认知超宽带无线通信系统的结构模型

由于超宽带(UWB)的特性，它必然会对共享频段内的其他窄带系统产生干扰，并且自身也将受到其他系统在某频段的强干扰。因此，UWB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UWB系统也可能受到来自其他系统的强窄带干扰。目前，所有针对这个问题的解决方案都是针对UWB系统本身进行优化设计，研究思路大都是集中在UWB脉冲信号波形的设计与优化上，以期产生出严格遵守FCC等机构制定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。但是，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定的频谱掩模约束，又可避免相互干扰的脉冲波形是非常有挑战性的。这主要是由于该设计方法没有和外界环境交互，缺少对周围射频环境的了解，使得UWB系统的频谱共享缺乏灵活性，系统间共存缺少针对性，限制了UWB系统性能和频谱利用率的进一步提高。而认知无线电(CR)技术的核心则是通过动态频谱感知来探测"频谱空洞"，寻找合理的机会占用此临时可用的频段，并自适应地随着感知结果而动态地改变系统传输参数以规避高优先级的授权主用户。基于这个考虑，并结合感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，把CR技术引入到UWB系统的研究和设计中来[2,3]，给UWB面临的上述问题提供一种全新的解决思路，并有可能由此设计出一种全新的高性能UWB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，与其他系统更好地共存，同时，还可潜在地提高频谱的利用率，提高数据传输速率和UWB系统的整个性能。针对当前UWB技术发展过程中所必须面对的共存问题及进一步发展的趋势，结合UWB和CR技术的优点，文章探讨了一种被称为认知超宽带(CUWB：CognitiveUltraWideband)无线通信系统的全新的UWB系统机制，其有望打破目前UWB技术发展中的僵局，而成为UWB全球统一标准的最佳技术候选。目前，CUWB系统的研究也正成为UWB技术后续发展研究的一个主要方向。

一、CUWB系统结构

1.CUWB系统的工作原理

CUWB无线通信系统是结合认知无线电和超宽带技术的主要优点联合研究与设计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(功率谱密度)、自适应频谱接入能力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CR能够感知周同的频谱环境和UWB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自适应地构建UWB系统的频谱掩模，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。由于具有环境感知功能，包括频谱感知和位置感知，CUWB系统的特性及相关操作流程与现行超宽带系统相比发生了显著的变化，同时，由于UWB与CR共享频谱的方式存在本质上的差异，这使得CUWB的认知循环过程与一般的CR系统也不尽相同。因此，必须首先对CUWB系统的特性及通信流程进行描述，定义系统对环境的认知及自适应过程。

在当前CR技术的研究中，由于认知无线电技术尚处于起步阶段，对于该技术的主要功能及认知循环过程还处于讨论之中。随着对CR技术的不同认识，不同的研究学者及相关研究机构在研究与设计认知无线电的总体框架中所涉及的具体内容有所不同，所基于的认知循环模型也不同。其中，最典型的是Mitola博士[4]提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型，包括了一系列的认知学习步骤。它主要是采用无线电知识描述语言(RKRL：RadioKnowledgeRepresentationLanguage)，通过基于模式的推理来与网络进行智能交流，主要涉及到高层次协议的研究与设计。然而，Mitolo并没有提出相应的实现具有认知功能的物理层和MAC层体系结构的底层支撑技术，且其提出的认知循环过程比较复杂，他认为认知无线电系统应该具备检测、分析、调整、推理、学习等能力。但是考虑到系统认知功能的智能化水平与实现复杂度方面的折衷，文章结合UWB系统特性对CUWB系统的认知过程进行了简化处理，使其具备检测、分析和调整三个最基本的认知能力，同时，充分利用UWB所具有的精确测距与位置定位能力辅助估计信道状态，甚至可以辅助计算干扰温度的空间分布，以使CUWB系统上层能够建立在现实的物理层模型之上，如图1所示。

近日，一些用户自费采购自建了一些移动通信无线信号增强器，说明移动通信的普及要求仍然很高。利用Femtocell及其补充技术的微小区域方案的出现将彻底解决这一问题。

■（中国联通集团移动网络有限公司陕西省分公司　周双阳　王昊）随着移动通信的进一步发展，网络覆盖不断向广度和深度拓展，大片的盲区和信号微弱区域的覆盖问题已经基本得到解决。而一些微小区域的覆盖盲区却是传统网络建设方式所无法根本解决的。

由于目前大部分的用户已经习惯于移动通信的业务应用，如果一个用户即使在一个很小的区域内无法使用移动通信业务，这都将会给这个用户带来极大的不便。为此，一些急需要通信的用户采取了自建网络的行为。最近，有报道说在广州、深圳等城市的城中村内，一些用户自费采购自建了一些移动通信无线信号增强器，说明了移动通信的普及要求移动通信网络必须覆盖任何地区了。

从网络应用的角度方面看，首先，这些区域的用户已经不满足传统网络的覆盖了，或者是说传统的网络覆盖并没有覆盖他们想覆盖的区域；其次，由于有强烈的业务使用需求，必须有一种网络覆盖手段解决微小区域的覆盖问题；第三，由于无线信号增强器是由一些用户自发的使用，没有得到很好的规范，如果放任自流将有可能影响到网络，如果加以好的利用就可能增加无线网络覆盖，吸收更多的话务量。能不能变被动为主动，从而找到一个微小区域覆盖解决方案呢？

微小区域覆盖解决方案应运而生，这个解决方案主要就是根据用户的业务需求，在有很多业务应用或是业务需求强烈的区域，以解决小块区域无线网络覆盖为目的，利用Femtocell或是无线信号增强器，实施的微小区域信号覆盖解决方案。考虑到这些区域基本上是目前多种制式的移动通信网络都难以覆盖的，如果有运营商首先解决将形成差异化的网络覆盖，这种差异化网络建设当然是源自于市场需求了，这个方案也是一种自下而上的网络建设方案。

微小区域方案应运而生

微小区域覆盖解决方案可以解决多种微小区域的覆盖问题，本方案通过无线信号增强器，一端用高增益天线接收基站信号，一端用覆盖天线覆盖所需要的区域。目前所使用的无线信号增强器，采用了一些最新数字处理技术，保证对网络不自激、不干扰，避免传统直放站引起网络质量下降的问题。降低了业主的协调难度和费用，使网络建设的难度大大降低。改善信号覆盖，提高用户感知度，降低用户投诉，提高用户满意度。我们可以分析一些使用无线信号增强器的具体场景应用，来讨论本方案的特点。

电梯解决方案：电梯是电波难以穿透的典型区域，一般电梯具有小区域、密闭性强、移动、分散等特点，应用传统的室内分布解决方案需要在井道内布射频同轴馈线、安装功分器件和定向天线，工程周期长、工程量大、施工难度大、建设费用高。而电梯解决方案无需在井道内安装任何器件，所有安装都集中在轿箱顶上和内部的隔层中，工程施工简单，设备器件少，一般一个电梯只需要15分钟即可安装开通，应用此方案一天一组工程人员可安装5～10部电梯。对于中小型电梯，微小区域电梯覆盖解决方案不失为一种最佳解决方案。

电梯覆盖解决方案

小区域地下室的覆盖解决方案：在面积小于500平方米的地下停车场或地下经营场所，按照传统的室内分布建设流程，因为所需要覆盖面积小，一般不予以重点考虑，这就影响了这些区域的用户应用，造成话务量的流失。而应用小区域地下室的覆盖解决方案，建设流程简单，一般可直接进行工程施工，工程量小，在工程中施工人员可通过施主天线选择接收室外的基站信号，经过馈线传送到地下区域，经过小增益的信号放大，就可对这些区域进行覆盖了。

小区域高层无线干扰应用解决方案：在现代城市里经常有一些超过30层的建筑物，在超过25层以上的区域，由于相对的海拔位置高，这些区域可以收到很多基站的信号，造成了无线干扰，从而造成了通话杂音或是无法正常通信，而25层以下的其他区域情况良好。在这种情况下，使用此方案通过高增益天线的接收，引入一个基站的信号作为主信号来压制那些干扰信号，通过此方案就可以用较小的成本快速地解决高层小区域的无线干扰问题。

新方案新应用

微小区域解决方案解决了一些区域的应用问题：无线公话信号增强器，主要用于无线公话的话吧等，可进一步促进无线公话业务的发展，运营商可以有针对性地在一些低话务区应用此方案增加话务量；手机伴侣，此方案可用于密集建筑物低层的室内，也可用于提高室内高速业务的速率；小场所、高话务室内区域的应用，如小型会议室、服务员休息室、小型电梯等人员密度大，又有迫切使用通信业务需求的区域，使用信号增强器可以解决定点小区域的覆盖问题，同时还可以吸收更多的移动通信业务量；小型移动交通工具内的应用，如近海和内陆河流内的小型船只内和移动的车辆内，有一定的语音和数据业务应用需求的地方。

随着3G网络的推出，3G业务将得到广泛的应用，对于3G高速数据业务的应用也会越来越多。由于3G网络设计的室外连续覆盖的业务速率并非网络可达到的最高速率，如WCDMA的室外连续覆盖有设计成64K或384K数据业务连续覆盖，所以在小区边缘，一些用户是无法使用到最高速率的业务。而在没有室内覆盖的室内区域，用户无法享受最高速业务的区域将会更大，这种情况将会一定程度地影响用户对3G业务的感知度。

同时，由于CDMA系统的呼吸效应，当用户增加后，一些区域高速业务应用将得到进一步的限制。在这种情况下，从用户应用侧来考虑，合理地应用一些微小区域覆盖解决方案，就可以解决一部分3G用户在这些区域的高速业务应用的问题。

由上可知，微小区域覆盖解决方案对环境要求低，可以解决用户在众多小区域语音业务的需求，而且可以解决一些场所内的数据业务应用，特别是高速数据业务的需求。移动通信技术的发展是全面的，一种技术的突破必然带动其他网络技术的发展，多技术的多种解决方案也是网络技术发展的趋势。微小区域覆盖解决方案有着其他技术无法取代的优势，其技术特点更加趋近于用户的业务体验，相比其他技术，微小区域覆盖解决方案具有更强的精细化、差异化、个性化的特点，如果加以推广应用，此方案一定会和其他技术手段一起更好地服务于广大用户。