（通信与信息系统专业论文）无线通信系统中认知功能模块实现研究.pdf

摘要 认知无线电是一种智能无线逶信系统。它能够感知周围的无线环境，通过对 无线环境的分析，相应地改变某些工作参数来实时地适应环境，从而达到提高频 谱利用率、缓解频谱资源紧张的黧的。本文主要研究认知无线电体系结构和认知 功能的开发与实现，开发所用的硬件是基于d s p + f p g a + 删的硬件平台。 本文首先简要介绍认知无线电背景和技术，以及相关的认知无线电关键技术 内容。而后介绍实现认知无线电通信系统的软件无线电平台硬件构成，并且主要 描述了系统结构、实现方案和各主要功能模块的作用。最后详细论述认知无线电 功能模块的具体设计和实现，在即g a 上完成了频谱感知功能，对感知的数据进行 预处理，并建立了f p g a 与d s p 的数据接口；利用d s p 完成了频谱分析、频谱管理 和基本的凇c 接入功能，并且控制和协调整个认知系统各个模块的运转；使用 删作为数据通道建立了与p c 的通信，辅助d s p 完成控制工作。 关键词：认知无线电即g ad s p 删 a b s t r a c t c o g n i t i v er a m oi s a ni n t e l l i g e n tw i r e l e s sc o m m u l l i c a t i o n ss y s t e mm a tc a nb e p e r c e i v e da r o u l l dt l l ew i r e l e s se n v i r o n m e m ，b ya n a l y s i n gt l l ew i r e l e s se n v i r o n m e n t ，i t c o u l dm a k ec h 锄g e st 0t h ec o 玎e s p o n d i n gp a r 锄e t e r st 0a d 印tt ot h ee n v i r o 彻嘲1 ti nr e a l t i m ei no r d e rt oe i l l l a n c eu t i l i z a t i o no ft 1 1 es p e c 咖a i l dt oe a s et l l et e n s i o no fs p e c t n 胁 r e s o u r c e s t 1 1 i sp 印e rm a i n l yf o c u s e do nd e v e l o p i n ga n dr e a l i z i n gc o 盟i t i v e 缸1 c t i o n ， t h ed s p + f p g a + a i 蝴h 矾w a r ep l a t f 0 珊i ss e l e c t e df o rt 1 1 ed e v e l o p m 髓t f i r s t l y ab r i e f b a c k g r o u n da n dc o 嘶t i v er a d i ot e c h n 0 1 0 百e sa r ei n t r 。o d u c e d ，舔w e n 弱r e l a t e dk e yc o g m t i v er a d i ot e c 量m o l o g yc o n t t 知1 dm e nw ei n t r o d u c em eh a r d w a r e s 加1 c t u r eo fm es o f t w a r er a d i op l a t f o mt 0r e a l i z i i l g 也e c o 础i v er a m oc o m m u l l i c a t i o n s y s t e m 豇1 i sa r t i c l ea l s od e s c r i b e st h e 曲m c t u r eo fm es y s t e i 】n ，m ep r 0 蓼a m m ef o rt l l e r e a u z i l 培锄d m em a i nf i m c t i o n a l i t i e s 氨we a u c hm o d l l l e k 随1 y d e t a i l e dd e s i 乒 觚di i l l p l 锄既l t a ：t i o nm e t l l o dr e g 蛐gc o g i l i t i v er a d i oc 0 i m m l n i c a 6 0 nm o d l l l ew l l i c h i i l c l u d i n gs p e c 仇l ls 饥s i i l gm o d u l e ，s p e c 仃a l 觚a l y s i s 强dm a n a g 锄e n tm o d u l e s ，d a t a f 0 刑a r d i i 塔f i l i l c t i o nm o d l l l e sa r es p e c i f i e d 1 i 乙e y w o r d ：c o g n i t i v el h d i o d s pf p g aa j u 垤 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：寄刍舌， 日期垒幺主：多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 描氰 日期2 丝2 ：兰 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 认知无线电的背景 当今的无线网络采用的是固定频谱分配政策，即无线频谱资源的规划和使用 是由政府部门制定的，收发机对它的使用需要得到政府的许可。然而，各国的无 线电法规制定部门，比如f c c ( 美国联邦通信委员会) 发现无线电频谱资源并没有 得到充分的利用。f c c2 0 0 3 年底的n p 砌讧( n o t i c eo fp r o p o s e dr u l em a l ( i n g ) 指出 目前分配出的频段的利用率为1 5 8 5 不等，某些频带如移动手机网络的频带又 是超负荷的，但是业余无线电等很多频段并没有得到充分的利用【l 】。并且，频谱利 用率在不同的空间和时间段也是不同的，如图1 1 和图1 2 。 图1 1 积强z 功率谱密度f 1 】 图1 1 描述了晰g h z 范围内信号的功率谱密度。信号抽样频率是2 0 g s a n 叩l e s ， 时间跨度是5 0 u s 。图1 2 描述了一天内5 0 瑚z 1 g h z 范围内的频谱利用率，其中， 纵坐标表示强度大小。 无线通信系统中认知功能模块实现研究 图12 一天内5 0 m h 和l g h z 的频谱利用率 然而，纵然拥有频谱使用批准的法定用户很少使用分配给它们的频段，法规 也限制了那些潜在的、但不具备使用许可的用户对频带的使用。尽管固定频谱分 配政策在过去根有效，但在近几年，无线业务急剧增长，对有限频谱的需求也随 之剧增，这也是对传统频谱政策的有效性的挑战。有限的可利用频谱及频谱利用 率的低下等问题使得寻找一种全新的、优化使用频谱的无线通信模式变得十分必 要。因此，动态频谱接入是解决目前频谱低效利用率的有效技术。 人们开始考虑允许没有使用许可的用户对法定用户不产生任何干扰的情况下 来使用已分配的许可频段。这样的无线通信方式被称作认知无线电。由于这种认 知无线电仅以无线频谱作为关注对象，因此被称作频谱感知认知无线电。 认知无线电最早是由m r r r e 公司顾问、瑞典皇家技术学院博士生j o s e d h m ，t o l a 和g e r a l dqm a g 山r ej r 教授在1 9 9 9 年提出的卧忆起初他描述了一种通过 r k r l ( 无线电知谈表达语言) 提高个人无线业务灵活性的认知无线电。在5 1 中又 这样描述认知无线电：无线数字设配和相关的网络在无线电资源和通信方面具有 充分的计算智能来探测用户通信需求，并根据这些需求来提供最适合的无线电资 源和无线业务。 总的来说，认知无线电是一种智能的无线通信系统，它能够感知周围环境， 并相应地改变某些工作参数( 例如功率控制、载波频率和调制方法) 实时地适应 外界频谱环境，从而达到：在任何时刻、任何地点提供可靠的通信，高效地使用 无线频谱资源| 6 】。无线通信业界的强烈感觉是认知无线电( c r ) 将成为下一波有冲击 性的浪潮。 第一章绪论 1 2 认知无线电的相关研究 随着认知无线电技术的发展，各标准化组织和行业联盟也纷纷开展相关的研 究，并且开始着手制定认知无线电的标准和协议。 1 2 1 e e8 0 2 2 2 标准【7 】 2 0 0 4 年l o 月，避e e 正式成立瑾e e 8 0 2 2 2 工作组，瑾e e 8 0 2 2 2 称为“无线区域 网络( w h l e s sr e 西。枷心e a n 咖o r k ，简写为w r a n ) 这是第一个世界范围的 基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。 该工作组的网的就是使用认知无线电技术将分配给电视广播的妤脚频带 ( 艺美为5 4 m & ! 8 6 2 鹾珏z 的频率翔作宽带访问线路。这是继2 0 铊年实现民用 蕊毽 之后又一全新的无线频率应用技术。 瑾e 嚣8 0 2 2 2 将要制定的是无线通信的物理层与m a c 层规格。所设想的数据 通信频率为数m b i t s 至数十m b i 仃s 。由于电视转播所占用的频段比w i ，a n 更低， 因此基站设备可覆盖的范围很大，半径超过4 0 b 。如果此圈标得以实现，总计 3 0 毗瑚o m h z 的频带将可用于室外宽带通信。 现有的正e e8 0 2 2 2 标准提案对空中接口进行了规范，包括物理层( p h y 层) 与媒体接入控制( m 矗c ) 层的规范，蠢缎c 层和疆层协议找对于所有被支持的服 务都是相同的。为了与1 v 频道的授权用户共存，8 0 2 2 2 系统的p h y 层和m a c 层协 议应该允许基站根据感知结果，动态调整系统的功率或者工作频率，还应包括降 噪机制，从而避免对t v 频道的授权用户造成干扰。 根据班e e8 0 2 2 2 标准提案，p h y 层可细分为一个会聚予层和一个物理媒体 ( p 渺) 予层，p m d 是髓层的主要部分，而会聚予层能自适应映射m a c 层的特 定需要到通用的p m d 服务，陋e e8 0 2 2 2 协议在p h y 层上增加了频谱感知功能，通 过本地频谱感翔技术以及分布式检测等方法，来可靠地感知某时刻、菜地区的电 视频段中各子信道是否被授权的电视信号( a t s c 、d v b t 、d m b t 等制式) 占 用，以使得认知用户能够在对授权用户系统不造成千扰的情况下接入空阑的电视 频段，充分利用有限的频谱资源；而m a c 层的协议设计不同于以往，除提供媒介 接入控制等传统业务能力，还以共存为主要目的，为与授权用户共存和保护授权 用户提供了丰富的手段，并且引入了一个新颖的共存信标协议( c b p ) 来使得那些 具有重叠覆盖区域的8 0 2 。2 2 基站可以协作和有效地分享宝贵的频谱资源。另外，还 提供了信道管理和测量功能。这使得m 氏c 层在频谱管理上更加灵活和有效。 4 无线通信系统中认知功能模块实现研究 1 2 2d a r p a x g 【8 】 美国国防部高级研究计划署( d 6 姻a ) 于2 0 0 3 年成立了下一代通信计划( x g ) ， 着眼于开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准，计划研制以认知无线电 为核心的系统方法和关键技术，以实现动态频谱接入和共享。该项目将研制和开 发频谱捷变无线电，这些无线电台在使用法规范围内，可以动态自适应变化的无 线环境，在不干扰其他正常工作无线电台的前提下，使可以接入的频谱范围扩大 近1 0 倍。 2 0 0 3 年开始，r a 灿e o n 公司与d 6 时a 签订了下一代无线通信计划的合同，从 事认知无线电相关的技术研究与开发。其许多研究成果未公开，目前公开可查的 资料为x g 的结构框架文档1 0 版本以及x g 项目文档2 o 版本。2 0 0 6 年9 月，d 触冲a 启动无线自适应项目，计划通过智能适应与更大的节点密度减少设备代价。另外， d j 6 岫a 计划在2 0 0 7 年8 月，进行有2 5 个x g 节点的系统现场实验。 在x g 已公开的标准提案中对p h y 层和m a c 层进行了规范，并制定了分阶段 实现的思想，初始阶段对现有m a c 层与p h y 层进行修改，如物理增加了x g 控制模 块，而m a c 层增加了x g 处理模块，然后逐步演进，最终实现具有完全认知特性的 m a c 层和p h y 层。x g 控制模块对部分特定帧进行识别然后进行相应处理。而x g 处理模块利用物理层发送和交换频谱利用信息，各x g 处理模块彼此协调，执行动 态频谱共享，限制对授权用户的干扰，还产生物理层的状态信息。 1 3 项目来源和论文安排 本课题来自实际科研项目，主要研究认知无线电体系结构与认知功能的开发 与实现，在现有的软件无线电硬件平台之上，探究资源管理等功能的认知无线电 模块实现和认知通信系统的整体实现方案。 本文后续安排如下： 第二章简要介绍认知无线电技术，以及相关的认知无线电关键技术内容。 第三章介绍用以实现认知无线电通信系统的软件无线电平台硬件构成、系统 结构、实现方案规划和各主要功能模块的作用。 第四章详细论述认知无线电功能模块的具体设计和实现，包括频谱感知模块、 频谱管理模块、数据转发模块等主要功能子模块。 第五章对认知通信中的各个功能模块进行验证，并且对整个系统进行分析。 第二章认知无线电技术 第二章认知无线电技术 2 1 认知无线电的定义 认知无线电被f c c 定义为：在认知无线电运行的环境中，基于与环境的交互， 能够改变自身的发送参数的无线电翻。 从这个定义出发，认知无线电主要有两个重要的特性；认知能力和可重配置 能力。 认知能力是指无线电技术能够在无线电环境中捕获或者感知信息。这里说的 能力不能简单的认为是能够监视某感兴趣频段的能量，面是需要更糟密的技术， 他能够捕获无线电环境的时间和空间的变化，避免干扰其他用户。通过这种能力， 能够识别出在某时或某地没有使用的频谱，因而可以选择最好的频谱和恰当的运 行参数。 认知能力提供了对频谱的认识，而可重配置能力使无线电设备能够根据无线 电环境被动态的编程。也就是说，通过硬件设计，能控制认知无线电设备在变化 的频率上接收和发送，能使用不同的传输接入技术。 认知的最终遥标是通过上述的认知能力和可重配置能力获褥最好的可用频 谱。因为大部分频谱已经被分配，最大的挑战是能够共享已授权频谱，同时不会 干扰到其他授权用户，如图2 1 所示。认知无线电设备能够使用当前没有使用的频 谱，如果这一频带被授权用户使用，认知无线电设备转到另一个没有被使用的频 谱，或者就在本频段不动，只是变换自己的发送功率或调制方式避免干扰。 额 率 匿2 。l 通信频率的跳变 6 无线通信系统中认知功能模块实现研究 2 2 认知无线电的功能 认知无线电的最终目标是通过认知和重新配置获得可用频谱资源，以实现认 知功能。它的主要工作包括： 1 ) 无线电感知分析，包括无线电环境的干扰温度估计和检测发现频谱空洞； 2 ) 信道分析，包括信道状态信息预测和信道容量估计； 3 ) 传输功率控制和动态频谱管理。 任务1 ) 和2 ) 是在接收机中进行的，任务3 ) 在发射机中进行，如果是双工通 信，收发机都应构建3 个任务。图2 2 给出了一个认知循环【6 】，它基本说明了认知无 线线电的任务和组成，体现了上面3 个基本任务。 图2 2 认知循环 从认知循环中可以看出，一旦认知无线电确定了运行频段，通信便可以建立 在这个频段之上。认知无线电时刻跟踪此频段无线电环境的变化，并不断作出相 应调整。 2 2 1 频谱感知 在认知无线电中，为了合理有效地利用空闲频段进行通信，首要的任务就是 进行环境感知。简单地说，最需要感知的信息就是频谱状态。通过对区域内的环 境频谱进行检测，查找能够用来进行认知无线电系统通信业务的频谱空洞。 频谱空洞通常指一个分配给原有用户但在特定时间和特定地点没有被原有用 户使用的频带。通过检测可以明确某区域内频率的使用状态和利用程度，在此基 础上，就可以通过利用其它技术，让未被授权的用户在特定时间特定地点使用未 被授权用户占用的频带。通过这样的频率再利用方式，可以显著提高频谱利用率， 为合理和充分的利用频率资源做出贡献。 第二章认知无线电技术 根据用户的使用情况，可以将频段分为三种不同的情况【6 】： 白空：仅存在环境噪声量，如热噪声，瞬时反射，脉冲噪声等，能够被新 的非授权认知业务利用的频率资源； 灰空：存在低功率的干扰，或者被部分占用，能够被非授权认知业务利用 的频率资源，但是使用情况并非十分理想； 黑空：存在高功率的干扰，被原始分配业务占据，不能被非授权认知业务 利用的频率资源。 频谱检测的任务也就是查找适合认知无线电业务的白空( 灰空) ，或者对具体 频段在黑空( 灰空) 和自空之间的转变进行监测。 2 2 2 信道分析 信道分析包括信道状态信息的估计和信道容量的预测。获得信道的状态信息 有两种方法差分检测( 盲估计) 和导频传输检测( 非盲估计) 。差分检测法的 稳健性较好，实现简单，但接收端的帧差错率随着信噪比性能的下降雨显著下降； 导频传输提高了接收机的性能，但在传输功率和带宽资源上浪费较大。基于上述 两种方法的结合，可以使用半盲训练的方法达到性能和带宽资源的折中，它既不 同于全盲处理的差分检测法，也不同于指导处理的训练序列传输法。信道估计的 结采可瘸来计算信遒容量，蔫于控制发送端的信号能量。另外，在信道容量分析 过程中，系统反馈时延的影响和高阶马尔可夫模型的使用也是两个值得考虑的问 题，它们在一定条件下会影响到逶信系统的性能。 2 2 3 功率控制和频谱管理【i o 】 接收机把检测到的信道特征等传输参数反馈到发送端，而发送端则根据这些 传输参数通过某些策略来实现功率控制和频谱管理的功能，使认知无线电系统的 传输性能达到最佳。 在传统的围绕基站建立的无线通信系统中，功率控制通过基站实现，因此可 以提供必要的覆盖范围和比较理想的接收机性能。对于一个认知无线电系统，也 可以采用这种功率控制技术。不过，有必要考虑分布式功率控制方案，这样可以 拓宽它豹应用范围，这种情形下，应找到莱些可选的方式来控制发射功率。多用 户认知无线电系统的功率控制问题可看作是一个对策论的问题，不考虑竞争现象， 可看作会作对策，该阀题就简化为个最优化控制理论问题。对策论方法研究功 率控制问题中每个用户最大化自己的效用，则功率控制问题被归结为一个非合作 对策博弈论和信息论中的注水法可以用采解决功率控制的问题，迭代的注水法 有很多方法可以用来处理多用户的场景，两者可相互结合来提高性能。 无线通信系统中认知功能模块实现研究 认知无线电系统中采用动态频谱管理，其算法可以这样描述：根据频谱空洞 情况和功率控制，选择一种调制方式，以适应时变的无线传输环境，使系统工作 在稳定的、可靠的状态下。由于o f d m 具有灵活性和计算的高效性等优点，认知 无线电系统可以采用它作为调制模式。随着时间变化而出现频谱空洞的转移， o f d m 的载频也应相应地发生改变，认知无线电系统的动态频谱分配处理过程可 满足由于某时某地频谱空洞的转移而使载频发生相应改变的需要。当特殊情况出 现而致使当前频谱管理算法不能满足相应性能时，可以通过引进新的更有效的调 制方式或合并其他频谱空洞的方法进行工作，但此时算法的灵活性降低l 带宽增 加了。 第三章系统实现方案和硬件平台介绍 9 第三章系统实现方案和硬件平台介绍 认知无线电系统应该能够与环境的进行交互，分析环境信息，通过相应改变自 身的运行参数，以更高的效率利用有限的频谱资源。基于这一思想，本文设计了 一个认知无线电通信系统的实现方案，它是利用现有软件无线电硬件平台进行设 计实现的，它能够根据频谱使用情况选择适当的频带进行通信，并根据频谱情况 实时改变通信频带，体现了认知的功能。 软件无线电( s d r ) 出现在认知无线电以前，它的中心思想【l l 】是构造一个具有 开放性、标准化、模块化的通用平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、 数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带d 和d a 转换尽可能 靠近天线，以研制出具有极高灵活性、开放性的新一代无线通信系统。也就是说 选用不同的软件模块就可以实现不同的功能。认知无线电可以说是软件无线电的 发展。通过对普通的软件无线电附加环境感知、信道变化等认知模块来扩充的软 件无线电【1 2 1 ，使软件无线电从被动的执行者转变为智能的认知无线电终端。这也 就是说认知系统利用软件无线电平台来实现是可行的。 3 1 系统组成 图3 1 是通用的认知无线电收发器【9 1 。它的主要组成部分是射频前端和基带处 理单元。每一个单元可以通过认知功能控制单元随时配置，以适应时变的射频环 境。在射频前端，接收的信号被放大，混频，而后经加变换。在基带处理单元， 信号经过调制解调和编码解码。认知基带处理单元基本上与现有的收发器相同， 但是认知无线电的射频前端需要一些新的结构。 用户 认知控制单元 图3 1 通用认知无线电收发器结构 因此，根据上述认知无线电收发器结构和现有硬件平台，首先建立一个认知 1 0 无线通信系统中认知功能模块实现研究 无线电通信系统的硬件方案，整个系统由3 个硬件模块组成，分别是认知功能模 块、数据传输模块和射频模块，如图3 2 。 图3 2 认知无线电通信系统组成 认知功能模块是使用软件无线电硬件平台构建的认知业务功能模块。主要完 成频谱感知、频谱管理和分析、基本m a c 功能和整个系统的控制等功能，是整个 系统运行的核心，本文将对这一部分的设计在后面章节详细描述。 数据传输模块是以软件无线电平台构建的通信调制解调功能板，主要完成在 不同q o s 下，认知业务中实际数据的发送与接收。主要的功能由d s p 和f p g a 实 现，对信源发出的数据进行处理，包括交织，组帧等工作，将数据处理成适合在 信道上传输的形式后进行调制解调。数据传输模块的d s p 和认知功能模块进行交 互，完成认知无线电的通信控制。该模块实现了四种调制解调方式，分别为b p s k 、 矾d q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m ，实现了1 2 8k ：b p s 、2 5 6k 1 ) p s 、3 8 4k b p s 、5 1 2k b p s 四种数据传输速率。 射频功能模块完成中频以上部分的实现，即无线信号的接收、射频信号的下 变频和宽带滤波等工作。根据宽带中频带通采样软件无线电结构设计，射频模块 包括接收支路和发送支路，通过m 开关( 即t d d 方式) 共用天线，发送支路采 用直接上变频模式，考虑到认知功能模块和数据传输模块各有一个中频输入接口， 且中频频率不同，所以接收支路采用二次变频方案，第一次下变频的输出送到认 知功能模块，用于频谱感知。第二次变频后将中频信号送至数据传输模块，完成 数据接收，原理图见图3 3 。 射频模块的接收支路第一次下变频后输出中频为1 4 0 m h z ，带宽2 0 m h z ，其 中频响最好的带宽约为1 5 m h z 。 第三章系统实现方案和硬件平台介绍 1 1 图3 3 射频模块原理图 认知功能模块和射频模块之间的数据通信主要实现认知功能模块对射频模块 的控制和射频信号接收。射频模块输出中频数据，供给认知功能模块进行环境感 知。认知功能模块对射频模块的控制信号，设置射频模块第二次下变频的参数， 从而调整数据传输模块的通信频带。 认知功能模块和数据传输模块之间数据信号线主要传输认知功能模块和数据 传输模块的信令。例如，数据传输模块的业务通信申请，认知功能模块的业务通 信回复等。 认知功能模块与计算机之间的通信接口完成感知到的频谱数据的传输和其它 信令的传输。 数据传输模块和射频模块之间的信号线主要实现认知用户的通信业务数据 ( 中频数据) 的收发。 数据传输模块与其计算机之间的通信接口完成认知用户的通信业务数据的输 入和输出。 3 2 系统工作方式 本认知无线电系统的基本工作任务是：在某一频带感知无线电频谱，发现“频 谱空洞一并合理利用所发现的“空洞 进行数据通信。在通信建立后，随时根据 频谱的利用情况，对通信业务的负荷与分布等进行不断的调整，最终可靠、高效 的完成通信，以达到更为灵活的方式来管理和利用宝贵的频谱资源。 根据上述认知工作，系统工作过程可以分为4 个阶段：频谱感知与分析阶段、 业务请求与批准阶段、信道监测阶段和退避阶段。 频谱感知与分析阶段只是完成认知无线电中的环境感知，并收集和分析无线 电频谱的数据，此阶段没有数据通信的要求，是以后认知通信的信息基础。系统 1 2 光线通信系统中认知功能模块实现研究 启动后，立即对外界环境进行感知。来自天线的频谱数据经过射频模块的宽带滤 波和下变频处理得到中频信号；信号进入a d c 完成加变换，通过中频接口输入 感知模块，感知结果数据送到管理模块中作集中分析和警理，并且剥溺转发模块 实时的把数据送到p c 中形象地显示出来。 业务请求与批准阶段是为数据通信建立所做的准备工作，剩用现在掌握的频 谱数据，通信双方进行信道的协商寻找频谱空洞、通信信道确定等工作。当有认 知业务通信需求时，数据传输模块内认知功能模块提交业务申请。在申请中同时 指明业务所需要的带宽门限、噪声门限等需求信息。在认知功能模块中，根据申 请信息和频谱的分析结果，选择合适频谱空洞( 通信双方协商的结果) ，并将指派 信息( 翔带宽、背景噪声强度等) 发送给数据传输模块使其建立通信。同时，向 射频模块发送控制指令，设置具体的通信频带和控制妍开关的运转。 业务通信阶段收到指派信息获得合适通信频带的数据传输模块开始正常通 信，因为认知通信是见缝插针的非授权通信，所以通信建立后依旧需要监测通信 频带，防止认知通信被干扰或干扰授权用户的透信。在此过程孛，射频模块的中 心频点不再搬移，认知功能模块对认知业务使用的频点进行时刻跟踪监测。旦 出现授权用户或者其它干扰造成该频带不可用状态，立刻终止通信，并转入退避 阶段；反之，正常完成通信，重新进入频谱感知和分析阶段，等待新的通信请求 出现。 退避阶段是为了认知无线电系统保护授权用户或防止认知通信被干扰而设立 的。当进入此阶段，认知功能模块停止数据传输模块的数据发送和改变射频模块 的工作状态，保存当前通信状态，扫描和选择合适的空漏，重新建立通信。 以上各阶段功能的实现主要依靠认知功能模块完成，它是认知功能实现的主 体、控制着整个系统的运转。下面的资源篱理方案是根据不同的管理模式丽设计 的，也是在认知功能模块上设计实现的。 3 。2 。l 中心式资源管理方案 利用两套上述认知无线电系统和一个外置于扰源可以组成一个简单的点对点 认知通信的方案。 第三章系统实现方案和硬件平台介绍 1 3 涵 数据传输模块 扭吲 ￥ b 舷 射频模块 t ， 甲组入认知功能模块讧国域 彩 受一黻y 。g 糖 心 乙组 y认知功能模块 扭固域 f 、 b 数据线射频模块 、_ t ， 一 数据传输模块 簿吲 飞嘭 射频模块 n 干扰源 图3 4 中心式资源管理方案 此方案中两个通信系统之间使用一台p c 连接，这台p c 作为系统中统一管理 模块使用，所以称为中心式资源管理方案，方案如图3 4 。工作方案系统的运行如 图3 5 所示。 1 4 无线通信系统中认知功能模块实现研究 图3 5 系统的运行 统一管理模块在系统中最基本的功能是图形化的显示原始频谱信息、已处理 的频谱信息和认知通信的状态。还要作为两个系统的通信桥梁传输特定的信息和 信令。如有需要还可以作为认知系统的核心，实现真正的统一管理，使基本所有 认知的功能都在管理p c 中实现、资源通过管理p c 统一调配。那么，根据认知功 能实现的主体不同把中心式资源管理方案分两种情况。 准分布式管理： 此时管理p c 承担显示和信息转发的功能，相当于虚拟的专用信道，认知的主 要功能由各系统的认知功能模块承担。假设甲、乙两组认知系统进行点对点通信。 当没有通信业务时，系统只是在对当前频谱状况作数据收集。认知功能模块 从射频模块接收频谱数据，进行感知和分析，不断更新分析结果，并把频谱数据 送给管理p c 形象显示 当有通信业务产生时，假设为甲组发起呼叫，甲数据传输模块向甲认知功能 模块发起申请。接收到申请之后，利用频谱信息的分析结果找到符合申请要求的 频带，通过统一管理计算机与乙组进行沟通。 第三章系统实现方案和硬件平台介绍 1 5 乙组接到信息后寻找与甲组共同的频谱“空洞”，如果找到相同频带通过管理 p c 回复包含可用频带的信息，同时将相应通信频点指派给射频模块。 甲组收到信息后，指派射频模块的通信频点，同时回复数据传输模块可以通 止兰 i 目。 反之，如果没有共同的频谱空洞，甲组直接拒绝数据传输模块的申请。 通信建立后，两组系统的认知功能模块负责干扰的发现，寻找和协商新的频 谱空洞，重新建立通信。 完全中心式管理： 此方式下，管理p c 不但承担显示和信息发送的功能，还要完成认知功能，而 认知功能模块除了负责感知频谱，把得到的频谱数据传送给管理p c ，只是帮助管 理p c 与其他模块之间传送指令信息。依旧假设甲、乙两组认知系统进行点对点通 - 1 百。 当没有通信业务时，认知功能模块感知频谱，把结果传送给管理p c ，它作频 谱分析和管理，不断更新频谱分析结果。 当有通信业务产生时，假设为甲组发起呼叫，甲数据传输模块向甲认知功能 模块发起申请。甲认知功能模块接收到申请之后，利用统一管理p c 进行沟通，统 一管理p c 寻找甲、乙两组设备的共同频谱空洞，然后将相应通信频点指派给甲、 乙两组设备。 甲组认知功能模块接收到管理p c 的指令之后，按照指令调整射频模块工作频 段和i 沂的工作状态，并启动认知业务数据的发送。 乙组认知功能模块接收到管理p c 的指令之后，直接指派乙组设备的工作频 点，并启动乙组设备进行具体的数据接收。 通信建立后，统一管理p c 负责干扰的发现，分配新的频谱空洞，重新建立通 信，保证认知通信的顺利完成。 无论认知功能的具体在哪个硬件中实现，执行的功能基本相同，而且都需要 管理p c 作为中介通道连接两组系统，所以把两种情况融合在一起，根据需要在两 种实现方式中作选择，组成一个可在两种工作方式之间选择的中心式资源管理方 案。 3 2 2 分布式资源管理方案 在实际的通信系统中不可能设置上述的有线中介通道，所以去除作为资源统 一管理的p c ，即不采用有线信道进行中心式统一管理，而是通过无线信道进行两 个系统之间协商认知业务通信所使用的共同的频谱空洞，并利用协商得到的频谱 空洞进行通信的方式。图3 6 显示了通信方案，其中f 数据链路代表一个无线的空 无线通信系统中认知功能模块实现研究 中通信接口。 分布式资源管理方案中，在没有建立通信之前，某一认知无线电系统是没有 固定频带可用来通信的。所以对于此方案，建立认知数据业务通信以前，还需要 进行初始信令交互寻找频谱空洞的控制信道。那么此方案可以根据这个控制信道 不同分两种工作方式。 一种方式是通信系统之间设定固定的公共无线信道，该信道独立于认知数据 信道之外，是认知系统寻找频谱空洞、建立认知连接的授权频带，是认知业务的 专用控制信道，此信道不必考虑干扰和退避问题。通过这个固定的公共频段，可 以良好的解决不同通信系统之间的通信频带的建立和协调等工作。 另一种方式通信系统之间没有公共信道可用，在建立认知数据通信之前，通 信双方还需要根据一定的协议和算法，寻找公共的控制频带，建立控制信道的连 接后才能协商认知数据通信频带。 此方案可以由前面的中心式方案为基础扩展得来，需要更加严密的m a c 功能 和算法为基础。但是分布式资源管理才是认知无线电通信真正的目的，更加贴近 图3 6 分布式资源管理方案 射频模块 】 干扰源 第三章系统实现方案和硬件平台介绍 1 7 3 2 3 通信频带的监测 认知无线电系统进行数据通信是“见缝插针”的方式建立通信，是占用授权 用户的通信频带进行通信的方式。所以在某一空闲频带建立认知通信后，这个频 带不可能保证在本次通信过程中都不会出现授权用户的通信需求或其他用户的干 扰，作为这个频带的次要用户首先需要保护授权用户在其信道上的通信不受干扰， 而后确保自己的通信成功完成。因此认知用户对自己正在通信的频带进行监测是 必须的。 从实现角度出发，设计主要考虑实际硬件情况。本系统中射频前端是以m 开关控制数据收或发支路与天线的连接，两系统间数据的收发是在同一频带完成 的，也就是说在系统发送数据时不可能从天线接收到频谱信息，数据发送方连续 发送数据就不能做频谱监测，只能在收方做频谱监测。即使可以同时接收频谱信 息进行感知得到频谱数据，此次通信频带的频谱也是包含认知系统发射功率的频 谱，这不利于发现通信频带中是否有其它用户也在进行通信。接收端也有同样的 问题。 针对以上问题，利用t d d 方式进行通信可以解决。建立通信以前，收发两组 系统首先建立同步，同步信号可以如图3 7 所示。两组系统的射频模块根据同步信 号转换m 开关，改变收发方式，高电平时发送，低电平时接收；数据传输模块 把数据分块发送，数据块的大小根据高电平的宽度来确定，并且只能在电平由低 到高变换时刻启动一帧的发送，如果没有同步上某一电平变换时刻需要退后一周 期发送。在每次发送间隔时间( 低电平时) 是静默期，在这期间不会有数据发送， 此时收发两组系统感知频谱可以保证发现通信频带频谱是否发生突变，来确定是 否有其他用户接入，是否需要退避，解决了频谱突变是否是由于本系统发送数据 所致的后顾之忧，从而保护授权用户的通信。这种工作方式不但可以实现数据发 送方监测频谱状况，而且保证了监测的有效性和可靠性。 静默期 静默期静默期 lji jlji j lj i 发收发收发收 图3 7 同步信号 无线通信系统中认知功能模块实现研究 3 3 认知功能模块的硬件平台 认知功能模块使用的是一块典型的软件无线电基带处理板。硬件系统围绕可 编程器件设计，符合软件无线电相容性、灵活性、可重构性和可升级性的要求。 本硬件板通过同轴电缆即可与射频前端相连形成完整的软件无线电结构。硬件系 统框图如图3 ：8 。 图3 8 认知功能模块的硬件结构 中频数字化模块的核心是) ( i l i l l ) 【公司的r t 懿4 系列x c 4 v s x 3 5f p g a 。a d 转换器件是m a x i n l 公司的m a x l 4 2 0 ，它的最高采样速率达到6 0 m s p s ，最大精度 为1 2 b i t 。d a 转换器件是a d 公司的a d 9 7 6 0 ，它的最高转换速率是1 2 5 m s p s ， 精度为1 0 b i t 。基带处理模块使用两块1 r i 公司高性能t m s 3 2 0 c 6 4 l x 系列d s p ： c “1 4 和c 6 4 1 6 。还有一个起控制作用的删使用s t 公司的s t r 7 1 0 f z 2 ，它是 使用删7 t d m i 内核为控制器。 板上有其他多个外部存储器和接口等冗余设计，它们不但扩展了可编程器件 的功能，而且创造了与其他硬件系统连接的条件。 认知功能模块是实现认知功能的主体，其功能是实现对频谱数据进行时频分 析，掌握实时的频谱信息，根据频谱状况建立认知通信，如寻找频谱空洞建立通 信、发现干扰进行退避。它主要包括：感知模块、管理模块和转发模块。结构如 图3 9 所示。 第三章系统实现方案和硬件平台介绍 1 9 i i lii i i f p g a i i d s p i i m 洲 i l jl 一jl 一 图3 9 认知功能模块功能框图 感知模块包括频谱感知和频谱数据输出两个单元，频谱感知单元进行谱估计 得到频谱的数据；频谱数据输出单元根据需求对频谱数据进行预处理，并发送数 据给管理模块。管理模块进一步分析频谱数据，掌握频谱信息；利用转发模块与 p c 建立连接发送频谱数据：响应通信申请，协商频谱空洞，建立通信等；管理其 他硬件的运行协调整个系统运转。 认知功能模块主要通过硬件板上的可编程器件来实现。下面对板上f p g a 、 d s p 和删等主要器件简单介绍。 3 3 1x c 4 v s x 3 5f p g a 1 1 3 】 x i l i l l ) 【的r t e x _ 4 系列f p g a 是高性能、低功耗、大规模可编程门阵列器件， 可以作为a s i c 技术的优良替代品，灵活实现各种功能。e x - 4 的各种各样软硬 d 核使设计工作更加方便有效，且提高了设计的性能，这个系列包括三个平台： 针对逻辑应用的r t c x - 4l x 、针对超高性能信号处理的r t 懿4s x 以及针对嵌入 式处理和高速串行连接的m e 】【- 4f x 。 本设计中使用的s x 3 5 ( 1 0 ) 是r t e ) 【- 4 s x 系列中的一员，v m e x 4s x 平台 f p g a 主要针对高性能信号处理应用，如无线通信、视频、多媒体和高级音频。该 系列中的器件提供了l x 平台器件具有的所有功能，同时针对极高性能实时信号处 理提供了极高比例的x t r e m e d s p 逻辑片与嵌入式块洲资源。v i r t e x 4s x 可编 程器件具有最高的x 仃锄e d s p 逻辑片与逻辑资源比例和最高的嵌入式块ra m 与 逻辑资源比例，因此与其它f p g a 解决方案相比，能够以大大降低的功耗提供突 破性的d s p 性能。此外，5 0 0 枷e m e d s p 逻辑片可以级联使用，并且可全速 工作。 r t - 4f p g a 基于创新的高级硅片组合模块( a s m b l ：a d v a i l c e ds i l i c o n m o d u l a rb l o c k ) 构架，采用9 0 衄工艺晶圆技术制作。s 5 ( 1 0 ) 的主要特性 x i l i l l ) 【f p g a 的基本逻辑元件是c l b ( 可配置逻辑块) ，提供组合和同步逻辑以及 分布式存储器和s r l l 6 移位寄存器功能。每个c l b 有4 个s l i c e ，可实现任意的组 无线通信系统中认知功能模块实现研究 合逻辑电路和时序逻辑电路。每个s l i c e 由u j t ( 4 输入查找表) 、触发器、多路复 用器和运算逻辑组成。拥有载体逻辑及专用内部布线，专用a n d o r 逻辑实现宽输 入。 此f p g a 使用x e s i 啪。m 时钟技术，内嵌8 个d c m ( 数字时钟管理) 块，最 大输出4 0 m h z 时钟速率。s m a r t ra m 分级体系，分布式ra m 最大2 4 0 k - b i t ，5 0 0 z 的1 8 k b i t 集成块r a m 总数1 9 2 个，总存储量3 4 5 6 k b i t ，支持同步异步方式，可 配置为双端口删，完全硬件f 巧o ，用于提高性能的可选流水线级数。支持高 速存储器接口，如d d rs d ra m 、d d r 2s d m 气m 、q d r 。内嵌总数1 9 2 个5 0 0 瑚h z x 仃锄e d s p 。ms 1 i c e 是用于提高d s p 性能的乘累加器结构。 3 3 2t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 【1 4 】 c 6 4 1 6 作为c 6 0 0 0 系列d s p 具有、，e l o c i 蹦结构，每个周期能够执行8 条3 2 位指令。其内核c p u 有两个寄存器组a 和b 组成，具有8 个3 2 位字长的功能单 元：2 个乘法器，6 个算术逻辑单元。 c 6 0 0 0 系列d s p 有完整的优化开发工具集，包括高效c 编译器、用于简化汇 编语言编程和设置的汇编优化器及用于源代码调试执行可视化的基于w 证d o w s t m 操作系统的集成开发环境。 n 江s 3 2 0 c 6 4 1 6 是t i 公司针对通信应用推出的新一代高性能3 2 b i t 定点d s p 。 它具有先进的删( 超长指令字) 结构的1 m s 3 2 0 c “文刑内核，8 个高度独立 的高性能功能单元，其中6 个使用v e l o c i n 2 扩展结构的3 2 4 0 b i t 6 叫( 算术运算 单元) ，每时钟周期可进行一次3 2 - b i t ，两次1 6 - b i t ，或四次8 b i t 算术运算；支持 两种乘法器，可实现每周期4 次1 6 1 6 - b i t 乘法运算或8 次8 8 - b i t 乘法运算。可以 每周期执行8 条3 2 - b i t 指令，峰值运算速度4 8 0 0 m d s 。l 1 l 2 两级缓存结构包括 1 2 8 k b i t 的一级程序c a c h e ，1 2 8 k - b i t 的一级数据c a c h e ，8 m - b i t 的程序和数据共 享2 级缓存可以按不同比例映射成ra m 。 m s 3 2 0 c 6 4 1