认知 UWB无线通信系统研究展望
摘 要：阐述了将认知无线电(Cognitive Radio, CR)技术与超宽带技术相结合进行研究的必
要性及可行性，并在此基础上给出了研究基于 CR思想的 UWB系统的基本理论与关键技术。
认知超宽带（CUWB）无线通信系统是将 CR和 UWB技术优点相结合，能针对功率、距离
和所要求的数据率进行频谱优化，更好地解决了 UWB系统的频谱共享灵活性及系统共存性
问题。
关键词：认知无线电、UWB、频谱感知、自适应脉冲波形生成、认知超宽带
1 引言
超宽带（Ultra Wideband，UWB）无线电技术的最初形式为冲激无线电（impulse radio），
是直接利用脉宽为纳秒或亚纳秒脉冲作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。2003 年 4 月美国联邦通信委员会（FCC）
为了促进和规范 UWB技术的发展，发布了 UWB无线设备的初步规定，并重新对 UWB作
了定义，即超宽带是指信号的-10dB相对带宽（fraction bandwidth）大于 或绝对带宽超
过 500MHz。 UWB的这个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，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，能有效抵抗多径衰落，易于数字化和采用软件
无线电技术构建灵活的射频前端，但频谱共享的灵活性较差，不利于与其它窄带系统的共存。
而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，如果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。因此，有必要在现有发展的基础上研究一种新的机制兼取两者之长，既能够灵活地共
享频谱又有利于与其它窄带系统共存。因此，本文提出一种基于对周围射频环境感知的新方
法，来着重解决其面临的灵活的频谱共享和系统共存性问题，并以此进一步提高 UWB系统
的性能。
认知无线电(Cognitive Radio, CR)的概念起源于 1999年 Joseph Mitolo博士[2]的奠基性工
作，其核心思想是 CR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。一般而言，CR技术能够确定节点的位置，感知频谱环
境，能动态调整频率和输出功率，甚至能改变节点的传输参数和特性。FCC 于 2003 年 12
月发出了关于如何以最佳方式实现感知无线电 CR概念的提议，这个提议具有里程碑意义。
其中，FCC引入了 CR设计中所独有的一个术语干扰温度（interference temperature）。干扰
温度是指一个 CR必须知道其位置并“感测”它可能带给附近无线电设备的干扰，而且还要
准确知道在任意给定时刻它可以使用的空中接口是什么，而无论这种接口是采用什么频段。
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目前，受 CR的潜力及其在无线电领域公认的“下下一件大事情”的激励，国内外不少学者
已经开始了这方面的研究。 从上面的描述中，可以看出低复杂度的初级 CR 技术就具有感
知周围射频环境的能力，并可根据感知的信息动态地改变节点的传输参数和特性。CR技术
的这个特点给我们提供了解决前面提到的 UWB 系统所面临的灵活的频谱共享和系统共存
性等问题的机遇。而这也正是本文所提出把 CR和 UWB相结合进行研究的基点。
2 感知 UWB无线通信系统
系统描述
由于 UWB的宽带特性，我们知道它必然会对共享频段内的其它窄带系统产生干扰。但
以无线电频率管理来说，有两个基本的原则：1）新的无线电技术不得对已有的无线电台（系
统）造成有害干扰；2）受到干扰不得提出保护要求，即要能忍受已有无线电台的各种干扰。
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它系统的强窄带干扰。目前，所有针对这
个问题的解决方案都是在针对 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 的频率掩模约束条件的脉冲信号
来减少对现有窄带系统的干扰。如寻找一种更优的 UWB信号波形，采用自适应编码、调制、
比特交织、波束成形及功率控制等已在蜂窝通信中被验证能起到抑制干扰作用的相关技术。
但是，这种方法由于没有和外界环境交互或者说没有和其它系统协作，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。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，我们把 CR技术引入到 UWB系统的研究和设计中来，给 UWB
面临的上述问题提供一种全新的解决思路。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，与其它系统更好地共存，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。如 UWB 在 10 米范围内有很高的传输
速率，但由于受发射功率的限制，10 米以外的传输速率将大大下降。而在感知周围的频谱
环境后，可根据所感知的频谱信息动态地调整 UWB的发射功率，以提高 UWB的传输距离，
并且不增加其带给其它系统的有害干扰。因此，我们认为开展本课题研究完全必要且可行的。
本课题研究的长远目标是为充分实现智能感知超宽带无线通信系统及其网络提供理论
和关键技术支持。在如此的智能化 UWB系统或网络中，一个 UWB感知节点能够感知周围
环境，依据对当前本地的信道条件和 QOS规格，如无线信道、节点位置、频谱规则、频谱
占有和其它一些系统参数等的理解，能实时有效地调整自身的传输参数，充分利用本地可用
的无线资源，支持动态自适应频谱结构、动态按需分配带宽和动态选择最合适的空中接口等。
当然，这是本课题研究的一个远景。而现阶段本课题的研究目标是为创建一个简单的感知
UWB无线通信系统准备相关的理论及若干关键技术，主要是使感知 UWB无线节点能够动
态地与本地频谱操作环境交互，并能通过软件的方式动态无缝地实现所需的 UWB脉冲波形
和相关调制技术，以解决 UWB系统面临的灵活的频谱共享和系统共存性问题，并能针对功
率、距离和所要求的数据率进行频谱优化，进一步提高 UWB系统的传输速率或传输距离，
极大地提高系统的频谱利用率。
因此，本文所提出的认知 UWB无线通信系统，主要是利用 CR技术能够感知周围节点
的射频环境和 UWB系统的精确位置定位，根据感知得到的信息动态构建 UWB系统的频谱
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结构，进行自适应发射与接收、动态调整功率等，以重用在该空间的可用频谱，可考虑基于
软件无线电原理来实现。具体的研究内容主要包括 UWB感知无线通信系统的智能体系结构
及有效的处理流程，如根据频谱环境变化，从信道容量、传输距离、发射总功率三个角度研
究自适应调整发射方案的系统模型；低功率环境下无线信道的发现策略和频谱感知算法、共
享频谱策略和可编程脉冲波形设计、精确定位技术及其应用、联合多参量的物理层与媒体接
入控制层的联合设计等问题。
关键技术探讨
无线信道的发现策略及频谱感知算法
CR技术能够和周围环境交互，并根据交互得到的信息进一步采取恰当的操作行为。如
一个 CR能够感知某个特殊的频段是否正被使用，如果没有被用，它就能占用此频段，且不
会给相关的授权用户造成有害干扰；若该频段的授权用户之后又重新启动了传输，则该 CR
可以跳到另一个频段或者通过改变自身的发射功率等级和或调制机制来避免干扰而继续使
用该频段。由此，我们可以看出 CR技术要能起作用，关键的一步在于它能够感知周围环境，
或者说 CR技术的基本工作原理直接依赖于其对周围射频环境的感知能力。因此，在研究中，
解决的一个关键问题就是如何使 UWB系统具有灵敏的频谱感知能力，使其能够在低功率环
境下俘获并处理从 中的特定频率段的信号（虽然 FCC规定 UWB的可用频段在
之间，但随着后续研究的展开，我们可以把感知的频谱范围扩大到几百兆赫兹
的电视信号频段以支持低速 UWB的应用）所涉及的功率和性能问题，而这需要探索天线、
模数转换器和滤波器设计的新概念。只有这样，UWB系统才能充分体现结合 CR技术的优
势。在研究中，我们采用跨层设计的方法来实现 UWB频谱感知算法模块，采用智能感测和
网络协作相结合的设计思路，即在频谱感知算法设计中，单个 UWB节点在主动感知了自身
覆盖范围内的频谱环境后，要把获得的频谱信息共享给相邻的节点。
共享频谱策略及动态可编程脉冲波形设计
UWB系统的信号是极窄的脉冲，能量分布在很宽的频谱上，为了使 UWB信号和原有
常规窄带系统信号共享已有的频谱，就必须使 UWB 信号对原有窄带用户不造成干扰才可
以。这样，在感知周围射频环境的基础上，将使 UWB更有效地利用可用带宽，又不会对占
用这些频段的系统造成破坏性干扰。由于 UWB对其它的共用频段系统的干扰将是一种宽带
干扰，相当于提高窄带系统的背景噪声，这种干扰一旦超标，其它的窄带系统将无法正常工
作，所以，UWB的发射功率谱密度必须远远低于其它窄带系统的功率谱密度。而功率谱的
形状和覆盖范围又取决于脉冲信号的形状。因此，脉冲信号的设计和产生显得尤为重要。在
这部分研究中，我们将考虑如何用一种全软件的方式来实现各种 UWB脉冲波形和相关的调
制技术，重点放在动态可编程脉冲发生器的研究上，主要是围绕动态脉冲波形的生成算法来
进行，要求能动态地改变波形的频谱宽度、中心频率和包络（动态功率控制）。我们将在研
究频谱环境感知的基础上，进行频谱共享策略、UWB动态脉冲信号的频谱管理和同频段干
扰特性的理论研究，并结合频谱自适应（ Spectrum Adaptation， SA）技术来进行 UWB动
态可编程脉冲波形的设计，且能针对功率、距离和所要求的数据率进行频谱优化，以实现灵
活的脉冲波形和频谱，改善频谱共享和提高系统的共存能力。
物理层（PHY）与媒体接入控制层（MAC）的联合设计
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由于脉冲式 UWB是无载波传输的及其所具有的两个典型特性，即 UWB具有高精度测
距定位以及传输速率、传输距离、发射功率三者间的相互动态关联变化关系，这使得 UWB
系统的物理层和 MAC 层非常适合联合设计。同时，UWB 系统和许多窄带无线系统共存于
单一的频带内，而无线系统几乎所有的智能性和灵活性均源于其基带和调制解调器或媒体接
入控制(MAC)。因此，UWB物理层与媒体接入控制层的联合设计是研究时必须面对的问题。
在本项目的研究中，有一些方面要考虑 PHY 与 MAC 的联合设计问题。首先，在频谱感知
算法设计中，单个 UWB节点在主动感知了自身覆盖范围内的频谱环境后，要把获得的频谱
信息通告给相邻的节点，而这必定要把相关的信息加入到MAC协议中去，这也为以后进一
步研究 UWB 感知无线网络奠定基础。其次，为解决 UWB 与其它系统共存性问题及提高
UWB 感知系统或网络的整体性能，也要通过物理层和 MAC 层的联合设计来实现。如在感
知周围环境的基础上，针对功率、距离和所要求的数据率进行频谱优化及分配无线资源时。
因此，在 PHY 和 MAC 中要明确的定义频谱信息、数据速率、信道状态适应能力、链路范
围、位置信息、电源消耗等参量的关系，而这正是一个关于 PHY 和 MAC 多变量联合设计
和优化问题。
总之，随着研究的深入，我们还将进一步探究一种基于 SA 的 UWB 感知波形的 UWB
感知物理层和MAC层来兼容 DS-CDMA-UWB和MB-OFDM-UWB.
3 结论
将 CR技术和 UWB相结合，能针对功率、距离和所要求的数据率进行频谱优化，能有
效地抑制各种干扰，并进一步提高 UWB的传输速率或传输距离。基于 CR思想的 UWB无
线技术的发展将极大地促进智能网络和设备的发展，形成真正普及和以用户为中心的无线世
界，具有重大的理论与实际意义。另一方面，由于 CR和 UWB技术都是基于共享频谱的思
想，它们的结合很有可能带来全新的频谱管理模式，可能解决目前人为的以频率为中心进行
频谱管理的缺点（频谱利用率低），演进为以设备为中心进行管理，为解决日趋紧张的频谱
资源难题提供了一种新的解决方案。同时，它们的结合研究，也有可能为智能认知无线电的
最终实现提供一种崭新的思路。
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参考文献
[1] FCC Report and Order：Revision of part 15 of the commission's rules regarding ultra-wideband transmission
systems. Adopted February 14, 2002, released July 15,
2002.
[2] J. Mitola and G. Maguire, Jr., “Cognitive Radio: making software radios more personal”, IEEE Personal
Communications Magazine, , , pp. 13-18, August 1999.
[3] Federal Communication Commission, “Facilitating Opportunities for Flexible, Efficient, and Reliable
Spectrum Use Employing Cognitive Radio Technologies”, NPRM & Order, ET Docket -108, Dec, 30, 2003.
[4] Lansford, J., “UWB Coexistence and Cognitive Radio”,Ultra Wideband Systems, 2004. Joint UWBST &
IWUWBS. 2004 International Workshop on ,18-21 May 2004.
[5] Granelli F. and Honggang Zhang,“Cognitive ultra wide band radio: a research vision and its open challenges”,
Networking with Ultra Wide Band and Workshop on Ultra Wide Band for Sensor Networks, 2005. Networking
with UWB 2005. 2nd International Workshop 4-6 July 2005 Page(s):55 – 59.
[6] Xiaofei Zhou, Yazdandoost, ., Honggang Zhang, Chlamtac, I., “Cognospectrum: spectrum adaptation
and evolution in cognitive ultra-wideband radio”, 2005 IEEE International Conference on 5-8 Sept. 2005
Page(s):713 – 718.
prospect of research: cognitive ultra wideband wireless
communication system
Chen Guodong，Wu Muqing
broadband communication network lab, Beijing University of Posts and Telecommunications,
Beijing, China (100876)
Abstract
In this papaer, essentiality and feasibility of the research combined cognitive radio with ultra wideband
was analysised. The issues of key techniques were discussed. Cognitive ultra wideband(CUWB)
wireless communication system had characteristics and merits of both cognitive radio and UWB.
CUWB can perform spectrum optimizing for power, distance and desired data rate in order to
preferably resolve the problems of spectrum sharing facility and system coexist of UWB.
Keywords：CR, UWB, spectrum sensing, adaptive pulse waveform shaping, CUWB
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