人們將CR技術(shù)和UWB相結(jié)合，能針對(duì)功率、距離和所要求的數(shù)據(jù)率進(jìn)行頻譜優(yōu)化，能有效地抑制各種干擾，并進(jìn)一步提高UWB的傳輸速率或傳輸距離。基于CR思想的UWB無(wú)線技術(shù)的發(fā)展將極大地促進(jìn)智能網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的發(fā)展，形成真正普及和以用戶為中心的無(wú)線世界，具有重大的理論與實(shí)際意義。另一方面，由于CR和UWB技術(shù)都是基于共享頻譜的思想，它們的結(jié)合很有可能帶來(lái)全新的頻譜管理模式，可能解決目前人為的以頻率為中心進(jìn)行頻譜管理的缺點(diǎn)(頻譜利用率低)，演進(jìn)為以設(shè)備為中心進(jìn)行管理，為解決日趨緊張的頻譜資源難題提供了一種新的解決方案。同時(shí)，它們的結(jié)合研究，也有可能為智能認(rèn)知無(wú)線電的最終實(shí)現(xiàn)提供一種嶄新的思路。 一、CUWB發(fā)展的技術(shù)背景
隨著無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展及無(wú)線業(yè)務(wù)的極大豐富，可用的頻譜資源越來(lái)越少。近年來(lái)，一類重用頻譜資源的無(wú)線技術(shù)被一些研究機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)制訂組織相繼提出，這其中最典型是超寬帶無(wú)線通信技術(shù)和認(rèn)知無(wú)線電(CR)技術(shù)。UWB是采用頻譜重疊的方式占用一段極寬的帶寬，并嚴(yán)格限制其信號(hào)的發(fā)射功率以盡可能少地給現(xiàn)存系統(tǒng)帶來(lái)有害干擾；而CR技術(shù)的核心則是通過(guò)動(dòng)態(tài)頻譜感知來(lái)探測(cè)“頻譜空洞”，合理地機(jī)會(huì)占用此臨時(shí)可用的頻段，并自適應(yīng)地隨著感知結(jié)果動(dòng)態(tài)地改變系統(tǒng)傳輸參數(shù)以規(guī)避高優(yōu)先級(jí)的授權(quán)主用戶。UWB技術(shù)主要定位于個(gè)域網(wǎng)WPAN的應(yīng)用；CR則主要應(yīng)用于無(wú)線區(qū)域網(wǎng)WRAN的構(gòu)建中。CR是可以感知外部RF環(huán)境的智能通信系統(tǒng)，是軟件無(wú)線電(SWR)的進(jìn)一步智能化發(fā)展。在這兩種無(wú)線新技術(shù)背后的核心思想都是無(wú)害共享可用的頻譜資源，雖然它們共享頻譜及與其它系統(tǒng)共存的方式不同，但都極大地提高了頻譜利用率，以緩解日益增長(zhǎng)的無(wú)線業(yè)務(wù)需求與日漸匱乏的頻譜資源之間的矛盾。然而，這兩種非常有前景的技術(shù)在自身的發(fā)展過(guò)程中卻面臨一些困境，為了使它們更快地走向?qū)嶋H應(yīng)用，我們提出了把超寬帶技術(shù)和認(rèn)知無(wú)線電結(jié)合起來(lái)構(gòu)建一種所謂的認(rèn)知超寬帶(CUWB)無(wú)線通信系統(tǒng)。
1.UWB
超寬帶(UltraWideband，UWB)無(wú)線電技術(shù)的最初形式為沖激無(wú)線電，是直接利用脈寬為納秒或亞納秒脈沖做信息載體傳輸?shù)募夹g(shù)。20世紀(jì)90年代之前，UWB主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，之后，UWB技術(shù)開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域，并在國(guó)際上掀起了一股研究熱潮，被認(rèn)為是下一代無(wú)線通信的革命性技術(shù)。UWB定義沒(méi)有限定它的數(shù)據(jù)信號(hào)的具體實(shí)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(shuō)包括了任何可以使用超寬帶頻譜的通信形式。因此根據(jù)底層UWB信號(hào)的實(shí)現(xiàn)形式不同，UWB技術(shù)目前可分為兩大類：基于窄脈沖式的沖激類UWB和基于調(diào)制載波擴(kuò)頻式的載波類UWB。相應(yīng)地，目前在國(guó)際上占主要地位的UWB設(shè)計(jì)方案包括直接序列CDMA-UWB方案和多載波OFDM-UWB方案。CDMA-UWB是基于脈沖的UWB方案，而OFDM-UWB是基于多載波的UWB方案，它采用OFDM技術(shù)傳輸子帶信息。兩種技術(shù)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者有較好的頻譜利用率，易于實(shí)現(xiàn)多用戶通信，能夠進(jìn)行高精度定位和跟蹤，能有效抵抗多徑衰落，易于數(shù)字化和采用軟件無(wú)線電技術(shù)構(gòu)建靈活的射頻前端，但它的頻譜共享的靈活性較差，不利于與其它窄帶系統(tǒng)共存。后者則提高了頻譜的靈活性,但易造成較高的功率峰值與均值比(PAR)，易于產(chǎn)生對(duì)其它系統(tǒng)的干擾，如果單純地降低發(fā)射功率，又會(huì)減小傳輸距離，且不利于進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率。由于這兩大技術(shù)陣營(yíng)的對(duì)立，使得面向UWB高速數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)制訂的802.15.3a工作組已經(jīng)解散。目前，由ITU-RTG1/8工作組來(lái)負(fù)責(zé)UWB高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜�球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。
2.CR
認(rèn)知無(wú)線電(CognitiveRadio,CR)的概念起源于1999年JosephMitolo博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有學(xué)習(xí)能力，能與周圍環(huán)境交互信息，以感知和利用在該空間的可用頻譜，并限制和降低沖突的發(fā)生。CR的學(xué)習(xí)能力是使它從概念走向?qū)嶋H應(yīng)用的真正原因。有了足夠的人工智能，它就可能通過(guò)吸取過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)實(shí)際的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)包括對(duì)死區(qū)、干擾和使用模式等的了解。這樣，CR有可能賦予無(wú)線電設(shè)備根據(jù)頻帶可用性、位置和過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)自主確定采用哪個(gè)頻帶的功能。隨著許多CR相關(guān)研究的展開，對(duì)CR技術(shù)存在多種不同的認(rèn)識(shí)。最典型的一類是圍繞Mitola博士提出的基于機(jī)器學(xué)習(xí)和模式推理的認(rèn)知循環(huán)模型來(lái)展開研究，他們強(qiáng)調(diào)軟件定義無(wú)線電(SoftwareDefined Radio，SDR)是CR實(shí)現(xiàn)的理想平臺(tái)。
針對(duì)CR研究中存在的多種描述，美國(guó)FCC提出了CR的一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)化的版本。他們?cè)贔CC-03322中建議任何具有自適應(yīng)頻譜意識(shí)的無(wú)線電都應(yīng)該被稱為認(rèn)知無(wú)線電CR。FCC更確切地把CR定義為基于與操作環(huán)境的交互能動(dòng)態(tài)改變其發(fā)射機(jī)參數(shù)的無(wú)線電，其具有環(huán)境感知和傳輸參數(shù)自我修改的功能。CR是一種新型無(wú)線電，它能夠在寬頻帶上可靠地感知頻譜環(huán)境，探測(cè)合法的授權(quán)用戶(主用戶)的出現(xiàn)，能自適應(yīng)地占用即時(shí)可用的本地頻譜，同時(shí)在整個(gè)通信過(guò)程中不給主用戶帶來(lái)有害干擾。無(wú)線電環(huán)境中的無(wú)線信道和干擾是隨時(shí)間變化的，這就暗示CR將具有較高的靈活性。目前，CR的應(yīng)用大多是基于FCC的觀點(diǎn)，因此也稱CR為頻譜捷變無(wú)線電、機(jī)會(huì)頻譜接入無(wú)線電等。
當(dāng)前，在頻譜政策管理部門的帶動(dòng)下，一些標(biāo)準(zhǔn)化組織采用了CR技術(shù)，并先后制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)以推動(dòng)該技術(shù)在多種應(yīng)用場(chǎng)景下的發(fā)展。例如，IEEE802.22工作組對(duì)基于CR的無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)WRAN的空中接口標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，目標(biāo)是將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶的空閑頻道有效的利用起來(lái)；IEEE802.16工作組正在著手制定h版本標(biāo)準(zhǔn)，致力于改進(jìn)如策略、MAC增強(qiáng)等機(jī)制以確�；�于WiMAX的免授權(quán)系統(tǒng)之間、與授權(quán)系統(tǒng)之間的共存。此外，ITU也在努力尋找類似CR的頻譜共享技術(shù)。目前，受CR的潛力及其在無(wú)線電領(lǐng)域公認(rèn)的“下下一件大事情”的激勵(lì)，國(guó)內(nèi)不少院校和學(xué)者也已經(jīng)開始了這方面的研究，如西安電子科技大學(xué)已經(jīng)開展的2005年度“863”有關(guān)CR技術(shù)的研究。
二、UWB與CR結(jié)合的可行性分析
由于UWB的超寬帶特性，它必然會(huì)對(duì)共享頻段內(nèi)的其它窄帶系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，并且自身也將受到其它系統(tǒng)在某頻段的強(qiáng)干擾。無(wú)線電頻率管理有兩個(gè)基本的原則：新的無(wú)線電技術(shù)不得對(duì)已有的無(wú)線電臺(tái)(系統(tǒng))造成有害干擾；受到干擾不得提出保護(hù)要求，即要能忍受已有無(wú)線電臺(tái)的各種干擾。因此，UWB系統(tǒng)必將面對(duì)兩個(gè)比較突出的問(wèn)題，在共享頻譜的時(shí)候不得對(duì)已有的窄帶系統(tǒng)造成有害干擾，同時(shí)UWB系統(tǒng)也可能受到來(lái)自其它系統(tǒng)的強(qiáng)窄帶干擾。目前，所有針對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決方案都是針對(duì)UWB系統(tǒng)本身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究思路大都集中在UWB脈沖信號(hào)波形(由于IR-UWB具有許多特別的優(yōu)點(diǎn)，如易于數(shù)字化及軟件化，低成本低功率等，本文限定于IR-UWB)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化上，以期產(chǎn)生出嚴(yán)格遵守FCC等機(jī)構(gòu)制訂的輻射掩模約束條件的脈沖信號(hào)，并采用一些有效的抑噪技術(shù)來(lái)減少對(duì)現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)的干擾。如尋找一種更優(yōu)的UWB信號(hào)波形，采用自適應(yīng)編碼、調(diào)制、比特交織、波束成形及功率控制等已在蜂窩通信中被驗(yàn)證能起到抑制干擾作用的相關(guān)技術(shù)。許多研究已經(jīng)表明，這種思路要想設(shè)計(jì)出既符合各相關(guān)機(jī)構(gòu)制訂的頻譜掩模約束又可避免相互干擾的脈沖波形是非常有挑戰(zhàn)性的。基于這個(gè)考慮，并結(jié)合感知無(wú)線電具有能感知周圍環(huán)境特別是頻譜操作環(huán)境的特性，我們把CR技術(shù)引入到UWB系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)中來(lái)，給UWB面臨的上述問(wèn)題提供一種全新的解決思路，有可能設(shè)計(jì)出一種全新的高性能UWB系統(tǒng)。采用頻譜感知技術(shù)能提高頻譜利用的靈活性，改善頻譜共享，有效抑制窄帶干擾，與其它系統(tǒng)更好地共存，同時(shí)還可潛在地提高頻譜的利用率，提高數(shù)據(jù)傳輸速率和UWB系統(tǒng)的整個(gè)性能。例如，UWB在10m范圍內(nèi)有很高的傳輸速率，但由于受發(fā)射功率的限制，10m以外的傳輸速率將大大下降。在感知周圍的頻譜環(huán)境后，可根據(jù)所感知的頻譜信息動(dòng)態(tài)地改變傳輸信道或調(diào)整UWB的發(fā)射功率，以提高UWB的傳輸距離，并且不會(huì)增加其帶給其它系統(tǒng)的有害干擾。于是，針對(duì)UWB技術(shù)發(fā)展過(guò)程中所必須面對(duì)的共存問(wèn)題，并結(jié)合UWB和CR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文提出這種被稱為認(rèn)知超寬帶無(wú)線系統(tǒng)的全新的UWB系統(tǒng)機(jī)制，其有望打破目前UWB技術(shù)發(fā)展中的僵局。
另一方面，雖然CR的前景非常誘人，但要真正走向?qū)嵱眠�有很長(zhǎng)的一段路要走。首先，它必須得到用戶的認(rèn)可與信任。這個(gè)用戶既包括采用CR技術(shù)的用戶，也包括可能受CR設(shè)備干擾的用戶。在這兩方面達(dá)成共識(shí)之前，CR技術(shù)不可能得到廣泛的應(yīng)用。其次，從技術(shù)上來(lái)看，CR技術(shù)目前還處于概念階段，相關(guān)的理論和關(guān)鍵技術(shù)還很不成熟。由于CR具有SWR所擁有的自適應(yīng)性和重配置能力，CR技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中也必將遇到SWR所遭遇的復(fù)雜的射頻前端設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這樣，目前要實(shí)現(xiàn)一個(gè)真正意義上的CR系統(tǒng)也必將遭受SWR類似的困境。UWB技術(shù)本身所固有的易數(shù)字化及擴(kuò)展性，使得其適合成為支持通用的物理層的技術(shù)，從而也使得CR技術(shù)的發(fā)展避開了SWR發(fā)展過(guò)程中所碰到的難題。例如，UWB技術(shù)將解決CR實(shí)現(xiàn)上遇到的一些難題。在RF前端設(shè)計(jì)中涉及到各種不同的組件，包括天線、放大器、濾波器、低功率高速ADC和DAC等的限制。這些組件關(guān)鍵的發(fā)展和局限基本上都與其操作的帶寬有關(guān)。再有，超寬帶系統(tǒng)的天線和信號(hào)超寬帶特性使其便于進(jìn)行測(cè)頻及系統(tǒng)可使模數(shù)轉(zhuǎn)換器盡量靠近天線端并迅速進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的能力，這將給CR的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇。

三、CUWB系統(tǒng)
認(rèn)知超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)是結(jié)合CR和UWB技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)來(lái)聯(lián)合設(shè)計(jì)研究的一種智能無(wú)線系統(tǒng)，是一種基于頻譜感知的具有自適應(yīng)輻射掩模(或發(fā)射功率譜密度)和靈活波形的新型超寬帶系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本原理主要是利用CR能夠感知周圍的頻譜環(huán)境和UWB系統(tǒng)易于數(shù)字化軟件化的特性，依據(jù)感知得到的頻譜信息和動(dòng)態(tài)頻譜分配策略來(lái)自適應(yīng)地構(gòu)建UWB系統(tǒng)的頻譜結(jié)構(gòu)，并生成相應(yīng)的頻譜靈活的自適應(yīng)脈沖波形，根據(jù)信道的狀態(tài)信息進(jìn)行自適應(yīng)的發(fā)射與接收。