超宽带认知无线电的关键技术研究.doc

超宽带认知无线电的关键技术研究本文由zzu_yanyan贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 宽带无线 Broadband Wireless 超宽带认知无线电的 关键技术研究 北京邮电大学无线网络实验室 仲玮 国家无线电监测中心 曾繁声 张陆勇 摘 要 论述了认知无线电技术与U W B技术相结合的深远意义，并从超宽带认知无线 电适配波形的产生、传输功率控制以及分布式节点间的合作等三个方面，详细地 对当前超宽带认知无线电的研究现状和关键技术进行了介绍和展望。 关键词：认知无线电 UWB 线电：“无线数字设备和相关的网络在无线电资源 0 引言 随着信息社会经济的快速发展，人们对移动通 信及宽带无线接入业务的需求不断增长，无线电频 谱资源也就显得愈加珍贵。然而，目前世界范围内 采用的固定频带分配的机制，是造成频谱资源日趋 紧张的主要原因之一。这种频谱利用不均的情况引 发了通信业界的广泛思考，而认知无线电技术相应 地被认为是未来探索频谱特性、高效利用无线电频 谱的主要手段之一。 和通信方面具有充分的计算智能来探测用户通信需 求，并根据这些需求来提供最适合的无线电资源和 无线业务。”认知无线电的两个最主要目标是高度 可靠的通信方式以及高效的频谱利用率。 1.2 超宽带（UWB） 超宽带技术自上世纪90年代起应用于民用领域 后，在国际上掀起了一股研究热潮，被认为是下一 代无线通信的革命性技术。超宽带是指信号的-10d B 相对带宽大于0.20或绝对带宽超过500M H z的通信系 统。U W B的这个定义并没有限定它的数据信号的具 1 概述 1.1 认知无线电 认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术，无论 是在学术界、工业界还是全球标准化组织中，都受 到越来越广泛的关注。从原理上讲，认知无线电能 够通过对它所工作的无线通信环境的交互感知而自 动改变自身的发送和接收参数，从而动态地重复使 用可用频谱。它为日益拥挤的无线通信系统和设备 实现频谱资源的高效利用、共存、兼容和互动展示 了美好的前景。 认知无线电最早是由Joseph Mitla在1999年提 出的，在其随后的博士论文中他这样描述了认知无 体实现形式，既可以采用极窄的脉冲形式，也可以 采用传统的载波方式，也就是说包括了任何可以使 用超宽带频谱的通信形式。 U W B技术的优点是可以获得很高的通信容量 （大于1G b i t/s），抗多径衰落，灵活的抗干扰能力 以及能够实现精确的测距和定位。 同时，基于认知无线电的可能应用情景，超宽 带无线电通信系统被认为是通向实现认知无线电的 首个在技术层面上比较合适的步骤。 1.3 超宽带与认知无线电相结合的意义 U W B系统的超带宽、低功率、近似于噪声的信 号特性，以及通过控制噪声干扰水准从而与已经申 22 中国无线电 2007年第8期 宽带无线 Broadband Wireless 请了频率使用权的窄带通信系统共存并同时在该合 法频带上进行信号传输是其魅力所在。因此，探讨 UWB与认知无线电技术的结合具有特殊意义。 首先，U W B无线电应用面临周围窄带无线通信 系统的严重干扰，同时对周围的窄带通信系统构成 干扰威胁，因此利用认知无线电技术来实现协作共 存策略是大有益处的。 其次，从定义来讲，U W B是一种“衬于底层” 的通信技术，和传统的窄带非认知无线设备能实现 共存，因此可以认为这是引进认知无线电概念的最 现实和实用的环境。 最后，U W B设备本身具备很宽的工作频谱，又 可以进行测频，从而使得它成为能适应多种无线工 作环境的通用物理层的理想候选对象。 从这个背景和动机出发，有人提出了一个全新 的无线通信技术领域，即超宽带认知无线电及其演 进，旨在充分利用U W B无线技术作为认知无线电的 一种具体实现手段。 本文将分别从U W B认知无线电适配信号的产 生、节点间的传输功率控制和分布式节点间的合作 三部分，详细介绍U W B认知无线电（C R-U W B）的关 键技术及其研究现状。 常规的U W B基带脉冲，如矩形脉冲、高斯脉 冲，具有很大的支流分量，工程应用价值不大。而 高斯单周期脉冲虽然没有支流分量，但仍需经历一 个复杂的参数调整过程才能满足F C C的频谱要求。为 此，一些新型的适配脉冲产生技术应运而生。 2.1 基于PSWF的正交脉冲 文献2、3、4等探讨了能满足共存要求和 干扰避免要求的优化波形设计，提出了软频谱适 配S S A-U W B方案。为实现该方案，文献5探讨了 一种利用回转椭球波函数(Prolate Spheroidal Wave F u n c t i o n s, P S W F)涉及脉冲波的方法，这些基于 PSWF的脉冲就将作为适配波形中的核心小波序列。 将3.1GHz10.6GHz频段内的任意一个子频带看 作是一个滤波器，对其输入一个核心函数后，可以 获得一系列脉冲波。这些脉冲波可以更进一步地进 行组合从而形成一个适应多频带系统的复杂波形。 基于P S W F的正交脉冲波形构成了所提出的软频谱适 配S S A的基础，并且特别适合用于脉冲波形调制以及 多用户接入环境。 基于P S W F的脉冲波形可以应用于M进制脉冲波 形调制(M-a r y P S M)中，其基本思想是利用波形的 正交性来组合波形，然后采用组合后的波形进行数 2 超宽带认知 无线电适配信号的产生 U W B与认知无线电相结合首先要面对的技术问 题是如何产生一个频谱灵活的认知无线电脉冲波， 使它能够动态地对频谱分配策略与干扰要求作出反 应。这要求该组适配波形的频谱能适应频谱分配的 频段，并能满足F C C频谱发射功率谱模板的要求，同 时避免对别的系统造成干扰（如图1所示）。 据传输，这样在提高传输速率的同时降低了所需波 形的数量。在这里把包括内键控和外键控的软频谱 键控(Soft-Spectrum Keying, SSK)策略应用到基于 P S W F的M-a r y P S M中，或者应用到采用时跳-频跳 序列(Time-Frequency-Hopping Sequence, TFHS)的多 接入系统中。在内键控中采用二相调制，比如B P S K 和Q P S K；具有正交特性的脉冲波形调制则应用于外 键控中。脉冲重复间隔(P R I)是可变的，以适应不同 的速率要求、不同的信道条件和干扰环境。 2.2 适配脉冲整形技术 正如上文所述，为了能满足频谱共享和避免干 扰的要求，超宽带认知无线电的波形应能适应任何 频谱要求。然而目前要实现一个完全“任意的”优 化U W B波形还是相当困难的。原因在于数字信号处 理技术的限制：目前的模/数、数/模转换器没有 图1 CR-UWB与FCC频谱模板及周边无线环境相匹配的可变带宽方案 足够快的运算速度来实现一个真正的认知无线电系 中国无线电 2007年第8期 23 宽带无线 Broadband Wireless 统。因此，探讨实现适配波形的一些基本问题，对 于超宽带认知无线电的发展具有探索性的意义。 文献67中论述了在实现适配波形时数字量化 的影响（如图2所示），进而探讨了数/模转换器实 现这样的超宽带认知波形需要的比特/抽样数量。 可以看出，4比特/抽样的分辨率已经足够保持波形 的诸如凹槽宽度和凹槽深度等频谱特征。而且在抽 样频率在18G H z的时候，适配波形依然保持了其频谱 特性，尽管此时凹槽的深度变得稍浅，但仍可接受 (20dB)。 考虑到目前的高速数字信号处理技术，可以 认为上述C R-U W B适配波形完全可以由18G H z抽 样频率的低比特分辨率(4 比特/抽样)数/模转换 器实现。 需要预先知晓被关闭子通道的信息，因而实现起来 很简单。 文献8提出了一种新的方案，这种方案只需关 闭少量的子通道，然后在关闭掉的子通道两侧插入 (Active Interference Cancellation, AIC)子通道产生 更深的凹槽。但是这种技术增大了功率谱密度波纹 (Ripple)抖动,并且接收机需要提前知道AIC子通道的 位置，实现起来比较复杂。但是，它使损失的带宽 大大降低，从而使频谱效率最大化。 加深凹槽的另外一种技术就是在传输段将经过 IFFT变换的信号通过一个窗口滤波器。这种方法中， 除关闭几个子通道外，窗口滤波器将进一步加深频 谱衰减。 3 超宽带认知网络的 传输功率控制 传统的无线通信是围绕基站进行的，基站根据 覆盖范围和接收机接收性能的要求控制发射功率水 平；而认知无线电通信则是以一种分散的方式进行 的。这样有利于扩展应用范围，因此超宽带认知网 图2 适配脉冲波形及其频谱特性 络必须找到新的传输功率控制方案。 当前提出的解决方案就是在多用户接入认知无 2.3 基于MB-OFDM的适配信号 正交频分复用(O F D M)是一种能够有效地在严重 的多径衰落信道中进行高速数据传输的技术。它可 以有效地克服多径带来的符号间干扰(I S I)；通过各 个子载波的联合编码，O F D M具有很强的抗衰能力。 因为具备这些优点，基于多频带正交频分复用(M BO F D M)的U W B系统在I E E E802.15.3a中和I R-U W B系统 一样都被提案为候选标准。同时M B-O F D M技术能够 检测第一用户和比较容易地对频谱进行整形从而降 低对第一用户的干扰，因此，它也是实现超宽带认 知无线电的一项重要技术。 由于M B-O F D M系统在频域里产生传输信号，因 此它能够通过关闭通道的方式来整形传输频谱。该 系统在频域中产生凹槽(Notch)的一个著名方法就是 把与受害者频带(Victim Band)，比如无线电天文频 段，重叠的几个子通道关闭掉，被关闭的子通道称 作零通道(Zero Tone)。这种方法的优点是接收机不 线电信道的时候建立合作机制，它包括以下两个方 面： (1) 合作的协议。这些协议好比交通中的信号 灯、速度限制、交通指示等。这些协议对于维护节 点自身的安全和网络的整体利益是必需的。 (2) ad hoc网络。这些网络中没有固定的结构用 于节点间的互相通信。 3.1 博弈论在CR-UWB中的应用 博弈论是研究具有对抗或竞争性质现象的数 字理论和方法，它是现代数学的一个新分支。 在博弈论研究的对抗模型中，参与对抗的各方 称为局中人(P l a y e r)，每个局中人均有一组策略 (Strategies)或行为(Actions)可供选择。当局中 人分别采取不同策略时，对应一个得失值函数 (Payoff Function)。 显然，可以把认知无线电环境中的传输功率控 24 中国无线电 2007年第8期 宽带无线 Broadband Wireless 制视为一个博弈论的问题。在合作的情况下，网络 节点间传输功率控制问题可以简化为一个优化控制 论问题：当所有局中人的单值函数达到最优化的时 候，网络性能也就达到了最优化。 在处理一个多节点的非合作博弈论问题之前， 首先要明确三个基本事实，即状态空间要包括所有 的单独局中人的状态、确定状态转移是局中人采取 的联合行动的函数，以及每个局中人的得失也依赖 于联合行动。这样，可以采用随机博弈(Sticgastuc G a m e)的理论，来描述认知网络中的多节点功率控制 问题。 此外，随机博弈是两种类型决策过程的交集， 即马尔科夫决策过程(Markov Decision Process)和矩 阵博弈(Matrix Game)，如图3所示。一个马尔科夫决 策过程是随机博弈的一种特殊情况；而一个矩阵博 弈是只有一种状态的随机博弈。 ,n个接收机，那么可以把这个多用户无线电环境 看作一个非合作博弈，并假设环境中共存着充足的 频谱空洞来满足目标数据传输速率。 4 CR-UWB网络中 分布式节点间的合作 一个由分布式超宽带认知无线电节点构成的网 络，网络中的节点能够根据实时无线环境而动态地 对自己进行重新配置。在这样一个网络中，影响网 络整体性能的一个关键因素便是节点间的相互合作 行为。具体到超宽带认知无线电网络，由于U W B信 号的最大功率不能影响到窄带系统，因此多跳合作 中继方案比单跳长距离传输更具优势，当然，这会 增加传输延迟和设备的复杂程度。 一段时间以来，在多入多出(M I M O)技术备受关 注的同时，学术界也进行了分布式移动节点间的合 作分集(Cooperation or Cooperative Diversity)研究。 近来，又有研究提出了采用空时码的虚拟M I M O方 案，该方案能够使分布节点互相合作而提高传输效 率。 当前的合作中继传输方面的研究大多假设参与 合作的节点之间是完全同步的，这就阻碍了采用空 时码的虚拟M I M O方案应用到分布式的U W B通信中。 为解决这一问题，文献18介绍了一个采用时频码 图3 马尔科夫决策过程、矩阵博弈及随机博弈 (Space-Frequency Block Coding)的虚拟MIMO方案。 在该方案中，各分布节点之间的合作中继方案中采 用的是时频码而不是时空码，这样就可以克服中继 延迟同步的问题。 3.2 分布式的传输功率分配 认知无线电环境下的功率分配问题可以描述 为：一个多用户的认知无线电环境可以看作是一局 非合作的博弈，如何在不违反干扰温度限制的条件 下，在不用考虑其余的收发机的行为的情况下，使 每一个收发机的性能达到最优化。这种分布式的传 输功率控制问题的解是局部性的，然而尽管这个解 是次优化的，它依然有重要意义。 此处的优化问题的解与应用信息论中的灌水 (Water Filling)方案得到传输功率分配的过程是一致 的。文献11提出了一种应用于多用户环境中进行 传输功率分配的两层迭代循环灌水算法。假设环境 中有i=1,2,n个发射机以及与之相对应的j=1,2, 5 结论 本文从超宽带认知无线电适配信号的产生、 功率传输控制和分布式节点间的合作三个方面， 对当前该技术领域的关键技术进行了详细的介绍 和分析。由此可以看到，认知无线电技术和U W B 技术相互依托，互为补充，它们的结合将对未来 的无线电研究产生深远影响，推动智能无线电走 向实用化。 （参考文献下转第30页） 中国无线电 2007年第8期 25 技术前沿 Technology Forward Position 4 无线电传播模型 4.1 用于干扰预测的传播模型介绍 用于干扰预测的传播模型有以下两种： P.1546: 30 M H z3000 M H z； 用于点对 面；一般路径法；可以考虑时间概率为1%的干扰。 P.452: 700 MHz100 GHz；用于点对点； 特殊路径法；可以考虑极低时间概率的干扰。 5 结束语 回首过去，O F C O M认为新的频谱管理方法和传 统方法相比具有灵活性、自由化、高效性等特点； 同时，O F C O M认为在如何优化使用频谱方面，培养 创新理念是一个关键性要素。 展望未来，随着适应动态无线环境的传播模型 及通用无线电建模工具开发工作的深入和完善，创 新的频谱理念将对未来频谱管理产生革命性的影 4.2 其他重要因素 在无线电传播模型中还要考虑以下因素： 干扰路径包含室内/室外选项。 较低高度处的终端设备之间的相互干扰。 多个干扰源的功率叠加。 时间概率可以在 0% 到100%之间变化。 响。 4.3 传播模型选择办法流程 传播模型选择办法流程如图6所示。 【1】M a r k e t M e c h a n i s m s f o r S p e c t r u m M a n a g e m e n t ； A personal view by John Pahl, Transfinite Systems Ltd, ? September 2006 【2】A Statement on Spectrum Liberalisation Implementation in 2005； by OFCOM 图6 传播模型选择办法流程 （上接第25页） 1Sheng H,On the spectral and power requirements for ultraw i d e b a n d t r a n s m i s s i o n,I n I E E E P r o c. O f I n t. C o n f. O n Communications,2003,1 2 Kohno Ryuji,Ultra Wideband impulse radio using free-verse pulse waveform shaping, IEEE P802.15-03 3 Kohno Ryuji, CRL-UWB Consortiums Soft-Spectrum UWB PHY proposal update for IEEE 802.15.3a. 4 Zhang Honggang, Soft Spectrum Adaptation in UWB impulse radio. Beijing,2003:289-293 5 Slepian D. Some comments on Fourier analysis, uncertainty and modeling. SIAM Review, 1983,25(3). 6 Zhang Honggang, Multiple signal waveforms adaptation in cognitive Ultra-wideband radio evolution. IEEE Journal on 2006,24(