認(rèn)知超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

由于超寬帶(UWB)的特性，它必然會(huì)對(duì)共享頻段內(nèi)的其他窄帶系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，并且自身也將受到其他系統(tǒng)在某頻段的強(qiáng)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)自其他系統(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)，研究思路大都是集中在UWB脈沖信號(hào)波形的設(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)制定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。但是，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)制定的頻譜掩模約束，又可避免相互干擾的脈沖波形是非常有挑戰(zhàn)性的。這主要是由于該設(shè)計(jì)方法沒(méi)有和外界環(huán)境交互，缺少對(duì)周?chē)�射頻環(huán)境的了解，使得UWB系統(tǒng)的頻譜共享缺乏靈活性，系統(tǒng)間共存缺少針對(duì)性，限制了UWB系統(tǒng)性能和頻譜利用率的進(jìn)一步提高。而認(rèn)知無(wú)線電(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”，尋找合理的機(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)果而動(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(hù)�；�于這個(gè)考慮，并結(jié)合感知無(wú)線電具有能感知周?chē)�環(huán)境特別是頻譜操作環(huán)境的特性，把CR技術(shù)引入到UWB系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)中來(lái)[2,3]，給UWB面臨的上述問(wèn)題提供一種全新的解決思路，并有可能由此設(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，與其他系統(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。針對(duì)當(dāng)前UWB技術(shù)發(fā)展過(guò)程中所必須面對(duì)的共存問(wèn)題及進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，結(jié)合UWB和CR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，文章探討了一種被稱(chēng)為認(rèn)知超寬帶(CUWB：CognitiveUltraWideband)無(wú)線通信系統(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，而成為UWB全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的最佳技術(shù)候選。目前，CUWB系統(tǒng)的研究也正成為UWB技術(shù)后續(xù)發(fā)展研究的一個(gè)主要方向。

一、CUWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.CUWB系統(tǒng)的工作原理

CUWB無(wú)線通信系統(tǒng)是結(jié)合認(rèn)知無(wú)線電和超寬帶技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)聯(lián)合研究與設(shè)計(jì)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(功率譜密度)、自適應(yīng)頻譜接入能力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能夠感知周同的頻譜環(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)頻譜分配策略自適應(yīng)地構(gòu)建UWB系統(tǒng)的頻譜掩模，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。由于具有環(huán)境感知功能，包括頻譜感知和位置感知，CUWB系統(tǒng)的特性及相關(guān)操作流程與現(xiàn)行超寬帶系統(tǒng)相比發(fā)生了顯著的變化，同時(shí)，由于UWB與CR共享頻譜的方式存在本質(zhì)上的差異，這使得CUWB的認(rèn)知循環(huán)過(guò)程與一般的CR系統(tǒng)也不盡相同。因此，必須首先對(duì)CUWB系統(tǒng)的特性及通信流程進(jìn)行描述，定義系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的認(rèn)知及自適應(yīng)過(guò)程。

在當(dāng)前CR技術(shù)的研究中，由于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)尚處于起步階段，對(duì)于該技術(shù)的主要功能及認(rèn)知循環(huán)過(guò)程還處于討論之中。隨著對(duì)CR技術(shù)的不同認(rèn)識(shí)，不同的研究學(xué)者及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在研究與設(shè)計(jì)認(rèn)知無(wú)線電的總體框架中所涉及的具體內(nèi)容有所不同，所基于的認(rèn)知循環(huán)模型也不同。其中，最典型的是Mitola博士[4]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，包括了一系列的認(rèn)知學(xué)習(xí)步驟。它主要是采用無(wú)線電知識(shí)描述語(yǔ)言(RKRL：RadioKnowledgeRepresentationLanguage)，通過(guò)基于模式的推理來(lái)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能交流，主要涉及到高層次協(xié)議的研究與設(shè)計(jì)。然而，Mitolo并沒(méi)有提出相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)具有認(rèn)知功能的物理層和MAC層體系結(jié)構(gòu)的底層支撐技術(shù)，且其提出的認(rèn)知循環(huán)過(guò)程比較復(fù)雜，他認(rèn)為認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)應(yīng)該具備檢測(cè)、分析、調(diào)整、推理、學(xué)習(xí)等能力。但是考慮到系統(tǒng)認(rèn)知功能的智能化水平與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度方面的折衷，文章結(jié)合UWB系統(tǒng)特性對(duì)CUWB系統(tǒng)的認(rèn)知過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，使其具備檢測(cè)、分析和調(diào)整三個(gè)最基本的認(rèn)知能力，同時(shí)，充分利用UWB所具有的精確測(cè)距與位置定位能力輔助估計(jì)信道狀態(tài)，甚至可以輔助計(jì)算干擾溫度的空間分布，以使CUWB系統(tǒng)上層能夠建立在現(xiàn)實(shí)的物理層模型之上，如圖1所示。

近日，一些用戶(hù)自費(fèi)采購(gòu)自建了一些移動(dòng)通信無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)器，說(shuō)明移動(dòng)通信的普及要求仍然很高。利用Femtocell及其補(bǔ)充技術(shù)的微小區(qū)域方案的出現(xiàn)將徹底解決這一問(wèn)題。

■（中國(guó)聯(lián)通集團(tuán)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有限公司陜西省分公司　周雙陽(yáng)　王昊）隨著移動(dòng)通信的進(jìn)一步發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)覆蓋不斷向廣度和深度拓展，大片的盲區(qū)和信號(hào)微弱區(qū)域的覆蓋問(wèn)題已經(jīng)基本得到解決。而一些微小區(qū)域的覆蓋盲區(qū)卻是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式所無(wú)法根本解決的。

由于目前大部分的用戶(hù)已經(jīng)習(xí)慣于移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)應(yīng)用，如果一個(gè)用戶(hù)即使在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)無(wú)法使用移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，這都將會(huì)給這個(gè)用戶(hù)帶來(lái)極大的不便。為此，一些急需要通信的用戶(hù)采取了自建網(wǎng)絡(luò)的行為。最近，有報(bào)道說(shuō)在廣州、深圳等城市的城中村內(nèi)，一些用戶(hù)自費(fèi)采購(gòu)自建了一些移動(dòng)通信無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)器，說(shuō)明了移動(dòng)通信的普及要求移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)必須覆蓋任何地區(qū)了。

從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的角度方面看，首先，這些區(qū)域的用戶(hù)已經(jīng)不滿足傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋了，或者是說(shuō)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋并沒(méi)有覆蓋他們想覆蓋的區(qū)域；其次，由于有強(qiáng)烈的業(yè)務(wù)使用需求，必須有一種網(wǎng)絡(luò)覆蓋手段解決微小區(qū)域的覆蓋問(wèn)題；第三，由于無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)器是由一些用戶(hù)自發(fā)的使用，沒(méi)有得到很好的規(guī)范，如果放任自流將有可能影響到網(wǎng)絡(luò)，如果加以好的利用就可能增加無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，吸收更多的話務(wù)量。能不能變被動(dòng)為主動(dòng)，從而找到一個(gè)微小區(qū)域覆蓋解決方案呢？

微小區(qū)域覆蓋解決方案應(yīng)運(yùn)而生，這個(gè)解決方案主要就是根據(jù)用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求，在有很多業(yè)務(wù)應(yīng)用或是業(yè)務(wù)需求強(qiáng)烈的區(qū)域，以解決小塊區(qū)域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋為目的，利用Femtocell或是無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)器，實(shí)施的微小區(qū)域信號(hào)覆蓋解決方案�？紤]到這些區(qū)域基本上是目前多種制式的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都難以覆蓋的，如果有運(yùn)營(yíng)商首先解決將形成差異化的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，這種差異化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)當(dāng)然是源自于市場(chǎng)需求了，這個(gè)方案也是一種自下而上的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案。

微小區(qū)域方案應(yīng)運(yùn)而生

微小區(qū)域覆蓋解決方案可以解決多種微小區(qū)域的覆蓋問(wèn)題，本方案通過(guò)無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)器，一端用高增益天線接收基站信號(hào)，一端用覆蓋天線覆蓋所需要的區(qū)域。目前所使用的無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)器，采用了一些最新數(shù)字處理技術(shù)，保證對(duì)網(wǎng)絡(luò)不自激、不干擾，避免傳統(tǒng)直放站引起網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降的問(wèn)題。降低了業(yè)主的協(xié)調(diào)難度和費(fèi)用，使網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的難度大大降低。改善信號(hào)覆蓋，提高用戶(hù)感知度，降低用戶(hù)投訴，提高用戶(hù)滿意度。我們可以分析一些使用無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)器的具體場(chǎng)景應(yīng)用，來(lái)討論本方案的特點(diǎn)。

電梯解決方案：電梯是電波難以穿透的典型區(qū)域，一般電梯具有小區(qū)域、密閉性強(qiáng)、移動(dòng)、分散等特點(diǎn)，應(yīng)用傳統(tǒng)的室內(nèi)分布解決方案需要在井道內(nèi)布射頻同軸饋線、安裝功分器件和定向天線，工程周期長(zhǎng)、工程量大、施工難度大、建設(shè)費(fèi)用高。而電梯解決方案無(wú)需在井道內(nèi)安裝任何器件，所有安裝都集中在轎箱頂上和內(nèi)部的隔層中，工程施工簡(jiǎn)單，設(shè)備器件少，一般一個(gè)電梯只需要15分鐘即可安裝開(kāi)通，應(yīng)用此方案一天一組工程人員可安裝5～10部電梯。對(duì)于中小型電梯，微小區(qū)域電梯覆蓋解決方案不失為一種最佳解決方案。

電梯覆蓋解決方案

小區(qū)域地下室的覆蓋解決方案：在面積小于500平方米的地下停車(chē)場(chǎng)或地下經(jīng)營(yíng)場(chǎng)所，按照傳統(tǒng)的室內(nèi)分布建設(shè)流程，因?yàn)樗�需要覆蓋面積小，一般不予以重點(diǎn)考慮，這就影響了這些區(qū)域的用戶(hù)應(yīng)用，造成話務(wù)量的流失。而應(yīng)用小區(qū)域地下室的覆蓋解決方案，建設(shè)流程簡(jiǎn)單，一般可直接進(jìn)行工程施工，工程量小，在工程中施工人員可通過(guò)施主天線選擇接收室外的基站信號(hào)，經(jīng)過(guò)饋線傳送到地下區(qū)域，經(jīng)過(guò)小增益的信號(hào)放大，就可對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行覆蓋了。

小區(qū)域高層無(wú)線干擾應(yīng)用解決方案：在現(xiàn)代城市里經(jīng)常有一些超過(guò)30層的建筑物，在超過(guò)25層以上的區(qū)域，由于相對(duì)的海拔位置高，這些區(qū)域可以收到很多基站的信號(hào)，造成了無(wú)線干擾，從而造成了通話雜音或是無(wú)法正常通信，而25層以下的其他區(qū)域情況良好。在這種情況下，使用此方案通過(guò)高增益天線的接收，引入一個(gè)基站的信號(hào)作為主信號(hào)來(lái)壓制那些干擾信號(hào)，通過(guò)此方案就可以用較小的成本快速地解決高層小區(qū)域的無(wú)線干擾問(wèn)題。

新方案新應(yīng)用

微小區(qū)域解決方案解決了一些區(qū)域的應(yīng)用問(wèn)題：無(wú)線公話信號(hào)增強(qiáng)器，主要用于無(wú)線公話的話吧等，可進(jìn)一步促進(jìn)無(wú)線公話業(yè)務(wù)的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)商可以有針對(duì)性地在一些低話務(wù)區(qū)應(yīng)用此方案增加話務(wù)量；手機(jī)伴侶，此方案可用于密集建筑物低層的室內(nèi)，也可用于提高室內(nèi)高速業(yè)務(wù)的速率；小場(chǎng)所、高話務(wù)室內(nèi)區(qū)域的應(yīng)用，如小型會(huì)議室、服務(wù)員休息室、小型電梯等人員密度大，又有迫切使用通信業(yè)務(wù)需求的區(qū)域，使用信號(hào)增強(qiáng)器可以解決定點(diǎn)小區(qū)域的覆蓋問(wèn)題，同時(shí)還可以吸收更多的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量；小型移動(dòng)交通工具內(nèi)的應(yīng)用，如近海和內(nèi)陸河流內(nèi)的小型船只內(nèi)和移動(dòng)的車(chē)輛內(nèi)，有一定的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的地方。

隨著3G網(wǎng)絡(luò)的推出，3G業(yè)務(wù)將得到廣泛的應(yīng)用，對(duì)于3G高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越多。由于3G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的室外連續(xù)覆蓋的業(yè)務(wù)速率并非網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到的最高速率，如WCDMA的室外連續(xù)覆蓋有設(shè)計(jì)成64K或384K數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連續(xù)覆蓋，所以在小區(qū)邊緣，一些用戶(hù)是無(wú)法使用到最高速率的業(yè)務(wù)。而在沒(méi)有室內(nèi)覆蓋的室內(nèi)區(qū)域，用戶(hù)無(wú)法享受最高速業(yè)務(wù)的區(qū)域?qū)��?huì)更大，這種情況將會(huì)一定程度地影響用戶(hù)對(duì)3G業(yè)務(wù)的感知度。

同時(shí)，由于CDMA系統(tǒng)的呼吸效應(yīng)，當(dāng)用戶(hù)增加后，一些區(qū)域高速業(yè)務(wù)應(yīng)用將得到進(jìn)一步的限制。在這種情況下，從用戶(hù)應(yīng)用側(cè)來(lái)考慮，合理地應(yīng)用一些微小區(qū)域覆蓋解決方案，就可以解決一部分3G用戶(hù)在這些區(qū)域的高速業(yè)務(wù)應(yīng)用的問(wèn)題。

由上可知，微小區(qū)域覆蓋解決方案對(duì)環(huán)境要求低，可以解決用戶(hù)在眾多小區(qū)域語(yǔ)音業(yè)務(wù)的需求，而且可以解決一些場(chǎng)所內(nèi)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用，特別是高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展是全面的，一種技術(shù)的突破必然帶動(dòng)其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，多技術(shù)的多種解決方案也是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。微小區(qū)域覆蓋解決方案有著其他技術(shù)無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)，其技術(shù)特點(diǎn)更加趨近于用戶(hù)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，相比其他技術(shù)，微小區(qū)域覆蓋解決方案具有更強(qiáng)的精細(xì)化、差異化、個(gè)性化的特點(diǎn)，如果加以推廣應(yīng)用，此方案一定會(huì)和其他技術(shù)手段一起更好地服務(wù)于廣大用戶(hù)。