認(rèn)知無線電多址接入系統(tǒng)的研究

劉 鑫，劉玉濤，譚學(xué)治，Anghuwo Anna Auguste

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所，哈爾濱150080，liuxinstar1984@sohu.com)

認(rèn)知無線電是一種提高頻譜利用率的智能新技術(shù)，它基于軟件無線電，利用授權(quán)用戶不在使用的空閑頻譜(頻譜空穴)進(jìn)行通信［1］.由于認(rèn)知無線電擇機(jī)使用空閑頻譜，因此它的頻譜是不連續(xù)的，并且隨機(jī)性和變化性都較大.認(rèn)知無線電的一個(gè)基本認(rèn)知周期要經(jīng)歷4個(gè)基本過程:感知頻譜環(huán)境、信道識(shí)別、功率控制和頻譜管理［1－2］.目前認(rèn)知無線電較常采用的頻譜感知方法是能量檢測法［3－4］，而頻譜管理主要負(fù)責(zé)認(rèn)知無線電頻譜的不連續(xù)性和變化性，信道識(shí)別和功率控制則和目前的許多系統(tǒng)具有相似之處［2］.由于認(rèn)知無線電的頻譜是不連續(xù)和變化的，因此認(rèn)知無線電的多址接入是個(gè)難點(diǎn)，傳統(tǒng)的TDMA，F(xiàn)DMA，CDMA等大都基于連續(xù)固定的頻譜分配，因此并不適合認(rèn)知無線電，所以目前關(guān)于認(rèn)知無線電多址接入的研究很少.文獻(xiàn)［5］提出了一種類似于認(rèn)知無線電的變換域通信系統(tǒng)(Transform Domain Communication System，TDCS)，文獻(xiàn)［6］首次將TDCS應(yīng)用到認(rèn)知無線電中.TDCS通過將干擾嚴(yán)重的頻譜置0，實(shí)現(xiàn)對(duì)該頻段的躲避，并且用于調(diào)制的基函數(shù)能夠隨頻譜環(huán)境的估計(jì)自適應(yīng)變化.本文基于此平臺(tái)，采用自相關(guān)好，互相關(guān)較低的m狀態(tài)序列產(chǎn)生若干偽隨機(jī)相位矢量，并通過IFFT得到了一組基函數(shù)，理論表明該組基函數(shù)是近似正交的，能夠提供多址接入.文章還分析了系統(tǒng)的檢測性能、接入的用戶數(shù)以及收發(fā)端基函數(shù)的不一致對(duì)系統(tǒng)性能造成的影響.

1 認(rèn)知無線電多址接入發(fā)射機(jī)

認(rèn)知無線電由于只能使用空閑頻譜，因此它的頻譜是不連續(xù)的，并且具有較大的隨機(jī)性和變化性，因此傳統(tǒng)的TDMA，F(xiàn)DMA，CDMA等基于連續(xù)固定頻譜的多址接入方案對(duì)認(rèn)知無線電都不合適.本文提出了一種能夠適合認(rèn)知無線電多址接入的系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)如圖1所示.

圖1 認(rèn)知無線電多址接入發(fā)射機(jī)框圖

1.1 認(rèn)知無線電檢測

認(rèn)知無線電需要對(duì)頻譜環(huán)境實(shí)時(shí)的監(jiān)測，并且監(jiān)測的帶寬往往很大.因此可以將整個(gè)檢測頻帶分為N個(gè)子頻帶，對(duì)每個(gè)子頻帶進(jìn)行檢測.認(rèn)知無線電檢測的目的是判斷授權(quán)用戶是否存在，可以用下式表示:

其中:H0表示信道處于空閑狀態(tài)，H1表示信道正在被授權(quán)用戶使用;y(n)為認(rèn)知用戶監(jiān)測到的信號(hào);s(n)為授權(quán)用戶信號(hào);w(n)為信道的高斯白噪聲.常采用的檢測方法是能量檢測法，該方法是對(duì)M個(gè)信號(hào)采樣點(diǎn)的平方和取均值［7］，即

通常，采用門限λ對(duì)均值T(y)進(jìn)行判決.當(dāng)T(y)＜λ時(shí)，認(rèn)為該信道空閑不存在授權(quán)用戶，否則認(rèn)為此信道正在被使用.可以求得能量檢測法的虛警概率Pf和檢測概率Pd，如下式:

式中:σ2是白噪聲w的方差，r是檢測到的授權(quán)用戶的信噪比，Q(.)是正態(tài)高斯互補(bǔ)累積函數(shù).通過式(1)可以得到檢測概率與虛警概率之間的關(guān)系，即

式(2)表明，當(dāng)提高檢測概率時(shí)，虛警概率也會(huì)提高，這說明:提高檢測概率雖然能夠減少對(duì)授權(quán)用戶的干擾，但頻譜的利用率也會(huì)降低，因此門限的選取通常在Pd和Pf之間產(chǎn)生折衷，所以能量檢測法的檢測概率并不會(huì)很高.

按照前述，依次對(duì)N個(gè)子信道進(jìn)行檢測，通過門限判決得到每個(gè)子信道的使用狀態(tài).當(dāng)子信道判定空閑時(shí)，將其標(biāo)記為1，表示該信道可被認(rèn)知用戶使用，否則標(biāo)記為0，這樣可以得到頻譜空穴標(biāo)記矢量A={a1，a2，…，aN}，ai∈{0，1}.

1.2 偽隨機(jī)相位生成

類似于CDMA依靠偽隨機(jī)序列進(jìn)行多址接入，認(rèn)知無線電系統(tǒng)依靠偽隨機(jī)相位進(jìn)行多址接入.這里使用m狀態(tài)序列發(fā)生器來產(chǎn)生相位所需的隨機(jī)序列.線性移位寄存器在移位脈沖的相繼作用下，它的狀態(tài)不斷轉(zhuǎn)換，把這樣相繼轉(zhuǎn)換而得到的一系列狀態(tài)的全體，稱為該線性移位寄存器的狀態(tài)序列.如果該線性移位寄存器產(chǎn)生m序列，就稱相應(yīng)的狀態(tài)序列為m狀態(tài)序列，并且n級(jí)2元m序列有φ(2n－1)/n個(gè)m狀態(tài)序列.以n=6時(shí)為例，共有φ(26－1)/6=6個(gè)長度為63的m序列，并且這些序列漢明自相關(guān)峰值為26－1，旁瓣近似于0，序列間最大漢明互相關(guān)為8，所以m狀態(tài)序列具有較好的自相關(guān)性和較低的互相關(guān)性，并且可以通過增加m序列的長度來增加狀態(tài)序列的個(gè)數(shù)［8－9］.

選取其中K個(gè)m狀態(tài)序列m1，m2，…，mK，每個(gè)m狀態(tài)序列產(chǎn)生一個(gè)長度為N(選取N=2n，m狀態(tài)序列包含0長度變?yōu)?n)的偽隨機(jī)相位矢量，元素是根據(jù)m狀態(tài)序列隨機(jī)排列的.

1.3 基函數(shù)生成

通過1.2節(jié)得到K個(gè)偽隨機(jī)相位矢量ejθi(i= 1，2，…，K)，將ejθi與標(biāo)記矢量A對(duì)應(yīng)的元素相乘得到新的矢量，為了保證發(fā)射功率相同，對(duì)新矢量進(jìn)行縮放得到頻域矢量Bi(i=1，2，…，K).將Bi進(jìn)行N點(diǎn)的IFFT變換得到時(shí)域矢量，然后通過并串轉(zhuǎn)換得到K個(gè)調(diào)制基函數(shù)bi(t)(i=1，2，…，K).由于頻譜Bi在授權(quán)用戶使用的頻段上幅值為0，因此實(shí)現(xiàn)了對(duì)授權(quán)用戶的躲避.類似CDMA擴(kuò)頻碼的正交性，多址接入的基函數(shù)也需要滿足正交性.可以求得基函數(shù)的自相關(guān)

式中:l=k－m.由式(3)可知，基函數(shù)的自相關(guān)Rbibi(0)≈N，當(dāng)時(shí)延τ≠0時(shí)，由于m狀態(tài)序列自相關(guān)函數(shù)旁瓣較小，因此Rbibi(τ)也較小.式(3)還可求得基函數(shù)的互相關(guān)

1.4 數(shù)據(jù)調(diào)制

bi(t)被存儲(chǔ)起來作為信息數(shù)據(jù)di(t)(i=1，2，…，K)調(diào)制的基函數(shù)，如果信道的電磁環(huán)境在一段連續(xù)的頻譜估計(jì)時(shí)間間隔內(nèi)恒定不變，則只在該時(shí)間間隔起始時(shí)生成新的基函數(shù)，后續(xù)步驟使用存儲(chǔ)器中的同一個(gè)基函數(shù)進(jìn)行調(diào)制.調(diào)制的方法可以有兩種，以2元調(diào)制為例.

1)雙極性調(diào)制.類似BPSK，即用基函數(shù)的正負(fù)代表不同的碼元［5］，即

2)正交調(diào)制.由于基函數(shù)具有較強(qiáng)的自正交性，因此可以使用循環(huán)移位鍵控調(diào)制(CSK)［10］，即基函數(shù)的不同時(shí)移波形代表不同的碼元，如果基函數(shù)的周期為T，可以得到

將數(shù)據(jù)調(diào)制后的多址混合信號(hào)調(diào)制到認(rèn)知無線電感知頻段的中心頻率上，發(fā)射出去.系統(tǒng)需要2根天線，一個(gè)用于實(shí)時(shí)的頻譜檢測，一個(gè)用于發(fā)射信號(hào).該系統(tǒng)的認(rèn)知無線電頻譜分布在整個(gè)檢測的頻段上，不同的是對(duì)于非空閑的頻譜通過將此頻段的幅值置0達(dá)到不使用該頻段的目的，因此本系統(tǒng)能夠利用非連續(xù)的頻譜，并且可以有效地躲避授權(quán)用戶.系統(tǒng)利用基函數(shù)調(diào)制對(duì)空閑頻譜使用，基函數(shù)是通過頻譜空穴標(biāo)記和偽隨機(jī)相位產(chǎn)生的，因此當(dāng)頻譜空穴發(fā)生變化時(shí)，基函數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化，所以本系統(tǒng)能夠滿足頻譜的動(dòng)態(tài)變化.

2 認(rèn)知無線電多址接入接收機(jī)

接收機(jī)通過將接收信號(hào)與本地產(chǎn)生的基函數(shù)相關(guān)來估計(jì)各用戶的數(shù)據(jù)，接收機(jī)如圖(2)所示.

2.1 接收端參考基函數(shù)生成

接收機(jī)類似于發(fā)射機(jī)，首先感知接收機(jī)周圍的頻譜環(huán)境，并通過能量檢測法得到本地的頻譜空穴標(biāo)記矢量A'，m狀態(tài)序列發(fā)生器產(chǎn)生和發(fā)射機(jī)的狀態(tài)序列發(fā)生器一致的K個(gè)序列m1，m2，…，mK，并由此產(chǎn)生偽隨機(jī)相位矢量ejθi(i=1，2，…，K).A'和偽隨機(jī)相位矢量對(duì)應(yīng)的元素相乘，并作IFFT和并串轉(zhuǎn)換，得到接收機(jī)的本地參考基函數(shù)b'i(t)(i=1，2，…，K).

2.2 基函數(shù)的同步與數(shù)據(jù)解調(diào)

同步一般包括相位和定時(shí)估計(jì)，在本系統(tǒng)中，由于基函數(shù)的相位在發(fā)送端是通過偽隨機(jī)碼映射生成的，因此在接收端只要本地產(chǎn)生的參考基函數(shù)與收到的基函數(shù)在時(shí)間上一致，就可實(shí)現(xiàn)波形同步，使用相關(guān)器可以達(dá)到此目的，對(duì)于N個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)，只要將接收波形與參考基函數(shù)作周期相關(guān)，每N個(gè)時(shí)隙就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相關(guān)峰值，具體過程如下所述.

圖2 認(rèn)知無線電多址接入接收機(jī)框圖

基函數(shù)b'i(t)取共軛)(考慮到基函數(shù)可能是復(fù)信號(hào))，并作等間隔的N次循環(huán)移位(移位間隔為T/N)，得到N個(gè)信號(hào)接收信號(hào)載波解調(diào)后與做一個(gè)周期的相關(guān)運(yùn)算，得到zi，j(t)，找出zi，j(t)，j=0，1，…，N－1中最大值的下標(biāo)l，并根據(jù)b'i，l(t)相對(duì)b'i(t)的循環(huán)移位得到同步的基函數(shù)，并根據(jù)同步的基函數(shù)估計(jì)出認(rèn)知用戶i傳送的數(shù)據(jù)d'i(t).對(duì)于2元雙極性調(diào)制，通過zi，l判斷，當(dāng)zi，l＞0時(shí)，d'i(t)=0，否則d'i(t)=1.對(duì)于2元正交調(diào)制，則將同步后的基函數(shù)b'i，l(t)和b'i，l(t－T/2)分別與接收的函數(shù)作相關(guān)累積，值最大的用來估計(jì)數(shù)據(jù).

3 多址接入系統(tǒng)的性能分析

3.1 系統(tǒng)誤碼率

對(duì)于雙極性調(diào)制，單用戶檢測的平均誤碼率為

式中:N0為噪聲的干擾;Jp為授權(quán)用戶的干擾;Pd為系統(tǒng)的檢測概率;Ji(i=2，3，…，K)為其它認(rèn)知用戶的干擾.因?yàn)榛瘮?shù)之間是近似正交的，因此相關(guān)時(shí)其它用戶會(huì)產(chǎn)生干擾分量，并且滿足Ji/Eb= Rbibj/Rbibi= ρ? 1［11］，若另信噪比RSN=Eb/N0，信干比RSI=Eb/Jp，代入式(5)得

同理可以得到正交調(diào)制的誤碼率為

3.2 收發(fā)兩端基函數(shù)不一致對(duì)系統(tǒng)的影響

由于收發(fā)兩端空間區(qū)域的不同，頻譜環(huán)境也略有不同，并且由于檢測的性能有限，收發(fā)兩端的基函數(shù)經(jīng)常是不一致的，這樣接收機(jī)在相關(guān)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生額外的干擾［11］.定義基函數(shù)一致率為

因此基函數(shù)的相關(guān)值會(huì)變?yōu)樵瓉淼摩?α≤1)，可以得到基函數(shù)不一致情況下，雙極性調(diào)制的誤碼率為

4 系統(tǒng)仿真

使用Matlab對(duì)本文系統(tǒng)仿真，仿真中檢測帶寬被分為N=512個(gè)子頻帶，并用9級(jí)的移位寄存器產(chǎn)生m狀態(tài)序列，信噪比RSN=－10～10 dB，認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶的信干比RSI=－5 dB，系統(tǒng)采用雙極性調(diào)制.

圖3是用戶數(shù)K，檢測概率Pd不同時(shí)誤碼率隨信噪比變化的曲線.可以看出理論曲線與仿真曲線基本符合，并且檢測概率小，接入的用戶數(shù)較多時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率較高，因此系統(tǒng)的檢測性能和多址接入的用戶數(shù)是影響系統(tǒng)性能的2個(gè)重要因素.所以采用新的更可靠的檢測方法，比如循環(huán)譜、高階譜檢測等以及類似CDMA去除多用戶干擾是未來本系統(tǒng)的研究關(guān)鍵.

圖4是K=5，Pd=0.8，基函數(shù)一致率α不同時(shí)，誤碼率隨信噪比的變化曲線，可以看出，當(dāng)基函數(shù)只有50%一致時(shí)，誤碼率很高，而當(dāng)基函數(shù)完全一致(α=1)時(shí)，誤碼率會(huì)有較大的降低，這是因?yàn)楫?dāng)收發(fā)信機(jī)距離較近時(shí)，可以認(rèn)為兩端對(duì)頻譜環(huán)境的估計(jì)是一樣的，因此產(chǎn)生的基函數(shù)也一樣的，但是當(dāng)收發(fā)端距離較遠(yuǎn)時(shí)，收發(fā)端對(duì)頻譜的估計(jì)不一定相同，并由此產(chǎn)生下列現(xiàn)象:1)接收機(jī)避開的頻帶含有所需信號(hào)的能量，造成有用信號(hào)能量的丟失;2)接收機(jī)保留的頻帶不含所需信號(hào)的能量，增添了許多無用的噪聲和干擾.這2種情形均會(huì)使收發(fā)兩端的基函數(shù)不一致，從而降低接收機(jī)的信噪比，增加符號(hào)的錯(cuò)誤概率.所以收發(fā)兩端進(jìn)行基函數(shù)的信息交互是十分必要的，兩端需要交互各自的頻譜檢測信息，然后選擇一個(gè)在兩端都不會(huì)對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾的公共標(biāo)記矢量A，然而這需要建立一條公共信道來傳遞這些信息，因此如何建立公共信道也是系統(tǒng)未來研究的關(guān)鍵.

圖3 K，Pd不同時(shí)，誤碼率的曲線

圖4 α不同時(shí)，誤碼率曲線

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)通過頻譜幅值置0實(shí)現(xiàn)了對(duì)非連續(xù)頻譜的利用，并且基函數(shù)可以隨認(rèn)知無線電的檢測結(jié)果自適應(yīng)變化，因此該系統(tǒng)適合于認(rèn)知無線電.仿真表明，系統(tǒng)的檢測性能、接入的用戶數(shù)以及收發(fā)兩端基函數(shù)的不一致會(huì)影響系統(tǒng)的性能，所以未來本課題的研究關(guān)鍵是:1)采用新的檢測方法提高檢測性能;2)研究多用戶干擾去除技術(shù);3)研究公共信道的建立.

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