[航空航天]基于公共控制信道超宽带认知无线电干扰抑制的研究.doc

本文由夏俊领贡献 doc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。 密级： 密级： 保密期限： 保密期限： 硕士研究生学位论文 题目： 题目：基于公共控制信道超宽带认知无线电干扰抑制 的研究 学 姓 专 导 学 号： 名： 业： 师： 院： 信息与通信工程学院 电路与系统 2009 年 2 月 25 日 I 独创性（或创新性） 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，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 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） 保密论文注释：本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：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： 日期： II 基于公共控制信道超宽带认知无线电干扰抑制的研究 摘 要 频谱共享及认知无线电技术可以动态灵活使用频谱资源， 提高频 谱资源的利用率； 超宽带的诸多技术优势使其成为短距离无线互联首 选的主流技术。超宽带与认知无线电技术相结合，是当前研究的热点 课题。本文选题来源于国际合作的有关研究项目，具有重要的理论及 现实意义。 本文在对超宽带和认知无线电两种技术的基本原理，关键技术， 及其实现方式进行了深入分析研究的基础上， 重点探讨了超宽带与认 知无线电相结合的实现方式中干扰分类与抑制问题； 提出了一种基于 IR-UWB 实现的公共控制信道的方法，并通过引入并行干扰删除技术 来对抗多址干扰，提出了一种改进的接收机实现方案；系统仿真结果 表明，本文的方案能够显著抑制多址干扰增强系统性能。此外，本文 还对基于 MB-OFDM 的动态频谱共享超宽带认知无线电的结合方式进 行了研究； 重点探讨了一种采用多子载波联合调制来抑制载波泄露和 带外干扰的方法，并进行了系统建模和仿真。 本文的研究成果，对于超宽带认知无线电技术的深入研究，具有 较好的参考价值。 关键词：超宽带，认知无线电，公共控制信道，动态频谱共享，多址 干扰，窄带干扰 III STUDY ON INTERFERENCE SUPPRESSION OF COGNITIVE ULTRA WIDEBAND RADIO USED IN COMMON CONTROL CHANNEL ABSTRACT Spectrum sharing and Cognitive Radio (CR) technology can be dynamic and flexible use of spectrum resources, improve the utilization efficiency ； Meanwhile ， Ultra-Wide Bandwidth (UWB) has many technical advantages to make it a mainstream choice in short-range wireless technology. The combination of and CR and UWB is a hot research topic at present. This paper comes from topics related to international cooperated research projects, has theoretical and practical significance. Base on the deep analysis of basic principles, main features and problems of UWB and CR, this paper gives deep discussion about interference classification and suppression of the combination of the two technologies, and introduces an approach for common control channel based on IR-UWB implementation. Base on it, an improved implementation schema of the receiver is proposed by adding parallel interference cancelation technology to fight against multiple access interference. The simulation results based on the new scheme show that the proposed scheme can be used to cancel or decrease the multi-access interference remarkably and achieve higher system performances. In addition to, combination of CR dynamic spectrum sharing using MB-OFDM UWB is also introduced in this paper. In this scheme In order to satisfy the requirement of mitigating interferences caused by MB-OFDM cognitive radio systems, a type of multi-subcarriers co-modulation scheme among two, four or several subcarriers, is deeply discussed and system is modeled and simulated as fellow. IV The result of this paper has significant value to the further study on combination of CR and UWB. KEY WORDS: UWB, Cognitive Radio, CCCH, dynamic spectrum sharing, multi-access interference, narrow-bandwidth interference V 目 录 第一章 超宽带认知无线电概述 1 1.1 引 言 1 1.2 超宽带无线电技术 2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 UWB 技术的定义 2 UWB 技术的调制方式 4 UWB 信道特性 8 UWB 技术的主要特点 10 1.3 认知无线电技术 12 1.3.1 认知无线电的定义 12 1.3.2 认知循环模型 13 1.3.3 认知无线电关键技术 14 1.4 超宽带与认知无线电的结合 17 第二章 超宽带认知无线电的系统构成 20 2.1 超宽带与认知无线电的结合方式 20 2.1.1 动态频谱共享方面的结合 20 2.1.2 公共控制信道方面的结合 21 2.2 IR-UWB 超宽带系统结构 22 2.2.1 TH-PPM UWB 系统框图 22 2.2.2 TH-PPM UWB 调制信号 23 2.2.3 TH-PPM UWB 信号功率谱分析 24 2.3 MB-OFDM UWB 超宽带系统结构 25 2.3.1 OFDM 基本原理 25 2.3.2 MB-OFDM UWB 系统模型 28 第三章 公共控制信道超宽带认知无线电干扰分析与抑制 31 3.1 IR-UWB 超宽带认知无线电干扰分类 31 3.2 IR-UWB 超宽带认知无线电窄带干扰 31 3.3 IR-UWB 超宽带认知无线电多址干扰 32 3.3.1 TH-PPM 接收机 32 VI 3.3.2 多址干扰（MAI）分析 34 3.3.3 并行干扰删除 35 3.3.4 数值仿真及分析 37 3.3.5 结论及展望 38 第四章 动态频谱共享超宽带认知无线电的干扰分析与抑制 39 4.1 MB-OFDM 超宽带认知无线电干扰分类 39 4.2 超宽带认知无线电多址干扰 39 4.2.1 MB-OFDM 超宽带的多址方式 39 4.2.2 MB-OFDM 超宽带的多址干扰 40 4.3 MB-OFDM 超宽带认知无线电窄带干扰 41 4.3.1 MB-0FDM 子载波的功率泄露 41 4.3.2 MB-0FDM 子载波联合调制 42 4.3.3 子载波联合调制功率谱密度比较分析 43 4.3.4 子载波联合调制的误码率性能分析 45 4.3.4 结论与展望 47 第五章 总结 48 参考文献 49 致 谢 52 作者攻读学位期间发表的学术论文目录 53 VII 第一章 超宽带认知无线电概述 1.1 引 言 随着社会经济的高速发展和市场需求的快速增加， 针对不同应用的各种无线 技术和无线业务如雨后春笋般层出不穷。 而各种业务的载体-无线电频谱资源是 一种宝贵的、有限的资源，主要由国家统一分配、授权使用。一个频段一般只供 给一个无线通信系统独立使用， 不同的无线通信系统使用不同的频段， 互不干扰。 这种静态的无线频谱管理方式，避免了不同无线通信系统间的相互干扰。但是， 随着无线通信业务需求的快速增长，可用频谱资源变得越来越稀缺。 人们通过采用先进的无线通信理论和技术，如自适应技术、MIMO 等努力提 高频谱效率的同时， 却发现全球授权频段， 尤其是信号传播特性比较好的低频段， 【2】 其频谱的利用率极低【1】 。在一些地区实际测试时，发现在 3GHz 以下的某些频 段和 3GHz-5GHz 之间的大部分频段的频谱利用率很低。 图 1-1 0-6Ghz 频谱利用率测量 【3】 图 1-1 是对 Berkeley 商业区的 0-6GHz 频谱利用率的实际测试结果， 其中信号抽 样频率 20GSample/s,时间跨度 50 s 。测试结果表明，在全球授权频段，即便是 在信号传播特性较好、需求紧张的 300MHz 到 3GHz 频段内，频谱的利用率也不到 6%；在 3GHz-4GHz 频段，频谱利用率降低为 0.5%；在 4GHz 以上，频谱利用率更 低。事实上我们拥有丰富的频谱资源，只是由于管理和授权的原因导致了频谱资 源的利用率低 【4】 。因此寻找更有效的频谱使用和管理方式，充分利用各地区、各 1 时间段的空闲频段，缓解不断增长的频谱资源的需求矛盾，提高频谱利用率成为 十分关注的问题。 正是基于以上问题， 各种以重用频谱资源和频谱共享为特点的通信技术受到 了广泛关注，也逐渐成为研究热点。其中最具代表性的就是超宽带无线通信技术 (UWB Ultra Wideband)和认知无线电技术(CR Cognitive Radio)。超宽带从定义上 来讲， 是一种完全的 “衬于底层” 的技术， 和传统的窄带无线电设备能实现共存， 共享频谱。当前，UWB 技术主要定位于短距离无线通信的应用中，例如 WPAN 和 WBAN。而认知无线电可以感知外部环境的智能通信系统，是软件无线电 (SoflwareRadio，SWR)的进一步智能化发展，认知无线电可以通过感知周围的无 线通信环境并基于一定的学习和决策方法，选择合适的调制方式、发射功率等参 数，动态地检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间、频率以及空间上进 行多维的复用，大大提高频谱利用效率。在这两种无线新技术背后的核心思想都 是不影响其他通信系统的情况下共享可用的频谱资源， 尽管它们共享频谱及与其 它系统共存的方式不同，但都极大地提高了频谱利用率，缓解了日益增长的无线 业务需求与日渐匾乏的频谱资源之间的矛盾。然而，这两种非常有前景的技术在 自身的发展过程中却面临一些困境， 为了使它们具有更好的性能更快地走向实际 应用，越来越的研究集中于结合两种技术的特点进行互补，提出了一个全新的无 【 线通信技术领域超宽带认知无线电(Cognitive Ultra-Wideband Radio)【5】 6】 。 1.2 超宽带无线电技术 1.2.1 UWB 技术的定义 UWB 技术最早出现在 20 世纪 60 年代时域电磁学的研究中，用于通过冲激 响应描述某一网络的瞬时特性。1972 年，一种高灵敏的短脉冲接收设备研制成 功，进一步加速了 UWB 技术的研究进展。直到 1989 年，超宽带(UWB)这一名 称才被美国国防部(DARPA)启用。在此之前，这项技术常被称为基带无载波 (Baseband carrier-free)调制或脉冲(Impulse)无线电技术。2002 年 2 月，这项无线 技术首次获得了美国联邦通信委员会(FCC)的批准用于民用通信领域，这一举措 有力的推动了 UWB 的发展。 FCC 规定，UWB 信号的绝对带宽大于 500MHz 或相对带宽（Fractional Bandwidth）大于 0.2，这里相对带宽定义为： FB = ( fH ? fL ) ? ( fH + fL ) ? ? ? 2 ? ? (1-1) 其中， f H 和 f L 分别为信号的功率谱密度衰减 10dB 时所对应的上限频率和 2 下限频率， f H ? f L 为信号的绝对带宽， ( f H + f L ) / 2 为信号的中心频率，如图 1-2 所示。可见，UWB 信号的带宽不同于通常所定义的 3dB 带宽。 图 1-2 UWB 信号带宽示意 由于 UWB 信号覆盖了许多现有窄带无线通信系统的频带， 所在发射功率上需 要严格控制，从而避免对窄带通信系统的干扰。世界各国的无线频率资源管理部 门都已经着手对 UWB 的发射功率制定相应的限制要求【7】 我国无线电管理委员会 。 也已加紧制定相关规范，其中草案版本已经公示。图 1-3，是部分国家对 UWB 发 射功率的限制要求。 图 1-3 世界各国对 UWB 发射功率的限制 3 1.2.2 UWB 技术的调制方式 脉冲方式和载波调制方式是 UWB 的两种主要实现方法。起初，UWB 的调制主 要采用脉冲无线电方式，是基于基带脉冲的无载波调制。后来随着各国对 UWB 的使用频率范围和发射功率进行了相应规定，为了适应这些规定基于载波的 UWB 通信方式开始出现，这其中按其对频率的使用方式又可分为单频带和多频带两 种。 (1) 脉冲无线电方式 脉冲无线电方式是 UWB 通信最初的实现形式，它利用宽度在皮秒、纳秒级 的窄脉冲序列进行通信。通过脉冲位置调制（PPM） 、二进制移相键控（BPSK） 及脉冲幅度调制 （PAM） 等调制方式携带信息。 UWB 基带脉冲通信系统如图 1-4 所示。 图 1-4 脉冲无线电方式 UWB 通信系统框图 在发送端，时钟发生器产生一定重复周期的脉冲序列，用户要传送的信息和 表示该用户地址的伪随机码分别或合成后对周期脉冲序列进行某种方式的调制， 调制后的脉冲驱动冲激脉冲产生器，形成一定脉冲形状和规律的脉冲序列，然后 经放大器放大到所需的功率，再耦合到 UWB 天线上发射出去。 在接收端，UWB 天线接收的信号，经低噪声放大器放大后，送到相关器的 一个输入端，在相关器的另一个输入端，加入一个本地产生的与发端同步的伪随 机调制脉冲序列， 接收到的信号与本地同步的伪随机码调制序列一起经过相关器 中的相乘、积分和取样保持运算，产生一个已经分离用户地址信息的信号，其中 仅含有数据信息及其它干扰。 然后对该信号进行解调运算， 根据发端的调制方式， 恢复出所传输的信息。同步电路包括捕获和跟踪，其作用是准确提取时钟脉冲的 位置和重复周期的信息，并将其作用到本地的定时电路，产生接收机所需的时钟 和定时信号【8】 。 其中脉冲信号波形的设计和选择是很重要的一环，通常选择高斯脉冲，它能 够在给定相关参数的情况下很好的满足发射功率模板的要求。 1-5 为五阶高斯 图 4 脉冲的时域波形和归一化功率谱密度。通过对脉冲波形的不同设计，可以满足不 同的发射模板的限制，图 1-6 为多阶高斯脉冲于 FCC 功率模板的比照图。同时， 由于脉冲波形的占空比很小，通常的持续时间都是亚纳秒级的，所以它具有很强 的多径区分能力和时间分辨能力， 从而使密集多径的分集处理和精准定位成为可 能。 5阶阶阶Gaussian 0 1 5阶阶阶Gaussian Amplitude V 0.5 0 -0.5 -1 归归归PSD dB -100 -200 -300 -400 0 20 40 60 80 0 0.5 1 1.5 2 Frequency GHz Time ns 图 1-5 五阶高斯脉冲功率谱密度和时域波形 Gaussian 脉脉脉脉 0 -5 归归归PSD dB -10 -15 -20 -25 -30 7阶 -35 0 5 10 15 4阶 5阶 6阶 Frequency GHz 图 1-6 多阶高斯脉冲于 FCC 功率模板的比照图 (2) 载波调制方式 5 虽然脉冲无线电方式的 UWB 有着结构简单，易于实现的有点，但是由于采 用基带脉冲的方式其频率利用率不高。 并且对于 UWB 使用频率的限制在各个国 家和地区不尽相同，所以设计一种通用的脉冲波形变得十分困难。尽管可以通过 各种脉冲波形优化设计加以改善，但目前理想且灵活的结果还并不存在。在这种 情况下， 采用调制载波的方法显得较为合适， 它可以灵活、 高效的利用频谱资源， 提高系统性能。除此以外，通过载波调制，可将 UWB 信号搬移到合适的频段进 行传输，从而可更加有效地利用频谱资源，调制载波系统的信号处理方法与一般 通信系统采用的方法类似，技术成熟度高，在目前的工艺条件下，较基带脉冲更 容易实现高速传输。 单载波方式(DS-CDMA) DS-CDMA 超宽带技术是单频带方式或窄脉冲方式， 它保留了脉冲无线电的 特点，对现有的、许可频带内的用户造成的干扰比较少，成本可以做得比较低， 易于实现低功耗、低速数据流的无线传输。DS-CDMA 方案使用 FCC 分配的 3.1-10.6GHz 免许可频段。该方案将所有频带分为两个频段:3.1-4.85GHz 频段(称 为低频段)和 6.2-9.7GHz 频段(称为高频段)。 图 1-7 多阶高斯脉冲于 FCC 功率模板的比照图 【9】 在每个频段中，DS-UWB 系统将基带信号扩频到整个带宽。这种频率划分 方案避开了 5-6GHz 无线接入频段，但灵活性较差，可能无法规避将来出现的新 技术使用的频段。但 DSUWB 信号占用的带宽(如低频段为 1.75GHz)远远大于 OFDM-UWB 信号的带宽(528MHz)，所以更容易达到很低的功率谱密度。 DS-UWB 系统使用 BPSK 和 OOK 调制， 这两种调制技术都具有很低的复杂 度。OOK 较 BPSK 实现简单，但其具有相对价高的误码率，且容易丢失同步。 使用 1/2 和 3/4 码率的卷积码作为纠错码， 扩频码长度从 1 到 24 不等。 通过采用 各种不同的调制方法、纠错码码率、扩频增益(扩频码长度)，可以实现从 28Mbps 到 1.32Gbps 各种不同的数据率。在多址方面采用直接序列扩频多址，与目前广 6 泛应用于 2G 和 3G 中的 CDMA 技术区别不大。 多载波方式(MB-OFDM) 正交频分复用(OFDM)，是多载波调制技术的一种。其主要思想是，将原有 信道分成许多正交的子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，每个子带的 频谱相重叠，利用子载波间的正交性，分离各子带信息。经过信道分离后，各子 带信号的周期大于信号的多径时延， 将相对于单频的频率选择性衰落改造为平坦 衰落信道。多带-正交频分复用(MB-OFDM)，与传统的 OFDM 通信有很多相似 之处，但同时又符合 FCC 关于 UWB 的定义，具有 UWB 的特点和优点。因此， MB-OFDM 超宽带系统是将超宽带技术和正交频分复用技术相结合的系统方案。 图 1-8 MB-OFDM 频谱划分方案 该方案是把整个频段（3.110.6GHz）划分为 13 个子频带，每个子频带带 宽约为 528MHz，每个子频带均使用 OFDM 调制方式，把这 13 个子频带分为四个 不同的组：A 组用于第一代设备中（3.14.9GHz） ；B 组保留将来使用（4.9 6.0GHz） 组用于 SOP（Simultaneous Operating Piconet） ；C （6.08.1 GHz） ； D 组保留将来使用（8.110.6 GHz） 。多频带 OFDM 设备可以选择两种操作模式： 一种是必须模式，采用 A 组中的 3 个频段；另一种为可选模式，采用 A 组的 3 个频段加上 C 组的 4 个频段。图 1-8 为多带频谱的划分方案。 多频带 OFDM 联盟(MBOA)是多频带 OFDM UWB 技术的推动者。在高速无线数据 传输方面，MB-OFDM 技术方案具有一定的优势，并获得了越来越多的支持。蓝牙 技术联盟和 WiMedia 联盟以及多带 MBOA 联盟的联合， 推动了多带 OFDM 超宽带技 术的研究和发展。 两方案在技术上互不兼容，主要体现在 UWB 技术的实现方式上，前者采用单 频带方式，后者则为多频带方式。在频宽表现、收集多径能量和抗干扰能力上， MB-OFDM 方案优于 DS-CDMA 方案；在覆盖范围、功率消耗、实现的复杂度上， DS-CDMA 方案优于 MB-OFDM 方案；在标准的发展上，MB-OFDM 方案走在了前面， 7 在最近的 IEEE 会议上获得了更多的支持， 但仍未达到 IEEE 要求的 75%的投票率； 在产品进度上，DS-CDMA 方案处于领先地位，已经推出了核心芯片。两个方案都 在某些方面具有出色的性能，综合性能接近，二者的竞争推迟了超宽带标准的出 台，UWB 通信究竟采用哪种方案为标准，最终可能还要由市场来决定。 1.2.3 UWB 信道特性 超宽带系统中，由于信息码片的周期非常短，系统具有很高的时间分辨率和 多径辨别能力，在一个码片时间内的到达的多径比一般的窄带通信少，因此传统 的小尺度衰落模型如 Rayleigh、Rician 模型不再适用。因此，对超宽带信道的 建模需要重新开展研究，目前人们已经建立了相关的信道模型。这些模型对各种 UWB 实现方案性能的评估，链路估算、传播区域规划，物理层技术考量都提供了 相关的依据。 对于信道环境的分类，包括室内和室外两大类。无论室内还是室外环境，又 都可以分为视距（LOS，Line-Of-Sight）和非视距（NLOS，None-Line-Of-Sight） 两种基本情况。 2003 年 1 月，在经过多次修改后，IEEE 标准化组织 802.15 工作组提交了一 份 UWB 室内信道建模的最终建议。目前，该信道模型已经得到广泛的认可，并成 为各研究机构进行超宽带系统性能仿真的公开信道平台。 该信道模型是在经典的 宽带室内信道 S-V 模型的基础上做了少量的修改而得到的。S-V 模型考虑了多径 的簇效应，它认为多径的到达时间并不是完全随机的，而是成簇出现的，并且认 为多径的能量和幅度分布分别服从于双指数分布和 Rayleigh 分布。802.15 工作 组所建议的超宽带室内信道模型保留了 S-V 模型中多径成簇出现以及能量服从 于双指数分布的特点，但根据实际的测量数据对多径的幅度做了修正，认为对数 正态分布比 Rayleigh 分布能更好地拟合实验数据。 802.15 工作组建议的超宽带室内信道模型可以表示为： h(t) = k ,l (t ? Tl ? k ,l ) l =0 k =0 L K （1-2） 其中， k ,l 为多径的衰减系数； Tl 为第 l 簇的时延； k ,l 表示以 Tl 为基准，第 l 簇 的第 k 个多径分量的时延。多径模型中的衰减系数 k ,l ，可以是复数或实数。如 是实数时，定义 k ,l = Pk ,l k ,l 。Pk ,l 取值为 ± 1 ，用于描述信号反射引起的随机脉冲 倒相； k ,l 为对数阴影衰落效应。 k ,l 为复数时，容易出现相位模糊。由于实数 的简单性，为避免 UWB 波形的相位描述模糊，建议采用 k ,l = Pk ,l k ,l 。 (1) 多径到达时间的分布 簇到达的时间， 也就是簇中的第一条多径的到达时间服从参数为 的泊松分 8 布，簇中其它多径的到达时间服从参数为 的泊松分布。一般簇中多径的数量要 远远大于簇的数量，因此有 则有: l>0 ? p (Tl | Tl ?1 ) = exp? (Tl ? Tl ?1 ), ? ? ? p ( k ,l | ( k ?1),l ) = exp? ( k ,l ? ( k ?1),l ), k > 0 ? (2) 多径幅度的分布描述 信道系数定义为： k ,l = Pk ,l k ,l ， k ,l 不再采用传统的瑞利分布，而是采用 2 均值为 k ,l ，方差采用 12 + 2 的对数正态分布，即： 。定义 0l = Tl ， (1-3) 20 log10 ( k ,l ) Normal(k ,l , 2 ) 或 k ,l = 10 (n Normal(l , 2 ) 10 ln(? 0 ) ? 10 n 20 l = Tl ? 10 k ,l 2 ln(10) ? ln(10) 20 (1-4) 相应地，多径的能量分布为： E k ,l = ? 0 e 2 Tl e k ,l (1-5) 其中， ?0 为第一簇第一条多径的能量。可以看到，多径能量分布成了两部分， 成双指数分布 【10】 。 在上述数学模型的基础上， IEEE802.15.3a 工作组还给出了 4 组信道模型的 实现， 称为 CM1、 CM2、 CM3 和 CM4， 其中 CM1 为收发距离在 4m 以内， LOS 信号的信道模型；CM2 为收发距离在 4m 以内，NLOS 信号的信道模型；CM3 收发距离在 410m， NLOS 信号的信道模型； CM4 是均方根时延达到 25ns 的多 径信道。图 1-9 为 4 种信道的冲激响应。 9 （a）CM1 信道的冲激响应 （b）CM2 信道的冲激响应 （c）CM3 信道的冲激响应 （d）CM4 信道的冲激响应 图 1-9 CM1、CM2、CM3 和 CM4 信道的冲激响应 1.2.4 UWB 技术的主要特点 概括来说，UWB 技术具有以下几个特点： (1)超宽带带来了全新的通信方式及频谱管理模式。多年来，传统的无线通 信技术大都是基于正弦载波的，而消耗大量发射功率的载波本身并不传送信息， 真正用来传送信息的是调制信号，即用某种调制方式对载频进行调制。而超宽带 系统可以采用无载波方式，即不使用正弦载波信号，直接调制超短窄脉冲，从而 产生一个 GHz 量级的大带宽。 这种传输方式上的革命性变化将带来一种崭新的无 线通信方式。 同时， 作为一种与其它现存传统无线技术共享频带的无线通信技术， 对于目前日益紧张的、有限的频谱资源，超宽带技术有其独特的优势，全球频谱 规划组织也对其表示高度关注和支持。所以，超宽带不仅仅只是一项革命性的技 术，在极低的功率谱密度情况下，它更是一段免许可证的频谱资源。 (2)多径分辨率高，抗多径衰落。多径衰落一直是传统无线通信难以解决的 10 问题，而 UWB 信号由于带宽达数 GHz，具有高分辨率，能分辨出时延达纳秒级的 多径信号，而正好室内等多径场合的多径时延一般也是纳秒级的。这样，UWB 系 统在接收端可以实现多径信号的分集接收。UWB 信号的抗多径衰落的固有鲁棒性 特别适合于室内等多径、密集场合的无线通信应用。但 UWB 信号极高的多径分辨 率也导致信号能量产生严重的时间弥散(频率选择性衰落)， 接收机必须通过牺牲 复杂度(增加分集阶数)以便捕获足够的信号能量。 这将对接收机设计提出严峻挑 战。在实际的 UWB 系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理 想的性价比。 (3)强的定位能力。信号的距离分辨力与信号的带宽成正比。由于信号的超 宽带特性，UWB 系统的距离分辨精度是其它系统的成百上千倍。UWB 信号脉冲宽 度在纳秒级，其对应的距离分辨能力可高达厘米级，这是其它窄带系统所无法比 拟的。这使得超宽带系统在完成通信的同时还能实现准确定位跟踪。 (4)低功率谱密度。由于 UWB 信号本身巨大的带宽及 FCC 对 UWB 系统的功率 限制，使 UWB 系统相对于传统窄带系统的功率谱密度非常低。低功率谱密度使信 号不易被截获(LPI)，具有一定保密性，同时使对其它窄带系统的干扰可以很小。 (5)UWB 具有超高速、超大容量、抗截获性好等诸多优点。UWB 信号的频带极 宽，一般在几百 MHz 以上，将来还会向更高的带宽发展。利用如此宽的频带，可 以实现数据的高速传输，这可由仙农公式给出解释，仙农公式所示， C = B log 2 (1 + P ) N (1-6) 通信系统的容量与信号带宽 B 成正比，在一定信噪比的要求下，极大的带宽可实 现高速率的可靠传输，或者为达到一定的传输速率，极大的带宽可以在很低的信 噪比下实现可靠传输。目前，UWB 通信可以在很低的信噪比门限下，实现 100Mbit/s 的可靠高速无线传输，进一步的目标是超过 500Mbit/s。 图 1-10 各种短距离无线通信系统的信道容量 11 (6)系统结构简单，成本低，易数字化。UWB 系统发射和接收的是超短脉冲， 无需采用正弦载波而直接进行调制，接收机利用相关器能直接完成信号检测。这 样，收发信机不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器等，它只需要一种数字方 式来产生超短脉冲。因此，这可以大大降低系统复杂度，减小收发信机的体积和 功耗，易于数字化和采用软件无线电技术。 1.3 认知无线电技术 1.3.1 认知无线电的定义 认知无线电(CR)的概念起源于 1999 年瑞典皇家科学院 Joseph Mitola 博士的 【 奠基性工作【11】 12】 ，其核心思想是认知无线电具有学习能力，能与周围环境交互 信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。认知无线 电的学习能力是使它从概念走向实际应用的真正原因。有了足够的人工智能，它 就可能通过吸取过去的经验来对实际的情况进行实时响应， 过去的经验包括对死 区、干扰和使用模式等的了解。这样，认知无线电有可能赋予无线电设备根据频 带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。从广义上来说， 认知无线电也被称为智能无线电，是指无线系统具备足够的智能或者认知能力， 通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划，利 用相应的结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源(包括频率、调制方 式、发射功率等)完成无线传输。 针对认知无线电研究中存在的多种描述，美国 FCC 给出了一个相对狭义的 定义。其在 2003 年发布的 FCC03322 公告中对认知无线电的定义、功能与应用 进行了说明，建议任何具有自适应频谱意识的无线电都可以被称为认知无线电。 更确切地，FCC 认为认知无线电具有对周围无线环境的认知功能，并根据与操 作环境的交互获取的信息，自适应地实时调整发射功率、载波频率和调制策略等 传输参数，实现无线传输的能力。即只要具备 RF 环境探测，并且能够调整传输 频点和相关传输参数的设备就是认知无线电设备。 认知无线电是一种新型智能无线电， 它能够在一宽频带上可靠地感知频谱环 境，探测合法的授权用户(第一用户)的出现，能自适应地占用即时可用的本地频 谱，同时在整个通信过程中不能给授权用户带来有害干扰。同时，认知无线电能 够使工作不同频率， 采用不同传输模式的通信系统之间相互合作。 综合以上种种， 认知无线电应该具备一下能力： (1) 频率灵敏性，这是指认知无线电能够在探知到别的传输机信号的基 础上，动态地选择合适的工作频率。 12 (2) (3) 自适应调制，认知无线电能够根据可用的频谱机会调整传输参数。 功率控制，认知无线电在数据传输工程中能够依据具体条件调整发 射功率水平，从而不影响现有无线电业务，与其共享频谱。 (4) 定位能力，能够确定自身和其他认知无线电设备的位置以及所允许 的传输参数 1.3.2 认知循环模型 认知无线电的感知能力涵盖了很多方面，包括频谱感知、波形感知、网络感 知、地理位置感知、本地可用业务感知、用户需求感知、语言感知、状态感知、 安全策略感知等等。而频谱感知是目前人们最为关注的方面，但由于对认知无线 电的研究还处于刚起步阶段，不同的研