（信号与信息处理专业论文）ofdm频谱共享无线系统中的频谱感知技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 i 摘要摘要 在认知无线电网络中， 可用频谱资源的频率和带宽通常是不稳定的， 甚至可能是不连 续的，而正交频分复用技术（orthogonal frequency division multiplexing, ofdm）具有能 够灵活地选择子载波、调整发射功率等优点。因此，ofdm 技术被认为是最适用于认知 无线电系统中的物理层调制技术。 频谱感知技术是整个认知无线电技术应用的基础和前提。 在本篇论文中， 我们主要研 究 ofdm 频谱共享无线系统中的频谱感知技术。 在第三章中，首先介绍了ofdm符号不加循环前缀时接收端消除载波间干扰的方法， 在此基础上，提出一种改进的认知用户ofdm感知帧结构。然后通过分析认知用户接入授 权频段的情况，推导出认知用户的帧长-吞吐量关系式，并对此关系式进行分析确定最优帧 长的选取，通过仿真证明改进的感知帧结构的可行性。 在第四章中研究了用认知无线电发射机辨识和系统参数编码而成的预编码序列代替 传统循环前缀的 ofdm 系统，分析了消除符号间干扰和载波间干扰的方法，并针对采用 该系统的主用户和其他认知用户， 研究利用本地参考序列与接收信号的循环相关进行频谱 感知与用户识别的方法。仿真结果表明采用该系统不仅可以获得稳健的系统参数检测性 能，而且在低信噪比情况下仍然能够保证良好的感知和识别性能。 关键词：认知无线电，ofdm，频谱感知，吞吐量，预编码 南京邮电大学硕士研究生学位论文 abstract ii abstract in the cognitive radio network, the frequency and bandwidth for the available spectrum is often unstable, and may even be discontinuous. the orthogonal frequency division multiplexing (ofdm) can flexibly select sub-carriers and adjust the transmission power. therefore, ofdm is most suitable for physical layer modulation techniques in cognitive radio systems. spectrum sensing technology is the basis and premise for the application of cognitive radio. in this thesis, we focus on spectrum sensing technology in ofdm-based spectrum sharing radio systems in the third chapter, we introduce the method to eliminate the inter-carrier interference when the cyclic prefix is not inserted in the guard interval. an improved ofdm-based frame structure for cognitive user is proposed. we derive a frame size and throughput formula by analyzing the cases that cognitive user accesses the licensed spectrum. then we analyze the formula to select the optimal frame size. simulation results show the feasibility of the improved frame structure. in the fourth chapter, we study the ofdm system in which the traditional cyclic prefix is replaced by the sequence, precoded by the cognitive radio transmitter identification and system parameters. the method to cancel the inter-symbol interference and inter-carrier interference is analyzed. then we study the spectrum sensing and user identification algorithm using the cyclic correlation between the local reference sequence and received signals. simulation results show that robust detection performance can be achieved for the system parameter transmission technique using precoded cyclic prefix, and sensing algorithm still has satisfactory performance even at low signal-to-noise ratio environment. key words: cognitive radio, ofdm, spectrum sensing, throughput, precode 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 v 缩略语缩略语 awgn additive white gaussian noise 加性高斯白噪声 caf cyclic autocorrelation function 循环自相关函数 clt central limit theorem 中心极限定理 cp cyclic prefix 循环前缀 cr cognitive radio 认知无线电 cscg circularly symmetric complex gaussian 循环对称复高斯 dft discrete fourier transform 离散傅里叶变换 dsa dynamic spectrum allocation 动态频谱分配 dsm dynamic spectrum management 动态频谱管理 fcc federal communications commission 联邦通信委员会 fft fast fourier transform 快速傅立叶变换 gi guard interval 保护间隔 ici inter-carrier interference 载波间干扰 idft inverse discrete fourier transform 离散傅立叶反变换 ifft inverse fast fourier transform 快速傅立叶反变换 isi inter-symbol interference 符号间干扰 nc-ofdm non-contiguous ofdm 非连续 ofdm ofdm orthogonal frequency division multiplexing 正交频分复用 pcp precoded cyclic prefix 预编码循环前缀 psk phase shift keying 相移键控 qam quadrature amplitude modulation 正交幅度调制 rkrl radio knowledge representation language 无线电知识描述语言 scf spectrum correlation function 谱相关函数 snr signal-to-noise ratio 信噪比 wlan wireless local area networks 无线局域网 wran wireless regional area network 无线区域网 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，论文中不包含其它人已经发表或 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。 与我一同工作过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： 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、 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、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内 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）授权南京邮电大学研 究生部办理。 研究生签名： 导师签名： 日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 作为下一代无线通信动态利用频谱资源的核心技术， 认知无线电技术己受到越来越多 通信领域学者的关注，并被预言为未来最热门的无线技术12。ofdm 技术的研究和应用 已深入到无线宽带数据传输中，物理层同步、检测和估计等接收技术已经相当成熟，是公 认的下一代无线通信系统的核心技术。同时，ofdm 技术灵活的频谱资源控制特性使得 其非常适合与认知无线电技术结合，通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利用3， 是目前公认的易于实现频谱资源控制的传输技术。在这一背景下，研究认知 ofdm 传输 系统就具有非常重要的理论意义和现实价值。 1.1 认知无线电的研究背景及意义认知无线电的研究背景及意义 无线电通信频谱是一种有限的自然资源， 由于频谱稀有和避免通信干扰， 频谱分配都 是由专门的无线电法规部门统一管理和授权分配。目前世界各国采用的是静态（固定）频 谱分配的频谱资源管理方案，将无线频谱资源固定地分为授权频段和非授权频段两个部 分，其中授权频段占绝大部分的频谱资源，得到频谱的授权用户长期独占该频谱使用权， 非授权者不得随意使用， 而非授权频段只占非常少的频谱资源。 目前很多国家差不多已经 将本国的可用频谱资源分配完毕。 但是，随着无线通信技术的飞速发展，尤其是随着无线局域网（wireless local area networks, wlan）技术的兴起，无线用户数量急剧增加，像 wlan 等技术主要是工作在 非授权频段，致使非授权频段趋近饱和，频谱资源变得越来越紧张。而对于授权频段，在 某个地点的授权用户不会一直使用其频段， 因此不少授权频段都处于空闲或者利用率极低 的情况，造成频谱资源利用极不均衡的现状。美国联邦通信委员会（federal communications commission, fcc） 的研究报告指出， 授权频段的平均利用率从 15%85% 不等4。由于频谱使用是动态变化的，频谱利用率在不同的空间和时间段也是不同的。因 此，寻求一种更有效的频谱管理方式，充分利用各地区、各时段的空闲频段，缓解不断增 长的频谱需求矛盾，成为人们关注的问题。 为了解决上述频谱资源的相对匮乏问题， 必须尽量提高现有频谱的利用效率。 根据无 线电波的特性，到目前为止已经有很多提高频谱利用率的方案，包括频率、时间、地域复 用/再用方案，码域和空域复用/再用方案等，这些方案在一定程度上提高了频谱的利用效 率，但是，目前的频谱资源紧张问题仍然很突出，有待进一步提高现有频谱的利用效率。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 于是，认知无线电概念应运而生。认知无线电技术的基本出发点是：在不影响授权频 段正常通信的前提下，具有认知功能的无线通信设备通过自动的感知周围的无线电环境， 及时发现处于空闲状态的授权频谱然后机会接入授权频段内。 这种在空域、 时域和频域中 出现的可以被利用的空闲频谱资源被称为“频谱空洞5（spectrum holes）”。认知无线电 的核心思想是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并对其进行合理利用的能力。 通过认知无线电技术， 在时间和空间上对大量空闲频谱资源加以充分利用， 实现不可 再生频谱资源的再次利用， 从而显著提高无线频谱的利用效率。 为有效解决当今无线网络 中频谱资源紧张与频谱利用率不高这一矛盾开辟了新的途径。 因此， 对认知无线电的研究 对未来通信业的长远发展具有深远的意义。 1.2 认知无线电概述认知无线电概述 认知无线电涉及的技术领域很多，应用场合很广，因此在其发展过程中，对于认知无 线电的定义和其功能的认识存在多种观点。 1999 年瑞典的 joseph mitola 博士首次提出了认知无线电的概念67。 mitola 博士提出 认知无线电是通过一种无线电知识描述语言（radio knowledge representation language, rkrl）来提高个人无线通信业务的灵活性，以及 rkrl 采用基于模式的推理方式与网络 进行智能交流实现对无线电“黑盒”的智能感知。 mitola 博士认为认知无线电使软件定义无 线电从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理， 且软件无线电是认知无线 电实现的理想平台。mitola 对认知无线电的认识强调的是其学习和推理能力，认为认知无 线电系统能够通过学习， 不断感知无线环境的变化， 并通过自适应的调整自身内部的通信 机理来适应无线环境的变化。 fcc 通过监测、分析无线电频谱的使用状况，发现常常是大部分频段没有使用，针 对频谱利用率低的现状，开始重新思考新的频谱资源管理策略，并于 2003 年召开了 cr 研讨会，讨论了利用 cr 实现灵活使用频谱的相关技术问题，给出了一种认知无线电的定 义8，认知无线电是无线终端利用与周围无线电磁环境进行交互所获取的无线背景知识， 调整传输参数，实现无线传输的能力。提出采用认知无线电技术实现“开放频谱系统”，即 合法的授权用户具有高的优先权接入频谱， 而具有认知功能的非授权用户可在不对授权用 户造成干扰的情况下机会接入可用频谱。 著名通信理论专家 simon haykin 教授结合 mitola 博士和 fcc 对认知无线电的定义， 于 2005 年从通信角度重新定义了认知无线电9，他认为认知无线电是一个智能无线通信 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 系统，它能够自动地感知周围无线电环境，并使用人工智能技术从环境中学习，实时地调 整某些操作参数（比如传输功率、载波频率、调制和编码技术等） ，使其内部状态适应外 部环境变化， 在不对主用户造成干扰的情况下利用其空闲频谱资源进行通信， 以达到任何 时间任何地点高度可靠通信和频谱有效利用的目的。 具有认知能力的用户能通过感知周围无线环境的变化来改变其参数，从这个定义出 发，具有认知能力用户应该具有以下二个功能8,10： 认知功能： 指认知用户能自动地感知周围无线电环境变化的能力。 要求认知用户在不 对主用户产生干扰的前提下，利用认知无线电技术从空域和时域感知周围无线环境的变 化。通过这种能力使认知用户能够从其周围的无线环境中发现时间和空间中的空闲频段， 并选择最佳频段以及相适应的运行参数。 认知用户这种实时的感知环境并动态适应环境的 能力， 被称为基本感知周期。 它主要包括以下三个主要方面： 频谱感知 （spectrum sensing） 、 频谱分析（spectrum analysis）和频谱决策（spectrum decision） ，如图 1-1 所示。 无线电环境 频谱决策 频谱感知 频谱分析 频谱空洞信息 信道容量 信号传输 输入 信息 频谱空 洞信息 图 1-1 基本感知周期 在基本感知周期中， 认知无线电系统将对所处无线电环境的观察结果作为频谱感知部 分的输入信息，通过频谱感知功能对输入信息做出判决，获得频谱空洞信息，同时将频谱 空洞信息提供给频谱分析和频谱决策部分。 频谱感知阶段， 认知用户检测周围的无线电环境， 通过测定其相关参数及时发现空闲 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 频谱资源；频谱分析阶段，利用频谱感知阶段提供的频谱空洞信息，通过相关算法分析归 纳所获取频谱空洞的频谱特征和信道容量，使感知无线电能够做出符合用户要求的判决； 频谱决策阶段，根据信道容量和频谱空洞信息等，并按照服务质量（quality of service, qos）要求，为当前的传输选择适合的运行频段，然后自适应调整自身的数据速率、传输 模式以及传输带宽等参数，进行通信。 但是认知用户还必须实时检测周围无线环境的变化， 如果当前可用频段授权主户再次 出现，或者自身业务需求变化时它能自适应调整以做出相应的变化。 重构功能： 要求认知无线电系统能够在不修改硬件部分的同时可以在不中断工作的情 况下调整发射机工作参数的能力。 传输参数的重新配置可以在通信一开始时进行， 也可以 在整个通信的过程中执行。 可重构性使认知用户能够很容易的适应动态的无线环境。 由于 频谱特性的多样性，认知用户切换到不同的频段需要相应地调整其相关参数，包括传输、 接收参数，相应通信协议中参数及所用的调制方式等。 1.3 认知无线电的关键技术认知无线电的关键技术 1.3.1 频谱感知技术 频谱感知的目的就是找出在时域、频域、空域上的空闲的频谱，发现频谱空洞，使非 授权用户能够发现授权频段内的空闲频谱资源加以利用。 这是认知无线电与其他无线电的 根本区别。 频谱感知技术是整个认知无线电技术应用的基础和前提， 是认知无线电的关键 技术之一。 高效的频谱感知技术不仅能有效的发现空闲频段供感知系统使用， 还能减小对 授权系统的干扰。 现有的频谱感知技术可以分为单用户频谱感知和协作感知， 单用户频谱感知常用的几 种检测方法有匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳特征检测11。由于在截获信号的过 程中， 不可避免地会受到多径和阴影衰落等干扰因素的影响， 所以单个用户的感知结果可 靠性不高。针对单个用户在检测的过程中隐蔽终端、灵敏度不高等问题，协作频谱感知可 以有效地解决这些问题。 1.3.2 动态频谱管理技术 与传统的无线通信系统不同，认知无线电需要工作在已经划分给其他用户的授权频 段，而认知无线电通过频谱感知功能找到的未被使用的频谱空洞可能分散在很广的频域 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 上，它们具有不同的中心频率、带宽等动态频谱特征，并且能被使用的时间也不一样。所 以 导 致 了认知无线电需要具备特定的动态频谱管理 / 分配（dynamic spectrum management/allocation, dsm/dsa）功能。能够支持动态的、智能的和合理有效的分配策 略，能够最大化地利用有限的无线频谱资源，从而提高频谱资源的使用效率，减少不合理 的情况出现。 目前基于 cr 的 dsa 的研究主要是基于频谱池共享这种方式12。它的基本思想是将 一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池， 并将其划分为若干个子信道， 则 信道是频谱分配的基本单位。 1.3.3 数据传输技术数据传输技术 数据传输技术对于认知无线电系统实现利用频谱空洞进行通信， 从而提高频谱资源利 用效率这一目标非常关键。 由于认知无线电网络中的可用通信信道通常是不稳定的， 载波 频率和带宽会随着时间及空间的改变而改变， 因此认知无线电的数据传输技术必须能够灵 活稳健的适应信道状态的持续变化。 ofdm 技术是一种比较成熟的无线传输技术，由于 ofdm 技术可以较好地解决高速 无线移动通信中的抗多径干扰和宽带传输的问题，其应用日益广泛，同时，它支持灵活的 选频方案，因此可以成为实现认知无线电系统的良好方案。 1.4 认知无线电的国内外发展现状认知无线电的国内外发展现状 认知无线电技术作为提高频谱利用率的解决方法，被认为是未来无线通信领域的“下 一个大事件”。目前，认知无线电技术的研究和开发是无线通信领域的一个热点，一些国 际化标准组织已着手制定相关标准以推动认知无线电技术的发展， 此外， 一些大学和科研 机构也较早投入到认知无线电技术研究当中。 ieee802 委员会于 2004 年 11 月正式成立 ieee802.22 工作组13，致力于研究建立固 定的点对多点的无线区域网（wireless regional area network, wran）标准，这是第 l 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。802.22 标准工作组于 2005 年 9 月完成了对 wran 的功能需求和信道模型文档， 2006 年开始对各个公司提交的提案进行 审议和合并，并于 2006 年 3 月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础。2008 年颁布 了最终的标准。 美国国防高级研究计划局专门设立了xg下一代网络项目开展动态频谱接入和感知无 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 6 线电网络的系统结构和关键技术研究14，以实现基于认知无线电技术的动态频谱应用。 该计划中设计了自适应频谱系统原型，预计将使频谱的利用率增加 10 倍。 瑞典皇家工学院的无线系统研究中心（wirelesskth）是认知无线电的发源地， josephmitola 博士于 1999 年提出认知无线电概念，并系统研究设计了无线电知识描述语 言（rkrl） ，目前该中心主要集中在动态频谱接入和软件无线电方面。 美国维吉尼亚理工大学有两个研究群体在进行认知无线电技术研究开发。 一个是维吉 尼亚理工大学的移动和便携无线电技术研究组15利用博弈论（game theory）研究认知无 线电网络和分布式无线资源管理方案； 另一个是维吉尼亚理工大学的无线通信中心提出基 于遗传算法的生物启发感知模型， 其适于可快速部署的灾难恢复通信系统， 并通过硬件控 制方案实现了一个认知无线电演示平台16。 美国加州大学 berkeley 分校也有两个研究群体参与认知无线电技术研究开发。一个 是 berkeley 无线研究中心主要研究物理层的设计和实现；另一个是无线基础研究组 （wireless foundations）主要集中在认知无线电的物理层，研究了物理层实现的一些限制 问题17。 美国乔治亚理工学院的宽带无线网络实验室开发实现了一个基于 ofdm 传输技术的 认知无线电平台18，采用双模（dual-mode）频谱共享构架，既能接入现有网络也能同认 知网络协作。 德国 karlsruhe 大学的通信工程研究所主要研究频谱池（spectrum-pooling）技术3,19， 并承担德国国家研究基金项目 takoko。 在国内，虽然认知无线电方面的研究起步比较晚，但也受到高度重视，2005 年国家 863 计划首次支持了认知无线电相关项目，并对其中关键技术进行研究。成都电子科技大 学、西安交通大学和西安电子科技大学于 2005 年开展 863 计划有关认知无线电技术的研 究。2008 年国家自然科学基金信息科学部根据通信领域发展需求，在认知无线电领域设 立重点项目群， 对无线频谱环境认知理论与技术， 基于认知无线电的通信抗干扰理论与技 术， 基于认知无线电的中继与协同通信研究， 基于认知的无线资源动态管理与利用等方面 进行研究。中兴、华为公司也参与认知无线电相关技术的研究，参与了 ieee802.22 的标 准制定相关工作。 中国移动通信公司对国内相关的频段频谱使用状况进行了测量， 并对认 知无线电系统中的频谱感知、 频谱分配、 频谱管理及相关的系统架构等问题进行了理论研 究。 目前能高效、 动态、 即时的认知无线电技术还有待研究， 有必要研究相应的关键技术。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 7 1.5 本文的主要研究内容和结构安排本文的主要研究内容和结构安排 本文主要以基于ofdm的认知系统为研究对象，研究了基于ofdm的周期频谱感知， 包括感知帧结构的设计及周期感知中参数的优化问题，并通过仿真来验证理论分析的正确 性。此外，针对基于ofdm的多认知用户与主用户频谱共享问题，研究了pcp-ofdm系统 以及基于该系统的频谱感知及用户识别算法。本文的主要章节安排如下： 第一章，介绍了认知无线电的研究背景和意义，认知无线电的关键技术，对认知无线 电的发展现状做了简要概述，随后介绍了全文的主要工作。 第二章，介绍了认知无线电的物理层技术，包括频谱感知技术和自适应传输技术。简 要介绍了常用的单用户频谱感知技术和ofdm传输技术的基本原理，分析了ofdm系统从 发射端生成信号到接收端解调信号的过程，为后续章节的展开做了理论铺垫。 第三章，首先对不加循环前缀的ofdm系统进行了分析，并据此提出一种改进的认知 用户ofdm感知帧结构。然后推导出认知用户的帧长-吞吐量关系式，并对此关系式进行分 析确定帧长的选取问题。通过仿真证明改进的感知帧结构的可行性。 第四章，研究了用认知无线电发射机辨识和系统参数编码而成的预编码序列代替传统 循环前缀的ofdm系统，并研究了针对采用该系统的主用户和其他认知用户进行感知和识 别的方法，利用本地pcp参考与接收信号的相关性进行信号检测，通过仿真验证检测方法 的性能。 第五章，对全文的工作进行总结，并对未来研究工作进行了展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电物理层技术概述 8 第二章第二章 认知无线电物理层技术概述认知无线电物理层技术概述 2.1 频谱感知技术频谱感知技术 认知频谱感知技术是实现动态频谱共享的关键，是感知无线电的两大核心技术之一。 频谱感知主要包括两方面的内容， 一是对感兴趣的频带进行感知检测， 判断该频带中是否 存在主用户信号， 从而确定该频段是否可用； 二是在认知用户使用授权频带的过程中周期 性的检测周围无线电信号， 一旦发现主用户信号， 就要立刻腾出信道以避免对主用户通信 造成干扰。 单用户频谱感知常用的几种检测方法有匹配滤波器检测11、能量检测11和循环平稳 特征检测11，都属于主用户发射端检测。检测模型是一种二元假设模型 0 1 : ( )( ) : ( )( )( ) hy tw t hy thx tw t (2-1) 其中，( )y t是认知用户接收到的信号，( )w t表示加性高斯白噪声，( )x t是主用户信号，h 表示信道衰减系数， 0 h 和 1 h 分别表示主用户信号不存在和存在两种假设。 2.1.1 匹配滤波器检测 当感知用户知道主用户的先验信息（如调制类型、帧格式等）时，检测的最优算法是 匹配滤波器检测算法。匹配滤波器检测框图如图 2-1 所示 20。 ( )y t ( )x n 01 hh或 图 2-1 匹配滤波器检测框图 检测统计量为 * n ty n x n (2-2) 假定( )x n已知，将检测统计量t与预先设定的门限值进行比较，如果大于门限值判 为存在主用户信号，反之，判为主用户信号不存在。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电物理层技术概述 9 假设( )x n是高斯信号，由于检测统计量t是高斯随机变量的线性组合，所以它也服从 高斯分布，即 2 0 2 1 :(0,) :( ,) w w htn htn (2-3) 式中， 2 w 是高斯白噪声的方差， 2( ) n yn为信号的能量。 2.1.2 能量检测 由于匹配滤波器检测要求信号的先验信息以及严格要求的同步， 而在大多数情况下是 不能够满足的。此时可以考虑能量检测算法，它能够适用于任何类型的信号。传统的能量 检测如图 2-2 所示 2 ( )y t 01 hh或 图 2-2 传统能量检测算法 先将信号通过一个低通滤波器来滤除带内噪声和相邻信号，然后依次经过 a/d 转换 器，平方器和抽样求和后，得到检测统计量t，可表示为 2( ) n tyn (2-4) 在图 2-2 所示的传统能量检测算法 21中，判决统计量服从如下的卡方分布20 2 2 2 0 2 1 : :(2 ) tw tw ht ht (2-5) 其中， 2 2 tw 表示自由度为2tw的中心卡方分布， 2 2 (2 ) tw 表示自由度为2tw，非中心 参数为2的非中心卡方分布，为主用户信噪比（signal-to-noise ratio, snr），tw表 示观测时间与感兴趣频带带宽的乘机。 2.1.3 循环平稳特征检测 数字调制信号一般都经过了加载波、加脉冲序列、重复性扩展、调频以及加循环嵌缀 等处理，而使得信号内部存在周期性。表现为均值和自相关函数都随时间周期性变化，因 此可以利用主用户信号的这种内在周期性 22，实现平稳噪声背景下的主用户信号检测。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电物理层技术概述 10 自相关函数具有周期性，可以展开为傅里叶级数 20 2 ( , )( ) jt xx r tre (2-6) 其中， 2 2 2 1 ( )( , ) t jt xx t rr tedt t (2-7) 称为循环自相关函数（cyclic autocorrelation function, caf） 。t为循环周期， :( )0 x r ，为二阶循环频率。/(1,2,)n t n称为信号的循环频率，其中 n=1 时称为基本循环频率。0时，循环自相关函数就是传统意义上的自相关函数。 循环自相关函数的傅里叶变换定义为谱相关函数（spectrum correlation function, scf），可表示为 2 ( )( ) jf xx sfred (2-8) 假设信号和噪声互不相关， 高斯噪声在二阶信号频率上不呈现谱相关特性， 即在0 处，其谱相关函数恒等于零。而主用户的调制信号表现出循环平稳特征，干扰信号往往表 现出与主用户信号不同的循环平稳特征。因此，循环平稳特征检测最大的特点就是能够区 分主用户信号、噪声和干扰信号的能量。此外，循环平稳特征检测在低信噪比下仍然具有 良好的检测性能。 2.2 自适应传输技术自适应传输技术 在一般的自适应传输系统中，通信频段固定且连续，而在认知无线电系统中，认知用 户所使用的信道资源并不是固定分配的， 且可能是不连续的， 并在通信过程中可能会不断 变化。认知无线电的自适应传输技术要能适应这些特点。 ofdm 是一种特殊的多载波传输方案23-25，它能够灵活地选择子载波、调整发射功 率，非常适于认知无线电系统。 2.2.1 ofdm 技术基本原理 ofdm 是一种适用于多径环境和频率选择性衰落信道中的高速数据传输技术。无线 信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而 ofdm 技术的主要思想就是在频域内将给定信 道分成许多正交的子信道， 将高速数据信号转换成并行的低速子数据流， 在每个子信道上 使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输26。这样，尽管总的信道是非平坦 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电物理层技术概述 11 的， 具有频率选择性， 但是每个子信道是相对平坦的， 在每个子信道上进行的是窄带传输， 信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的码间干扰。 由于在 ofdm 系统中各个子信道的载波在时域相互正交， 它们的频谱是相互重叠的， 这样就不但可以避免子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率27。而且子载波虽 然在频域相互混叠，确仍能在接收端被分离出来。ofdm 系统的调制和解调框图如图 2-3 所示。 0 d 1 d 1n d s t 0 d 1 d 0 d 1 jw t e 1 jw t e 0 jw t e 0 jw t e 1n jwt e 1n jwt e 图2-3 ofdm系统框图 一个 ofdm 符号内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以 受到相移键控（phase shift keying, psk）或者正交幅度调制（quadrature amplitude modulation, qam）符号的调制。如果n表示子载波的个数，t表示 ofdm 符号的持续时 间，0,1,1 i d in是分配给每个子信道的数据符号， c f 是第 0 个子载波的载波频率， c i f t 是第i个子载波的载波频率，矩形函数 1,2rect ttt，则从 s tt开始的 ofdm 符号可以表示为23 1 0 reexp2, 2 n iscsss i it s td rect ttjftttttt t (2-9) 一旦将要传输的比特分配到各个子载波上， 某一种调制模式则将它们映射为子载波的 幅度和相位，通常采用如下等效基带信号来描述 ofdm 的输出信号 1 0 exp2 2 n issss i i t s td rect ttjtttttt t (2-10) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电物理层技术概述 12 对于n较大的系统来说，式（2-9）中的 ofdm 复等效基带信号可以采用离散傅里叶 反变换（inverse discrete fourier transform, idft）方法来实现23，信号在时域和频域均被 抽样。为了简便叙述，令式（2-9）中的0 s t ，并忽略矩形函数，对信号 s t以t n的速 率进行抽样，即令0,1,1tkt n kn，则得到 1 0 2 exp01 n ki i ik ss kt ndjkn n (2-11) 可以看到 k s 等效为对 i d 进行 idft 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号 i d ，可以对 k s 进行逆变换，即离散傅里叶变换（discrete fourier transform, dft）得到 i d 1 0 2 exp01 n ik k ik dsjin n (2-12) 根据以上分析可以看到， ofdm 系统的调制和解调可以分别由 idft 和 dft 来代替。 通过 n 点的 idft 运算， 把频域数据符号 i d 变换为时域数据符号 k s ， 经过射频载波调制后， 发送到无线信道中。 其中每个 idft 输出的数据符号 k s 都是由所有子载波信号经过叠加而 生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的23。 在ofdm系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅里叶变换/反变换28（fast fourier transform/inverse fast fourier transform, fft/ifft）实现调制和解调，从而可以大 大简化系统实现的复杂度。 2.2.2 保护间隔和循环前缀 ofdm 可以有效地对抗多径时延扩展。为了最大限度地消除由于多径时延所产生的 符号间干扰（inter-symbol interference, isi），在每个 ofdm 符号之间插入保护间隔29 （guard interval, gi） ， 并且该保护间隔长度 g t一般要大于无线信道的最大时延扩展， 这样 一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 在这段保护间隔内， 可以不插入任何 信号，即是一段空闲的传输时。然而在这种情况下，由于多径传播的影响，则会产生载波 间干扰（inter-carrier interference, ici） ，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波 之间产生干扰23。如图 2-4 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电物理层技术概述 13 图 2-4 多径情况下载波间正交性遭破坏 从图 2-4 可以看出，由于在 fft 积分时间长度内，第一个子载波和第二个子载波之 间的周期之差不再是整数，由上面正交性证明知，这两个子载波不再正交，所以当接收机 试图对第一子载波进行解调时，第二子载波会对第一子载波造成干扰。 为了消除由于多径所造成的 ici， 1980 年 peled 和 ruiz 把循环前缀 （cyclic prefix, cp） 的概念引入 ofdm 以解决正交性问题。在 ofdm 保护间隔内填入循环前缀符号，即将一 个 ifft 变换后的 ofdm 符号的最后 g t个样本复制到 ofdm 符号序列的前面，形成循环 前缀，如图 2-5 所示。这样就可以保证在 fft 的运算时间长度内，ofdm 符号的延时副 本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔 g t的时延信号就不会 在解调过程中产生 ici。 ifft tg t g t 图2-5 循环前缀的引入 2.2.3 ofdm 系统的矩阵表示 ofdm 系统的并行传输的优点是降低了单个子载波上的符号传送率，这可以降低系 统对符号间干扰以及无线多径信道的敏感度，从而简化接收端的均衡器结构。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电物理层技术概述 14 串 并 变 换 n 点 ifft 并 串 变 换 加 循 环 前 缀 x 0 1 1n 0 1 1n x 数 模 变 换 多径传播 h(t) 并 串 变 换 n 点 fft 串 并 变 换 去 循 环 前 缀 r 0 1 1n 模 数 变 换 0 1 1n x r r 图 2-6 利用 idft（ifft）实现的 ofdm 系统框图 基于 dft 的 ofdm 系统框图如图 2-6 所示。用0,1,1 l hll表示静态信道冲击 响应， 0 ,1 ,1 t xxx n x表示需要传输的包含n个数据的符号序列，频域信 号x先经过傅里叶反变换（idft）得到时域信号 0 ,1 t xx n x，即30 h xd x (2-13) 其中， 1 0 12 exp0,1 n k k kn x nxjnn nn ，d是nn维的傅里叶变换矩阵， 且它的第,1,2,mn m nn个元素可以表示为： , 2111 exp m n mn j nn d (2-14) 将x的后1l个符号作为循环前缀插入信号x的前面，构造出符号序列 x 并进行传 输。因此，发送的 ofdm 符号序列为 1 ,1 ,0 ,1 t x nlx nxx n x (2-15) 经过多径信道和加性高斯白噪声影响的接收信号，经过 a/d 变换后得到长度为 1nl的接收序列 (1) ,1 ,0 ,1 t rlrrrn r。来自上一个 ofdm 符号的符号间干扰 isi 只会对接收序列的前1l个样点形成干扰， 因此将前1l个采样点 去掉，就可完全消除 isi 的影响。则得到 0 ,1 t rrn r，满足 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 认知无线电物理层技术概述 15 s erhxn (2-16) 其中， s e 是发射机在时间t内的平均有效能量，h是由信道冲击响应组成的 1nnl维的 toeplitz 矩阵 110 110 110 110 000 000 0 000 0000 l l l l hhh hhh hhh hhh h (2-17) 由式（2-15）可以看出，如果不加保