（通信与信息系统专业论文）认知无线电中物理层关键技术研究及fpga实现.pdf

摘要 摘要 近年来，认知无线电( c r ) 作为一种提高频谱利用率的新技术被人们提出， 该技术可使认知用户( c u ) 工作在频谱占用度不高的授权频段。多载波调制技术 由于具有高灵活性、适应性且频谱利用率高等优点，被认为是认知无线电系统物 理层的最佳实现方案，例如正交频分复用( o f d m ) 多载波调制技术和基于滤波 器组的滤波多音调制( f m t ) 技术。通常认知用户与授权用户( l u ) 工作在相邻 频段，认知用户与授权用户之间存在邻道干扰，而实现频谱资源共享的重要前提 是确保认知用户同授权用户可以友好共存，即要求将认知用户对授权用户产生的 干扰功率严格控制在授权用户所能容忍的最大限度之内，所以认知用户只能在不 对授权用户产生干扰的前提下使用授权频段。为了高效地利用空闲频谱资源，认 知无线电系统自身也需要具备良好的抗干扰能力。因此，干扰抑制成为了认知无 线电系统设计中必须考虑的关键问题。 本文针对认知无线电中正交频分复用和滤波多音调制两种实现方案的干扰抑 制技术以及认知系统发射天线对频谱感知天线的干扰抵消进行了研究及f p g a 验 证。本文内容共分为六个部分： 第一部分简要地介绍了认知无线电技术的发展背景、原理及其关键技术。 第二部分先介绍了多载波通信系统的基本原理，然后分别介绍了o f d m 和 f m t 两种调制方式的理论基础，分析了二者的区别和联系，并且介绍了基于 o f d m 和基于f m t 的认知无线电通信系统的结构、工作原理以及两种传输方案 中存在的问题。 第三部分针对o f d m 系统中带外泄漏的抑制技术作了研究，鉴于己提出的干 扰抵消子载波( c c s ) 算法硬件实现成本较大的不足，提出改进的c c s 算法，并 对两种方法的旁瓣抑制效果和硬件实现复杂度进行了评估。 第四部分针对非重叠f m t 及半重叠f m t 系统中的载波间干扰( i c i ) 消除技 术做了研究，提出一种基于积分梳状( c i c ) 滤波器组的半重叠f m t 系统，推导 了基于c i c 滤波器组的f m t ( c i c f b f m t ) 多载波系统的i c i 模型，并且在有 系统频偏的情况下对c i c f b f m t 、o f d m 和传统半重叠f m t 系统的抗i c i 性能 摘要 进行了对比。 第五部分针对认知无线电系统中发射天线对频谱感知天线的干扰抑制进行了 研究，提出基于自适应滤波的干扰抵消方法，并且利用s y s t e mg e n e r a t o r 工具进 行了f p g a 实现验证。 第六部分总结全文，指出研究中的不足之处并且说明下步的研究重点。 关键词：认知无线电，正交频分复用，滤波多音调制，干扰抑制 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , c o g n i t i v er a d i o ( c r ) h a sb e e ns u g g e s t e da san e wt e c h n o l o g yf o r i n c r e a s i n gs p e c t r u mu t i l i z a t i o n t h i sa p p r o a c hc a l l sf o ra l l o w i n gc o g n i t i v eu s e r s ( c u s ) t oo p e r a t ew i t h i nl i c e n s e db a n d st h a ta r en o th e a v i l yo c c u p i e db yl i c e n s e du s e r s ( l u s ) m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sh i g h l yf l e x i b l e ，a d a p t a b l ea n de f f i c i e n ti s c o n s i d e r e dt ob et h eb e s tc a n d i d a t ef o rp h yi nc rs y s t e m f o re x a m p l e ，o r t h o g o n a i f 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 ( o f d m ) a n df i l t e r e dm u l t i - t o n em o d u l a t i o n ( f m t ) b a s e do nf i l t e rb a n k sa r e t h et w oc a s e so fm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y g e n e r a l l y , c o g n i t i v eu s e r sa n dl i c e n s e du s e r so p e r a t ei nt w oa d j a c e n tf r e q u e n c yb a n d s r e s p e c t i v e l y , s ot h e r ei sa d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h e m t h ea c h i e v e m e n t o fs h a r i n gs p e c t r u mr e s o u r c e ss h o u l db ec o n d u c t e do nt h ep r e m i s eo fk i n d l y c o e x i s t e n c eb e t w e e nc o g n i t i v eu s e r sa n dl i c e n s e du s e r s ，t h a ti st os a y , i ti sr e q u i r e d t h a tt h ei n t e r f e r e n c ep o w e rc a u s e db yc o g n i t i v eu s f f r st ol i c e n s e du s e r sb el i m i t e dt ob e t o l e r a b l e c o n s e q u e n t l y , t h ec o g n i t i v eu s e r sc a l lo n l yo p e r a t ew i t h i nl i c e n s e db a n d g i v e nt h e yd on o ti n t e r f e r et h el i c e n s e du s e r s i no r d e rt om a k i n g f u l lu s eo f s p e c t r u m ， i ti sr e q u i r e dt h a tt h ec o g n i t i v es y s t e mi t s e l fh a v eas t r o n ga b i l i t yo fa n t i - i n t e r f e r e n c e t h e r e f o r e ，t h es u p p r e s s i o no fi n t e r f e r e n c eb e c o m e sak e yi s s u et h a tm u s tb et a k e ni n t o a c c o u n ti nt h ec rs y s t e md e s i g n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es u p p r e s s i o no fi n t e r f e r e n c ei nc rs y s t e mb a s e do no f d m a n df m tm o d u l a t i o nt e c h n o l o g ya r ei n v e s t i g a t e d t h ec a n c e l l a t i o no fi n t e r f e r e n c e c a u s e db yt r a n s m i t t i n ga n t e n n at os p e c t r u ms e n s i n ga n t e n n ai nc rs y s t e mi ss t u d i e d a n dv e r i f i e di nf p g aa d d i t i o n a l l y t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so fs i xp a r t s i nt h ef i r s tp a r t , ag e n e r a ld e v e l o p i n gb a c k g r o u n da n dp r i n c i p l e so fc ri s i n t r o d u c e da n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e si nc ra r em e n t i o n e d i nt h es e c o n dp a r t ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fm u l t i c a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s i n t r o d u c e d ，a n da f t e rt h a tt h ee l e m e n t a r yt h e o r yo fo f d ma n df m ti sr e p r e s e n t e d t h e n ，a na n a l y s i so ft h ed i f f e r e n c e sa n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e no f d ma n df m ti s c o n d u c t e d f i n a l l y , t h ec rs y s t e mf r a m e w o r kb a s e do nt h et w ot y p e so fm o d u l a t i o n i i i a b s t r a c t a n dh o wm e yw o r ka r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y , a n dm e a n w h i l et h ep r o b l e m se x i s ti n o f d ma n df m t s y s t e mi sp o i n t e d o u t i nt h e 也i r dp a r t t h es u p p r e s s i o no fo u t o f - b a n dr a d i a t i o ni no f d ms y s t e mi s i n v e s t i g a t e d c o n s i d e r i n gt h a tt h ep r o p o s e dc a n c e l l a t i o nc a r r i e r s ( c c s ) a l g o r i t h m w h i c ha t t e m p t st os u p p r e s st h es i d e l o b eo fo f d ms p e c t r u mh a sh i 曲c o m p l e x i t ya n d c o s tw h e ni m p l e m e n t e di nh a r d w a r e ，a ni m p r o v e dc c sa l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h i s p a r t t h ee v a l u a t i o na b o u tt h ee f f e c to fs i d e l o b es u p p r e s s i o na n dt h ec o m p l e x i t yo f h a r d w a r ei m p l e m e n tb e t w e e nt h e s et w om e t h o d si sc o n d u c t e d i nt h ef o r 也p a r t , t h ec a n c e l l a t i o no fi n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) i nn o n - o v e r l a p f m ta n dh a l f - o v e r l a pf m ts y s t e mi si n v e s t i g a t e d an e wi m p r o v e dh a l f - o v e r l a p f m ts y s t e mb a s e do nc a s c a d e di n t e g r a t o r - c o m b ( c l c ) f i l t e ri sp r o p o s e d t h ei c i m o d e li nf m tm u l t i c a r r i e rs y s t e mb a s e do nc i cf i l t e rb a n k s ( c i c f b f m t ) i sd e r i v e d , a n dt h e nac o m p a r i s o no ft h ea n t i - - i c ia b i l i t ya m o n gc i c f b - - f m t , o f d ma n d h a l f - o v e r l a pf m ts y s t e m si sp e r f o r m e d o nt h ec o n d i t i o nt h a tt h e r ei sf r e q u e n c yo f f s e t i ns y s t e m i nt h ef i f t hp a r t ，t h es u p p r e s s i o no fi n t e r f e r e n c ec a u s e db yt r a n s m i t t i n ga n t e n n at o r e c e i v i n ga n t e n n aw h i c hi su s e dt op e r f o r ms p e c t r a ms e n s i n gi nc rs y s t e mi ss t u d i e d am e t h o df o rc a n c e l i n gi n t e r f e r e n c eb a s e do na d a p t i v ef i l t e ri sp r o p o s e da n dv e r i f i e di n f p g ab ym e a n so fs y s t e mg e n e r a t o r i nt h es i x t hp a r t ，as u m m a r yo ft h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d i n gt h ed e f i c i e n c i e si nt h e w o r ka n dt h ee m p h a s i so ff u r t h e rs t u d yi sm a d e k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，o f d m ，f m t , i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n i v 图目录 图目录 图1 1 我国g s m 频段频谱占用度测量结果2 图1 2 认知无线电系统的工作原理4 图2 1o f d m 收发设备结构框图1 0 图2 2o f d m 调制解调原理框图1 1 图2 3o f d m 系统子载波示意图1 2 图2 - 4o f d m 认知无线电系统工作原理1 3 图2 5o f d m 认知无线电系统结构框图1 3 图2 - 6o f d m 系统的子载波1 5 图2 7n o n o v e r l a pf m t 系统子信道划分方式1 6 图2 8f m t 系统的直接实现结构1 7 图2 - 9f m t 系统的高效实现结构1 9 图2 1 0n o n o v e r l a pf m t 理想原型低通滤波器的频率响应1 9 图2 - 11h a l f - o v e r l a pf m t 系统子信道划分方式2 0 图2 1 2f m t 认知无线电系统结构框图2 1 图2 1 3o f d m 与f m t 的结构关系示意图2 2 图3 1c c s 干扰抵消示意图2 5 图3 2 不加c p 的o f d m 子载波2 8 图3 3 添加c p 的o f d m 子载波2 8 图3 4c p 长度为子载波数1 2 时的o f d m 子载波2 9 图3 5c p 长度等于子载波数时的o f d m 子载波2 9 图3 - 6 无c p 时改进c c s 算法的旁瓣抑制效果( l u = 1 2 ，c c = 4 ) 3 1 图3 7 无c p 时c c s 算法与改进c c s 算法的对比结果( l u = 1 2 ，c c = 4 ) 3 1 图3 - 8 无c p 时改进c c s 算法的旁瓣抑制效果( l u = 3 0 c c = 4 ) 3 2 图3 - 9 无c p 时c c s 算法与改进c c s 算法的对比结果( l u = 3 0 c c = 4 ) 3 2 图3 1 0 无c p 时改进c c s 算法的旁瓣抑制效果( l u = 3 0 ，c c = 6 ) 3 3 图3 1 1 无c p 时c c s 算法与改进c c s 算法的对比结果( l u = 3 0 ，c c = 6 ) 3 3 图3 1 2 加c p 时改进c c s 算法的旁瓣抑制效果( l u = 1 2 ，c c = 4 ) 3 5 图3 1 3 加c p 时c c s 算法与改进c c s 算法的对比结果( l u = 1 2 ，c c = 4 ) 3 5 v 图目录 图3 1 4 加c p 时改进c c s 算法的旁瓣抑制效果( l u = 3 0 ，c c = 4 ) 3 6 图3 1 5 加c p 时c c s 算法与改进c c s 算法的对比结果( l u = 3 0 ，c c = 4 ) 3 6 图3 1 6 加c p 时改进c c s 算法的旁瓣抑制效果( u j = 1 2 ，c c = 6 ) 3 7 图3 1 7 加c p 时c c s 算法与改进c c s 算法的对比结果( l u = 1 2 ，c c = 6 ) 3 7 图4 1 一级c i c 滤波器的幅频特性4 0 图4 28 级c i c 滤波器的幅频特性4 1 图4 3 单级c i c 滤波器的实现结构4 1 图4 4 多级级联c i c 滤波器的实现结构4 1 图4 5c i c f b f m t 系统子载波4 3 图4 6c i c f b f m t 系统的结构框图4 3 图4 7 频偏占= 0 时三种调制方式的i c i 对比4 6 图4 8 频偏占= 0 2 时三种调制方式的i c i 对比4 7 图4 9 频偏= 0 4 时三种调制方式的i c i 对比一4 7 图4 1o 频偏= 0 5 时三种调制方式的i c i 对比一4 7 图4 1 1 三种调制方式在不同频偏条件下的c i r 对比4 8 图5 1 自适应干扰抵消51 图5 2c r 系统自适应干扰抵消结构框图5 2 图5 3 基于s y s t e mg e n e r a t o r 的典型的开发流程5 3 图5 4 自适应干扰抵消结构框图5 4 图5 5f i r 自适应自适应滤波器结构5 4 图5 - 6 抽头系数更新模块5 5 图5 7 单级滤波过程5 5 图5 84 阶的f i r 滤波器。5 6 图5 - 9 邻频原始信号和干扰信号的频谱5 7 图5 1 0 邻频干扰抵消前后的对比5 7 图5 1 1 同频原始信号和干扰信号的频谱一5 8 图5 1 2 同频干扰抵消前后的对比5 8 v i i i 表目录 表目录 表3 1 无c p 时最优权重因子及c c s 损失功率统计3 4 表3 2 加c p 时最优权重因子及c c s 损失功率统计3 8 i x 缩略词表 英文缩写 a d c b p s k c c s c i c c 瓜 c p c r d a c d f t d s p e 3 e 2 r f d m f f t f m t f p g a g s m i c i f t i s i i d f t m c m c m o f d m o q a m q a m q p s k 英文全称 缩略词表 a n a l o g - - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c a n c e l l a t i o nc a r r i e r s c a s c a d e di n t e g r a t o r - c o m b c a r r i e r - t o i n t e r f e r e n c er a t i o c y c l i cp r e f i x c o g n i t i v er a d i o d i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e r d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d 珥t a ls i g n a lp r o c e s s i n g e n d - - t o - - e n de f f i c i e n c y e n dt oe n dr e c o n f i g u r a b i l i t y f 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 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r r n f i l t e r e dm u l t i t o n em 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 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r r n i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o t i n m u l t i c a r r i e r m u l t i p l ec a r r i e rm o d u l a t i o n 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 o f r s e tq 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 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 d r a t u r ep h a s e s h i rk e y i n g x 中文释义 模拟数字转换器 二进制相移键控 干扰抵消子载波 级联积分梳状 载波干扰比 循环前缀 认知无线电 数字模拟转换器 离散傅立叶变换 数字信号处理 端到端高效 端到端重配置 频分复用 快速傅立叶变换 滤波多音调制 现场可编程门阵列 全球移动通讯系统 载波间干扰 快速傅立叶反变换 符号间干扰 离散傅立叶反变换 多载波 多载波调制 正交频分复用 偏移正交幅度调制 正交幅度调制 四相相移键控 缩略词表 p a p r u h f i 肿 v h f p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o u l t r ah i g hf r e q u e n c y u l t r a - w i d eb a n d v e r yh i g hf r e q u e n c y x i 峰值平均功率比 超高频 超宽带 甚高频 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：哔塑型乳一日期：w 。年月了日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 牛啦 导师签名： 吼m 。年6 月多日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今，无线通信技术在高速发展的同时，人们对数据的高速传输和多样化的 无线业务提出了更高的要求。然而新出现通信技术的应用如长期演进( l t e ) 、 i e e e 8 0 2 1 l n 和超宽带( u w b ) 技术标准的提出，使得频谱资源的分配更加拥塞， 而且由于终端设备天线尺寸和发射功率等硬件可实现性的限制，使得可用于无线 接入的频段非常有限。随着无线通信业务需求的持续增长，在现有的频谱分配机 制下，只能通过不断提高现有频谱利用率而适应这种趋势。然而，单纯追求无线 链路频谱利用率提升的努力已接近理论极限，因此需要从系统级的角度出发，提 高整体频谱的利用率，从而缓解有限频谱资源和日益高涨的通信需求之间的矛盾。 已有测量结果表明【1 1 1 2 3 1 ，虽然现有的频谱分配方式几乎将所有可用频谱资源 分配完毕，然而大部分己分配的频谱资源并没有被高效地利用。原因是有些频段 尽管已经分配给授权用户使用，但是由于授权用户工作的间断性，并没有被持续 占用进行通信，甚至有些频段绝大部分时间都处在空闲状态，从而导致该频段的 频谱利用率极低，造成严重的浪费。例如美国加州大学b e r k e l e y 分校针对当地频 谱资源的占用度( 利用率) 进行了实地测量，结果表明频率在3 g h z 以上的频段几 乎没有被使用，频谱占用度仅为3 左右。本文根据我国具体情况，在办公环境下 针对g s m 频段( 8 8 0 m h z 9 6 0 m h z ) 的频谱占用度进行了测量，结果表明g s m 下 行频段的频谱占用度很高，而g s m 上行频段的频谱占用度远远低于下行频段，其 频谱占用度约为1 ，如图1 1 所示。因此，某些授权频段频谱利用率低的问题普 遍存在。 为了解决这种频谱资源浪费严重的问题，认知无线电作为一种提高频谱利用 率的新技术受到了人们的关注【4 】。认知无线电技术可以允许非授权用户( 认知用户， c u ) 在频谱占用度不高的授权频段工作，从而提高授权频段的频谱利用率，其基 本思想是：认知用户通过对周围无线电环境的频谱使用状况的实时感知，采用灵 活的频谱接入和管理技术，动态地利用当前未被占用的频谱为认知用户提供无线 电子科技大学硕士学位论文 通信服务，实现了频谱授权系统与非授权系统以及非授权系统之间的频谱资源共 享，从而提高频谱利用率，其中授权系统与非授权系统之间的频谱资源共享，以 不对授权系统产生有害干扰为前提 ”。 掌 恺 仨 上 铘 骣 _ 一 f - _椭i i 认知无线电技术由于其广阔的应用前景而得到了迅速的发展。2 0 0 3 年5 月， 美国联邦通讯委员会( f c c ) 在认知无线电研讨会上讨论了如何利用认知无线电技 术来实现频谱资源的高效利用。一年之后，f c c 正式发布通告，允许未授权用户 在不影响授权用户业务的前提下，利用认知无线电技术来使用电视广播频段中的 空闲频谱资源。同年1 0 月，美国电气电子工程师学会( i e e e ) 正式成立了i e e e 第一章绪论 8 0 2 2 2 工作组。i e e e8 0 2 2 2 是世界上第一个利用认知无线电技术的标准，这个标 准的正式名称是无线区域网( 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 ，w r a n ) ，该工作 组的目的是为认知用户制定空中接口标准，使得认知用户可以在电视广播的 v h f u h f 频带实现动态频谱接入，在不对电视广播业务产生干扰的前提下尽可能 地提高频谱利用率。 同时，认知无线电技术也得到了很多科研机构和企业的关注。例如德国 k a r l s r u h e 大学提出的基于o f d m 的中心控制动态频谱接入的频谱池( s p e c t r u m p o o l i n g ) 系统一j ，其研究的应用场景主要集中在o f d mw l a n 如( i e e e8 0 2 1l a g ) 和g s m 网络的频谱资源动态共享；还有欧洲移动环境下提供i p 服务的动态无线 ( d r i v e ) 项引，通过公共协调信道在异构网络间实现动态频谱共享；欧盟f p 6 计划的端到端重配置( e n dt oe n dr e c o n f i g u r a b i l i t y ，e 2 r ) 项目 8 1 ，主要研究通过 端到端重配置网络和软件无线电技术将未来不同类型的无线网络融合起来，为用 户提供更多的可选服务；欧盟f p 7 计划的e 3 项目 9 1 也是基于认知无线电技术优化 和管理无线频谱资源；美国加州大学b e r k e l e y 分校研究组开发了基于认知无线电 方法使用虚拟免执照频谱的c o r v u s 系统【l0 1 ，该系统用来实现以协调的方式检测 和使用频谱；美国g e o r g i a 理工学院宽带和无线网络实验室i a nf a k y i l d i z 教授等 人提出了基于o f d m 的动态频谱网络架构的o c r a 网络【1 1 】；还有美国军方d a r p a 的x g ( n e x tg e n e r a t i o n ) 项目也是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【1 2 】【1 3 】【1 4 1 ；2 0 0 8 年，我国国内在f u t u r e 论坛设立了“动态频谱资源 规划 研究组，开始探讨相关技术标准化的可能性。 1 2 2 基本原理 认知无线电系统可以被理解为一种可以通过频谱感知来获取周围无线电环境 信息，并且根据所获知识实时配置系统，如实时控制发射功率，改变载波频率以 及调制方式等，从而提高整体通信质量以满足用户需求的智能无线通信系统。认 知无线电技术可以使认知用户在授权用户暂时不工作时，通过动态频谱接入的方 式来伺机占用授权频段进行数据传输【l5 1 ，同时需要保证认知用户不对相邻频段的 授权用户产生干扰，这样就达到了提高现有授权频段整体的频谱利用率的目的。 由于授权系统中可用的频段具有随机性， 无线电环境的变化，当授权用户出现时， 3 认知无线电系统的工作状态要适应周围 认知用户须对其进行避让；当授权频段 电子科技大学硕士学位论文 可用时，认知用户要快速高效地借用该频段通信，因此认知无线电系统需要具有 很高的灵活性和很强的适应性。 认知无线电系统的工作原理如图1 - 2 所示在原有授权无线系统s 中，认知用 户是通过频谱感知技术实时监钡崾权用户的工作状态，对可用的频谱资源f 进行 标记，然后认知用户就可以选择合适的频段进行通信。由于授权用户的工作状态 是实时变化的，因此认知系统通过频谱感知的结果实时更新可用频谱资源，而认 知用户就要适应频谱环境的变化，不断调整通信设备的工作参数，实现动态频谱 接入。 $ $ 奎 。三蔓二二叁旦二二二基一一 12 3 关键技术 图1 - 2 认知无线电系统的工作原理 频谱感知是认知无线电关键技术之一【16 】【l ”。认知无线电系统能够通过频谱感 知搜索出可供占用的频谱资源，然后选择适合通信的频段并且在不影响已有授权 通信系统的前提下进行数据传输。频谱感知是认知无线电的基础，只有有了可靠 的频谱感知结果，才能为动态频谱的接八做出正确决策。频谱感知的方法有很多， 如能量检测、基于匹配滤波器的检测以及静态循环特征检测等。在实际应用中， 应该根据被检测信号以及检测环境等具体情况，选择有针对性的频谱感知方法。 在认知无线电中如果认知设备需要具备宽带频谱范围内的频谱感知能力， 第一章绪论 那么其射频前端需要能够在大频谱范围内检测周围无线电环境中的弱信号，然而 这对于a ，d 转换器的要求很高，因此宽带射频前端技术也是认知无线电的关键技 术之一。 频谱管理是认知无线电技术的另一关键技术【1 8 】，当系统通过频谱感知检测到 可用频谱资源之后，这时就要由频谱管理模块来决定其使用方式。一种典型的频 谱管理模式为：如果认知设备检测到授权用户在某频段工作，那么认知用户暂时 不得使用该频段；反之，认知用户可以占用该频段。如果认知用户在工作中发现 授权用户开始使用该频段，则立刻切换到其他合适频段进行通信，从而避免对授 权用户产生干扰。 在实际的工作系统中，即便可以通过有效的频谱管理技术来确保认知用户不 会与授权用户的工作频段相冲突，但是认知用户仍然有可能会对其邻近的授权用 户产生邻道干扰，也有可能受到授权用户的干扰，因此干扰抑制技术在认知无线 电中尤为重要。 除此之外，在分布式认知无线电系统中，每个用户的发射功率是造成对其余 用于干扰的主要原因，需要对发射功率进行限制，因此功率控制技术也是认知无 线电中的关键技术之一。 1 3 本文研究目的 认知无线电的思想就是通过对频谱使用状况的实时感知，采用灵活的频谱接 入和管理技术，利用空闲的频谱资源为认知用户提供服务，从而实现频谱资源共 享以提高频谱利用率。然而实现频谱资源共享的一个重要的前提就是：认知无线 电系统不能对授权系统产生有害干扰。当认知用户在授权无线系统中发现了适合 进行数据传输的空闲频段( 也称为频谱空洞【1 9 】) ，那么认知用户就可以暂时占用该 频段进行通信，然而在该频谱空洞邻近频段上，通常会有其他授权用户在工作， 因此认知用户发射信号的频谱应该在附近授权用户频段处尽可能小，这样才能确 保不对授权用户产生有害干扰，与授权用户共存。 相比于一般的通信系统，认知无线电对认知用户的信号传输方式提出了更高 的要求，要求发射信号的功率谱带外辐射更小，对于频谱约束的能力更强，因此 有必要针对认知无线电系统中物理层的信号传输方式展开深入的研究。此外，认 5 电子科技大学硕士学位论文 知无线电通信设备相比于传统通信设备必须要具备频谱感知能力，实时的监测周 围的无线电环境，这就需要认知设备不仅有信号发射天线，还须具有频谱感知天 线。通常，由于发射天线和频谱感知天线一般相距很近，发射天线会对频谱感知 天线产生较大的干扰，因此频谱感知的结果会受到发射信号较大的影响。而对于 认知无线电来讲，正确的频谱感知结果是系统能够正常工作的前提条件，频谱感 知对于认知无线电系统来说至关重要，因此如何抑制发射天线对频谱感知天线的 干扰，确保频谱感知结果的可靠性，成为认知无线电的又一关键问题。 本文将针对认知无线电系统中的干扰抑制问题展开研究。 1 4 本文主要贡献 本文的主要贡献如下： 针对o f d m 认知无线电系统中的旁瓣抑制的c c s 算法硬件实现复杂度的不 足，提出了一种改进的c c s 算法，并且进行了仿真，结果表明改进算法相比原来 的c c s 算法在旁瓣抑制的性能上稍有损失，在相同条件下仅比原c c s 算法差约 5 d b ，但改进算法的复杂度大大减小，适合硬件实现。 提出一种新的基于c i c 滤波器组的半重叠f m t ( c i c f b f m t ) 系统，利用 c i c 滤波器作为原型滤波器的c i c f b f m t 系统的子载波具有类似o f d m 子载波 的正交特性，使载波间干扰精确为零；在有系统频偏的情况下，对c i c f b f m t 、 h a l f - o v e r l a pf m t 以及o f d m 系统的抗i c i 性能进行了对比，结果表明c i c f b f m t 系统具有最强的抗i c i 能力。 由于认知无线电系统在同时进行信号发射和频谱感知时，发射天线会对频谱 感知天线产生干扰，影响感知结果。本文提出一种基于自适应滤波的干扰抵消方 法来抑制发射天线对感知天线的干扰，并在s y s t e mg e n e r a t o r 环境下进行仿真以及 f p g a 实现，结果表明利用自适应滤波干扰抵消的方法，可以有效的消除发射天线 对感知天线的干扰，从而确保频谱感知的可靠性。 1 5 本文内容安排 本文其余各章节的内容安排如下： 6 第一章绪论 第二章介绍了两种基于多载波的认知无线电通信系统的特例：o f d m 和f m t 系统，包括两种系统的基本结构、原理以及相应的理论基础知识，最后给出了 o f d m 和f m t 系统的关系。 第三章首先说明基于o f d m 的认知无线电系统存在的问题，然后对已提出的 o f d m 旁瓣抑制的c c s 算法进行了阐述说明，在原来c c s 算法基础上提出了改进 的c c s 算法，并且对改进方法进行仿真，与原来c c s 算法在旁瓣抑制效果以及硬 件实现复杂度上做了对比。 第四章首先介绍了c i c 滤波器的基本性质，然后提出一种基于c i c 滤波器组 的c i c f b f m t 系统，接着分析了c i c f b f m t 系统的载波间干扰，推导了在有系 统频偏条件下的c i c f b f m t 系统的i c i 数学模型，并且对c i c f b f m t 、o f d m 及半重叠f m t ( h a l f - o v e r l a pf m t ) 系统的i c i 进行仿真对比。 第五章首先介绍了自适应滤波器的有关基本概念和基于自适应滤波器的干扰 抵消方法，然后提出了一种用于抑制发射天线对感知天线的干扰的方法，并且在 s y s t e mg e n e r a t o r 环境下对其进行f p g a 实现。 第六章总结全文，并指出本文研究的不足之处以及下一步工作的重点。 1 6 本章小结 本章引言部分介绍了当前通信领域面临的频谱利用率低的问题，并且引出认 知无线电的概念，接着介绍了认知无线电技术的发展背景、系统的基本结构及工 作原理，然后介绍了认知