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CUWB：超寬帶和認(rèn)知無(wú)線電的完美結(jié)合

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北京郵電大學(xué)寬帶通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 陳國(guó)東 武穆清
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(kāi)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，能有效反抗多徑衰落，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，假如單純地降低發(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蚪y(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，能與四周環(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(kāi)，對(duì)CR技術(shù)存在多種不同的熟悉 。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(kāi)研究，他們強(qiáng)調(diào)軟件定義無(wú)線電(Software Defined Radio，SDR)是CR實(shí)現(xiàn)的理想平臺(tái) 。

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