（电路与系统专业论文）具有灵活频谱特性的认知超宽带信号生成技术的研究.pdf

。， 删y 舢1 舢7 删5 册9 脚5 舢删6 j 5 舢 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：翌塑垒 本人承担一切相关责任。 日期：型! 至三望兰窒 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：兰：盟三皇兰兰 日期：2 望f 翌! 至。! 之 i i 具有灵活频谱特性的认识超宽带信号 生成技术的研究 摘要 随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源短缺的问题日益严重。认 知超宽带技术由于其机会占用频谱和频谱复用的功能受到了人们及大的 关注。本文提出一种基于m b o f d m 的认知超宽带信号频谱整形的优化 方案，即在关闭子载波的同时，引入部分响应系统，在几乎不增加系统 复杂度的前提下进一步加深频谱凹槽。 本文对具有灵活频谱特性的认知超带信号进行了研究，并着重研究 了基于m b o f d m 的认知超宽带信号，以及基于此项技术的现有的各类 频谱整形方法。其中，重点研究了关闭o f d m 子通道法和a i c 方法的原 理及性能特点。在此基础上，本文提出一种新的认知超宽带信号的频谱 整形优化方案，即在关闭o f d m 子通道的同时引入部分响应系统，通过 部分响应系统中的相关编码，在发端引入可控的码间干扰，来改变信号 频谱的形状，从而进二步加深信号的频谱凹槽。本文第四章对这一方案 的原理和算法进行了详细的介绍；第五章通过仿真验证了此方案的有效 性，并对几种基于m b o f d m 认知超宽带信号频谱整形技术进行了比较 分析，总结各种技术的优缺点和最佳应用场景。 关键字认知超宽带m b o f d m 灵活频谱部分响应系统 i i i i v t h es t u d yo f w h i c hh a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，s p e c t r u ms c a r c i t y p r o b l e m i s i n c r e a s i n g l ys e v e r e c o g n i t i v eu l t r a - w i d e b a n d ( c u w b ) t e c h n o l o g yh a sb e e nm a j o r l yc o n c e r n e db e c a u s ei t sc a p a b i l i t i e so fs p e c t r u m r e u s ea n dt a k i n gt h ec h a n c eo ft a k i n gu ps p e c t r u m t h i sp a p e rp r e s e n t sa s p e c t r u ms h a p i n go p t i m i z a t i o ns c h e m eb a s e do nm b o f d mc u w bs i g n a l s ， w h i c hi si n t r o d u c ep a r t i a lr e s p o n s e ，s y s t e m ( p r s ) w h i l et u m i n go f f s u b c a r d e r s t h i ss c h e m ec a nd e e p e nt h es p e c t r u mn o t c ha l m o s tw i t h o u t i n c r e a s i n gs y s t e mc o m p l e x i t y i nt h i sp a p e r , w er e s e a r c h e dc u 、s i g n a lw h i c hh a sf l e x i b l es p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s ，e s p e c i a l l y t h ec u w bs i g n a l sb a s e d o nm b o f d ma n d d i f f e r e n tk i n d so f s p e c t r u ms h a p i n gm e t h o d sb e l o n g i n gt oi t a m o n gt h e m ，w e f o c u s e do nt h em e t h o do fc l o s i n go f d ms u b - c a r d e r sa n da c t i v ei n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ( a i c ) ，d o i n gs o m er e s e a r c ho nt h e i rp r i n c i p l e sa n dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e ws p e c t r u ms h a p i n g o p t i m i z a t i o ns o l u t i o no fc u w b ：t h ep a r t i a lr e s p o n s es y s t e mi si n t r o d u c e d i n t ot h em b - o f d mc u w bs i g n a l sw h i l et u r n i n go f fs o m es u b c a r d e r s t h r o u g ht h er e l e v a n tc o d i n gi np r s ，c o n t r o l l a b l ei n t e r f e r e n c ew h i c hc a nb e r e m o v e di nt h er e c e i v e rw i t h o u te n h a n c i n gs y s t e mc o m p l e x i t y , i si n t r o d u c e d t ot h ec u w bs i g n a l s i tc a l lc h a n g es p e c t r u ms h a p eo fs u b c a r r i e r so fo f d m s i g n a l sa n dd e e p e nt h es p e c t r u mn o t c h d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h i sm e t h o di s p r e s e n t e di nc h a p t e r4 w ea l s od i ds o m es i m u l a t i o n st od e m o n s t r a t et h e e f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o di nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e r5 ，d i f f e r e n ts p e c t r u m s h a p i n gt e c h n i q u e sb a s e do nm b o f d mc u w b a r ec o m p a r e di nt h i sc h a p t e r v v i g e so ft h e s et e c h n o l o g i e sa n dg a v e e t h o d e c t r u m ，p a r t i a lr e s p o n s es y s t e m 摘要 目录 第一章引言 v 1 i 1 认知无线电简介j ：2 1 1 1 认知无线电基本概念及关键技术：2 1 1 2c r 的频谱政策和标准化工作进展：3 1 ：! l t w b 简介，：4 1 2 1u w b 基本概念。4 1 2 2u w b 的技术特点5 1 3 c u w b 系统简介6 1 3 1 认知无线电与u 、b 相结合的可行性分析【引：6 1 3 2c u w b 系统简介【8 j - 7 1 4 本文的主要内容和安排8 第二章认知超宽带适配信号的研究。 9 2 1基于脉冲的超宽带信号9 2 1 1 跳时超宽带信号的产生【9 】_ 9 2 1 2 直接序列超宽带信号的产生【9 1 _ 1 l 2 2 用于超宽带信号的一种特殊的脉冲波1 3 2 2 1 软频谱适配的概念【嘲1 3 2 2 2 基于p s w i ：的正交脉冲波形的产生1 4 2 3 基于多频带的超宽带信号1 8 2 3 1m b o f d m 系统概述1 8 2 3 2m b o f d m 超宽带信号的产生唧1 9 2 4 认知超宽带适配信号2 l 第三章基于m b - o f d m 的c u w b 适配信号的整形技术 3 1 j ；i 言2 4 3 2 关闭o f d m 子通道的方法2 4 3 2 1 原理介绍2 4 3 2 2 仿真分析2 6 3 3 a i c 方法。2 8 3 3 1 原理介绍2 8 3 3 2 仿真分析3 0 v i i 3 4 其它基于m b o f d m 的c u w 8 适配信号的频谱整形技术3 2 3 4 1 动态优化块传输机制3 3 3 4 2 灵活的传输功率控制3 4 3 4 3 窗口滤波器法3 5 第四章引入部分响应系统来整形c u w b 适配信号 3 7 4 1引言3 7 4 2部分响应系统，- 3 7 4 2 1 部分响应系统基本原理3 7 4 2 2 一般形式的部分响应系统3 9 4 3引入部分响应系统加深c i n b 信号的频谱凹槽4 l 4 3 1 在c u w 8 中引入部分响应系统的基本算法4 l 4 3 2 在c u w 8 中引入部分响应系统的更一般形式的研究：4 3 4 3 3 引入部分响应系统这一方法的仿真分析：4 4 第五章几种不同频谱整形方法的仿真比较分析 4 9 5 1 比较几种谱频整形方法的频谱性能差异4 9 5 2 比较几种频谱整形方法的误码率性能5 l 5 3 几种频谱整形方法的性能总结及各自最适合的应用场景5 2 第六章总结与展望 参考文献 致谢 5 5 攻读硕士学位期间发表或已投学术论文清单 v i i i 5 9 6 0 第一章引言 无线电频谱是一种客观存在的宝贵的自然资源，属于国家的重要战略性资源之 一。它与土地、矿产、水、森林、能源等资源一样，是人类社会和经济发展的物质基 础，并已构成现代人类生存条件的基本要素，在人们的生活和工作中，每时每刻都离 不开这一资源。尤其在人类进入信息化时代以后，大量信息包括数据、文字、图像、 话音、影视等都需要交流传播和处理、管理，各行各业都在大量使用无线电频谱资源， 使它显示出及为重要的战略价值。看不见、摸不着的电磁波，正直接或间接的创造着 巨大的社会。当前，随着经济全球化趋势的日益显现，信息技术日新月异，新技术、 新产品、新业务不断涌现，层出不穷，移动通信技术、卫星通信技术和广播电视技术 的迅速发展，使本来就显稀缺的频谱资源更趋紧张。未来，人类社会发展到一定阶段， 全球经济生活综合水平已相当高，人们日常工作、学习和生活需要对无线电业务的要 求将越来越高，频谱资源势必会更加显示出其重要性。此外，在军事工程革命向军事 信息革命迈进的过程中，电子信息战在现代战争中扮演着重要的角色，战场电磁环境 日趋复杂，频谱资源在现代战争中的地位日益凸显，频谱管理已成为影响战争胜负的 重要因素之一【。 -。 一 无线电频谱资源具有许多独特的特性。作为无线电频谱资源，既是无限的，但又 是有限的。无限是指无线电频率可以随着你的能力不断地往上扩展而延伸，可以说是 取之不尽用之不完；说有限是指由于人们的科学技术的发展和认识的局限性，在相对 一个时间和空间内，它可供使用的范围又是有限的，而相对于某一些地区来讲，频率 的需求将随经济和社会的发展而变得供需矛盾十分突出。无线电频谱可以被利用但不 会被消耗掉，是一种具有非耗竭性的资源。它不同于土地、水、矿山、森林等可以再 生或非再生的资源，如果得不到充分利用，则是一种资源浪费，而若使用不当也是一 种资源浪劐。 随着现代科技的飞速发展，用户日益增长的无线通信需求与有限的无线频率资源 间的矛盾持续加大。目前的无线电频谱被划分为不重叠的区域，并把他们分配给不同 的无线电标准。频谱的独有使用解决了标准之间冲突的问题，但是这种频谱固定分配 ( f s a ) 仍然存在着许多缺点。例如：大部分的通信网络受限于时间和地点的变化， 所以在某时某地某些用户的无线频谱处于不充分利用时，其他某个用户正处于频谱短 缺的状态，因此有限的频谱并没有得到充分有效的利用。基于无线频谱的商用价值和 频谱利用率的重要性，为了避免诸如此类的频谱资源浪费，各类提高频谱利用率的技 术应运而生，认知无线电技术和u w b 技术就是其中备受关注的技术之一。 1 1 认知无线电简介 1 1 1 认知无线电基本概念及关键技术 自19 9 9 年“软件无线电之父 j o s e p hm i t o l a 博士首次提出了c r 的概念并系统 地阐述了c r 的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了c r 的定义【2 3 】， 其中比较有代表性的包括f c c 和著名学者s i m o nh a y k i n 教授的定义。f c c 认为：c r 是能够基于对其工作环境的交互，改变发射机参数的无线电。s i m o nh a y k i n 则从信号 处理的角度出发，认为：“c r 是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并 使用人工智能技术从环境中学习。通过实时改变某些操作参数( 比如传输功率、载波 频率和调制技术等) ，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以 下目的：任何时间任何地点通信高度可靠；有效利用频谱资源。” 概括来说，认知无线电具有检测、适应、学习、机器推理、最优化、多任务以及 并发处理，应用的性能。具体而言，认知无线电可完成频谱的快速搜索，并对当地环 境的改变做出快速的物理层反应并进行功率控制；还可与多种无线电技术进行协作， 具有高层上的频谱礼节和谈判协议；不同的无线电链路可以同时发生，可在目标频带 中转向任意可用的信道；实现信道共享和功率控制协议，以适应多个不同类型网络共 享频谱的情况；实现自适应的发射带宽、数据比特以及纠错策略，以获得最好的吞吐 量；实现自适应天线导向以集中发射功率从而最大化接收信号强度。 认知无线电的思想已在无线通信的许多领域得到了应用。如工作于5 g h z 频段的 i e e e8 0 2 1 1 a 网络采用了动态频率选择( d f s ) 和发送功率控f n ( t p c ) 机制，避免对雷 达信号产生干扰；高速下行分组接, k ( h s d p a ) 和c d m a1xe v l d o 网络采取认知 调制过程，通过确认用户需要的服务，识别用户工作的最佳环境，进而设定最有效的 调制方案、数据速率及发送功率等，以满足用户的q o s 等需求。 认知无线电的主要工作包括无线频谱分析、信道识别、发射功率控制和动态频谱 资源管理。通常前两项任务由接收机完成，最后的任务由发射机完成，这三个任务就 形成了一个认知过程。这几个部分有机结合，形成一个完整的认知周期，即根据r f 探测、分析、快速信道估计、动态分配空闲信道以及信道状态选择合适的调制方式、 传输速率、发射频率等【4 】o 认知无线电的关键技术包括：频谱感知和检测技术、自适应频谱资源分配技术、 动态频谱接入和管理技术【5 】。其中，频谱感知和检测技术是实现认知无线电功能的基 础，认知无线电技术要求认知设备能够快速的对频谱进行感知，次要用户相比主用户 具有更低的频谱接入优先权，以避免对主用户造成有害干扰，次要用户需能够独立的 检测出空闲频谱及主用户的出现，并依此来进行下一步的动作。这就要求认知用户能 够实时的连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。为对主用户不造成有害干扰，可靠检 测概率要求达到9 9 9 。对于频谱分配技术，需要使用有效的方法来利用无线频谱资 源。基本途径有两条：其一，提高频谱利用率，将主用户的频谱资源充分利用，减少 浪费；其二，提高系统通信效率，将已获得的频率资源和其他资源综合优化分配，进 而提高利用率。其中可以分配和灵活控制的包括频谱、时间、功率、空间等资源。自 适应频谱资源分配的关键技术主要有：基于多载波的载波分配技术、功率控制技术、 复合自适应传输技术。动态频谱管理也称为动态频谱分配。简单地说，动态频谱管理 的主要目的在于结合功率控制提供一个自适应的用于有效的利用射频( r f ) 频谱的策 略。通过频谱检测技术获得认知设备能够使用的频谱池，选择合适的调制策略来适应 时变的无线射频环境。 1 1 1 2c r 的频谱政策和标准化工作进展 c r 技术从本质上撼动了一直以来的静态频谱分配策略，它的实现需要频谱管理 政策的支持。2 0 0 2 年1 2 月，f c c 规定非授权设备应具备能够识别未占用频段的能 力；2 0 0 3 年1 1 月，f c c 提出新的量化和管理干扰的指标值干扰温度的概念， 以扩展移动和卫星频段的非授权操作；同年1 2 月f c c 成立了c r 工作组，明确表示 支持c r 并修正了美国的电波法1 6 】；2 0 0 4 年5 月，f c c 又建议非授权无线电可 在电视广播频段内操作。这一系列政策的支持给c r 技术的研究提供了发展条件。 在频谱政策管制部门的带动下，一些标准化组织接纳了c r ，并先后制定了一系 列标准以推动该技术的发展。2 0 0 4 年1 1 月i e e e8 0 2 2 2 工作组正式成立，这是第一 个世界范围的基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。与此同时，专门成立了致 力于解决共存问题的i e e e8 0 2 1 6 h 工作组，可以使w i m a x 适用于u h f 电视频段， 利用认知无线电技术使8 0 2 1 6 系列标准可以在许可频段获得应用。为了进一步研究 认知无线电，i e e e 于2 0 0 5 年成立了i e e e1 9 0 0 标准组，进行与下一代无线通信技 术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。 3 1 2e w b 简介 1 2 1u w b 基本概念 u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正 弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，u w b 能在1 0 米 左右的范围内实现数百m b i t s 至数g b i t s 的数据传输速率。u w b 具有抗干扰性 能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室 内通信、高速无线l a n 、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。 超宽带的定义【7 】随着超宽带的发展几经变化。2 0 0 2 年美国联邦通信委员会 ( f c c ) 颁布了最新的u w b 频谱规划，并规定只要一个信号在一1 0 d b 处的绝对带宽 大于0 5 g h z 或相对带宽( f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 大于2 0 ，并且满足f c c 功率谱 密度限制要求的信号，则这个信号就是超宽带信号。这是目前学术界和企业界均较为 认可的定义。f c c 还规定了u w b 系统在非授权的频段3 1 1 0 6 g h z 之间的7 5 g h z 的带宽频谱为u w b 所使用的频率范围。部分带宽定义为： f ： ! 鲢二! l = ， 1 山! 坠) 、 2 7 式( 1 1 ) 其中厶和五分别为发射天线输出- 1 0 d b 辐射点所对应的上下频点。 从载波方面看，传统的通信技术是把信号从基带调制到载波上，而u w b 技术是 通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制，从而获得具有吉赫兹量级 的带宽。由计算信道容量的s h a n n o n 公式( 式1 2 ) 可知，信道的容量随带宽线性 增加，随信噪比的降低呈对数减小。这种关系说明，无线通信系统的容量可随所占带 宽的增加、信噪比的降低而增加。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传 播方面的重大难题，它开发了一个具有吉赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。 s h a n n o n 信道容量公式： g c = b 1 0 9 z ( 1 + 香 式( 1 2 ) 其中：c = 最大通道容量b = 通道的带宽s = 信号功率n = 噪声功率 4 1 2 2u 、糯的技术特点 由于u w b 与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此u w b 具有如下传统通信 系统无法比拟的技术特点： ( 1 ) 系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的 电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。 而u w b 则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。u w b 发射器直接 用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功率放大器与 混频器，因此，u w b 允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，u w b 接收 机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，u w b 系统结构的实现比较简单。 一 ( 2 ) 高速的数据传输：民用商品中，一般要求u w b 信号的传输范围为1 0 m 以 内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达5 0 0 m b i t s ，是实现个人通信 和无线局域网的一种理想调制技术。u w b 以非常宽的频谱带宽来换取高速的数据传 输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频 带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、 高安全性和高速的数据传输。 ( 3 ) 功耗低：u w b 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般 在0 2 0 n s - 1 5 n s 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信 时系统的耗电量仅为几百u w 几十m w 。民用的u w b 设备功率一般是传统移动电 话所需功率的1 11 0 0 左右，是蓝牙设备所需功率的1 2 0 左右。军用的u w b 电台 耗电也很低。因此，u w b 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着 很大的优越性。 ( 4 ) 安全性高：作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于u w b 信 号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，u w b 信号相当于白 噪声信号，并且大多数情况下，u w b 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电 子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机 化后，脉冲的检测将更加困难。 ( 5 ) 多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时 间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽 带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可 分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与 5 传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分 利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达1 0 3 0d b 的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5d b 。 ( 6 ) 定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易 将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能 力，可在室内和地下进行精确定位，而g p s 定位系统只能工作在g p s 定位卫星的 可视范围之内；与g p s 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位 置， 其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器更为便宜。 ( 7 ) 工程简单造价便宜：在工程实现上，u w b 比其它无线技术要简单得多，可 全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路 都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。 1 3c i m ，b 系统简介 1 3 1 认知无线电与u w b 相结合的可行性分析i 3 l 由于u w b 的超宽带特性，它必然会对共享频段内的其它窄带系统产生干扰，并 且自身也将受到其它系统在某频段的强干扰。无线电频率管理有两个基本的原则：新 的无线电技术不得对已有的无线电台( 系统) 造成有害干扰；受到干扰不得提出保护 要求，即要能忍受已有无线电台的各种干扰。因此，u w b 系统必将面对两个比较突 出的问题：在共享频谱的时候不得对已有的窄带系统造成有害干扰，同时u w b 系统 也可能受到来自其它系统的强窄带干扰。目前，所有针对这个问题的解决方案都是针 对系统本身进行优化设计，研究思路大都集中在u w b 脉冲信号波形的设计与优化上， 以期产生出严格遵守f c c 等机构制订的辐射掩模约束条件的脉冲信号，并采用一些 有效的抑噪技术来减少对现有窄带系统的干扰。如寻找一种更优的u w b 信号波形， 采用自适应编码、调制、比特交织、波束成形及功率控制等已在蜂窝通信中被验证能 起到抑制干扰作用的相关技术。许多研究已经表明，这种思路要想设计出既符合各相 关机构制订的频谱掩模约束又可避免相互干扰的脉冲波形是非常有挑战性的。 基于这个考虑，结合认知无线电具有能感知周围环境特别是频谱操作环境的特 性，我们把c r 技术引入到u w b 系统的研究和设计中来，给u w b 面临的上述问题 提供一种全新的解决思路，有可能设计出一种全新的高性能c u w b 系统。采用频谱 感知技术能提高频谱利用的灵活性，改善频谱共享，有效抑制窄带干扰，与其它系统 6 更好地共存，同时还可潜在地提高频谱的利用率，提高数据传输速率和u w b 系统的 整个性能。例如，u w b 在1 0 m 范围内有很高的传输速率，但由于受发射功率的限制， 1 0 m 以外的传输速率将大大下降。在感知周围的频谱环境后，可根据所感知的频谱 信息动态地改变传输信道或调整u w b 的发射功率，以提高u w b 的传输距离，并且 不会增加其带给其它系统的有害干扰。于是，针对u w b 技术发展过程中所必须面对 的共存问题，并结合u w b 和c r 技术的优点，这种被称为认知超宽带无线系统 ( c u w b ) 的全新的机制有望打破目前u w b 技术发展中的僵局。 另一方面，虽然c r 的前景非常诱人，但要真正走向实用还有很长的一段路要走。 首先，它必须得到用户的认可与信任。这个用户既包括采用c r 技术的用户，也包括 可能受c r 设备干扰的用户。在这两方面达成共识之前，c r 技术不可能得到广泛的 应用。其次，从技术上来看，c r 技术目前还处于概念阶段，相关的理论和关键技术 还很不成熟。由于c r 具有s w r 所拥有的自适应性和重配置能力，c r 技术在发展 过程中也必将遇到s w r 所遭遇的复杂的射频前端设计挑战。这样，目前要实现一个 真正意义上的c r 系统也必将遭受s w r 类似的困境。u w b 技术本身所固有的易数 字化及扩展性，使得其适合成为支持通用的物理层的技术，从而也使得c r 技术的发 展避开了s w r 发展过程中所碰到的难题。另外，超宽带系统的天线和信号超宽带特 性使其便于进行测频及系统可使模数转换器尽量靠近天线端并迅速进入数字信号处 理领域的能力，也将给c r 的发展带来机遇。 1 3 2c u w b 系统简介1 8 i 认知超宽带无线通信系统是结合c r 和u w b 技术的主要优点来联合设计研究的 一种智能无线系统，是一种基于频谱感知的具有自适应辐射掩模( 或发射功率谱密度) 和灵活波形的新型超宽带系统。该系统的基本原理主要是利用c r 能够感知周围的频 谱环境和u w b 系统易于数字化软件化的特性，依据感知得到的频谱信息和动态频谱 分配策略来自适应地构建u w b 系统的频谱结构，并生成相应的频谱灵活的自适应脉 冲波形，根据信道的状态信息进行自适应的发射与接收。 人们将c r 技术和u w b 相结合，能针对功率、距离和所要求的数据率进行频谱 优化，能有效地抑制各种干扰，并进一步提高u w b 的传输速率或传输距离。基于 c r 思想的u w b 无线技术的发展将极大地促进智能网络和设备的发展，形成真正普 及和以用户为中心的无线世界，具有重大的理论与实际意义。另一方面，由于c r 和 u w b 技术都是基于共享频谱的思想，它们的结合很有可能带来全新的频谱管理模式， 7 可能解决目前人为的以频率为中心进行频谱管理的缺点( 频谱利用率低) ，演进为以设 备为中心进行管理，为解决日趋紧张的频谱资源难题提供了一种新的解决方案。同时， 它们的结合研究，也有可能为智能认知无线电的最终实现提供一种崭新的思路。 1 4 本文的主要内容和安排 第一章介绍课题的研究背景和意义，介绍与课题相关的基础认识和概念。 第二章深入研究认知超宽带信号的产生方法，对各类方法的特性进行阐述和仿 真分析。 第三章深入研究几种常见的基于m b o f d m 的认识超宽带信号频谱整形技术， 并对它们进行仿真分析比较。在此基础上，提出对各种技术的性能特点的新的认识。 第四章在上两章研究的基础上，引入部分响应系统，来对已有的认识超宽带信 号的频谱做进一步整形，使其性能有一定程度的改进。并通过仿真证明此方法的有效 性。 第五章仿真比较几种不同的基于m b o f d m 的c u w b 信号频谱整形技术的优 缺点，提出它们各自最适合的应用场景。 第六章对全文工作进行总结与展望。 8 第二章认知超宽带适配信号的研究 认知超宽带通信系统能够感知可用频谱并动态地使用它们。这一设计理论面临的 首要问题就是如何产生一个频谱灵活的认知无线电脉冲波，使它能动态地对频谱分配 策略与干扰要求做出反应，进而无缝地修正发射波形以适应无线环境，这就要求这组 适配波形的频谱能适应频谱分配的频段，并且，波形必须满足f c c 频谱发射功率谱 模板的要求，同时还要避免对别的系统造成干扰。本章将讲述基于脉冲和基于多频带 的超宽带信号的设计，以及在这两类超宽带信号基础上产生c u w b 适配波形的方法。 2 1 基于脉冲的超宽带信号 发射超宽带信号最常用和最传统的方法是发射时域短脉冲。这种传输技术称为 “冲激无线电( 瓜) 。信息数据符号对脉冲进行调制，调制方式可以有多种。脉冲位 置调制( p p m ) 和脉冲幅度调制( p a m ) 是最常用的两种。除了要对脉冲进行调制外， 为了形成所产生的信号的频谱，还要用伪随机码或伪随机噪声( p n ) 对数据符号进 行编码。通常，编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移，即所谓的跳时超宽带 ( t h u w b ，t i m e - h o p p i n gu w b ) 。直接序列扩谱( d s s s ) 就是编码后的数据符号 对基本脉冲的幅度进行调制，这在冲激无线电中被称为直接序列超宽带( d s u w b ) 。 下面将分别介绍这两种超宽带信号的产生方法 2 1 1 跳时超宽带信号的产生1 9 i 在结合了二进制p p m 的t h - u w b ( 二进制p p m t h u w b ) 中，u w b 信号的产 生可以系统的描述如图2 1 所示： 以- - ，瓦b 5 鲁2 寺且。一每= 寺蠢，= 鲁= 毒 图2 - 1p p m - t h - u w b 信号的发射方案 9 1 给定待发射的二进制序列6 = ( ，6 0 ，岛，k i ) ，其速率r = i t b ( b s ) ， 9 图2 - 1 中的第一个模块使每个比特重复m 次，产生一个二进制序列： ( ，6 0 ，6 0 ，b o ，岛，6 i ，6 l ，反，玩，玩，瓯+ 。，玩+ 。，瓯 ) = ( ，a o ，a z ，a j ，口，+ l ，) = a 新的比特速率r 。= n s 乃= 1 霉( b s ) 。这个模块引入了冗余，其实是一种被称为重 复码的( m ，1 ) 分组编码器。一般术语上称为信道编码。 第二个模块是传输编码器，就是应用整数值码序列c = ( ，c o ，c l ，q ，c k 卅) 和 二进制序列口= ( ，口。，口i ，一，口，口，+ i ，) ，产生一个新的序列d ，序列d 的一般元素表 达式如式( 2 - 1 ) ： d ，= c ，z + 口，g 式( 2 1 ) 式中，互和g 是常量，对所有的勺满足条件勺互+ s 乃，通常占 乃。 这里的d 是一个实数值序列，而a 是二进制序列，c 是整数值序列。现在我们遵 循最常用的方法，假定c 是伪随机码序列，它的元素c ，是整数，且满足0 c ， 一l 。 码序列c 可能为周期序列，其周期表示为。两种特殊情况值得讨论。第一种，码 是非周期的，即虬专o o ；第二种是以= m ，这是最常用的一种，这时的编码周期 与二进制码重复的次数相等。在这里，传输编码扮演了码分多址编码和发射信号的频 谱形成双重角色。 。 实数值序列d 输入到第三个模块，+ 即p p m 调制模块，产生了一个速率为 r 。= 札乃= 1 z ( 脉冲j ) 的单位脉冲( d i r a cp u l s e s 万( f ) ) 序列。这些脉冲在时 间轴上的位置为，z + d ，因此脉冲位置在，z 基础上偏移了d ，脉冲的发生时间也 可以表示为，z + c ，z + a ，占。注意是码序列c 对信号引入了t h 位移，也正因为此，c 被 称为t h 码。还要注意一点就是由p p m 调制引起的位移口，g ，通常比t h 码引起的位移 c ，z 小得多，即：a ，g c i t ，c ，= 0 除外，z 称为码片时间( c h i pt i m e ) 。 最后一个模块是脉冲形成滤波器，其冲激响应为p ( t ) 。p ( t ) 必须保证脉冲形成 滤波器输出的脉冲序列不能有任何的重叠。 以上所有系统级联以后的输出信号s ( f ) 可以表示如下： j ( f ) = p ( t - j 嘭一勺乃一巳g ) j = 1 比特间隔或比特持续时间，也即用于传输一个比特的时间瓦，可表示为：瓦= m z 。 在式( 2 2 ) 中，0 z 定义了脉冲的随机性或者说是相对于霉整数倍时刻的抖动。如 1 0 果用随机t h 抖动协来表示由t h 编码勺乃引起的时间上的位移，并假定协在0 和 乙( 乃) 之间分布，则可得到： s ( f ) = p c t - f l , 一r l j - - a y e ) j = - - 。 正如前面所提到的，仉通常远大于g 。这两个量的整体效果是产生一个分布在0 和乙+ s 霉之间的时间随机位移量，用9 表示这个时间随机位移，可得发射信号的 如下表达示： s ( f ) = p ( t - f l , 一够) ，= o 更一般性的概括式( 2 - 2 ) 所表示的信号，其思想是：对于信息比特“0 和“1 ， 可以发射两个不同的脉冲波形岛( f ) 和p 。( f ) 来分别表示。上面分析的p p m 调制的例子， 引入了g 这个时间位移量，它的值根据它所代表的比特而有所不同，其实是上述思想 的特殊例子，其中的p ，( f ) 是p o ( t ) 位移以后的波形。一种更一般的表达示是： 佃 一t。j ( f ) = 见，o 一尼- c j t a = 见，o 一皿一仇) 式( 2 5 ) 当将p 。( f ) 设置为一p o ( t ) 时，式( 2 5 ) 出表示了p 删与t h u 1 】| b 的结合，即 p a m - t h u w b 模型。 2 1 2 直接序列超宽带信号的产生1 9 i 直接序列扩谱( d s s s ) 是一种著名的数字调制方式，有很多相当的文献。这里， 我先回顾d s s s 的基本原理，并把主要精力放在它的u w b 延伸方面。 具有u w b 特性的信号可以通过下面的过程产生：首先，用伪随机码或二进制 p n 码序列对要发射的二进制序列进行编码；其次，对一串窄脉冲进行幅度调制。这 一过程可以看作是目前使用的d s s s 系统的一种极端方式，此时脉冲在时域上是具 有典型时间z 的奈奎斯特型脉冲或方波。让脉冲宽度远远小于切普间隔，很容易得到 d s - s s - i 研b 的解析表达式。在传统的d s - s s 系统中，r f 发射信号是对载波进行幅度调 制后得到的，通常使用二进制相移键控b p s k 方式。而在d s - u w b 中，如果没有专门的 要求，这一过程过省略。 图2 - 2p a m d s u w 信号的发射方案【9 l 假定待发射的二进制序列6 = ( ，6 0 ，岛，反，吃+ ，) ，其速率为r = 1 t b ( b s ) ， 图2 - 2 中的第一个系统模块将每个数据比特重复了m 次，因此可以得到序列： ( ，6 0 ，6 0 ，岛，岛，2 5 i ，瓯，玩，魄，玩+ 。，十，包+ 。，_ ) = a ，其速率为： r o b = m 乃= 1 z ( b s ) 式( 2 6 ) 与t h 方式相似，系统引入的冗余相当于一个参数为( m ，1 ) 的重复码编码器。 第二个系统转换公式( 吩= 2 a ；- i ，一 一斤乞 以 g l l 伽 p 等 p 辨 c 压舢 乞gr g = l p x 复制实数的o f d m 信号。这主要是因为，将这一序列送给数模转换器时，没有进行 过抽样会引起不可容忍的混叠现象。以上问题的解决办法是，在计算i d f t 之前将0 填充到输入序列 c o ，气9o 0 9 c n 一 中。注意，补。到输入序列中相当于又引入了幅值 为0 的附加子载波。因而过抽样的零