網絡中沒有固定的結構用于節(jié)點間的互相通信。

　　3.1 博弈論在CR-UWB中的應用

　　博弈論是研究具有對抗或競爭性質現象的數字理論和方法，它是現代數學的一個新分支。在博弈論研究的對抗模型中，參與對抗的各方稱為局中人 (Player)，每個局中人均有一組策略(Strategies)或行為(Actions)可供選擇。當局中人分別采取不同策略時，對應一個得失值函數 (Payoff Function)。

　　顯然，可以把認知無線電環(huán)境中的傳輸功率控制視為一個博弈論的問題。在合作的情況下，網絡節(jié)點間 傳輸功率控制問題可以簡化為一個優(yōu)化控制論問題：當所有局中人的單值函數達到最優(yōu)化的時候，網絡性能也就達到了最優(yōu)化。 


　　在處理一個多節(jié)點的非合作博弈論問題之前，首先要明確三個基本事實，即狀態(tài)空間要包括所有的單獨局中人的狀態(tài)、確定狀態(tài)轉移是局中人采取的聯合行動的函數，以及每個局中人的得失也依賴于聯合行動。這樣，可以采用隨機博弈(Sticgastuc Game)的理論，來描述認知網絡中的多節(jié)點功率控制問題。

　　此外，隨機博弈是兩種類型決策過程的交集，即馬爾科夫決策過程(Markov Decision Process)和矩陣博弈(Matrix Game)，如圖3所示。一個馬爾科夫決策過程是隨機博弈的一種特殊情況；而一個矩陣博弈是只有一種狀態(tài)的隨機博弈。



圖3 馬爾科夫決策過程、矩陣博弈及隨機博弈

　　3.2 分布式的傳輸功率分配

　　認知無線電環(huán)境下的功率分配問題可以描述為：一個多用戶的認知無線電環(huán)境可以看作是一局非合作的博弈，如何在不違反干擾溫度限制的條件下，在不用考慮其余的收發(fā)機的行為的情況下，使每一個收發(fā)機的性能達到最優(yōu)化。這種分布式的傳輸功率控制問題的解是局部性的，然  
而盡管這個解是次優(yōu)化的，它依然有重要意義。

　　此處的優(yōu)化問題的解與應用信息論中的灌水(Water Filling)方案得到傳輸功率分配的過程是一致的。文獻[11]提出了一種應用于多用戶環(huán)境中進行傳輸功率分配的兩層迭代循環(huán)灌水算法。假設環(huán)境中有 i="1",2,…,n個發(fā)射機以及與之相對應的j=1,2,…,n個接收機，那么可以把這個多用戶無線電環(huán)境看作一個非合作博弈，并假設環(huán)境中共存著充足的頻譜空洞來滿足目標數據傳輸速率。

　　4 CR-UWB網絡中分布式節(jié)點間的合作

　　一個由分布式超寬帶認知無線電節(jié)點構成的網絡，網絡中的節(jié)點能夠根據實時無線環(huán)境而動態(tài)地對自己進行重新配置。在這樣一個網絡中，影響網絡整體性能的一個關鍵因素便是節(jié)點間的相互合作行為。具體到超寬帶認知無線電網絡，由于UWB信號的最大功率不能影響到窄帶系統(tǒng)，因此多跳合作中繼方案比單跳長距離傳輸更具優(yōu)勢，當然，這會增加傳輸延遲和設備的復雜程度。

　　一段時間以來，在多入多出(MIMO)技術備受關注的同時，學術界也進行了分布式移動節(jié)點間的合作分集(Cooperation or Cooperative Diversity)研究。近來，又有研究提出了采用空時碼的虛擬MIMO方案，該方案能夠使分布節(jié)點互相合作而提高傳輸效率。

　　當前的合作中繼傳輸方面的研究大多假設參與合作的節(jié)點之間是完全同步的，這就阻礙了采用空時碼的虛擬MIMO方案應用到分布式的UWB通信中。為解決這一問題，文獻[18]介紹了一個采用時頻碼(Space-Frequency Block Coding)的虛擬MIMO方案。在該方案中，各分布節(jié)點之間的合作中繼方案中采用的是時頻碼而不是時空碼，這樣就可以克服中繼延遲同步的問題。

　　5 結論

　　本文從超寬帶認知無線電適配信號的產生、功率傳輸控制和分布式節(jié)點間的合作三個方面，對當前該技術領域的關鍵技術進行了詳細的介紹和分析。由此可以看到，認知無線電技術和UWB技術相互依托，互為補充，它們的結合將對未來的無線電研究產生深遠影響，推動智能無線電走向實用化。

　　參考文獻

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