超寬帶認知無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)研究

　　引言

　　隨著(zhù)信息社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對移動(dòng)通信及寬帶無(wú)線(xiàn)接入業(yè)務(wù)的需求不斷增長(cháng)，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電技術(shù)相應地被認為是未來(lái)探索頻譜特性、高效利用無(wú)線(xiàn)電頻譜的主要手段之一。

　　1 概述

　　1.1 認知無(wú)線(xiàn)電

　　認知無(wú)線(xiàn)電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)，無(wú)論是在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界還是全球標準化組織中，都受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。從原理上講，認知無(wú)線(xiàn)電能夠通過(guò)對它所工作的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境的交互感知而自動(dòng)改變自身的發(fā)送和接收參數，從而動(dòng)態(tài)地重復使用可用頻譜。它為日益擁擠的無(wú)線(xiàn)通信系統和設備實(shí)現頻譜資源的高效利用、共存、兼容和互動(dòng)展示了美好的前景。

　　認知無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電：“無(wú)線(xiàn)數字設備和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )在無(wú)線(xiàn)電資源和通信方面具有充分的計算智能來(lái)探測用戶(hù)通信需求，并根據這些需求來(lái)提供最適合的無(wú)線(xiàn)電資源和無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)?！闭J知無(wú)線(xiàn)電的兩個(gè)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(shù)自上世紀90年代起應用于民用領(lǐng)域后，在國際上掀起了一股研究熱潮，被認為是下一代無(wú)線(xiàn)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(guò)500MHz的通信系統。UWB的這個(gè)定義并沒(méi)有限定它的數據信號的具體實(shí)現形式，既可以采用極窄的脈沖形式，也可以采用傳統的載波方式，也就是說(shuō)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實(shí)現精確的測距和定位。

　　同時(shí)，基于認知無(wú)線(xiàn)電的可能應用情景，超寬帶無(wú)線(xiàn)電通信系統被認為是通向實(shí)現認知無(wú)線(xiàn)電的首個(gè)在技術(shù)層面上比較合適的步驟。

　　1.3 超寬帶與認知無(wú)線(xiàn)電相結合的意義

　　UWB系統的超帶寬、低功率、近似于噪聲的信號特性，以及通過(guò)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共存并同時(shí)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與認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的結合具有特殊意義。

　　首先，UWB無(wú)線(xiàn)電應用面臨周?chē)瓗o(wú)線(xiàn)通信系統的嚴重干擾，同時(shí)對周?chē)恼瓗ㄐ畔到y構成干擾威脅，因此利用認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)來(lái)實(shí)現協(xié)作共存策略是大有益處的。

　　其次，從定義來(lái)講，UWB是一種“襯于底層”的通信技術(shù)，和傳統的窄帶非認知無(wú)線(xiàn)設備能實(shí)現共存，因此可以認為這是引進(jìn)認知無(wú)線(xiàn)電概念的最現實(shí)和實(shí)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(jìn)行測頻，從而使得它成為能適應多種無(wú)線(xiàn)工作環(huán)境的通用物理層的理想候選對象。

　　從這個(gè)背景和動(dòng)機出發(fā)，有人提出了一個(gè)全新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域，即超寬帶認知無(wú)線(xiàn)電及其演進(jìn)，旨在充分利用UWB無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為認知無(wú)線(xiàn)電的一種具體實(shí)現手段。

　　本文將分別從UWB認知無(wú)線(xiàn)電適配信號的產(chǎn)生、節點(diǎn)間的傳輸功率控制和分布式節點(diǎn)間的合作三部分，詳細介紹UWB認知無(wú)線(xiàn)電(CR-UWB)的關(guān)鍵技術(shù)及其研究現狀。

　　2 超寬帶認知無(wú)線(xiàn)電適配信號的產(chǎn)生

　　UWB與認知無(wú)線(xiàn)電相結合首先要面對的技術(shù)問(wèn)題是如何產(chǎn)生一個(gè)頻譜靈活的認知無(wú)線(xiàn)電脈沖波，使它能夠動(dòng)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(mǎn)足FCC頻譜發(fā)射功率譜模板的要求，同時(shí)避免對別的系統造成干擾(如圖1所示)。

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

　　常規的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(jià)值不大。而高斯單周期脈沖雖然沒(méi)有支流分量，但仍需經(jīng)歷一個(gè)復雜的參數調整過(guò)程才能滿(mǎn)足FCC的頻譜要求。為此，一些新型的適配脈沖產(chǎn)生技術(shù)應運而生。

　　2.1 基于PSWF的正交脈沖

　　文獻[2]、[3]、[4]等探討了能滿(mǎn)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(shí)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(gè)子頻帶看作是一個(gè)濾波器，對其輸入一個(gè)核心函數后，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(gè)適應多頻帶系統的復雜波形?；赑SWF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(hù)接入環(huán)境。

　　基于PSWF的脈沖波形可以應用于M進(jìn)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(lái)組合波形，然后采用組合后的波形進(jìn)行數據傳輸，這樣在提高傳輸速率的同時(shí)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(shí)跳-頻跳序列(Time-Frequency-Hopping Sequence, TFHS)的多接入系統中。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(shù)

　　正如上文所述，為了能滿(mǎn)足頻譜共享和避免干擾的要求，超寬帶認知無(wú)線(xiàn)電的波形應能適應任何頻譜要求。然而目前要實(shí)現一個(gè)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(shù)的限制：目前的模/數、數/模轉換器沒(méi)有足夠快的運算速度來(lái)實(shí)現一個(gè)真正的認知無(wú)線(xiàn)電系統。因此，探討實(shí)現適配波形的一些基本問(wèn)題，對 于超寬帶認知無(wú)線(xiàn)電的發(fā)展具有探索性的意義。

　　文獻[6][7]中論述了在實(shí)現適配波形時(shí)數字量化的影響(如圖2所示)，進(jìn)而探討了數/模轉換器實(shí)現這樣的超寬帶認知波形需要的比特/抽樣數量?？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(shí)候，適配波形依然保持了其頻譜特性，盡管此時(shí)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(shù)，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(shí)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(jìn)行高速數據傳輸的技術(shù)。它可以有效地克服多徑帶來(lái)的符號間干擾(ISI);通過(guò)各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，OFDM具有很強的抗衰能力。因為具備這些優(yōu)點(diǎn)，基于多頻帶正交頻分復用(MB-OFDM)的UWB系統在 IEEE802.15.3a中和IR-UWB系統一樣都被提案為候選標準。同時(shí)MB-OFDM技術(shù)能夠檢測第一用戶(hù)和比較容易地對頻譜進(jìn)行整形從而降低對第一用戶(hù)的干擾，因此，它也是實(shí)現超寬帶認知無(wú)線(xiàn)電的一項重要技術(shù)。

　　由于MB-OFDM系統在頻域里產(chǎn)生傳輸信號，因此它能夠通過(guò)關(guān)閉通道的方式來(lái)整形傳輸頻譜。該系統在頻域中產(chǎn)生凹槽(Notch)的一個(gè)著(zhù)名方法就是把與受害者頻帶(Victim Band)，比如無(wú)線(xiàn)電天文頻段，重疊的幾個(gè)子通道關(guān)閉掉，被關(guān)閉的子通道稱(chēng)作零通道(Zero Tone)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是接收機不需要預先知曉被關(guān)閉子通道的信息，因而實(shí)現起來(lái)很簡(jiǎn)單。

　　文獻[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(dòng),并且接收機需要提前知道AIC子通道的位置，實(shí)現起來(lái)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(shù)就是在傳輸段將經(jīng)過(guò)IFFT變換的信號通過(guò)一個(gè)窗口濾波器。這種方法中，除關(guān)閉幾個(gè)子通道外，窗口濾波器將進(jìn)一步加深頻譜衰減。

　　3 超寬帶認知網(wǎng)絡(luò )的傳輸功率控制

　　傳統的無(wú)線(xiàn)通信是圍繞基站進(jìn)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(wú)線(xiàn)電通信則是以一種分散的方式進(jìn)行的。這樣有利于擴展應用范圍，因此超寬帶認知網(wǎng)絡(luò )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(hù)接入認知無(wú)線(xiàn)電信道的時(shí)候建立合作機制，它包括以下兩個(gè)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)議對于維護節點(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(méi)有固定的結構用于節點(diǎn)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(zhì)現象的數字理論和方法，它是現代數學(xué)的一個(gè)新分支。在博弈論研究的對抗模型中，參與對抗的各方稱(chēng)為局中人 (Player)，每個(gè)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(shí)，對應一個(gè)得失值函數 (Payoff Function)。

　　顯然，可以把認知無(wú)線(xiàn)電環(huán)境中的傳輸功率控制視為一個(gè)博弈論的問(wèn)題。在合作的情況下，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間 傳輸功率控制問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為一個(gè)優(yōu)化控制論問(wèn)題：當所有局中人的單值函數達到最優(yōu)化的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò )性能也就達到了最優(yōu)化。

　　在處理一個(gè)多節點(diǎn)的非合作博弈論問(wèn)題之前，首先要明確三個(gè)基本事實(shí)，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(lián)合行動(dòng)的函數，以及每個(gè)局中人的得失也依賴(lài)于聯(lián)合行動(dòng)。這樣，可以采用隨機博弈(Sticgastuc Game)的理論，來(lái)描述認知網(wǎng)絡(luò )中的多節點(diǎn)功率控制問(wèn)題。

　　此外，隨機博弈是兩種類(lèi)型決策過(guò)程的交集，即馬爾科夫決策過(guò)程(Markov Decision Process)和矩陣博弈(Matrix Game)，如圖3所示。一個(gè)馬爾科夫決策過(guò)程是隨機博弈的一種特殊情況;而一個(gè)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(guò)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(wú)線(xiàn)電環(huán)境下的功率分配問(wèn)題可以描述為：一個(gè)多用戶(hù)的認知無(wú)線(xiàn)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(gè)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(wèn)題的解是局部性的，然

　　而盡管這個(gè)解是次優(yōu)化的，它依然有重要意義。

　　此處的優(yōu)化問(wèn)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(guò)程是一致的。文獻[11]提出了一種應用于多用戶(hù)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。假設環(huán)境中有 i="1",2,…,n個(gè)發(fā)射機以及與之相對應的j=1,2,…,n個(gè)接收機，那么可以把這個(gè)多用戶(hù)無(wú)線(xiàn)電環(huán)境看作一個(gè)非合作博弈，并假設環(huán)境中共存著(zhù)充足的頻譜空洞來(lái)滿(mǎn)足目標數據傳輸速率。

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

　　一個(gè)由分布式超寬帶認知無(wú)線(xiàn)電節點(diǎn)構成的網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)能夠根據實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)環(huán)境而動(dòng)態(tài)地對自己進(jìn)行重新配置。在這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，影響網(wǎng)絡(luò )整體性能的一個(gè)關(guān)鍵因素便是節點(diǎn)間的相互合作行為。具體到超寬帶認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )，由于UWB信號的最大功率不能影響到窄帶系統，因此多跳合作中繼方案比單跳長(cháng)距離傳輸更具優(yōu)勢，當然，這會(huì )增加傳輸延遲和設備的復雜程度。

　　一段時(shí)間以來(lái)，在多入多出(MIMO)技術(shù)備受關(guān)注的同時(shí)，學(xué)術(shù)界也進(jìn)行了分布式移動(dòng)節點(diǎn)間的合作分集(Cooperation or Cooperative Diversity)研究。近來(lái)，又有研究提出了采用空時(shí)碼的虛擬MIMO方案，該方案能夠使分布節點(diǎn)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點(diǎn)之間是完全同步的，這就阻礙了采用空時(shí)碼的虛擬MIMO方案應用到分布式的UWB通信中。為解決這一問(wèn)題，文獻[18]介紹了一個(gè)采用時(shí)頻碼(Space-Frequency Block Coding)的虛擬MIMO方案。在該方案中，各分布節點(diǎn)之間的合作中繼方案中采用的是時(shí)頻碼而不是時(shí)空碼，這樣就可以克服中繼延遲同步的問(wèn)題。

　　5 結論

　　本文從超寬帶認知無(wú)線(xiàn)電適配信號的產(chǎn)生、功率傳輸控制和分布式節點(diǎn)間的合作三個(gè)方面，對當前該技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細的介紹和分析。由此可以看到，認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和UWB技術(shù)相互依托，互為補充，它們的結合將對未來(lái)的無(wú)線(xiàn)電研究產(chǎn)生深遠影響，推動(dòng)智能無(wú)線(xiàn)電走向實(shí)用化。