超寬帶認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)研究

    0 引言

　　隨著信息社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對移動通信及寬帶無線接入業(yè)務(wù)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(nèi)采用的固定頻帶分配的機(jī)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(rèn)知無線電技術(shù)相應(yīng)地被認(rèn)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(rèn)知無線電

　　認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）技術(shù)，無論是在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界還是全球標(biāo)準(zhǔn)化組織中，都受到越來越廣泛的關(guān)注。從原理上講，認(rèn)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(fù)使用可用頻譜。它為日益擁擠的無線通信系統(tǒng)和設(shè)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(rèn)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(rèn)知無線電：“無線數(shù)字設(shè)備和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)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(wù)?！闭J(rèn)知無線電的兩個  
最主要目標(biāo)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(shù)自上世紀(jì)90年代起應(yīng)用于民用領(lǐng)域后，在國際上掀起了一股研究熱潮，被認(rèn)為是下一代無線通信的革命性技術(shù)。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(shù)的優(yōu)點(diǎn)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?qū)崿F(xiàn)精確的測距和定位。

　　同時，基于認(rèn)知無線電的可能應(yīng)用情景，超寬帶無線電通信系統(tǒng)被認(rèn)為是通向?qū)崿F(xiàn)認(rèn)知無線電的首個在技術(shù)層面上比較合適的步驟。

　　1.3 超寬帶與認(rèn)知無線電相結(jié)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(zhǔn)從而與已經(jīng)申請了頻率使用權(quán)的窄帶通信系統(tǒng)共存并同時在該合法頻帶上進(jìn)行信號傳輸是其魅力所在。因此，探討UWB與認(rèn)知無線電技術(shù)的結(jié)合具有特殊意義。

　　首先，UWB無線電應(yīng)用面臨周圍窄帶無線通信系統(tǒng)的嚴(yán)重干擾，同時對周圍的窄帶通信系統(tǒng)構(gòu)成干擾威脅，因此利用認(rèn)知無線電技術(shù)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(shù)，和傳統(tǒng)的窄帶非認(rèn)知無線設(shè)備能實現(xiàn)共存，因此可以認(rèn)為這是引進(jìn)認(rèn)知無線電概念的最現(xiàn)實和實用的環(huán)境。

　　最后，UWB設(shè)備本身具備很寬的工作頻譜，又可以進(jìn)行測頻，從而使得它成為能適應(yīng)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(jī)出發(fā)，有人提出了一個全新的無線通信技術(shù)領(lǐng)域，即超寬帶認(rèn)知無線電及其演進(jìn)，旨在充分利用UWB無線技術(shù)作為認(rèn)知無線電的一種具體實現(xiàn)手段。

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

　　2 超寬帶認(rèn)知無線電適配信號的產(chǎn)生

　　UWB與認(rèn)知無線電相結(jié)合首先要面對的技術(shù)問題是如何產(chǎn)生一個頻譜靈活的認(rèn)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(yīng)。這要求該組適配波形的頻譜能適應(yīng)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(yīng)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(jīng)歷一個復(fù)雜的參數(shù)調(diào)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(chǎn)生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　2.1 基于PSWF的正交脈沖

　　文獻(xiàn)[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(shè)計，提出了軟頻譜適配SSA-UWB方案。為實現(xiàn)該方案，文獻(xiàn) [5]探討了一種利用回轉(zhuǎn)橢球波函數(shù)(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(nèi)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(shù)后，可以獲得一系列脈沖波。這些脈沖波可以更進(jìn)一步地進(jìn)行組合從而形成一個適應(yīng)多頻帶系統(tǒng)的復(fù)雜波形?；赑SWF的正交脈沖波形構(gòu)成了所提出的軟頻譜適配SSA的基礎(chǔ)，并且特別適合用于脈沖波形調(diào)制以及多用戶接入環(huán)境。 

　　基于PSWF的脈沖波形可以應(yīng)用于M進(jìn)制脈沖波形調(diào)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣在提高傳輸速率的同時降低了所需波形的數(shù)量。在這里把包括內(nèi)鍵控和外鍵控的軟頻譜鍵控(Soft-Spectrum Keying, SSK)策略應(yīng)用到基于PSWF的M-ary PSM中，或者應(yīng)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(nèi)鍵控中采用二相調(diào)制，比如BPSK和QPSK；具有正交特性的脈沖波形調(diào)制則應(yīng)用于外鍵控中。脈沖重復(fù)間隔(PRI)是可變的，以適應(yīng)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(shù)

　　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(rèn)知無線電的波形應(yīng)能適應(yīng)任何頻譜要求。然而目前要實現(xiàn)一個完全“任意的”優(yōu)化 UWB波形還是相當(dāng)困難的。原因在于數(shù)字信號處理技術(shù)的限制：目前的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器沒有足夠快的運(yùn)算速度來實現(xiàn)一個真正的認(rèn)知無線電系統(tǒng)。因此，探討實現(xiàn)適配波形的一些基本問題，對 于超寬帶認(rèn)知無線電的發(fā)展具有探索性的意義。

　　文獻(xiàn)[6][7]中論述了在實現(xiàn)適配波形時數(shù)字量化的影響（如圖2所示），進(jìn)而探討了數(shù)/模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)這樣的超寬帶認(rèn)知波形需要的比特/抽樣數(shù)量?？梢钥闯?，4比特/抽樣的分辨率已經(jīng)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(shù)字信號處理技術(shù)，可以認(rèn)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(shù)/模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。



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(fù)用(OFDM)是一種能夠有效地在嚴(yán)重的多徑衰落信道中進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。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(lián)合編碼，OFDM具有很強(qiáng)的抗衰能力。因為具備這些優(yōu)點(diǎn)，基于多頻帶正交頻分復(fù)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(biāo)準(zhǔn)。同時MB-OFDM技術(shù)能夠檢測第一用戶和比較容易地對頻譜進(jìn)行整形從而降低對第一用戶的干擾，因此，它也是實現(xiàn)超寬帶認(rèn)知無線電的一項重要技術(shù)。

　　由于MB-OFDM系統(tǒng)在頻域里產(chǎn)生傳輸信號，因此它能夠通過關(guān)閉通道的方式來整形傳輸頻譜。該系統(tǒng)在頻域中產(chǎn)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(guān)閉掉，被關(guān)閉的子通道稱作零通道(Zero Tone)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是接收機(jī)不需要預(yù)先知曉被關(guān)閉子通道的信息，因而實現(xiàn)起來很簡單。

　　文獻(xiàn)[8]提出了一種新的方案，這種方案只需關(guān)閉少量的子通道，然后在關(guān)閉掉的子通道兩側(cè)插入(Active Interference Cancellation, AIC)子通道產(chǎn)生更深的凹槽。但是這種技術(shù)增大了功率譜密度波紋(Ripple)抖動,并且接收機(jī)需要提前知道AIC子通道的位置，實現(xiàn)起來比較復(fù)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(shù)就是在傳輸段將經(jīng)過IFFT變換的信號通過一個窗口濾波器。這種方法中，除關(guān)閉幾個子通道外，窗口濾波器將進(jìn)一步加深頻譜衰減。

　　3 超寬帶認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率控制

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

　　當(dāng)前提出的解決方案就是在多用戶接入認(rèn)知無線電信道的時候建立合作機(jī)制，它包括以下兩個方面：

　　(1) 合作的協(xié)議。這些協(xié)議好比交通中的信號燈、速度限制、交通指示等。這些協(xié)議對于維護(hù)節(jié)點(diǎn)自身的安全和網(wǎng)絡(luò)的整體利益是必需的。

　　(2) ad hoc網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)中沒有固定的結(jié)構(gòu)用于節(jié)點(diǎn)間的互相通信。

　　3.1 博弈論在CR-UWB中的應(yīng)用

　　博弈論是研究具有對抗或競爭性質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)字理論和方法，它是現(xiàn)代數(shù)學(xué)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(dāng)局中人分別采取不同策略時，對應(yīng)一個得失值函數(shù) (Payoff Function)。

　　顯然，可以把認(rèn)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(dāng)所有局中人的單值函數(shù)達(dá)到最優(yōu)化的時候，網(wǎng)絡(luò)性能也就達(dá)到了最優(yōu)化。 


　　在處理一個多節(jié)點(diǎn)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(dú)局中人的狀態(tài)、確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移是局中人采取的聯(lián)合行動的函數(shù)，以及每個局中人的得失也依賴于聯(lián)合行動。這樣，可以采用隨機(jī)博弈(Sticgastuc Game)的理論，來描述認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的多節(jié)點(diǎn)功率控制問題。

　　此外，隨機(jī)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(jī)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(jī)博弈。



圖3 馬爾科夫決策過程、矩陣博弈及隨機(jī)博弈

　　3.2 分布式的傳輸功率分配

　　認(rèn)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(rèn)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(jī)的行為的情況下，使每一個收發(fā)機(jī)的性能達(dá)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(yīng)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(xiàn)[11]提出了一種應(yīng)用于多用戶環(huán)境中進(jìn)行傳輸功率分配的兩層迭代循環(huán)灌水算法。假設(shè)環(huán)境中有 i="1",2,…,n個發(fā)射機(jī)以及與之相對應(yīng)的j=1,2,…,n個接收機(jī)，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(shè)環(huán)境中共存著充足的頻譜空洞來滿足目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　4 CR-UWB網(wǎng)絡(luò)中分布式節(jié)點(diǎn)間的合作

　　一個由分布式超寬帶認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)實時無線環(huán)境而動態(tài)地對自己進(jìn)行重新配置。在這樣一個網(wǎng)絡(luò)中，影響網(wǎng)絡(luò)整體性能的一個關(guān)鍵因素便是節(jié)點(diǎn)間的相互合作行為。具體到超寬帶認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，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(dāng)然，這會增加傳輸延遲和設(shè)備的復(fù)雜程度。

　　一段時間以來，在多入多出(MIMO)技術(shù)備受關(guān)注的同時，學(xué)術(shù)界也進(jìn)行了分布式移動節(jié)點(diǎn)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(diǎn)互相合作而提高傳輸效率。

　　當(dāng)前的合作中繼傳輸方面的研究大多假設(shè)參與合作的節(jié)點(diǎn)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(yīng)用到分布式的UWB通信中。為解決這一問題，文獻(xiàn)[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(diǎn)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(jié)論

　　本文從超寬帶認(rèn)知無線電適配信號的產(chǎn)生、功率傳輸控制和分布式節(jié)點(diǎn)間的合作三個方面，對當(dāng)前該技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析。由此可以看到，認(rèn)知無線電技術(shù)和UWB技術(shù)相互依托，互為補(bǔ)充，它們的結(jié)合將對未來的無線電研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，推動智能無線電走向?qū)嵱没?

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]Sheng H,On the spectral and power requirements for ultra-wideband transmission,In IEEE Proc. Of Int. Conf. On Communications,2003,1

　　[2] Kohno Ryuji,Ultra Wideband impulse radio using free-verse pulse waveform shaping, IEEE P802.15-03

　　[3] Kohno Ryuji, CRL-UWB Consortium’s Soft-Spectrum UWB PHY proposal update for IEEE 802.15.3a.

　　[4] Zhang Honggang, Soft Spectrum Adaptation in UWB impulse radio. Beijing,2003:289-293

　　[5] Slepian D. Some comments on Fourier analysis, uncertainty and modeling. SIAM Review, 1983,25(3).

　　[6] Zhang Honggang, Multiple signal waveforms adaptation in cognitive Ult ra-wideband radio evolution. IEEE Journal on 2006,24(4). 


　　[7] Zhou Xiaofei,Cognospectrum: Spectrum adaptation and evolution in cognitive Ultra-wideband radio.

　　[8] Yamaguchi H. Active Interference Cancellation Technique for MB-OFDM Cognitive Radio.

　　[9] US Patent Application Publication, Jan.2006, US 2006/0008017

　　[10] Basar T,Dynamic Noncooperative Game Theory, 2nd ed. Philadelphia, PA: SIAM, 1999.

　　[11] Yu W. Competition and cooperation in multi-user communication environments. Ph.D  
. dissertation, Stanford Univ.

　　[12] Zhang H, Zhou X. Impulsive Direct-Sequence UWB Wireless Networks with Node Cooperation Relaying. IEEE 802.15-05.

　　[13] Sendonaris A, User cooperation diversity, part 1, IEEE Trans. Commun. 2003,51:1927-1948.

　　[14] Zhou Xiaofei,Space-Frequency Coded Cooperative Scheme among Distributed Nodes in Cognitive UWB Radio.