基于GNURadio的認知OFDM系統(tǒng)研究

蔡偉煌

(湖南科技學院 湖南 永州 425000)

?

基于GNURadio的認知OFDM系統(tǒng)研究

蔡偉煌

(湖南科技學院 湖南 永州 425000)

在開源軟件無線電(GNU Radio)平臺上來搭建一種認知無線電系統(tǒng)及非連續(xù)正交頻分復用(NC-OFDM)系統(tǒng)，通過對各模塊的參數(shù)設(shè)置以及編寫程序來完成系統(tǒng)信號的收發(fā)。對OFDM模塊的調(diào)制方式選用QPSK和16QAM，然后對收發(fā)信號的時域和頻譜進行異同分析，仿真結(jié)果表明在NC-OFDM系統(tǒng)中QPSK調(diào)制方式更合適。

認知無線電；NC-OFDM；GNURadio

引言

為了提高頻譜資源利用率，近年來，被業(yè)界稱為認知無線電(CR,cognitive radio)的頻譜使用模式正逐漸受到人們的關(guān)注[1]。在認知無線電系統(tǒng)中，認知用戶通過未被頻譜授權(quán)用戶占用的頻段進行通信，因此，基于正交頻分復用(OFDM，orthogonalfrequency division multiplexing)的認知無線電系統(tǒng)中，OFDM符號的部分子載波可能會落到頻譜授權(quán)用戶占用的頻段內(nèi)。為了避免對頻譜授權(quán)用戶造成干擾，這些落入頻譜授權(quán)用戶占用頻段內(nèi)的子載波上不能用來發(fā)送數(shù)據(jù)或?qū)ьl，而只能將其置零，這時的系統(tǒng)便成為不連續(xù)子載波(NC-OFDM)系統(tǒng)。

目前國內(nèi)外針對NC-OFDM的研究尚在理論與實驗階段，該系統(tǒng)還沒有廣泛的應用到實踐中，但是一些國外高校和機構(gòu)都建立了自己的無線電平臺進行仿真和演示。例如美國維吉利亞理工大學(Virginia Tech)無線通信中心利用USRP構(gòu)建了一個認知無線電演示平臺，可以開發(fā)獨立的認知無線電系統(tǒng)以及進行頻譜感知測試,算法分析等。

本文將NC-OFDM系統(tǒng)與開源軟件GNU Radio平臺相結(jié)合，進行系統(tǒng)框圖的建立和研究，通過設(shè)置框圖中各模塊的參數(shù)能夠進行不同條件下的仿真，本文在OFDM調(diào)制模塊就設(shè)置了兩種不同調(diào)制方式下的仿真，分別是QPSK和16QAM。利用開源軟件平臺和OFDM系統(tǒng)相結(jié)合的方式也是現(xiàn)在研究OFDM在通信中的應用的一種趨勢。

一、NC-OFDM系統(tǒng)框圖

OFDM及正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，是一種特殊的多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)。認知OFDM，就是使用非連續(xù)的正交頻分復用技術(shù)，及NC-OFDM。NC-OFDM系統(tǒng)模型框圖如圖1.1所示，其基本原理是：在發(fā)送端，對數(shù)據(jù)流采用QPSK調(diào)制，然后調(diào)制后的數(shù)據(jù)按照子載波的開/關(guān)信息進行數(shù)據(jù)的串并變換，設(shè)NC-OFDM系統(tǒng)子載波總數(shù)是N,才串并變換后，將數(shù)據(jù)變成N路較低速率的數(shù)據(jù)流，分配到可用的子載波上。

圖1.1 NC-OFDM系統(tǒng)框圖

NC-OFDM系統(tǒng)在發(fā)送端需要在動態(tài)頻譜感知模塊的輔助下監(jiān)測出目前禁用的子載波數(shù)，從而來獲得可用子數(shù)。子載波分配模塊將用戶已調(diào)符號和導頻符合分配到可用的子載波上，并禁止子載波置零，形成有順序的序列。數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換后，需要插入導頻(保護間隔)，得到符號X(k)，然后對X(k)進行N點逆傅里葉變換，得到信號x(n):

(1)

其中，N為逆傅里葉變換的點數(shù)。X(k)和OFDM調(diào)制中的符號相異，它是數(shù)據(jù)通過子載波開/關(guān)信息進行串并變換得到的。為了降低信號見干擾和載波間干擾，在發(fā)送數(shù)據(jù)前給每個NC-OFDM符號插入保護間隔，再進行并串變換，回復成串行數(shù)據(jù)流，由此可以得到基帶發(fā)送信號x(t):

(2)

其中，Ts=Tg+T,T為OFDM的符號周期，Ts為加入保護間隔后的周期，Tg為保護間隔的長度，N為子載波的數(shù)目，ε為傳輸信號的功率。X(t)經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送出去。

在接收端進行和發(fā)送端相反的操作。將接收到的信號先進行射頻解調(diào)，得到基帶信號y(t)。y(t)進行串并變換和去除保護間隔,經(jīng)N點傅立葉變換后得到頻域信號Y(k)：

(3)

其中，N為傅立葉變換的點數(shù)，y(n)為去除保護間隔后得到的信號。然后進行信道估計以對抗多徑衰落。去除導頻信號，根據(jù)由發(fā)送端得到的子載波開/關(guān)信息對數(shù)據(jù)進行并串變換，正確的讀取出子載波上發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。最后進行QPSK解調(diào),恢復出發(fā)送的原始數(shù)據(jù)流。

在整個收發(fā)過程中值得注意的是：發(fā)送端和接收端的子載波開/關(guān)信息必須保持一致，否則無法進行正確的數(shù)據(jù)解調(diào)。實際應用中可以采取收發(fā)雙方協(xié)同檢測的辦法來實現(xiàn)一致[2]。文章采用的是將發(fā)送端的子載波開/關(guān)信息發(fā)送給接收端的方法來實現(xiàn)一致[3]。

二、GNURadio平臺的實現(xiàn)

(一)GNURadio仿真平臺

GNU Radio(開源軟件無線電)，是由Eric Blossom于2001年發(fā)起的，可以用來構(gòu)建軟件無線電平臺的軟件包[4]。它包含大量的數(shù)字信號處理模塊，例如：OFDM調(diào)節(jié)模塊，OFDM解調(diào)模塊等等，除了GNU Radio本身所包含的豐富處理模塊意外，用戶還可以自定義許多特定的信號處理模塊。它是一個很靈活的系統(tǒng)，并且擴展新的處理模塊也很容易，程序員或者用戶均可以通過搭建相應的模塊來構(gòu)建無線電應用的流圖，也可以自定義編碼來擴展模塊構(gòu)建無線應用。

系統(tǒng)仿真實現(xiàn)框圖中所選用的模塊有：Radom Source模塊，OFDM Mod模塊，OFDM Demod模塊，Noise Source模塊，WX GUI 系列模塊，Throttle模塊，Varlable模塊。仿真框圖中各模塊的基本參數(shù)設(shè)置如表2-1所示，其他參數(shù)為模塊默認值。

表 2-1 基本仿真參數(shù)說明

(二)NC-OFDM仿真的實現(xiàn)

認知OFDM的仿真可以在多平臺上實現(xiàn)，其調(diào)制的方式也有QPSK和QAM，文章選擇在Ubuntu系統(tǒng)下搭建GNU Radio仿真平臺，通過GNU Radio自帶的開源模塊，搭建起NC-OFDM系統(tǒng)仿真實驗圖。通過添加OFDM調(diào)制，OFDM解調(diào)等模塊，然后設(shè)置各個模塊的參數(shù)，例如：OFDM調(diào)制和解調(diào)應用的調(diào)制方式選用的是正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keyin，QPSK)，采樣頻率設(shè)為32K，噪聲源設(shè)為高斯白噪聲等等。

仿真采用重復的隨機信號，通過對周圍電磁環(huán)境進行頻譜檢測，得到頻譜的使用信息，形成分配向量，在可以用頻帶內(nèi)進行OFDM子載波的選擇與分配。認知OFDM調(diào)制后的波形和解調(diào)后的波形可以通過添加多個WX GUI Scope Sink模塊進行觀測。

三、仿真結(jié)果及其分析

圖3.1 QPSK調(diào)制收發(fā)信號頻譜圖

在linux環(huán)境下，通過GNU Radio平臺仿真，由WX GUI Scope Sink觀測到的仿真結(jié)果的頻域圖如圖3.1和3.2所示。時域結(jié)果如圖3.3和圖3.所示。

圖 3.2 16QAM調(diào)制收發(fā)信號頻譜圖

仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)信道環(huán)境為加性高斯白噪聲，采用QPSK調(diào)制技術(shù)，采用QPSK調(diào)制而不采用QAM調(diào)制的原因是系統(tǒng)的誤碼性能較好。而NC-OFDM系統(tǒng)頻譜估計的結(jié)果直接決定了子載波是否用來傳送數(shù)據(jù)。

從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)子載波的分布有時會和當時的頻譜情況不完全對應，這是由預設(shè)門限值不準確造成的。門限值太大則一些干擾將無法濾除，影響系統(tǒng)的性能；門限值太小則會使大量可用頻帶被剔除，降低頻譜的利用率。門限值的選取要根據(jù)當時系統(tǒng)的噪聲水平和授權(quán)用戶的功率來確定。另外在分布子載波時還要留有足夠的保護子載波，來避免對授權(quán)用戶造成干擾[5]。噪聲的改變也會使接收端收到的信號出現(xiàn)失真。模塊參數(shù)的改變也會使仿真結(jié)果發(fā)生變化。

從圖3.1和3.2可以看出，在OFDM系統(tǒng)中采用QPSK調(diào)制技術(shù)比采用16QAM調(diào)制技術(shù)，系統(tǒng)的誤碼性能較好，在采用兩種調(diào)制方式下，系統(tǒng)的收發(fā)信號頻譜圖基本保持一致。如圖3.3和3.4所示，采用QPSK和16QAM調(diào)制方式，收發(fā)信號的時域圖在位置上發(fā)生了時移，但收發(fā)信號的前后，時域圖并無較明顯的變化。

圖3.3 QPSK調(diào)制收發(fā)信號時域圖

圖3.4 16QAM收發(fā)信號時域圖

四、結(jié)論

利用GNU Radio中的模塊搭建NC-OFDM系統(tǒng)框圖，通過改變模塊中的參數(shù)(QPSK調(diào)制/16QAM調(diào)制)來得到不同的結(jié)果，對仿真結(jié)果分析，QPSK調(diào)制技術(shù)更適合NC-OFDM系統(tǒng)。從根源上解決日趨增長的無線通信需求與有限的無線頻譜資源間的矛盾還需不斷的努力。當然，文章中所提到的NC-OFDM是解決無線電數(shù)據(jù)傳輸問題的最有效的技術(shù)之一，它通過調(diào)整子載波的分配太適應系統(tǒng)頻譜的動態(tài)變化。文章研究了NC-OFDM技術(shù)的基本原理和實現(xiàn)方法，并且在開源軟件平臺(GNU Radio)上進行了仿真。仿真的結(jié)果表明NC-OFDM能夠適應認知環(huán)境中的可用頻譜特性，并且在系統(tǒng)中有很多子載波并沒有得到利用，這樣可以通過一些快速傅里葉變化(FFT)修剪算法來降低系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度[5]。

[1]何雪云.認知無線電NC-OFDM系統(tǒng)中基于壓縮感知的信道估計新方法[J].通信學報,2011.11.

[2]蔣相.基于GNURadio和USRPX310的多帶Chirp信號檢測[J].電子科學技術(shù)，2016.5.

[3]王欽輝，葉保留，田宇,等.認知無線電網(wǎng)絡頻譜分配算法研究[J].電子學報，2012,40(1):147-154.

[4]李佳珉，康桂華.NC-OFDM在認知無線電中應用的仿真研究[J].計算機仿真，2009.9.

[5]DucToan Nguyen.Implementation of OFDM systems using GNU Radio and USRP[M].University of Wollongong,2013

蔡偉煌(1995.04-),男,漢族，湖南婁底人，本科。