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CUWB：超宽带和认知无线电的完美结合

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北京邮电大学宽带通信网络实验室 陈国东 武穆清
一、CUWB发展的技术背景 随着无线技术的快速发展及无线业务的极大丰富，可用的频谱资源越来越少 。近年来，一类重用频谱资源的无线技术被一些研究机构和标准制订组织相继提出，这其中最典型是超宽带无线通信技术和认知无线电（CR）技术 。UWB是采用频谱重叠的方式占用一段极宽的带宽，并严格限制其信号的发射功率以尽可能少地给现存系统带来有害干扰；而CR技术的核心则是通过动态频谱感知来探测“频谱空洞，合理地机会占用此临时可用的频段，并自适应地随着感知结果动态地改变系统传输参数以规避高优先级的授权主用户 。UWB技术主要定位于个域网WPAN的应用；CR则主要应用于无线区域网WRAN的构建中 。CR是可以感知外部RF环境的智能通信系统，是软件无线电（SWR）的进一步智能化发展 。在这两种无线新技术背后的核心思想都是无害共享可用的频谱资源，虽然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，以缓解日益增长的无线业务需求与日渐匮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，为了使它们更快地走向实际应用，我们提出了把超宽带技术和认知无线电结合起来构建一种所谓的认知超宽带（CUWB）无线通信系统 。
1．UWB
超宽带（UltraWideband，UWB）无线电技术的最初形式为冲激无线电，是直接利用脉宽为纳秒或亚纳秒脉冲做信息载体传输的技术 。20世纪90年代之前，UWB主要应用于军事领域，之后，UWB技术开始应用于民用领域，并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 。UWB定义没有限定它的数据信号的具体实现形式，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 。因此根据底层UWB信号的实现形式不同，UWB技术目前可分为两大类：基于窄脉冲式的冲激类UWB和基于调制载波扩频式的载波类UWB 。相应地，目前在国际上占主要地位的UWB设计方案包括直接序列CDMA-UWB方案和多载波OFDM-UWB方案 。CDMA-UWB是基于脉冲的UWB方案，而OFDM-UWB是基于多载波的UWB方案，它采用OFDM技术传输子带信息 。两种技术方案各有优缺点，前者有较好的频谱利用率，易于实现多用户通信，能够进行高精度定位和跟踪，能有效反抗多径衰落，易于数字化和采用软件无线电技术构建灵活的射频前端，但它的频谱共享的灵活性较差，不利于与其它窄带系统共存 。后者则提高了频谱的灵活性,但易造成较高的功率峰值与均值比（PAR），易于产生对其它系统的干扰，假如单纯地降低发射功率，又会减小传输距离，且不利于进一步提高数据传输速率 。由于这两大技术阵营的对立，使得面向UWB高速数据传输标准制订的802.15.3a工作组已经解散 。目前，由ITU-RTG1/8工作组来负责UWB高速数据传输的全球统一标准的制订工作 。
2．CR
认知无线电(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具有学习能力，能与四周环境交互信息，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 。CR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，CR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 。随着许多CR相关研究的展开，对CR技术存在多种不同的熟悉 。最典型的一类是围绕Mitola博士提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开研究，他们强调软件定义无线电(Software Defined Radio，SDR)是CR实现的理想平台 。

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