（信号与信息处理专业论文）基于感知和软件无线电的无线通信技术研究.pdf

南京邮电大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信和多媒体的高速发展和广泛应用，无线电频谱资源日趋紧张， 而另一方面许多已经分配的频段却在大多数情况下并未被充分利用。近年来出现 的感知无线电技术为提高频谱利用率提供了一条新思路。它是一种智能的无线通 信技术，能够随外界环境的变化自适应调整通信系统的参数。 本课题是在教育部重点科技项目“基于信号处理和人工智能的认知无线电关 键技术研究”的支持下进行的。论文首先介绍了基于感知和软件无线电技术的新 一代无线区域网w r a n 系统的特点，在o s i 标准模型的基础上提出了一种基于应 用的频谱感知网络体系结构，并且分析和比较了w r a n 网络协议栈与传统网络协 议栈的不同点。 然后详细研究了感知无线电的关键技术。第一个关键技术是频谱感知方法的 研究，所谓频谱感知就是在某个频段内感知是否有p u 信号的存在，所以这可以 与传统的信号检测理论相结合。在传统的信号检测的基础上，本文推导出一种“双 门限”的频谱感知方法，它吸取了能量检测法和匹配滤波法的优点。仿真结果表 明，与能量检测法相比，该方法检测准确度提高了，与匹配滤波器法相比，该方 法的计算量下降了。第二个关键技术是动态频率选择和传输功率控制，针对w r a n 系统，本文介绍了合适的动态频率选择和传输功率控制方法。 最后研究了感知无线电蜜现的一种平台软件无线电台。并详细分析一个 软件无线电技术的具体应用基于软件无线电的q a i v l 调制信号的同步算法研 究。该算法采用载波相位补偿频率偏移的思想，它是利用软件编程实现的。理论 分析及仿真试验表明，该算法具有实用性。 关键词：感知无线电，无线区域网，频谱感知，动态频率选择，传输功率控制， 软件无线电，数字同步 作者：长华 南京邮电大学颂十学位论文a b s t m c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n ta n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , r a d i os p e c t r u mi sb e c o m i n gas c s r c er e s o u r c e o nt h eo t h e rh a n d ，m a n y f r e q u e n c yb a n d sa r en o tu s e de f f i c i e n t l ym o s to ft i m e c o g n i t i v er a d i oi san o v e la p p r o a c hf o r i m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no fr a d i os p e c t r u m ，w h i c hi s a f ti n t e l l i g e n tw i m l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u et h a tc a na d a p ti t sp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o n so f e n v i r o n m e n t t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h ep r o j e c to fm i n i s t r yo fe d u c a t i o nw h i c hn a m e sr e s e a r c ho n t e c h n i q u e so fc o g n i t i v er a d i ob a s e do ns i g n a lp r o c e s s i n ga n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i co faf r e s hw i r e l e s sn e t w o r kc a l l e dw r a nf i r s t ，w h i c hi sb a s e do n c o g n i t i v er a d i oa n ds o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，a n dp r e s e n t s as p e c t r u ms e n s i n gn e t w o r ks y s t e m c o n f i g u r a t i o nb a s e do na p p l i c a t i o n s t h e nw ea n a l y z ea n dc o m p a r et h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e w r a n p r o t o c o la n dt h et r a d i t i o n a ln e t w o r kp r o t o c 0 1 t h e nw es t u d yt h ec r u c i a lt e c h n i q u e so fc o g n i t i v er a d i o t h ef i ( s tt e c h n i q u ei ss p e c t r u m s e n s i n g ，w h i c hm e a n sd e t e c t i n gp u ( p r i m a r yu s e r ) i nag i v e nc h a n n e l s ow ec a l lu s et h em e t h o d o f s i g n a ld e t e c t i n gi ns p e c t r u ms e n s i n g c o m b i n i n gt h et y p i c a lm e t h o d s ：m a t c h e df i l t e ra n de n e r g y d e t e c t o r , w ep r e s e n tan e wm e t h o df o rs p e c t r u ms e n s i n gn a m e d “t w ot h r e s h o l d s ”s i m u l a t i o n r e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ep r e c i s i o ni si m p r o v e dc o m p a r e dw i t he n e r g yd e t e c t o ra n dt h ec o m p l i c a c y o fc o u n t i n gi sr e d u c e dc o m p a r e dw i t hm a t c h e df i l t e r t h es e c o n dt e c h n i q u e sa r ed f s ( d y n a m i c f r e q u e n c ys e l e c t i o n ) a n dt p c ( t r a n s m i tp o w e rc o n t r 0 1 ) t h i sp a p e rp r e s e n t sas u i t a b l em e t h o do f d f sa n dt p cf o rw r a n a sm i m p l e m e n t e dt e c h n i q u eo fc o g n i t i v er a d i o s d ri ss t u d i e dl a s t l yi nt h i sp a p e r w c s t u d ya l la p p l i c a t i o no f s d r - - a n e ws y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do ns d ri nq a mm o d u l a t e d s y s t e m ，w h i c hb a s e do nt h ec a r r i e rp h a s ec o m p e n s a t i n gt h eb i a so ft h ec a r r i e rf r e q u e n c y , a n d i m p l e m e n t e db yp r o g r a m m i n g t h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m d o e sw o r k k e y w o r d s ：c r ( c o g n i t i v er a d i o ) ，w r a n ( w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k ) ，s p e c t r u ms e n s i n g ， d f s ( d y n a m i cf r e q u e n c ys e l e c t ) ，t p c ( t r a n s m i tp o w e rc o n t r 0 1 ) ，s d r ( s o r w a md e f i n e d r a d i o ) ，d i g i t a ls y n c h r o n i z a t i o n 作者：曾长华 l r 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：语音处理与现代语音通信技术 作 者：塑级研究生曾长华指导教师扬蕉 题日：基于感知和软件无线电的无线通信技术研究 英文题甘：r e s e a r c ho nt e c h n i q u e so fw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n b a s e do nc o g n i t i v er a d i oa n ds o f t w a r ed e f i n e dr a d i o 主题词：感知无线电软件无线电无线区域网频谱感知 动态频率选择传输功率控制数字同步 k e y w o r d s ： c o g n i t i v er a d i o s o f t w a r ed e f i n e dr a d i ow r a n s p e c t r u ms e n s i n g d f st p c d i g i t a ls y n c h r o n i z a t i o n 南京邮电大学硕士学位论文缩略语 a d s l a m a p a p k a r q a s k 芦 t s c b s c a f c d m a c n l c p e c r c s d c v s d d d c ，d u c d f s d s a d s p d w e i r p f c c f c f s f d m a f e c f f t f l r f m f p g a f s k g p r s g s m g m s k h f i f 孓 i ，o i s o ，o s i 作者：曾长华 绾略语 f i e fg l o s s a r y ) a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p a m p l i t u d em o d u l a t i o n a c c e s sp o i n t a m p l i t u d ep h a s ek e y i n g a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a m p l i t u d es h i f tk e y i n g a d v a n c e d r e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e b a s es t a t i o n c y c l i ca u t o c o r r e l a t i o nf u n c i i o n c o d ed i v i d em u l t i p l ea c c e s s c o r en e t w o r kl n l e r f a c e c o n s u m e rp r e m i s ee q u i p m e n t c o g n i t i v er a d i o c y c l i cs p e c t r u md e n s i t y c o n t i n u o u s l yv a r i a “es l o p ed e l t a d i g i t a ld o w nc o n v e r s i o n d i g i t a lu pc o n v e r s i o n d y n a m i cf r e q u e n c ys e l e c t i o n d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d i g i t a lt e l e v i s i o n e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r f e d e r a ic o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n f i r s tc o m e - f i r s ts e r r e d f r e q u e n c yd i v i d em u l t i p l ea c c e s s f o r w a r de r r o rc o n t r o i f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g g e n e r a ip a c k e tr a d i os e r v i c e g i o b a is y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s g a u s s i a nm j n i m u ms h i f tk e y i n g h i g hf r e q u e n c y i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y i n f i n i t el m p u l s er e s p o n s e i n p u t o u t p u t i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o rs t a n d a r d i z a t i o n o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e i l l 南京邮电大学硕士学位论文缩略语 j p e g k q m l l a n l l c l o s m a c m a n m l p s m p e g m s k m s p s m t m s v d n p r n t s c o f d m p a n p c m p l l p s k p u o a m 0 0 s r f r k r l r p e l t p s d r s f d r s h f s n r s o h o s s b s u s w r t c p t d m a t p c u d p u h f u w b u n i v h f v s b w a p w r a n 作者t 曾长华 j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p k n o w l e d g eq u e r ya n dm a n i p u l a t i o nl a n g u a g e l o c a la r e an e t w o r k l o g i c a il i n kc o n t r o i l i n eo fs i g h t m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k m i l l i o nl n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p m i n i m u ms h i f tk e y i n g m i l l i o ns a m p l e sp e rs e c o n d m u l t i t a p e rm e t h o ds i n g u l a r - v a l u e d e c o m p o s i t i o n n o i s ep o w e rr a t i o n a t i o n a l r e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p e r s o n a ia t e an e t w o r k p u l s ec o d em o d u l a t i o n p h a s el o c k e dl o o p p h a s es h 精k e y i n g p r i m a r vu s e r o u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e r a d i of r e q u e n c y r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e r e g u l a rp u l s ee x c i t a t i o n l o n gt e m lp r e d i c t i o n s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e s u p e rh i g hf r e q u e n c y s i g n a l - t o ，n o i s er a t i o s m a l io f f i c e h o m e0 俪c a s i n g l es i d eb a n d s e c o n d a r yu s e r s o 刖v a 限r a d i o t r a n s f e rc o n t r o ip r o t o c o i t i m ed i v i d em u t t i p l ea c c e s s t r a n s m i tp o w e rc o n t r e i u s e rd a l a g r a mp r o t o c o i u l t r ah i g hf r e q u e n c y u i t r aw i d e b a n d u s e rn e t w o r ki n t e t r a c e v e r yh i g hf r e q u e n c y v e s t i g i a ls i d eb a n d w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o i w i r e l e s sr e g i o n a ia t e an e t w o r k i v 南京邮电大学学位论文独创性声明 y 8 5 0 8 6 1 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南京邮电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作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 肇丝 j j ：逊：u # 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国利学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被奁阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。沦文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：孽醒g 导师签名 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着社会的发展和科学的进步，近十几年来，无线通信技术得到了飞速的发 展，它正被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。当代无线通信系统有很 多种，例如，卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、 微波通信系统等等。各种无线通信系统的调制方式也有很多，有a m 、f m 、s s b 、 v s b 、f s k 、p s k 、m s k 、g m s k 、q a m 等等。其多址方式有：时分多址( t d m a ) 、 频分多址( f d m a ) 、码分多址( c d m a ) 、空分多址等。各种通信系统由于自身 的特点而应用于不同场合，而且它们的功能相对较少，灵活性不够，可扩展能力 较差，不同通信系统之间不能完全互通。然而另一方面，随着社会的发展和人类 需求的增加，我们都希望这些不同的通信系统之间可以互通。为了解决互通性问 题，各国都进行了积极的探索，努力使不同设备既能满足互通要求，又能满足抗 干扰、保密性好的要求；既能使通信设备跟上无线电飞速发展的步伐，又能延长 设备的使用寿命。其中一种设想是研制多频段、多功能电台，用一个系列的电台 来代替其他所有电台。基于此，1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的j e o m i t o l a 首次明 确提出了软件定义无线电( s d r ：s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ) 的概念7 1 。 随着软件无线电技术的发展和无线通信所提供的业务的增加( 从单一的低速 话音业务向宽带多媒体业务扩展) ，人们所需要的无线频谱资源相应的也要增加， 而且各个领域的消费群体都不同程度地对基于频谱的通信链路提出了更高的要 求。频谱的接入、效率和可靠性自然而然地成为公众关注的焦点。然而，我们 使用的无线频谱资源是有限的，频谱紧缺的情况越来越严重了。但是另一方面， 许多已分配的频带在很多的时间段内都是闲置的，使用率极低【2 1 。传统的无线电 频谱分配是一种固定的分配策略，一旦授权分配给了某个用户，其他的用户就不 能再使用该频段即使它没被授权者所使用，否则就被视为非法。所以说在许多频 段，相对于频谱资源匮乏而言频谱接入技术是一个更重要的问题，传统的频谱分 配机制限制了这些空闲频谱的接入【3 l 。为了解决这一矛盾，j o s e p h m i t o l a i i i 在他 的博士论文中提出了感知无线电( c r ：c o g n i t i v er a d i o ) 的概念，它是以提高频 作者：长华 塑室业皇查兰堡圭兰垡丝苎 苎= 童丝兰 谱利用率这一核心思想为主导的4 1 。2 0 0 3 年1 1 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 通过法规，允许具备感知功能的无线终端在不对授权用户产生干扰的情况下使用 授权给其它用户的频段，这为感知无线电技术的发展和应用奠定了政策基础。 1 2 软件无线电的概念和关键技术 软件无线电是一种用软件来改变系统参数，实现物理层连接的无线通信技 术，它的核心思想是：构造一个具有开放性，标准化，模块化的通用硬件平台， 将各 中通信功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模型、通信协议 等由软件来完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能的靠近天线，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 】【6 l 。 目前软件无线电设计有两类：软件定义无线电( s d r ：s o f t w a r ed e f i n e d r a d i o ) ，能够控制和配置处理单元；软件无线电( s w r ：s o f t w a r er a d i o ) ，事实 上由软件本身来完成信号处理。倘若能为软件控制设置必要的接口，s d r 就可以 应用f p g a 等技术。s w r 则不需要使用这类器件，而是通过在面向应用程序级的 软件标准组件对象中进行信号处理，来增大灵活性。以当前的技术，前者更适于 低层次应用，而后者则能够通过下载新软件的方式，对一个无线器件进行升级以 适应新标准的要求。s w r 具有这种潜能，是因为它所有的功能处理全部用软件实 现，而不局限于某种特殊的处理单元。考虑到实际的器件水平，s d r 一般是在中 频而非射频进行信号处理，所以目前还没有真正意义上的软件无线电系统。所以 本文中除特别指出外，提到的软件无线电都是指软件定义无线电。 软件无线电的主要特点有：具有很强的灵活性，通过增加软件模块来增加新 的功能；很强的开发性，硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展。软件课 随着需要而不断升级。 由于软件无线电采用标准化、模块化的结构，具有灵活性、开放性等特点， 使其广泛应用于军事领域、无线移动通信领域、卫星通信领域、信息化家电等等， 特别是当前太热的第三代移动通信领域。 理想的软件无线电能够适用于任意一种调制器、编码器、指定信道带宽的射 频信道协议。研究软件无线电所涉及到的关键技术主要有以下几个方面1 7 】： 作者t 长华 2 南京邮电人学碰士学位论文 1 2 1 总线标准 第一章绪论 软件无线电要求通信系统具有很高的实时处理能力，只有采用先进的标准化 总线结构，才能发挥其适应性广、升级换代简便的特点。软件无线电的总线结构 必须具有以下特点【b 】： 支持多处理器系统。由于在高频上对信号进行采样，数据处理的运算量 非常巨大，要求系统具有很高的数字信号处理能力，单个d s p 很难完成 任务。软件无线电的总线必须支持多个处理器并行处理，共享系统资源。 具有宽带高速的特性。软件无线电台内需要进行大量的数据传输，要求 总线具有极高的数据传输和i 0 吞吐能力，传输率至少要在5 0 j d b s 以上。 支持3 2 位到6 4 位独立的数据总线和地址总线。 具备良好的机械特性和电磁特性。以便在恶劣的通信环境下也能正常工 作，保证一定的通信性能。 1 2 2 宽带天线 软件无线电台要求能够在从短波到微波相当宽的频段内进行工作，所配备的 天线也必须能够覆盖整个频段。最好能研制出一种新型的全向宽带天线，可以根 据实际需要用软件智能地构造其工作频段和辐射特性能够覆盖所有常用的无线 通信频段，并且在整个频段和方向上都具有近似相同的接收特性和很低地功率损 耗。这是软件无线电天线研制的虽终目标，以目前国内外宽带天线的技术水平， 设计制造这样的全频段全向天线是很不现实的，比较可行的方案是选用多个带宽 较窄的宽带天线来实现整个频带的覆盖，电台根据工作频率自动或人工地选取合 适的天线进行信号接收和发射。 目前正在研究的智能天线1 9 j 就适用于软件无线电。智能天线的基本原理与自 适应天线类似，指包含多个天线单元具有信号处理功能，能够根据信号的情况 自适应优化发射和接收特性的天线系统。发射天线单元能够根据用户及信道特征 形成一个指向用户的定向波束，接收天线可以在有用信号方向形成主波瓣，而在 其它方向增益较低或形成零陷，从而达到减少干扰提高信号传输质量的目的。 其它方向增益较低或形成零陷，从而达到减少干扰提高信号传输质量的目的。 作者t 曾长华 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 , 3 高速宽带a 仍，d a 变换 数字化是软件无线电的基础，模拟信号必须经过采样量化成数字信号才能用 软件进行处理：而生成的数字信号也需要变换成模拟信号才能进行射频放大输 出，完成这些功能的就是各种a d 、d a 转换器件。理想的软件无线电台是直接 在射频上进行a d 变换，要求a d 转换器件必须具有足够的采样速率。为了保证 性能，在实际应用中经常进行过采样处理，要求采样频率至少为信号带宽的2 5 倍【l 。现在比较成熟的常用高速a d 器件的采样速率一般只有几十m s p s ，高的 也只能达到数百m s p s ，远远不能满足设计需求。 现阶段研制开发的软件无线电台都是在中频上进行数模转换的，中频频率一 般选定在1 0 m h z i o o m h z 。对于a d 和d a 转换器件不但要求具有较高的采样速 率，还需要保证比较高的精度，即采样值的位数要足够多，尽量减少量化噪声。 决定数模转换器件技术特性的一些参数包括：量化信噪逼( s n r ) 、无杂散动态范 围( s f d r ) ，噪声功率比( n p r ) 和全功率模拟输入带宽等。 a d 、d a 器件在软件无线电台中所处的位置是非常关键的，它直接反映了 软件电台的软件化程度。随着电子技术的发展，数模器件的性能将逐步提高， 其位置也就能够越来越接近天线，最终将达到软件无线电的理想目标。 1 2 4 高速并行d s p 处理 数字信号处理芯片( d s p ) 是软件无线电所必需的最基本的器件，软件对数 字信号的处理大多数都是在d s p 上进行的( 当然f p g a ，小型计算机等也可以) 。 这些处理包括滤波、调制解调、信道编解码、协议控制等中频以后的所有功能， 要完成如此巨大的信号处理运算，必须采用多d s p 并行处理结构才有可能实现。 用于软件无线电的d s p 必须满足下列要求： 运算速度快。软件电台要求在射频或中频对数字信号进行数字处理，需 要很大的运算量。因此d s p 必须具有高速的指令执行速度，同时还要具 备功能强大的指令系统，支持单周期内完成常用的浮点运算和逻辑运算 的能力。 高精度的数据处理。由于数字信号处理中所固有的量化效应和有限长寄 作者；瞥长华 审 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 存器效应的影响，在实际处理过程中会产生误差，并随着运算的增加逐 渐积累。者就要求处理器支持高精度运算，般需要支持3 2 位浮点运算 的能力。 高速数据交换能力。软件无线电台各个处理模块之间需要进行大量的数 据交换，d s p 芯片总线必须能够提供足够的数据传输和i o 吞吐能力， 才能保证对信号进行实时处理。 d s p 是限制软件无线电发展的瓶颈f 1 1 】，其数据处理速度和精度直接关系到软 件电台的能否实现。d s p 技术的发展将使软件电台的软件化程度和性能逐渐提 高，最终实现无线电台全软件化的目标。研制速度更高和功能更强大的d s p 芯片 已经成为影响软件无线电发展的关键。 1 2 5 软件算法 软件化是软件无线电最基本的特征，电台对数字信号的处理功能主要就是靠 软件来定义实现的。软件程序模块的性能直接影响着整个电台的通信质量，它也 是软件无线电研究的核心部分，是软件电台的“灵魂”。 软件无线电是一个开放性的系统结构，为了保证系统的通用性和可扩充性， 其软件设计必须采用模块化的设计方法。应该在i s o o s i 模型的基础上，建立软 件无线电的软件体系结构，制定出统一的软件无线电结构标准，并根据标准进行 研究和开发。这样才能最有效地实现软件无线电的各种优点，避免各自为政的混 乱局面发生。 软件无线电的软件模块主要有以下几部分： 基本函数库。包括些基本的数学运算函数以及接口控制等。 基本的数字信号处理工具。包括各种滤波器( f i r 、i i r 等) 、数学变换 ( f f t 、小波变换等) 、采样信号的抽取和内插、信号检测和估计等算法。 调制解调软件。包括各种常用信号( a m 、刚、f s k 、p s k 、g m s k 、o a m 、跳 频、扩频等) 的波形合成和解调算法。 编码软件库。包括f e c 、a r q 、交织等信道纠错编码和图像( j p e g 、m p e g 、 h 2 6 1 、h 2 6 3 等) 、语音( p 铡、c v s d 、r p e - l t p 、g 7 2 3 、g 7 2 9 等) 等 信源编码的编解码算法。 作者t 曾长华 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 信道分析和补偿算法。对无线信道的传输信道进行分析和估计，选择最 佳方式对其加以补偿和改善，以提高通信质量。 通信协议库。包括各种无线通信系统标准的协议和信令，用于对电台进 行控制，以便和各种通信系统实现兼容。 1 3 感知无线电技术概况 1 3 1 盛知无线电定义和特点 感知无线电c o g n i t i v er a d i o ( 又称认知无线电) 的思想也是由j o s e p h m i t o l a 提出的，它是软件无线电技术向市场迈进的过程中衍生出的新思想。感知无线电 是建立在软件无线电平台之上的一个智能无线通信系统，它能够感知外部环境、 使用边了解边累积的方法对外部环境进行学习、并根据外部环境提供的激励，对 运行参数进行相应的修改( 如：传输功率、载波频率、调制方式等) ，从而达到 内部状态的自适应调整。其主要目的就是提高无线通信的可靠性和提高无线频谱 资源的使用效率【1 2 l 【13 1 。感知无线电系统感知学习循环的过程如图1 1 【1 3 l 所示： t h ec o g n i t i o nc y c l e 图1 1 感知无线电感知学习循环过程 从感知无线电的定义中，我们不难发现这样六个关键的字眼：感知，智能， 学习，自适应性，可靠性，效率【佗】。感知无线电的感知能力涵盖了很多方面， 包括波形感知、频谱感知、网络感知、地理位置感知、本地可用业务感知、用户 需求感知、语言感知、状态感知、安全策略感知等等，其中频谱感知是目前人们 作者：长华 6 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 最为关注的一个方面。感知无线电最大的特点在于智能性，也是它与普通软件定 义无线电最大的不同。感知无线电是一个目标驱动的框架结构，对于事件响应都 是按照计划、决定、实施的顺序来执行的。 感知无线电可以自动观察无线电环境、分析信息内容、评估选择、产生计划、 监控服务，通过基于模型的推理来获得特定能力。感知无线电还能够从错误中进 行学习，包括一些有指导和无指导的机械学习形式。这个观察、思考、行动的循 环从根本上不同于今天的手机只能在用户设定的频率上交换数据和执行网 络的指令1 1 3 】f 1 4 l 。 由此看来，感知无线电不仅需要具备可编程性的软件无线电平台，还要包括 强健的计算机模型、用户模型、网络模型和射频传输环境【l 5 1 。 1 3 2 暮知无线电关键技术 感知无线电的感知能力涵盖了许多方面，其中频谱感知是目前人们最为关注 的一个方面。基于频谱感知的感知无线电的关键技术主要包括以下几个方面： 1 )频谱空穴，即在特定的时间段和特定的地方，某个未被使用的频谱段。 找到频谱空穴是感知无线电台工作的先决条件。 2 )干扰温度，它是用来量化和管理电磁环境中的干扰的一个参数。 3 )频谱感知方法，即如何检测频谱空穴。 4 )频谱共享策略。 5 )动态信道分配。在感知无线电中，信道的分配是动态的，用户对信道 的占有不是固定的，它必须要具有为了避让主用户而切换到其他信道 的能力。 6 1自适应功率控制。为了减少感知无线电系统对主用户产生的干扰，感 知无线电台必须自适应的调节自身的发射功率。 7 )感知无线电礼仪协议。它主要是m a c 层协议。 以上提到的关键技术将在下面章节中具体研究。 作者：曾长华 7 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 薯知无线电技术研究现状 在j o s e p hm i t o l ai i i 提出了感知无线电的概念和美国联邦通信委员会通过了 允许具备感知功能的无线终端在不对授权用户产生干扰的情况下使用授权给其 它用户的频段的法规后，感知无线电技术的研究己经成为当前的一个热门课题 了。 国际标准化团体i e e e 于2 0 0 4 年1 0 月正式成立i e e e 8 0 2 2 2 工作组无线 区域网络( w r a n ，w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k ) ，i e e e 已经于2 0 0 4 年1 1 月召开第一次会议，预计2 0 0 7 年下半年完成标准化作业。i e e e 8 0 2 2 2 工作组目 的是使用一种称为感知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 的技术，将分配给电视广播的 v h f u h f 频带( 北美为5 4 m h z 8 6 2 m h z ) 的频率用作宽带访问线路。本论文 将在第二章详细讲述基于感知无线电的w r a n 系统。 美国r u t g e r s 大学- w i n l a b 实验室正在做的一个国家自然科学基金项目： h i g hp e r f o r m a n c ec o g n i t i v er a d i op l a t f o r mw i t l li n t e g r a t e dp h y s i c a la n dn e t w o r k l a y e rc a p a b i l i t i e s 也是有关感知无线技术的。该项目的主要研究点是设计和建立 一种灵活的高性能的感知无线电平台的模型，通过集成物理层和网络层自适应能 力使得研究的模型能够在性能和复杂度上找到一种折中的解决方案。本研究方案 研究的科学技术价值在于：提高可编程无线电硬件的技术发展水平，建立感知无 线电架构体系并提出一种频谱共享算法和协议。此项目更广泛的影响：感知无线 电技术将为f c c 当前所承担的重要的频谱调整改革提供技术基础。 美国b e r k e l e y 大学也成立了一个感知无线电工作组，他们主要研究的是感 知无线电系统中信道分配的问题。另外他们还和德国的b e r l i n 大学合作，在有 关感知无线电的白皮书中1 2 】提到建立一种新的感知无线电架构体系。 美国的弗杰尼亚工学院正在研究的一个国家科学基金项目：i n t e r d i s c i p l i n a r y r e s e a r c hi nw i t l e s sn e t w o r k i n g ，其中的一个子项目也涉及到用于智能自适应的 感知无线电技术，该子项目主要研究一个用于物理层和数据链路层自适应的多目 标遗传算法。为了加强感知无线电的能力，该项目组引入了一个记忆和反馈系统 来对遗传算法的进行优化，并且还利用了博弈论的相关知识来提高a d h o c 网络的 模型和分析。 除了美国的大学研究机构外，德国、法国、英国、日本等国家的大学都有对 作者；曾长华 8 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 感知无线电技术开展研究，另外国内也有许多大学在研究有关感知无线电技术的 课题，如清华大学、上海交通大学等。除了以上提到的大学外，还有很多公司和 研究机构也在对感知无线电技术开展研究，如d a r p a a t o ，o s d ，n a s a ， s p a w a r ，a f r l ，r d e c o m ，c i o g - 6n e t c o m ，i n t e l ，g e n e r a ld y n a m i c s ，h a r r i s ， b a e ，r a y t h e o n ，p h i l i p s ，s h a r e ds p e c t r u m ，s a l c ，n a v s y s ，v a n u ，f r a c t a l ，s t e v e n s i n s t i t u t e ，w h a r t o n ，m i t r e ，n o k i a ，q u a l c o m 等。 另外，最近两年国际上还召开了两个重要的有关感知无线电技术和动态信道 分配的会议。它们分别是2 0 0 4 年l o 月份在w a s h i n g t o n ，d c 召开的c o g n i t i v e r a d i o sc o n f e r e n c e ，该会议的只要议题是包括；紧急的商业和军事需求和机 会，对于感知无线电的频谱政策一军事和商业要求，从软件定义的无线电发展到 感知无线电，用于自适应频谱管理的工具和技术，子系统的研发一智能天线、传 感器和接收机，自适应调制和波形技术。另一个是2 0 0 5 年1 1 月份召开的d y s p a n ( d y n a