（通信与信息系统专业论文）高速超宽带无线通信关键技术的研究.pdf

摘要 超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ，u w b ) 无线通信技术以高传输速率、高分辨率和低功耗等优点日益 受到人们青睐；认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 技术在频谱资源日益紧缺的情况下越来越受到 人们关注。超宽带无线通信技术的频带很宽，不可避免的会干扰基本用户通信。结合c r 技术和u w b 技术的优点，认知超宽带应运而生了。它的出现将大大促进u w b 技术的实用化进程，日趋成为u w b 技术的研究热点 本学位论文着重研究了基于正交频分复用( 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 d m ) 的认知超宽带物理层体系结构，其核心内容是认知超宽带的频谱认知算法的研究和实现 第一章简要介绍了u w b 和c r 的概念以及u w b 技术和c r 技术的标准化进程。 第二章简要描述了认知超宽带无线通信系统，包括研究背景、主要优点、系统框图和关键技术。 第三章阐述了认知超宽带系统的频谱检测算法。在匹配滤波器法和能量检测法这两种传统检测 算法的研究基础上，提出了一种新的检测算 去一循环功率谱特征检测算法以b p s k 、q p s k 和 o f d m 这几种典型调制信号为例，推导循环功率谱、做出循环功率谱图，并且分别在高斯白噪声信 道和多径信道中对循环功率谱特征检测算法的检测性能进行软件仿真和性能分析 第四章研究了循环功率谱特征检测定点算法及其f p g a 实现。用v e r i l o g 语言在f p g a 中实现了 循环功率谱特征检测定点算法。并给出了寄存器传输级视图、仿真设计和m o d l e s i m 仿真波形图 第五章描述了基于高速超宽带国际标准e c m a 3 6 8 3 6 9 标准的认知超宽带物理层，提出了实现 方案，完成了该方案的实现仿真 第六章是对本论文工作的总结和对下一步工作的展望 认知超宽带技术具有广阔的应用前景，具备了数据传输速率高、发送功率低、频谱资源灵活分 配等优点，正处于蓬勃发展中本论文对认知超宽带系统的物理层关键技术进行了研究，希望能够 对下一步研究工作起到积极的作用 关键字：认知超宽带o f d m 循环功率谱特征检测f p g ae c m a 3 6 8 3 6 9 硕士学位论文 a b s t r a c t t h eu l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yi sm o r ec o n c e r n e do nt h eb a s i so f i t sa d v a n t a g a so f h i g hd a t a r a m ，h i g hr e s o l v i n gr a t ea n dl o wp o w e r , w h i l ec o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yi sp a i dm o r ea t t e n t i o nw i t ht h e p r o b l e mo fs p e c t r u ms c a r c i t y b u tt h ef r e q u e n c yb a n d w i d t ho fu w b w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ss o l a r g et h a ti ti n e v i t a b l yi n t e r f e r e sw i t ht h ep r i m a r yu s e r s t h e r e f o r ec o g n i t i v eu w bt e c h n o l o g ya p p e a r s c o m b i n e dw i t ht h ev i r t u e so fu w bt e c h n o l o g ya n dc r t e c h n o l o g y i tc a ne n h a n c et h ep r a c t i c eo fu w b t e c h n o l o g ya n di ta l s ow i l lb e c o m et h eh o ts p o to f u 、br e s e a r c h i nt h et h e s i s ，t h ep h y s i c a la r c h i t e c t u r eo f c o g n i t i v eu w bw i t ho f d mm o d u l a t i o ni ss t u d i e d t h ek c y i st h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fs p c c t r l l md e t e c t i o nt e c h n i q u e si nt h e c o g n i t i v eu w bw i r e l e s s s y s t e m t h et h e s i si sm a d eu po f s i xc h a p t e r s c h a p t e ro n eg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ou w bt e c h n o l o g ya n dc rt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h ec o n c e p t , c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep r o c e s so f u w bs t a n d a r da n dc rs t a n d a r d c h a p t e rt w od e p i c t st h ew i r e l e s sc o g n i t i v eu w bs y s t e m ，c o n t a i n i n gt h eb a c k g r o u n d ，t h ea d v a n t a g e s a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e s c h a p t e rt h r e es e t sf o r t ht h es p e c t r u md e t e c t i o nt e c h n i q u e si nt h ec o g n i t i v eu w bw i r e l e s ss y s t e m a f t e rr e s e a r c h i n gm a t c h e df i l t e r i n gd e t e c t i o na n de n e r g yd e t e c t i o nt e c h n i q u e s ，an e wd e t e c t i o nm e t h o di s e x p l o i t e d s e t t i n gb p s kq p s ka n do f d mm o d u l a t e ds i g n a l sa se x a m p l e s ，t h ef o r m u l ao ft h e i r c y c l i c - s p e c t r u m si sd e d u c e d , t h ed i a g r a m so ft h e ma r ed r a w na n dt h ep e r f o r m a n c eo fc y c l i cs p e c t r u m f e a t u r ed e t e c t i o ni na d d i t i v ew h i t eg a u s sn o i s ec h a n n e la n dm u l t i p a t hc h a n n e li ss i m u l a t e da n dt h e i r p e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d i nc h a p t e rf o u rt h ef i x e da l g o r i t h ma n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f c y c l i cs p e c m a nf e a t u r ed e t e c t i o na d e s c r i b e d t h ef i x e da l g o r i t h mi si m p l e m e n t e di nf p g aw i t hv e f i l o gl a n g u a g e i tg i v e so u tt h er e g i s t e r t r a n s f e rl e v e lv i e wo f t h ek e ym o d u l e sa n dt h es i m u l a t i o nw a v e f u r mi sr e v e a l e db ym o d l e s i m c h a p t e rf i v ec o n s t r u c t st h ep h y s i c a li m p l e m e n t a t i o no fc o g n i t i v eu w bw i r e l e s ss y s t e mb a s e do n e c m a3 6 8 3 6 9s t a n d a r d i tp u t sf o r w a r dt h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o na n dc o m p l e t e st h ei m p l e m e n t i n g s i m u l a t i o n c h a p t e rs i xs u m m a r i z e st h ew h o l et h e s i sa n do u t l i n e st h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s c o g n i t i v eu w bt e c h n o l o g yh a sw i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i th a sa d v a n t a g e so fh i g hd a t ar a t e ，l o w p o w e r , a g i l es p e c t r u mu t i l i z a t i o na n dh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y i ti st h eh o tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta r e a t h i st h e s i sr e s e a r c h e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e so fp h y s i c a ll a y e ri nc o g n i t i v eu w bw i r e l e s ss y s t e mt h a t m a y b eh e l p f u lt oo u rf u t u r er e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：c o g n i t i v eu w b ，o f d m c y c l i cs p e c t r u mf e a t u r ed c t e o t i o n , f p g a ，e c m a3 6 8 3 6 9 东南大学学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南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： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、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，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期：丝三乡 第一章绪论 1 1 无线网络的简介 第一章绪论 白从1 8 9 7 年马可尼成功完成第一次无线通信实验以来，随着蜂窝通信的大发展，特别是2 0 世 纪以来，无线通信日益受到重视，地位越来越重要，应用也越来越广泛。无线网络作为移动通信技 术和计算机互联网络相结合的产物。给世界任何地方的移动设备之间提供高速、高质量的信息交换。 无线网络 1 1 1 2 1 的发展经历了几种不同的道路，一条是移动通信系统在无线接入的基础上采用互联 网协议( i n t e r a c tp r o t o c o l ，i p ) 而发展成无线网络的道路，如采用全i p 的第三代移动通信广域网： 另一条是互联网在m 的基础上采用无线接入技术而发展为无线网络的道路，如以i e e e 8 0 2 i l a b g 等标准为代表的无线局域网。在发展过程中，移动通信从提供单纯的语音业务逐渐过渡到数据业务 和多媒体业务，而互联网也从单纯的数据业务逐渐发展到提供语音和多媒体业务。因此，无线网络 可以认为是综合了移动通信无线接入和互联网网络协议两方面优势的传输多媒体业务的信息传输网 络。 1 、无线广域网( w i r e l e s sw i d ea r e a n e t w o r k ，w 1 a n ) w 、n 技术使用户通过远程公共 网络或专用网络建立无线网络连接。通过使用无线服务提供商所维护的若干天线基站或卫星系统， 这些连接可以覆盖广大的地理区域，例如许多城市或者国家( 地区) 目前的w w a n 技术是大家所 知的第二代( 2 g ) 系统。主要的2 g 系统包括全球数字移动电话系统( g s m ) 、网络数字包数据( c d p d ) 和多址代码分区访问。现在正在从2 g 向3 g 时代过渡，包括三个国际移动通信标准：w c d m a 、 c a m a 2 0 0 0 和1 1 ) s c d m a 2 、无线城域网( w i r e l e s s m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ，w m a n ) w m a n 技术是一种无线固 定宽带接入网络，工作赢径超过5 0 k i n 的区域，主要用于整个建筑楼或家庭与骨干网的无线接入 w m a n 提供给用户可高速访问i n t e m e t 的无线访问网络带宽，其需求正日益增长。相应的标准规范 为i e e e8 0 2 1 6 d e 。 3 、无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) w i a n 技术使用户在人口密集的热 点地方创建无线连接( 例如，在公司或校园大楼里，或在公共场所，如机场) ，至少能够支持大于 1 0 0 m 的传输距离。w l a n 可用在临时办公室或其它缆线安装受限的场所。或者用于增强现有的 l a n 可使用户在不同时间不同地方工作。主要标准包括i e e e 8 0 2 1 l 工作组制定的i e e e 8 0 2 1 l a b g 。 4 、无线个域网( w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，w p a n ) w p a n 技术可为用于个人操作空 间( p o s ) 的设备( 如p d a 、移动电话和膝上电脑) 创建特殊无线通信。p o s 是个人周围空间1 0 米以内的距离。目前，两个主要的w p a n 技术是蓝牙和红外光波为了标准化w p a n 技术的发展， i e e e 已成立了8 0 2 1 5t 作组。该工作组正在发展基于1 0 版本蓝牙规范的w p a n 标准。该标准草 案的主要目标为低复杂性、低能耗、交互性强以及与8 0 2 1 1 网络互相兼容。 相对有线网络。无线网络的最大优点是摆脱有线连接，付出的代价是恶劣的无线信道环境和匮 乏的频谱资源，也将面临更多、更大的困难和挑战p j 随着人们对信息传输容量和质量需求的日益 增长，如何利用有限的频谱资源传递更多信息，即无线网络的频谱效率成为无线网络设计的核心问 l 东南大学硕士学位论文 题之一。 1 2 超宽带( u w b ) 技术及实现方案 u w b 技术的历史，可以追溯到1 9 4 2 年d er o s a 提交的随机脉冲系统专利。2 0 世纪6 0 年代对 时域电磁学的研究进步促进了u w b 技术的发展嘲。早期的u w b 技术主要应用于军事雷达和低截 获率“氐侦测率的通信系统。近年来，u w b 技术开始应用于民用无线通信领域，并有了较大的发展 和变化。 2 0 0 2 年4 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 发布了民用u w b 设备使用频谱和功率的初步规定 9 】。按照f c c 的定义，u w b 设备是相对带宽大于0 2 或在传输的任何时刻带宽大于5 0 0 m h z 的设备 这里相关带宽定义为 ， z 。瓦j h 巧- - j 砸l ( 1 1 ) “( 厶+ 无) 2 ”“7 其中厶和五分别为系统的高端频点和低端频点( 按- 1 0 d b 计算) 。按照f c c 的规定。室内u w b 通 信的实际使用频谱范围为3 1 1 0 6 g h z ，并在这一范围内，有效各向同性发射功率( e f f e c t i v e i s o t r o p i e r a d i a t e dp o w e r ，e i r p ) 不超过4 1 3 d b m m h z 。 目前，u w b 的规范化工作还在进行中。在f c c 对民用u w b 系统制定初步规定之后，欧洲、 日本和新加坡的有关部门也着手进行了u w b 通信的规范化工作。国际上u w b 通信的标准化工作开 始主要是在i e e e 8 0 2 1 5 无线个域网1 6 i 工作组进行的；现在由e u r o p e a nc o m p u t e rm a n u f a c t u r e r s a s s o c i a t i o n ( e c m a ) 组织制定了高速u w b 的国际标准e c m a 3 6 8 ，3 6 9 标准。 与传统通信系统相比，u w b 具有以下无可比拟的技术优点：系统结构实现比较简单，数据传输 速率高，功耗低，安全性好，多径分辨能力强。因此，u w b 技术可以应用于无线多媒体家域网、个 域网、雷达定位和成像系统、智能交通系统，军事、公安、救援、医疗、测量等多个领域。 目前，u w b 无线通信系统有三种基本实现方寰第一，无载波脉冲方案u w b 通信的传统 方式，发射机产生基带窄脉冲序列，通过脉冲位置调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l m i o n ，p p m ) 、二进制 移相键控( b i p h a s es h i f t k e y ，b p s k ) 或脉冲幅度调制( p u l s e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ，p a m ) 等调制 方式携带信息。基带窄脉冲序列直接发送到空中，而无需用载波调制第二，单载波d s - c d m a 方 案经过d s - c d m a 扩频之后的信号再通过载波调制，可在任何合适的频带范围内传输。第三， m b - t f i - o f d m 方案精可用的频段分为多个子频带，每个子频带带宽大于5 0 0 m i - i z ，并且每个子 频带信号是许多个正交子载波合成的正交频分复用( 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 d m ) 信号。 因此。u w b 技术是未来移动通信的核心技术之一，在数字多媒体等领域具有巨大的市场和诱人 的应用前景。 2 第一章绪论 1 3 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的简介 随着无线通信发展，人们获得的带宽不断增加，移动通信的数据传输速率从1 0 勋i t s 增加到 2 仂i t ，s ，在不久的将来还可能提高到上百兆比特每秒。但即使如此，也无法满足人们日益增长的 无线接入需求。为了缓解这一矛盾，一方面，人们不断开发新的无线接入技术利用新的频段来提 供各种业务；另一方面，不断改进各种编码调制方式，提高频谱效率口】。几倍的频谱效率提高对人 们成百上千倍的带宽需求增长是微不足道的。因此，产生了c r 技术。c r 技术的出现，为解决频谱 资源不足、实现频谱动态管理以及提高频谱利用率开创了崭新的局面。 c r 的概念是由j o s e p hm i t o l a 博士提出的，他在1 9 9 9 年发表的一篇学术论文唧中描述了认知无 线电如何通过一种。无线电知识表示语言( r k r l ) ”的新语言提高个人无线业务的灵活性，随后在 2 0 0 0 年瑞典皇家科学院举行的博士论文答辩中详细探讨了这一理论，图1 - 1 是这课题所使用的循环 认知模型1 9 1 。 图1 - 1 认知循环模型 在广义上说c r 技术是指无线终端足够智能或者具备认知能力，通过对周围无线环境的历史和 当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最合适的 无线资源( 包括频率、调制方式、发射功率等) 完成无线传输i 1 0 1 随着c r 技术的发展，各标准化组织和行业联盟也纷纷开展相关研究，并且开始着手制定c r 技术的标准和协议。2 0 0 2 年1 2 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 指出非授权设备应具备能够识别未 占用频带的能力；2 0 0 3 年1 1 月，f c c 提出新的量化和管理干扰的指标值干扰温度的概念，以 扩展在移动和卫星频段的非授权操作：同年1 2 月f c c 成立了c r 工作组，明确表示支持c r 技术并 修, t t 美国的电波法u i ；2 0 0 4 年5 月f c c 建议非授权无线电可在t v 广播频段内操作，日本也 宣布将于2 0 0 5 年开始探讨c r 技术，欧洲的德国、英国、意大利和瑞典的相关机构也在研究c r 技 术i e e e 于2 0 0 4 年1 1 月正式成立l e e e 8 0 2 2 2 工作组，这是第一个世界范围的c r 技术空中接口标 准化组织，i e e e 8 0 2 2 2 又被称为无线区域网( w i r e l e s sr e g t o n a la r e an n w o r k ，w r a n ) 该组织于 3 东南大学硕士学位论文 2 0 0 5 年9 月完成了对w r a n 的功能需求和信道模型文档，2 0 0 6 年开始对各个公司提交的提案进行 审议和合并于2 0 0 6 年3 月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础，预计2 0 0 8 年最终的标准 将会被批准。 近几年国际上召开了两个重要的有关认知无线电技术和动态信道分配的会议，分别是：2 0 0 4 年 1 0 月份在w a s h i n g t o n 召开的“c o g n i t i v er a d i o sc o n f e r e n c e ”，会议的主要议题包括：紧急的商业和 军事需求和机会，对于c r 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c r ，用于 白适应频谱管理的工具和技术，子系统的研发：智能天线、传感器和接收机，自适应调制和波形技 术；2 0 0 5 年1 1 月份召开的动态频谱接入( o y s p a n ) 会议，会议的主要议题是基于认知无线电的动 态频谱分配和接入技术，会议发表了8 0 多篇文章。 学术界也行动起来了，著名通信理论专家s i m o nh a k i n 在2 0 0 5 年2 月j s a ci nc o m m u n i c a t i o n s 上发表了关于c r 的综述性文章“c o g n i t i v er a d i o ：b r a i n - e m p o w e r e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ”，开始了 国际性的c r 技术研究。随后b e r k e l e y 、v i r g i n i a 、s t e v e n s 等大学研究所和软件无线电论坛等研究组 织纷纷展开了研究。r u t g e r s 大学w i n l a b 实验室还进行了c r 平台的研究。美国国防部( d a r p a ) 的 x g 计划将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( s p e c t r u ma g i l er a d i o s ) ，这些无线电台在使用法规的范围内，可以动 态白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，可以使接入的频谱范围扩大 近1 0 倍。圉1 2 展示了x g 计划的动态频谱利用图。 图1 - 2 x g 计划的动态频谱利用图 b e r k e l e y 大学提出的一种c r 网络层次结构如图l - 3 所示。 传层 月络层 团囤圈圃田 _ 1 竺要llw 卜 l 信道fi l l 一圃圃口圃l 一 图1 3b e r k e l e y 大学的c r 网络层次结构图 4 第一章绪论 随后，各公司如i n t e l 、q u a l e o m m 、p h i l i p s 、n o k i a 等公司也已经开始着手进行认知无线电系统 技术的研究。m o t o r o l a 及v i f g j n i at e c h 等公司提出了无线认知网络的概念，他们认为无线认知网络 是一种具有认知能力的网络，能够认知网络当前的状况，井摄据当前的状况来计划、决定并行动， 也就是说可以自我配置来响应和动态自适应操作和环境的改变。自我配置的主要功能组成是自我意 识和自动学习，通过具有网络意识的中间件和网络各组成部分分布式交叉来实现。2 0 0 6 年2 月，墨 尔本的a d a p t 4 l l c 公司宣布已开发出世界最早的商用c r 系统x g i ，该系统取得美国f c c 的认证， 可以在一些授权频段未使用的情况下使用该频段进行通信。 因此，c r 技术是对频谱资源从时间、空间和频率等多维度的重复利用和共享。频谱管制者利用 c r 技术可以大大提高可用的频谱数量。提高频谱利用率，有效利用频谱资源；频谱持有者可在不受 干扰的前提下开发二级频谱市场，在相同频段上提供不同服务该技术可以为设备厂商带来更多的 机会，具备c r 功能的设备将更具竞争力，可为终端用户带来更多带宽，在c r 技术成熟后用户则 可享受到单个无线终端接入多种无线网络的优势。在不久的将来。c r 技术为无线电资源管理和无线 接入市场带来新的发展契机和动力。 1 4 本论文的研究内容以及创新点： 本论文主要针对认知超宽带( c o g n i t i v eu w b ) 的频谱检测及其在高速u w b 国际标准 e c m a 3 6 8 ，3 6 9 标准的应用等问题进行深入的研究本论文研究了传统的信号检测方法一匹配滤波 器法和能量检测法，在此基础上，提出了一种新的循环功率谱特征检测算法本论文主要以b p s k 、 q p s k 和o f d m 等调制信号为例，完成了循环功率谱特征检测算法的软件仿真和性能分析，以及循 环功率谱特征检测算法在可编程逻辑门阵列( f i e l dp r o g r a m m i n g g a t ea r m y ，f i x 3 a ) 中的实现。此 外，本论文模拟了现实环境，将循环功率谱特征检测算法融入高速u w b 的国际标准e c m a 3 6 8 ，3 6 9 标准中，提出了认知超宽带系统的物理层系统，完成了物理层实现方案的可行性仿真。 本论文的具体安排如下： 第一章绪论简要介绍了u w b 无线通信技术和c r 技术以及u w b 技术和c r 技术的标准化进程。 第二章简要描述了认知超宽带无线通信系统，包括研究背景、主要优点、应用前景、系统框图 和关键技术 第三章详细介绍了认知超宽带的频谱检测算法。首先，描述了两种传统的频谱检测算法一匹 配滤波器法和能量检测法。介绍了它们的原理、性能和优缺点；提出了一种新的频谱检测算法一 循环功率谱特征检测算法，重点阐述了该算法的原理、优点以及检测性能的仿真和分析。 第四章主要介绍了循环功率谱特征检测算法的硬件实现。描述了硬件平台，循环功率谱特征检 测定点算法及其f p g a 实现，给出了该算法f p g a 实现的资源利用情况和性能仿真波形 第五章主要描述了基于高速u w b 国际标准e c m a 3 6 8 3 6 9 标准的认知超宽带物理层体系结构， 首先简单介绍了e c m a 3 6 8 3 6 9 标准，特别是物理层实现方案：其次，构建了认知超宽带系统的物理 层平台；最后，完成了认知超宽带物理层系统的实现仿真。 第六章对本论文的工作进行了总结，并展望下一步的研究工作。 论文的创新点如下： s 东南大学硕士学位论文 l 、详细推导了b p s k 、q p s k 和o f d m 信号的循环功率谱，揭示了它们的固有循环功率谱特征， 并做出了这些信号的循环功率谱图。 2 ，设计了适合认知超宽带系统的频谱检测算法，并以b p s k 、q p s k 和o f o m 信号为例，完成 了该算法的计算机仿真，获得了性能仿真曲线。 3 、设计了循环功率谱特征检测的定点算法，取得了算法性能和硬件条件的折中，并用v e r i l o g 语言在f p g a 中实现了该算法。 4 、设计了认知超宽带系统的一种物理层实现方案，并且在高速u w b 的国际标准e c m a 3 6 8 3 6 9 标准中完成实现仿真。 6 第二章认知超宽带( c o g n i t i v eu w b ) 系统 第二章认知超宽带( c o g n i t i v eu w b ) 系统 认知超宽带是u w b 无线通信技术和c r 技术相结合的产物，它融合了u w b 无线通信技术和 c r 技术的优点，通过动态频谱接入技术很好的解决u w b 无线通信系统与其他窄带系统的共存问题， 是未来移动通信的发展方向之一。 本章简要描述了认知超宽带系统，介绍了研究背景、主要优点、协议模型和未来应_ f ；j 场景等。 2 1 认知超宽带简介 u w b 无线通信技术具有高通信容量、抗多径衰落、灵活抗干扰能力、精确的测距和定位等优点， c r 技术是通过智能频谱管理来解决频谱资源短缺的最有效方法。因此，u w b 无线通信技术是与c r 技术应用前景紧密相关的一项技术，它被认为是当今多媒体宽带无线通信中最有前途的候选方案之 2 1 1 研究背景和主要优点 现代无线通信系统的频谱资源是由无线电管理机构统筹分配的，目前采用静态分配的原则和方 案。但是随着无线通信系统层出不穷，即使每一种通信系统都尽量提高其自身的频谱利用率，有限 的频谱资源也越来越不能满足日益增长的用户需求，主要原因之一就是频谱资源的静态分配。但是 从时域和空域的双重角度来看，仍然存在许多未被充分利用的空白频段。实际测试表明，目前大多 数频段的频谱资源利用率是很低的。图2 i 显示了f c c 测定的频谱图，在美国城市区域中，3 - 4 g h z 的频谱利用率为o 5 ，4 - 5 0 h z 的频谱利用率降为0 3 纠“这和当前广泛关注的频谱资源短缺问题 互相矛盾，从而产生了c r 技术c r 技术是一种通过动态频谱接入来解决频谱资源短缺的最有效方 法，它是一种通过对周围无线环境的认知交互作用而自动改变发送参数和接收参数的无线电技术。 这种交互作用是指主动频谱认知能力，即它利用自身具备的“智能”推理功能和工作在该频段的用 户进行士动通信和协商。c r 技术的研究意义在于提高频谱效率和用户容量，解决频率使用的公平性 问题。作为无线通信领域的重大进展。c r 技术打破了日益紧张的有限频谱资源的。瓶颈”障碍，改 变频谱分配策略，提高整个频带的频谱利用率。此外，由于无线链路和网络层具有智能特性，能在 有限信号空间中以最优方式有效传送信息，为日益拥挤的无线通信系统实现频谱资源的高效率、共 存，兼容和互用展示了美好的前景。 7 东南大学硕士学位论文 图2 - 10 - - 6 g h z 的频谱使用图 与窄带无线通信系统相比，c r 技术尤其能给u w b 无线通信技术带来无可比拟的优势。首先， u w b 信号的频带很宽，不可避免的覆盖现存的授权窄带通信系统，例如全球定位系统( g p s ) 、蜂 窝移动通信、无线局域网等。它既要面临周围窄带无线通信系统的干扰，又将影响周围窄带通信系 统，采用c r 技术来实现协作共存策略将获益匪浅。u w b 设备利用c r 技术能够智能的选择空闲频 带进行通信，它能够在任何环境下在不影响基本用户的情况下完成信号传输，因此非常有利于u w b 无线通信技术的商用化。其次，高速u w b 无线通信的国际标准e c m a 3 6 8 ，3 6 9 标准采用了多带正交 频分复用( m u l t i b a n do 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 ，m b - o f d m ) 的调制技术，能够非 常简单的实现c r 技术的物理层功能，即不使用被基本用户占用的那些子载波。最后。认知超宽带 系统通过准确认知本地无线频谱资源，使空中接入实时自动的适应周围环境并消除干扰，进而实现 优化整个运行网络的目标。 认知超宽带技术的固有特性和突出优势成为一种新的无线通信技术，能够较好的解决提高频谱 利_ l l j 率的一些难题。大大推动了c r 技术的实用化进程，有理由相信，认知超宽带技术将逐渐进入 人们的生活。 2 1 2 认知超宽带实现的可行性 近年来。u w b 无线通信技术引起人们极大的兴趣，同时也在通信业界、频率管理部门和电信标 准制定团体中引起了广泛的争论。u w b 信号波形分布在很宽的频带内，其频谱不可避免的与现存的 授权窄带无线电系统重叠，共存和兼容成为热点难题。f c c 在2 0 0 2 年2 月发布了u w b 无线电的发 射模板，同样，欧洲邮政和电信管理委员会( c e p t ) 也为协调u w b 无线频谱提出建议草案。通信 业目前普遍认为，要使u w b 发射信号的波形既要符合世界各地任意频谱模板还要满足抗干扰和高 速传输的要求是富有挑战的问题。然而，引入c r 技术后，认知超宽带设备具备共存、抗干扰以及 符合任何频谱模板规范的属性。 u w b 无线系统不可避免的会干扰传统窄带系统，c r 技术与u w b 技术相结合来解决干扰问题 已成为近几年的研究热点。y a m a g u e h i 等人在文献【1 3 l 中描述了主动干扰取消算法在m b o f d m 系统 中的实现。并论证了m b - o f d m 技术更适合未来c r 技术的应用。目前高速u w b 无线通信系统的 主流实现方案是m b o f d m 。如果将c r 技术嵌入到u w b 无线通信系统中，则能够通过预先检测 8 第二章认知超宽带( c o g n i t i v eu w b ) 系统 劁干扰频率、选择适合的判决方法，使u w b 系统与传统窄带系统之间的干扰减至最小 目前验证这些技术的实验系统也取得了一些初步进展【1 ”。如美国国防高级研究计划局( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ，d a r p a ) 开展了下一代无线( n e x tg e n e r a t i o n ，x g ) 通信项目 的研发，设计了自适应频谱系统原型，目标是频谱利用率增加l o 倍：m i t r e 公司研发了自适应频 谱无线电( a d a p t i v es p e c t r u mr a d i o 。a s r ) 实验床。成功验证了自适应频谱接入的可行性；维吉尼 弧无线通信技术中心研究并设计了c r 技术仿真实验椅和硬件实验床。基于生物启发的c r 引擎节点 止在研发中；伯克利大学建立了伯克利仿真平台( b e r k e l e ye m u l a t i o ne n g i n e ，b e e 2 ) ，对各种频谱 侦听技术和算法进行了实验仿真和性能分析等。 总而言之，u w b 技术和c r 技术相结合，是未来移动通信的发展方向之一。在u w b 系统中引 入c r 技术，既发挥了u w b 系统的传输速率高、抗多径衰落能力强，功耗小等优点，又解决了u w b 系统与其他窄带系统共存的问题，有利于u w b 技术在全球范围内与任何频谱模板规范相融合，推 进了u w b 技术在全球范围内商用化的进程。 2 2 认知超宽带技术 认知超宽带是u w b 技术和c r 技术相结合的产物。是未来无线通信的发展方向之一。u w b 技 术具有高数据传输速率、抗多径衰落和低功耗等优点，在无线u s b ，家庭多媒体网络、办公室网络 等场合中的应用越来越引起人们的关注在1 0 m 范围内，与8 0 2 1 l a 、蓝牙和h o m e r f 等常见的短 距离通信标准比较，u w b 技术具有杰出的优点c r 技术是在软件无线电技术基础上发展起来的一 种频谱统筹的新技术，它能够有效利用有限的频谱资源，实现高效灵活的频谱分配和工作状态调整。 将c r 技术引入u w b 无线通信系统。有利于u w b 技术符合世界各地的频谱规范，实现在全球范围 内的任何地方互相通信；u w b 无线通信系统也是c r 技术最现实和最实用的环境，因此认知超宽带 技术是适戍多种无线环境下通用物理层的理想候选对象，大大推进了c r 技术的实用化进程。 认知超宽带系统的物理层完成了冲突避免( d e t e c t a n da v o i d 。d a a ) 的功能，即在发送信号之 前先检测频带中是否存在基本用户信号，估计信道状况。寻找空闲频带，根据相应结果动态改变发 送信号的参数。认知超宽带系统的物理层包含了检测基本用户认知频谱环境和判定决策动态改变发 送信号参数两个部分目前。高速u w b 无线通信系统主要采用了o f d m 的调制技术它既能够满 足u w b 国际标准e c m a 3 6 8 3 6 9 标准的规范。又易于实现c r 技术这在未来短距离无线通信和数 字家庭多媒体等领域中都存在很大的潜在市场 本节主要介绍认知超宽带的调制技术原理、具体实现方案和潜在应用场景 2 2 10 f d m 的原理和优缺点： 2 0 世纪7 0 年代。s b w e i n s t e i n 提出采用离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 实 现多载波调制，为o f d m 的实用化奠定了理论基础；2 0 世纪8 0 年代随着集成电路工艺技术的迅 速发展，开始研究o f d m 在高速调制解调器及移动通信领域的研究；到2 0 世纪9 0 年代，这种技术 已经在欧洲数字语音广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、高清晰数字电视( h i g h - d e f i n i t i o n 9 东南大学硕士学位论文 t e l e v i s i o n 。h d t v ) 和无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t 、v o r k ，w l a n ) 系统中得剑了f 泛的戊 j ，也将廊用下b 3 g ，4 g 等未来移动通信的基带信号处理中。 o f d m 的基本原理是将一个较宽频带信号分成一些子载波信号，高速的数据流将在于载波上分 流。为了提高系统的频谱效率，通过设定子载波的频率间隔，使o f d m 系统中各子载波的频谱重叠， 义需要保证它们之间正交。这就是正交频分复用( o f d m ) 名称的由来。 o f d m 系统收发机的典型框图如图2 2 所示1 1 6 1 。 图2 - 2 0 f d m 收发机框图 发送端主要完成从比特流到模拟信号的转换。首先比特流经过编码，例如卷积码、t u r b o 码或者l d p c 码，然后经过各种调制( q p s k 、q a m 等) 后。再插入导频和空子载波最后经过串并变换后，作为 n 点反傅立叶变换( i n v e r s e f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m i f f r ) 的输入数据。考虑到实际滤波器的性能， 通常在高频部分不传送数据，有一些载波用作导频传送已知数据( 用于信道估计或者频偏时偏估计) ， 因此，实际用于传送数据的子载波通常都小于n 。i f