超寬帶認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)

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(shí)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(jì)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)。”認(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(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(shí)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(shí)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(shí)和實(shí)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(shí)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