（通信与信息系统专业论文）基于认知无线电的自适应信道编解码器的研究与实现.pdf

摘要 i l ll i11 1 1 11 1 1 1 1 11 1iil y 2 0 6 7 0 0 2 无线通信技术的发展使频谱资源日趋紧缺，成为限制其发展的新瓶颈，认知 无线电技术由此应运而生，其能够检测频谱空洞，并在不干扰授权用户的条件下 充分利用频谱资源来传输信息。然而可用频段的特性是变化的，这就要求认知无 线电中的通信系统具有可重构的能力。 本文首先介绍了认知无线电的发展过程、基本原理及关键技术。然后本文基 于软件无线电技术，提出了认知无线电演示系统的底层自适应可重构通信控制实 现方案，并重点对自适应可重构信道编解码器进行研究和实现。认知无线电系统 主要由3 个板块组成：认知板、通信板、射频板。本人主要负责通信板的工作， 在d s p + f p g a 的硬件平台上，研究设计了通信模块，并在此基础上介绍了自适应 可重构信道编码器的详细设计过程。最后，针对系统中自适应信道编解码器进行 系统测试并对信道编码提出了改进的建议。在d s p 上实现通信板的底层逻辑控制 与组帧发送与接收处理，在d s p + f p g a 上实现基于增信删余的自适应信道编解码器。 d s p 主要完成与对认知板的数据交互，对空口数据传输的命令及数据进行处理。而 在d s p + f p g a 中，实现了四种传输带宽、四种调制解调方式及基于增信删余的三种 码率卷积码编码解码方式的自适应控制，以满足认知无线电系统中关于自适应可 重构的要求。 关键词：认知无线电自适应可重构增信删余卷积码维特比译码 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , t h ew i r e l e s ss p e c t r u m r e s o u r c e sa r eb e c o m i n gd e f i c i e n t ，w h i c hb e c o m e san e wb o t t l e n e c ko fr e s t r i c t i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h i sh a sg i v e nb i r t ht oc o g n i t i v er a d i o ， w h i c hc a ns e n s ei t se n v i r o n m e n tt og e tt h eu s e f u ls p e c t r u ma n du s ei tt oc o m m u n i c a t i o n w i t h o u ti n t e r r u p t i n gt h ep r i m a r yu s e r b u tt h ec h a r a c t e r i s t i co fb a n d w i d t hd e t e c t e db y t h ec o g n i t i v er a d i oi sm u l t i p l i c i t y a l lo ft h e s er e q u e s ta i la d a p t i v ea n dr e c o n f i g u r a b l e c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gp r o c e s s ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dk e y t e c h n o l o g i e so fc o g n i t i v er a d i o b a s e do ns o f t w a r er a d i o ，ap r o j e c t t or e a l i z ea r e c o n f i g u r a b l ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h ec o g n i t i v er a d i oi s i n t r o d u c e d a n dt h e p a p e rl a y se m p h a s i so nt h ei m p l e m e n t a t i o no fa d a p t i v ea n dr e c o n f i g u r a b l ec o d e c t h e c o g n i t i v es y s t e mc o n s i s t so fc o g n i t i v em o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dr a d i o m o d u l e m yd u t y i st or e s e a r c ho na n dr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo n d s p + f p g ah a r d w a r ep l a t f o r m t h e nw ei n t r o d u c et h ed e s i g no ft h ea d a p t i v ea n d r e c o n f i g u r a b l ec o d e ci nd e t a i lb a s e do nt h ep l a t f o r m f i n a l l y , t h et e s to ft h ea d a p t i v ea n d r e c o n f i g u r a b l ec o d e ci nc o g n i t i v es y s t e mi ss h o w na n ds o m es u g g e s t sw i l lb eg i v e nt o i m p r o v et h ec o d e c w er e a l i z et h em a cl a y e rp r o t o c o li nt h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l ei n d e t a i lb a s e do nd s p , a n dt h ea d a p t i v ea n dr e c o n f i g u r a b l ec o d e cb a s e do np u n c t u r i n ga n d d e - p u n c t u r i n go nd s p + f p g a t h ew o r ko fd s pi nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei s t o e x c h a n g ed a t aw i t ht h ec o g n i t i v em o d u l e ，t or e c o g n i z ea n dp r o c e s st h ec o m m a n da n d d a t af r o mt h er a d i om o d u l e i nd s p + f p g a ，w eh a v er e a l i z e da d a p t i v em o d e m 埘t l l v a r i a b l e m o d u l a t i o n , v a r i a b l eb a n d w i d t ha n dv a r i a b l e r a t ec o d e ct om e e tt h e r e q u i r e m e n t so f t h ec o g n i t i v es y s t e ma b o u ti t sa d a p t i v ea n dr e c o n f i g u r a b l ec a p a c i t y k e y w o r d ：c o g n i t i v er a d i od e p u n c t u r e p u n c t u r e a d a p t i v er e c o n f i g u r a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的不断发展，对无线通信技术的要求也越来越高，而频谱资源 匮乏的问题日益严重，成为制约无线通信发展的一个重要的瓶颈。但现在的无 线系统中，已经分配的频谱资源在时间和空间上存在很大程度的闲置，为了更好 的利用这些闲置的频谱资源，认知无线电孕育而生。认知无线电技术( c o g n i t i v e r a d i o ) 以高效利用频谱资源为目标，扫描当前环境中空闲的无线频谱，让非授 权用户暂时的使用已被分配的频谱进行数据传输，从而有效地解决无线频谱短 缺的问题。 1 1 认知无线电概述 目前，世界上各国在频谱分配政策上均采用静态的频谱管理方式，对不同的 无线通信系统分配不同的频段，这种方法避免了不同通信系统间的相互干扰，然 而频谱的利用率却是非常的低，同时大量的研究却发现无线电频谱资源并没有得 到充分的利用，在相同的时间，相同的地点上一些频谱的利用率上是很有限的， 一些非授权频段如工业、医用和科学频段以及用于陆地移动通信的2 g h z 左右频段 上是非常的拥挤，而有些授权的频段却经常处于空闲状态。 f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o r sc o m m i s s i o n ，美国联邦通讯委员会) 2 0 0 3 年底 的n p r m ( n o t i c eo f p r o p o s e dr u l em a k i n g ) 指出目前已分配频段的利用率仅为 1 5 - - - 8 5 不等，某些频带，如移动手机网络的频带一直是超负荷的，但是业余无 线电等很多频段却没有得到充分的利用【l j ，而且在不同的时间和空间上，不同的频 谱利用率也是不同的。 为了提高空闲频谱的利用率，人们开始考虑允许没有授权的用户在对授权用 户不产生任何干扰的情况下暂时地使用已分配的频段。1 9 9 9 年，“软件无线电之 父 j o s e p hm i t o l a 博士在软件无线电( s d r ) 的基础上，提出认知无线电( c o g n i t i v e r a d i o ) 的概念【2 】【3 】。他认为认知无线电( c r ) 是计算智能和个人无线通信这两个学科 领域交叉的产物。在其博士论文里这样描述认知无线电【4 】：无线数字设备和相关的 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的通信需求，并根 据这些需求来提供最适合无线电资源和无线业务。它可以通过对外部环境的学习、 分析和判断，通过“无线电知识表达语言( r k r i ，) 与其他认知终端进行交流， 实时改变一些无线参数，来适应外部无线环境，寻找和使用空闲频谱，提高频谱 2 基于认知无线电的自适应信道编解码器的研究与实现 资源的利用率。 在2 0 0 3 年1 2 月，f c c 发布的通告中定义认知无线电：认知无线电是一种能够 与它所在的环境进行交互，从而改变自身的传输参数的无线电【5 j 。从定义中，我们 可以看出认知无线电所应当具备的两个重要能力：对环境的认知能力和系统功能 模块的重构能力。 认知能力就是够使与周围环境进行交互，捕捉无线环境中的感知信息，进而 决定适合的工作参数来适应当前的无线频谱资源，需要循环的进行频谱感知，频 谱分析以及频谱决策。 在空域、时域和频域中出现的，可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。 频谱感知是系统对周围环境频谱信息的进行收集，得到“频谱空洞 ；频谱分析是 认知系统对频谱感知所收集到的频谱信息按照一定的算法对“频谱空洞”的特征 进行分析；频谱决策就是在频谱分析的基础上，对系统进行数据传输的工作参数 做出决策，选取最佳的工作模式，通过软件修改系统的传参数来适应环境的变化， 使用户始终处于最佳的工作状态。 系统功能模块的重构能力指不改变任何硬件部分，通过软件改变系统的参数， 比如调整载波频率、传输带宽、传输功率、调制方式等参数，通过软件的不断更 新来满足频谱决策的结果，而且传输参数的改变不仅仅在传输开始的时候，传输 过程中认知无线电系统依然对环境进行感知，如果环境发生变化( 比如授权用户 开始使用该频段) ，传输参数需要随时改变。 2 0 世纪9 0 年代初，m i l t r e 公司j e om i t o l a 首次明确提出软件无线电( s o f t w a r e r a d i o ) 的概念，其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬 件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、通信协议等用软 件来完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活 性、开放性的新一代无线通信系统【5 1 。软件无线电能在不改变硬件的前提下，通 过更新软件配置，结构实现新的功能。 认知无线电在感知周围环境，能自适应的改变工作的参数，在不改变硬件平 台的前提下，通过软件实现自身内部通信机理的修改，这需要认知无线电系统平 台具有可重构性，就是要求认知无线电中的调制解调模块是自适应的，其中的载 波频率，传输带宽，以及调制方式等是可变的。而软件无线电具有很强的开放性 与灵活性，它的最大优点是在通用的硬件平台上，只需要通过软件即可实现不同 的通信功能，控制工作频率、传输带宽、调制方式、信源编码等。这些特点使软件 无线电成为实现认知无线电的一个理想的平台。 虽然认知无线电还没有真正地投入使用，但是无线界已经看到了它广大的发 展前途，一些标准化组织采用了认知无线电技术，同时也制定了一些关于认知无 线电方面的标准和法规，i e e e 8 0 2 2 2 系统是第一个基于认知无线电技术的标准，在 第一章绪论 其上面发展的w r a n 技术是针对具体的应用场景给出了在不干扰授权用户的前提 下，为用户提供高质量和可靠的网络接入服务，是认知无线电动态频谱接入的初步 尝试。同时i e e e 8 0 2 1 6 h 标准的指定，致力于改进了策略、m a c 增强等机制，确 保基于w i m a x 的免授权系统之间、及与授权系统之间的共存。随着研究的进一 步深入，认知无线电的发展与推广，我们相信认知无线电无论在民用还是军用都 会有广泛的应用前景。 1 2 认知无线电的关键技术 认知无线电通过对周围环境的进行频谱的检测，并对获取的频谱信息进行频 谱的管理分配，自适应地控制通信参数，在不干扰授权用户的前提下，实现最佳 通信。由此可知认知无线电的关键技术有：频谱检测技术、频谱分配技术、自适 应调制解调器等。 1 2 1 频谱检测技术 频谱感知检测技术是认知无线电中关键的技术之一，它是认知无线电区别于 其他无线电系统的关键。 认知无线电系统的首先任务是对周围环境进行频谱检测，获取频谱信息，找 出适合通信的频谱空洞。待测的频谱状态可分为3 种： ( 1 ) 黑空，存在高功率的干扰，很可能被授权的用户占用，不能使用； ( 2 ) 灰空，存在较低功率的干扰，通信质量要求不高或紧急的特殊情况下可考 虑使用； ( 3 ) 白空：仅存在环境噪声量，比如脉冲噪声、热噪声、瞬时反射等，是可以 利用的频谱资源。 频谱检测的任务就是检测出工作频段中适合通信的白空( 灰空) ，同时在工作 频段上监测黑空，灰空和白空之间的转变。 在认知无线电技术中，频谱检测一般是对所观察的频段进行干扰温度的估计， 干扰温度指频段内的干扰功率谱密度，用来量化和管理无线环境中的干扰问题。 通过对干扰温度进行谱估计，可以得到干扰温度界限。然后从感知到的“频谱空 洞 中选择在干扰温度界限内的“频谱空洞”。 频谱检测技术经过了多年的发展，已经成为一项比较成熟的数字信号处理技 术，形成了很多的理论和算法。频谱检测算法是频谱感知技术实现的关键，其中 多窗谱估计算法是目前认知无线电技术中常用的频谱分析算法之一，是一种接近 最优的算法，具有较好的计算性能和运用价值。 4 基于认知无线电的自适应信道编解码器的研究与实现 在认知无线电系统中，频谱检测技术不仅在搜寻和判定“频谱空洞 上起着 关键作用，而且在通信过程中，还实时监测通信所占用频段。对频谱的监测可以搜 集该无线环境的资料，并实时的进行频谱分析管理，同时修改通信系统的参数，保 证通信过程的稳定。在这种情况下，即使授权用户突然使用该频段，认知无线电系 统也能够及时，快速地进行主动退避，避免对原有授权用户的通信造成影响，并在 认知无线电用户没有感觉的情况下，切入到下一个稳定的，可用的频段继续未完 成的通信。 1 2 2 频谱分配技术 认知无线电技术通过频谱的检测可以获得周围无线电环境可用的频谱信息， 为了提高频谱的利用率，更好的实现频谱的共享，需要对获取的频谱信息进行动 态的频谱分配。 目前关于频谱分配的研究主要集中在分布式资源分配方面，对策论( 博弈论， g a m et h e o r y ) 是其中一种有效的实现频谱动态分配的工具。博弈论的目标是在博 弈的过程中寻找到纳什均衡点，也就是所谓的策略最优点，我们可以利用博弈论 对获取的频谱信息以及认知用户特点，寻找到最优的频谱分配方式。 而正交由于正交频分复用( 0 f d m ) 系统是目前公认的一种有效实现频谱资源分 配的调制方式。在正交频分复用系统中，我们可以根据检测到的频谱信息和用户 的业务及需求，按照一定的频谱分配算法，对子载波进行分配，将一些不连续和 不规律的频谱资源进行整合利用，同时控制子载波的功率，避免对授权用户造成 干扰。 1 2 3 自适应可重构信道编码解码器 认知无线电在获取频谱信息，并对可用的频谱进行分配之后，需要对通信系 统的参数进行设置。然后不同的环境中，频谱的特性是不一样的，而且是随时变 化的，这就需要认知无线电系统的信道编解码器可以工作在多种模式之下，是自 适应，可重构的。对于信道编解码器的自适应可重构主要指的是编解码方案根据 周围的频谱环境的好坏进行自适应的选择。具体可以表现为不同编解码的选择与 同一种编解码不同码率的选择。 认知无线电中的传输参数不但在通信的起始是可变的，在通信的过程中，根 据获取到的周围的频谱信息也应该具有可重构的能力。而且重构的过程都是在不 改变硬件条件的前提下，仅仅修改软件的基础上进行的，所以软件无线电是实现 认知无线电系统的最好平台。 第一章绪论 1 2 4 自适应可重构调制解调器 认知无线电在获取频谱信息，并对可用的频谱进行分配之后，需要对通信系 统的参数进行设置。然后不同的环境中，频谱的特性是不一样的，而且是随时变 化的，这就需要认知无线电系统的调制解调器可以工作在多种模式之下，是自适 应，可重构的，可重构的参数包括： 1 、通信频率：认知无线电系统可以根据检测到的频谱信息，选择最合适的频 率进行通信。 2 、调制方式：由于无线电环境的多变性和多样性，根据信道特性以及用户的 要求，选择不同的调制方式获取最佳通信质量。 3 、传输功率：认知无线电是在避免对授权用户造成干扰的前提下，暂时的使 用该信道进行通信，所以必须控制通信功率，不对授权用户造成干扰的同时，选 取最合适的通信功率，保证认知用户的通信性能。 4 、传输带宽：认知系统感知到的可用的频谱带宽是不确定的，所以要求认知 无线电中的调制解调器能在不同的带宽下进行通信。 认知无线电中的传输参数不但在通信的起始是可变的，在通信的过程中，根据获 取到的周围的频谱信息也应该具有可重构的能力。而且重构的过程都是在不改变 硬件条件的前提下，仅仅修改软件的基础上进行的，所以软件无线电是实现认知 无线电系统的最好平台。 1 3 项目来源和论文安排 本课题来自实际科研项目。主要研究方向为以硬件平台为基础，构建基于认 知技术的认知无线电通信演示系统，并在通信板的d s p 中实现自适应可重构的底层 逻辑控制，在d s p + f p g a 中实现自适应可重构的信道编解码器。 本文的安排如下： 第一章：介绍了认知无线电的产生过程，基本概念以及认知无线电的关键 技术，进一步提到了软件无线电在认知无线电中的运用。 第二章：介绍认知无线电系统的实现方案与通信板自适应控制的实现。 第三章：介绍信道编码理论及其相关的仿真结果。 第四章：基于增信删余技术的卷积码编解码在认知无线电系统中的实现。 第五章：系统功能测试及对系统改进方案的建议。 6 基于认知无线电的自适应信道编解码器的研究与实现 第二章认知无线电通信演示系统及底层自适应控制实现 7 第二章认知无线电通信演示系统及底层自适应控制实现 认知无线电系统应该能够感知环境信息，进行频谱管理并且选择合适的通信 参数进行通信，而且要在感知到授权用户时及时退避并且重建通信，以提高频谱 利用率。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增加 环境感知、信道变化等认知模块来扩充的软件无线电嘲。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。本系统设计目的为凸显认知无线电理论运用于 实际通信中对频谱的灵活应用等性能的提升，使系统内的用户能够在损失少量实 时性的情况下高效的利用频谱资源。 2 1 系统设计目标和场景规划 为了能够实现认知无线通信系统的设计，我们首先提出了系统的总体设计目 标。通过设计相应的场景，演示验证系统的认知功能、不同通信参数的通信功能 以及不同通信模式的切换等目标。 2 1 1 系统设计目标 系统设计的总体目标为： 1 、频谱环境模拟器节点具有模拟授权用户对频率资源的使用情况的功能。 2 、认知用户节点具有本地频谱感知功能和数据通信功能，能够实时地感知本 地频谱状态并将其量化。 3 、认知用户节点能够与其他认知用户节点进行小规模的点对点双工数据通 信。 4 、管理中心节点能够收集给需要通信的两个认知用户节点的本地频谱信息， 并给这两个认知用户节点分配适合通信的频谱资源。 5 、认知用户节点能通过与管理中心节点的合作，始终避开被授权用户占用的 频率资源，在授权用户暂时没有使用的信道上进行无线通信。 2 1 2 系统演示场景 首先为系统设计合适的工作环境。频谱环境可以由频谱环境模拟器来模拟， 在一段频谱范围内产生频率、带宽、功率可变的信号来模拟授权用户的工作和空 8 基于认知无线电的自适应信道编解码器的研究与实现 闲状态。其次要设计若干( 6 个) 具有认知能力的认知节点作为系统的用户，为了 避免多个用户在无线信道上发生冲突碰撞，可以将认知节点分为若干个( 两个) 群，不同群内采用不同的频率进行通信，同一个群内各个节点采取同样的频率进 行通信，并控制一个群中认知节点的数量，从而减少碰撞发生的次数。管理中心 负责对认知节点感知到的频谱信息进行频谱管理，并控制各个群的通信。 综上所述，系统由频谱环境模拟器、若干认知节点、管理中心构成。系统工 作场景如图2 1 所示。 图2 1 系统工作场景 对系统中的功能实体数量及通信参数做出如下拟定： 设定系统中有两个频谱环境模拟器，6 个认知节点，分为两个群( 其中认知节 点1 、2 、3 为一个群，4 、5 、6 为另一个群) ，和一个管理中心。系统工作频谱范 围为2 0 0 m h z - 5 0 0 m h z ，根据不同的外界频谱环境，认知节点可以以不同的通信模 式进行通信，这些通信模式参数有通信频点、调制方式、带宽、传输速率。 选取4 0 5 m h z - - 4 1 0 m h z 、4 3 5m h z , - 4 4 0m h z 、4 8 0m h z - - - 4 8 5m h z 共1 5m _ n z 频谱作为认知节点可供选择的工作频段，频率分辨率为2 5 k h z ，以8 b i t s 信息表示 每单位频点的频谱信息。这样可得，分析的频道共计6 0 0 个，1 0 b i t s 二进制数依次 表示频道号，从o x 0 0 0 至0 x 2 5 8 。在系统工作频率范围内选取一个质量相对较好的 信道，设定为2 3 6 1m h z 作为公共控制信道f c 作为认知节点与管理中心的交互信 道。认知节点间的通信可供选四种调制方式：d b p s k 、4 d q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 。 在公共控制信道上，调制方式固定为d b p s k 。 认知节点间通信的可供选带宽为：2 5 k h z 、5 0k h z 、1 0 0k h z 、2 0 0k h z 。在公 共控制信道上，通信带宽固定为1 0 0k h z 。 第二章认知无线电通信演示系统及底层自适应控制实现 9 认知节点间通信的可供选传输速率1 6 k b p s 、3 2 k b p s 、6 4 k b p s 、1 2 8 k b p s 。在公 共控制信道上，传输速率固定为6 4 k b p s 。 2 2 系统构成 如图2 1 所描述的认知无线电系统有几类节点构成。分别是认知节点、管理中 心节点和频谱环境模拟器。 2 2 1 认知用户节点 认知用户节点主要实现本地频谱感知和通信功能，具体功能细化如下： ( 1 ) 能够实时监测本地频谱，当授权用户或噪声产生变化影响到频谱环境时， 能够快速感知到频谱状态的改变。 ( 2 ) 能够与管理中心进行信息交互，根据指令进行本地频谱信息的上报和接 受管理中心通信模式指派。 ( 4 ) 能够按照管理中心的指派模式与其他认知用户进行数据通信。 ( 5 ) 操作界面上应能观察到本地频谱的实时状态、与管理中心的通信情况和 与其他认知用户的通信情况。 ( 6 ) 能够保存本地频谱的感知结果。 2 2 2 管理中心节点 管理中心节点完成获取认知用户的频谱感知信息和频谱管理与分配功能，具 体功能细化如下： ( 1 ) 能够与认知节点进行信息交互，获取各个认知节点的感知信息，并能够 对各个认知节点的工作模式进行指派； ( 2 ) 能够分析和计算多个认知节点上传的区域频谱环境状态信息，从而获得 整体频谱环境信息； ( 3 ) 能够针对认知节点的通信需求产生决策，形成对每个认知节点的通信模 式指派； ( 4 ) 操作界面上应能观察到各认知用户节点的频谱上报信息、对各认知用户 节点的通信模式决策结果、与各认知用户节点的交互过程以及对各认知用户的指 派结果； ( 5 ) 能够保存最佳通信参数的历史数据，并对该历史数据进行一定的计算， 得出频道的使用情况，对可用频道预测提供数据基础。 l o 基于认知无线电的自适应信道编解码器的研究与实现 2 2 3 频谱环境模拟器的功能 频谱环境模拟器的主要功能是在网内模拟外界干扰信号( 包括噪声信号与授 权用户信号) ，用以检测网内其他节点是否能正确检测到干扰信号的存在，并在通 信参数指派时是否能实时规避该干扰信号。频谱环境模拟器可以由信号发生器代 替，也可以由软件无线电模拟，使用信号发生器时，根据需要的干扰信号谱图， 对信号发生器进行设置即可。主要实现以下功能： ( 1 ) 窄带信号发生功能 该功能需要频谱环境模拟器在指定的频点上发射单频信号，主要用于验证认 知用户节点感知模块的频谱分辨率和灵敏度是否达到指标要求。 ( 2 ) 宽带信号发生功能 该功能需要频谱环境模拟器在指定的频点和带宽上发射宽带信号，主要用于 验证认知用户节点感知模块的稳定性和正确性是否达到指标要求。 ( 3 ) 信号定制功能 该功能需要频谱环境模拟器能够模拟实际的频谱占用情况( 例如若干授权用 户对频段内各频点的占用情况) ，主要用于验证认知用户节点感知模块在复杂电磁 环境下工作是否正常。 2 3 系统运行方式 本节，我们首先介绍整个系统的大概运行方式，然后介绍单个认知节点的工 作流程。 2 3 1 系统运行方式 本系统工作时，分为频谱感知、频谱管理、业务通信三个工作阶段并周期进 行，周期定为1 5 s 。 ( 1 ) 在频谱感知阶段，认知节点独立工作，分析本节点覆盖范围内( 本地) 的频谱情况。 ( 2 ) 在频谱管理阶段，认知节点和管理中心协同工作。认知节点将感知到的 本地频谱信息分别上报给管理中心。管理中心对该信息进行汇总和分析，形成全 局频谱状态信息。根据认知节点的业务需求，采用积极频谱分配算法决策出适合 认知节点通信模式( 频点、带宽、功率等) ，并将该模式信息指派给各认知节点。 ( 3 ) 在业务通信阶段，认知节点按照指派的通信模式，进行同一群内不同节 点之间数据的无线通信，实现业务信息的传输。 第二章认知无线电通信演示系统及底层自适应控制实现 l l 系统的工作流程如下图2 2 所示： 图2 2 系统工作流程图 在图2 2 的系统工作流程图中，初始化阶段是认知节点的初始化，在认知用户 节点开机阶段完成。然后系统进入频谱管理专频谱感知阶段业务通信阶段的周 期循环。在频谱管理阶段认知用户节点周期性地被管理中心点名上报本地频谱信 息，并获得分配信息( 时间 3 s ) ；在业务通信阶段，在定时间内( 1 0 s ) 认知用户 节点在分配的频段上进行业务通信；在频谱感知阶段，认知节点获取本节点所处 环境的无线频谱环境，形成本地的频谱信息( 时间 2 s ) 。 本系统优化频谱资源使用的关键在于频谱感知和频谱管理阶段完成的频率优 选过程。为防止在频谱管理时出现混乱和冲突，开辟一个公共控制信道 ( 2 3 6 1 删z ) ，认知用户节点在此信道上与管理中心节点进行沟通。在认知节点进 行感知信息上报( 频谱管理阶段) 时，在公共控制信道上采用中心轮询式的工作 方式。在此阶段，中心逐个节点点名，被点名的节点将感知信息进行上报，全部 节点上报完毕后，管理中心将工作频点以广播的形式发送给各认知节点。管理中 心点名的轮询式点名示意图如下图2 3 所示： 图2 3 管理中心点名示意图 1 2 基于认知无线电的自适应信道编解码器的研究与实现 为了最大限度保证感知信息的实时性和通信信息的不间断性，感知、管理与 通信周期进行。各个节点之间保持大体粗同步，所谓即不要求严格同步，仅在周 期的管理阶段模式指派时形成同步，然后依照各个节点自己的定时器t i m e r 进行通 信阶段的计时，如图2 4 中所示。这样就可以在完成系统功能开发的同时降低了开 发难度。 认知节点收到模式指派指 令开始通信阶段，同时也 | 保 初 管 通 护 摩 始 p 信 时 知 化 理 阶 阶阶间阶 段段 间 段 段 隔 。5 s ( g r 个节点。 频偏估计序列：采用3 2 b i t 的0 、l 交替信令序列。 定界序列：采用7 位巴克码( b m ) 0 0 0 1 i o i ( b l ) ，用以定界提取后面的调 制类型信息。 调制类型：为了支持通信中的模式可变，采用了四种调制方式，用2 b i t 的信息进行标志。又因为此信息极为重要，且没有进行纠错编码，故 重复3 次进行传输。 2 数据段( 含长度信息) ：传输的具体数据信息，借鉴h d l c 实现数据段内 部帧结构，暂定为图2 7 所示的结构： 第二章认知无线电通信演示系统及底层自适应控制实现 1 5 长度源地址目的地址信令 s ni 斟 分帧 保留信息c r c 1 6 2 4 b i t s4 b i t s4 b i t s8 b i t s2 b i t s2 b i t s1 b i t3 b i t s 长度域：由于系统设计的是不定长的数据帧，因此需要一定的长度信 息表示数据内容的多少，即帧结束位置。长度域内容表示其后具体信 息域的比特数。以1 2 比特表示长度，重复2 次。 源与目的地址：表明管理中心和认知节点身份。 s n 、r n ：辅助进行a r q 重传。暂定方式为停等式。最多重复3 次。 信令域：表明点名、上报、指派等不同指令。 分帧域：表明内容过多( 上报频谱状态) 时，将分帧上传。 信息域： 当信令为业务请求时，无内容，长度为0 ； 当信令为请求应答时，内容为请求结果，用8 比特表示，0 x 5 3 表示允许 通信，0 x a c 表示不允许通信； 当信令为数据应答时，内容为数据接收的结果用8 比特表示，0 x 5 3 表 示数据接收正确，0 x a c 表示数据接收错误，是否重传由接收端决定； 当信令为点名和空信息时，无内容，长度为0 ； 当信令为上报时，内容是具体的频谱状态信息，长度可变，不超过 1 0 2 4 b i t ； 当信令为指派时，内容是频道号( 或其他能够表示频谱位置的信息) ， 长度较小。 c r c ：采用c r c 1 6 ，即生成多项式g ( d ) = d 1 6 + d 1 5 + d 2 + 1 ，目前只对业 务数据和上传的频谱信息进行c r c 校验。 2 5 通信模块的研究与实现 认知无线电系统能够通过对周围环境的感知，获取周围环境的频谱信息，从 而选择合适的通信参数对通信系统进行参数配置。本节首先提出了认知无线电单 节点的构架，在此基础上介绍了通信模块的组成，并对通信模块中的底层自适应 控制的实现进行了详细的描述。 ： 2 5 1 认知无线电系统的认知节点构成 认知无线电系统需要完成感知，分析，决策的过程，为了让认知无线电系统 1 6 基于认知无线电的自适应信道编解码器的研窒皇塞堡 的各个功能更好的协调工作，我们将认知无线电系统认知节点分成三个部分：认 知模块、通信模块和射频模块，系统框图如图2 8 所示： 图2 8 认知无线电系统认知节点组成框图 图2 9 通信模块结构框图 下面我们简单的介绍三个模块所完成的功能： 认知模块： 认知模块主要是完成对周围环境的频谱感知，对获得的频谱信息进行分 析和管理选取最好的频点，并根据信道的特性制定参数，设置通信模块的参数以 及对射频模块的频点控制等任务。 通信模块： 通信模块主要是完成用户实际信息的发射与接收，同时完成节点与管理中心 的信息交互( 点名指令，频谱信息，指派指令等) ，射频功能板的r t 控制，通信 第二章认知无线电通信演示系统及底层自适应控制实现 1 7 带宽和调制方式切换等任务。 射频模块： 射频模块主要是接受中频过来的信号，将信号搬移到射频进行发送，同时接 受射频信号，搬移到中频传输给通信模块，同时根据通信模块的指定进行射频频 点的变换等功能。 2 5 2 实现通信模块逻辑控制的开发环境 通信模块的硬件环境如图2 9 框图所示，通信模块的逻辑控制主要是在d s p 中实现。自适应参数的控制信息可以通过两个途径得到，一个是p c 机界面通过串 口发给d s p ，这主要是测试时用；另一个是管理中心通过空口对通信模块进行通 信模式指派，实际系统中用，具体实现时我们通过设定一个标志变量来指示管理 中心有无对通信模式进行指派，如果有则界面指定的无效即可。 图2 1 0c c s 程序开发的一般流程图 通信模块逻辑控制的实现主要是在t i 公司提供的集成开发环境c c s 3 3 进行 编程和调试。c o d ec o m p o s e rs t u d i o & a m p t m ( c c s 或c c s t u d i o ) 是一款针对t i 的 d s p 、微控制器和应用处理器的集成开发环境。c c s t u d i o 包括一整套用于开发和 程 序，接着通过s e t u pc c s t u d i o 选择所使用的d s p 类型和对应的仿真器类型，接着 创建工程文件、源程序文件和配置文件，通过编译调试来检查语法错误，最后根 据结果不断分析和修改程序，直到达到所想要的功能全部实现。 图2 12 通信模块底层逻辑控制主程序流程图 2 0 基于认知无线电的自适应信道编解码器的研究与实现 2 5 3 通信模块逻辑控制的实现 根据2 3 节所述，我们得出一个认知节点的基本工作流程如图2 1 1 所示，仅 对通信模块而言，我们只需要实现根据认知板所给的状态信息来改变通信模块主 程序的运行方式。当然，这里没有考虑到空口传输给通信模块的数据，但由于我 们f p g a 与d s p 之间的通信是采用中断的方式，因此如果空口有数据到来，f p g a 会给d s p 一个中断，我们采用中断程序去处理。 根据认知节点的工作流程，我们设计了通信模块中逻辑控制主程序的流程图 如图2 1 2 所示。与d s p 通信的有三个接口，一个是f p g a 与d s p 之间的e m i f 口，采用双中断方式，一个是d s p 与p c 机之间的串口，中间采用了s t l 6 c 5 5 0 串口芯片，给d s p 发数时采用中断方式，一个是与频谱感知管理模块通信的s p i 接口，频谱感知模块也是给通信模块的d s p 发中断来通信。管理中心的底层通信 模块与此类似，不过数据的流向则刚好相反。具体系统测试我们就在第五章中时 行。 第三章卷积编码与v i t e r b i 译码 2 1 第三章卷积编码与v i t e r b i 译码 认知无线电系统感知到的频谱干扰温度不同，其中自空和灰空频谱被认 为是可用频谱。当认知用户所用的频谱比较恶劣时，比如灰空，我们要求提 高传输的可靠性；当所用的频谱比较良好时，比如白空，我们可以提高传输 的有效性而同时保证数据传输尽量不出错。自适应信道编码就是满足这种要 求的一种选择，当信道状况良好时，我们可以选择较高的码率进行传输，而 当信道状况不太理想时，我们用可靠性更好的低码率编码方案。卷积编码作 为一种比较成熟的编码方案，其编码简单，充分利用了各码字间的关系；而 对应的v i t e r b i 译码算法优点是在码的约束比较小时，它比序列译码算法效率 更高、速度更快，译码器也较简单。l d p c 编码及t u r b o 编码虽然在性能上要 稍优于卷积编码，但其编译码都比较复杂，译码大部分要利用软信息。因此 我们比较之下，选择了卷积码作为本系统的信道编码方案。本章在第二章的 基础上，对其中多码率信道编解码器实现中用到的卷积码编码和v i t e r b i 译码做了 原理性的介绍，并对不同参数选择下的系统误码性能进行了m a t l a b 仿真。 3 1 卷积码编码 3 1 1 卷积码的一般结构 卷积码与分组码不同，分组码是把后个信息比特的序列编成n 个比特的码组。 在一个二进制分组码( 玎，尼) 中，包含k 个信息位，码组长度为刀，每个码组的n 一七 个校验位仅与本码组的七个信息位有关，而与其他码组无关。为了达到一定的纠错 能力和编码效率，分组码的码组长度一般都比较大，编译码时必须把整个信息码 组存储起来，由此产生的译码延时随甩的增加而增加。 而卷积码也是将k 个信息比特编成行个比特，但k 和r 通常很小，可以以串行 和并行的方式进行传输。与分组码不同，卷积码编码后的刀个码元不仅与当前段的 七个信息位有关，还与前面的所( 朋为编码约束度) 段信息位有关。 卷积码编码器【l l 】的形式如图3 1 所示，一个由段组成的输入移位寄存器， 每段有k 个，共n x k 个寄存器；一组r 个模2 和相加器，一个由刀级组成的输出 移位寄存器。对应于每段k 个比特的输入序列，输出厅个比特。 令= m + l ，册为编码存储，为编码约束度。n n = 。为编码的约束长度。 基于认知无线电的自适应信道编解码器的研究与实现 研、n 、m 是表示卷积码编码器复杂程度的重要参数。 输出 图3 1 卷积编码器结构图 在卷积码译码过程中，不仅要根据此时刻输入到译码器的子码，而且还要根 据以后很长一段时间如m j 段时间单位内收到的子码，才能译出一个子码信息元， 通常m d m ，+ l = 虬为译码约束度，毗为译码约束长度。总之，在卷积码 的各码段之间，不论是编码还是译码都不是每段各自处理，而是与前后聊或m d 段 有关。所以，卷积码通常用( ，2 ，k ，m ) 表示，r = 七刀为卷积码的码率，它是衡量卷 积码传输信息有效性的一个重要参数。 3 1 2 卷积码的描述 描述卷积码的方法【1 l 】【1 2 】之一是给出其生成矩阵，一般说来卷积码的生成矩阵 是一个半无限矩阵，因为输入序列是半无限长的。 另一种描述卷积码的方法是用一组卷积码的生成多项式来表示。对应于一个模 2 加法器与移位寄存器的连接方式，可以得到胛个生成多项式，这里是刀个长度为 七( 所+ 1 ) 的矢量。某个矢量的第f 个元素为1 ，表示寄存器相应的位置与该矢量对 应的模2 加法器相连；反之，如果该元素为o 则表示寄存器相应的位置与该矢量 对应的模2 加法器不连接。 另外两个关于卷积码的重要描述是网格图和状态图。 网格图是由树图变化而来的，可以分别表示编码器在相应输入下的后续状态 和输出序列，网格图上可以直观的表示和分析编码和译码的过程。 状态图比网格图更为紧凑，它表明了编码器可能存在的状态，以及各状态间 可能存在的转移路线，在状态图上还标有状态转移的条件及相应的编码输出。 现以( 2 ，l ，2 ) 为例说明卷积码的描述： ( 1 ) 框图描述： 第三章卷积编码与v i t c r b i 译码 图3 2 ( 2 ，l ，2 ) 卷积码结构图 卷积码编码器在一段时间内输出的, 位码，不仅与本段时间内的k 位信息位有 关，而且还与前面m 段时间内的信息位有关，这里的m = n 一1 ，m 为编码存储长 度。图3 2 是( 2 ，1 ，2 ) 卷积码的编码器，该卷积码的，z = 2 ，k = 1 ，m = 2 ，它的约束 长度为n n = l l x ( 聊+ 1 ) = 2 x 3 = 6 。 ( 2 ) 生成多项式 由图2 2 可以得到( 2 ，1 ，2 ) 卷积码的生成多项式为：蜀= 1 + d + d 2 ；9 2 = 1 + d 2 ； 写成八进制形式为g - ：- ( 7 ，5 ) 。由生成多项式可以完全决定卷积码的编码结果。 ( 3 ) 状态图 ( 2 ，l ，2 ) 卷积编码器的编码存储为2 ，所以移位寄存器中的存储数有四种可能o o ， 1 0 ，0 l 和1 1 ，相应编码器就有四个状态，随着信息数据的不断送入，寄存器不断 地从一个状态转移到另一个状态，并输出相应的码序列。(