（通信与信息系统专业论文）认知无线电场景中的变换域通信系统研究.pdf

摘要 摘要 认知无线电( c 0 9 【l i t i v e r 础o ，c r ) 技术已经成为解决现有频谱资源短缺的非 常有前景的技术。虽然o f d m ，0 f d m a ( o n h o g o n a lf r c q u e i l c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n o m l o g o n a lf r e q u 锄c y d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 技术已经成为了认知 无线电技术中的主流数据传输技术，但是适合认知无线电应用场景的信令传输技 术和信令机制仍然没有合适的方案。 本文研究了一种频谱自适应收发机技术变换域通信系统( t r a l l s f 0 皿d o m a i n c o m m u i l i c a t i o ns y s o e i i l ，t d c s ) ，已有的t d c s 文献中并未给出t d c s 信号的数学 模型，为此本文给出了t d c s 信号的数学模型，进而提出了基于o f d m 的7 r d c s 以及基于交织o f d m 的t d c s 。和传统的t d c s 相比，基于o f d m 的t d c s 与 现有的o f d m 0 f d m a 技术有更大的兼容性，可以使用成熟的o f d m 同步和信 道估计技术，以及使用基于f t ( h l v e r s ef a s tf 0 l l r i e rt r a n s f o m ) 的快速解调方 案，同时可避免采用复杂的蛾e 接收机。而基于交织o f d m 的t d c s ，通过交 织，将连续分布的可用频谱等效的转换为随机分布的可用频谱，从而得到b e r ( b i t e i m rr a i e ) 性能的提高。根据基于交织o f d m 的t d c s 模型，本文接着分析了 其在a w g n 信道中，单用户和多用户情况下的b e r 性能，得到了近似的b e r 公 式。仿真结果表明，公式和实际的仿真性能曲线吻合得很好。 由于实际场景中的通信系统大多是传输已编码的数据，本文不仅讨论了编码 t d c s 的软解调，还给出了基于0 f d m 的t d c s 信号在衰落信道中的软解调方案， 并且进而给出了基于i f f t 的快速实现。和硬解调相比，该方案只有较小的复杂 度增加，但是却能输出软信息，实现软译码和迭代译码。在i e e e8 0 2 2 2p r o f i l ee 信道中的仿真结果证实了软解调方案的优越性。 此外，本文提出了基于0 f d m 的t d c s 的一种应用场景认知无线电中的信 令交换。通过分析认知无线电场景中的检测结果的特性，提出了一种基于检测结 果交换的信令传输机制，并从信息论的角度证明了交换检测结果的必要性。该信 令传输机制包括可实现的单链路算法和多用户接入流程。最后对信令传输机制的 选择作出了分析，提出使用基于o f d m 的n ) c s 作为该信令机制的传输方案。 关键词：认知无线电，变换域通信系统，软解调，信令交换 i a b s 仃丑c t a b s t r a c t c o 弘i t i v ef a d i oh a se m e r g e da so n ep r o m i s i i l gt c c l 皿q u eo fs o l v i n gc 1 1 r r t s p 咖r e s o 蝴s c a r c 晦a l t l l o u 曲o f d 删o f d m ah a sb e e i ld e c t e d 嬲舭m a i n 仃e i l dt e c i l n o l o g yo fd a t a 仃甜l s i i l i s s i o ni nc o g n i t i v er a d i o ，也e r ci sn o tas u i t a b l es o l u t i o n f o rs i g n a l l i n g 仃a i l s m i s s i o na n dm e c h a i l i s mi nm ec o g n j 垃v e 船d i oc o n t e x t t 1 1 i st l l c s i si i l v e s 垃g a t e so n e s p e c t n l ma 舀l e 乜捌衄c c i v c rt e c h i l o l o g y 一由r a i l s f o r n l d o m a i nc o m m u i l i c a t i o ns y s t e m c l 瑚r e n tt e c h i l i c a l1 i t e r a t l l r ed o e sn o tp r e s e n tm es i g n a l m o d e lo ft d c s ht h i st l l e s i s ，t h em a t h e l i l a t i c a lm o d do ft d c ss i 弘a “sp r e s e n t c d ， a n do f d m - b a s e d ) c s锄d 曲t 刚e a v e do f d m - b a s e d + t d c sa r c p r o p o s e d s u b s e q 【u e i l n y c o m p a r e dw i mc o n v t i o n a lt d c s ，0 f d m - b a s e dt d c sh a s 孕e a t c r c o n l p a f i b i l n y w i ma 埘e i l t0 f d m o f d m at e c l l i l o l o g y ， a d 叩协m a t l 】r e o f d m s y i l c h r o i l i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o n 蛐l o 百e s ，l l s e s 风td e n l o d u l a t i o na l 鲥咖n s b 觞e do n f 1 j 髓de l i m i n a t e sc o m p l e x u r e c e i v 睨n e d e a v e d0 f d m b a s c d t d c sc a n 仃a n s f b 咖c o n t i n u o l l ss p e c t n l ma v a i l a b i l i t yi n t or 锄d o ms p e c 衄h 1 1a v a i l a b i l 埘 b yi n 矧e 衲g ，t h 础yi m p r o v i i l gb e rp e r f b m a i l c ci nm ec a s eo fc o n t i n u o l l s s p e c t n 】 i i la v 枷a b i l i 够s i n 西eu s e ra i l dn m l t i u s c rb e rp e r f o 彻a i l c e so fi n t e r l e a v e d o f d m - b a s e dt d c sa r ca l s oi n v e s t i g a t c di nt h ea w g nc h a n n e l t h ea p p r o x i i l l a t eb e r f o 衄m aa n db e rl o w e rb o u n df o m m l aa r ed e r i v e d s i m u l a d o nr e s u l t sv a l i d a t et 1 1 e c o r r e c t n e s so f b o t l lf o n n u l 勰 h lm o s to fm ep r a c t i c a ls c e n a r i o s ，m e 垭m s i n i td a 组a r ec o d e d ；m e r e f o f e s o m d e m o d u l a t i o no fc o d e dt d c ss i 印a l sa r ei n v e s t i g a t e di i lt h i sn l e s i s m o r e o v s o 小d e m o d u l a t i o na l g o r i 伽no fo f d m - b a s e dt d c si nm ef 甜i n gc h a n n e l i sp r o p o s e d ， a z l dc o 玎e s p o n d i n g 缸ti m p l e n l e l l t a t i o nb a s c do ni f f ti sa l s od 鲥v e d c o m p a r e dw i l h h a r d d e m o d u i a t i o i l ，t t l i sa l g o r i t l l n lt r a d e s1 i 仕1 ec o m p l e x 时i n c r e a s ef o rs o no u t p 此a 1 1 d m a k i tp o s s i b l ef o rs o f ta n di t e r a t i v ed e c o d i n g i t s 哪硎耐t yi v a l i d a t e di i lm ei e e e 8 0 2 2 2p r o f i l ecc h a n l l e l h la d d i t i o n ，姐印p l i c a t i o ns c e n a r i oo fo f d m - b a s c dt d c s ，s i 弘a l l i n gc x c h a 士l g ei 1 1 m ec 0 盟m v er a d i oc o n t e x t ，i sp m p o s c di i l “sp a p s e n s i n gs t a t i s t i cc h 雏a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e d c o i l s e q u e n t l mas i 盟a 1 1 i n gm e c h a l l i s mb a s e do ne x c h a l l 百n gi sp m p o s e d ，a n d n a b s c 瑚【c t 州i d a t e d 丘d ma ni n f o r r n a t i o nt l l e o r e t i c p e r s p e c t i v e t r k s m e c h a l l i s mi n c l u d c s i m p l e m e l l t a b l es i i l 西el i n ka l g o r i m ma n dm l n l i p l ea c c e s sm e c h a l l i s m t h es i 龋棚i n g 妇n s 埘s s i o nc a n d i d a f er e q u i 瑚l 锄t sa r ea l s od i s c u s s e d 粕do f d m - b a s e dt d c si s p r o p o s e da sap r o i l l i s i n gc a l l d i d a t ef o r 也es i 辨a l l i n gt r a i l s m i s s i o n k e y w o r d s ：c o 鲥t i v er a d i o ，1 r 觚s f o 姗 d o m a i nc o 舢u n i c a t i o n s y s t c i n ， s o f 一d e m o d u i a t i o n ，s i 弘a i i i n ge x c h a i l g e i 图目录 图目录 图2 1 传统t d c s 发射机框图6 图2 2 传统t d c s 接收机框图7 图2 3 随机相位映射过程8 图2 4 基于o f d m 的t d c s 发射机框图9 图2 5 基于o f d m 的t d c s 接收机框图：1 0 图2 6 连续频谱使用和随机频谱使用示意图1 3 图2 7 几何解释1 3 图2 8 连续频谱使用和随机频谱使用的搜索范围矢量。1 4 图2 9 基于交织o f d m 的t d c s 发射机框图1 5 图2 1 0 基于交织o f d m 的t d c s 接收机框图1 5 图2 1 1a w g n 中全部频谱可用的性能曲线2 2 图2 1 2 a w g n 中1 2 频谱可用的仿真和理论近似曲线2 2 图2 。1 3a w g n 中l 2 频谱可用仿真和理论下限曲线2 3 图2 1 4m e e8 0 2 2 2p r o m ec 信道中全部频谱使用的性能曲线一2 3 图2 1 5i e e e8 0 2 2 2p m f i l ec 信道中1 2 频谱使用的性能曲线2 4 图3 1 编码的基于o f d m 的t d c s 发射机框图2 5 图3 2 编码的基于o f d m 的t d c s 硬解调接收机框图2 6 图3 3 编码的基于0 f d m 的t d c s 软解调接收机框图3 0 图3 4 理想信道估计情况下的性能二3 1 图3 5 实际信道估计情况下的性能：3 1 图4 1 移动台和基站的检测结果示意图3 4 图4 2 认知无线电信道模型3 5 图4 3 三种信道的容量比较二3 8 图4 4 单链路接入机制流程图o 。4 0 图4 5 交换机制描述一4 l 图4 6 简化了的单链路接入机制流程图4 2 图4 7 多用户接入机制示意图4 2 图4 8 不同的覆盖范围4 3 图目录 图4 9 不同发射功率的影响4 4 图4 1 0 成功交换之后得到的性能增益4 5 图4 1 1s n r 一1 2 d b 时算法的收敛性4 6 图4 - 1 2s n r 产1 3 d b 时算法的收敛性。4 6 v 缩略词表 k 戳g 嗵 b e r b s b s c c c s k c d m a c r c s m a ，c a d a r p a d s p e 2 r f c c i d f r i f f t n u l f s r l l r m a c m r r c m 8 o c o f d m 缩略词表 a d d i t i v e ，l l i t eg a u s s i a nn o i s e b i te l r r a t e b a s es t a t i o n b i n a r ys y r n m e 缸cc h a l l i l e l c y c l i cc o d es 1 l i f tk e y i n g c 0 d ed i v i s i o nm u l d p l ea 。c c c s s 。 c o g n i t i v er a d i o c 捌e r s e l l s i n gm u l t i p l e a c c e s s c o u i s i o n a v o i d a n d e 筋c ea d v a l l c e dr 船e a d c hp r o j e c t sa g e n c y d i 百t a ls i 弘a lp r o c e s s o r e n dt 0e n dr j o n f i g l l 瑚【b i l i t y f e d e r a lc 伽舢1 i l j c a t i o l l sc o 删n i s s i o n m v e r s ed i s c r e t ef o u f i e ft r a n s f o r r n i n v e r s ef a s tf o u r i e r1 y a l l s f o 皿 m t e m a t i o n a lt b l e c o n l m l l n i c a t i o nu i l i o n l i l l e a rf d b a c ks h i rr e 百s t c r l o g - l i k e i i h o o dr a t i o m e d i 眦a c c e s sc o n 虹d l m a 】【i i n l l l n r a t i or e c e i v e rc o m b 如g m o b i l es t a t i o n o 劬o g o n a lc o d i n g o n l l o g o n a lf r 。q u e l l c yd 衲s i o nm u l t i p l e x i n g i i 加性白高斯噪声 误码率 基站 二进制对称信道 循环码移键控 码分多址 认知无线电 载波侦听多路访 问碰撞避免 国防高级研究计 划署 数字信号处理器 端到端可重构 联邦通信委员会 离散傅立叶逆变 换 快速傅立叶逆变 换 国际电联 线型反馈移位寄 存器 对数似然比 媒体接入控制 接收端最大比合 并 移动台 正交编码 正交频分复用 缩略词表 o f d m a o n l l o g o n a if r 。q u e i l c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c s s d r s t b c t d c s i 肿 v h f ，u h f w i m a x w r a n x g s 0 竹w a f ed e f i n e dr a d i o s p a c et i m eb l o c kc o d i n g t r a n s f o n nd o m a i nc o i l i c a t i o ns y s t e m u l t r a - w i d eb a n d 、，哪h i 曲f r e q u e l l c y 舢1 舰h i 曲f r e q u e n c y w j d dh l 缸o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w i r e l e s sr e 百o n a la r e an e 柳o r k n e x tg e i l e m t i o n 正交频分多址接 入 软件无线电 空时编码 变换域通信系统 超宽带 甚高频超高频 微波接入全球互 操作性 无线区域网 下一代无线通信 缩略词表 符号类别 变量 矢量 转置 共轭 转置共轭 长度为的全l 列矢量 矢量对应元素相乘 矢量循环卷积 符号表 x 字体和说明 小写斜体 小写粗体 剃a a盯盯叫姗 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。 日期：h 1 年占月斗日 关于论文使用授权的说明 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 盘厂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) 日期： 年6 月斗日 第一章绪论 第一章绪论 众所周知，无线频谱是无线电通信中一种宝贵的自然资源，一般采用固定分 配的方式，由政府机关授权使用。由于通信行业的迅速发展，无线频谱资源贫乏 的问题日益严重，尤其是在频率需求非常紧张的数百m h z 3 g h z 无线频带中。然 而，实际测量数据表明，大多数频段的频谱并没有被充分使用【1 1 。一些频带大部分 时间内并没有被任何用户使用，另有一些只是偶尔才被占用，其它频带使用竞争 则相对很激烈。怎样才能提高频谱利用率已经成为人们非常关注的技术问题。 通过在合适的时间和地点让其它用户( 那些没有被授权的用户) 接入到没有 被主用户( 授权用户) 占用的频谱段，频谱的低效使用可以得到改善。频谱管理 机构指定的频段所有者享有优先权，其它设备在这些频段空闲时才可以分享它们。 要做到这一点，就要教会“认知无线电”设备与其附近的其它设备进行协商。协 商本身也要利用带宽，并且要遵守一定的规则，就像要转换车道的汽车一样。 基于上面的考虑，业界提出认知无线电( c o g n j d v er a d i o ，c r ) 2 3 】，作为一 种提高频谱使用率的手段。 1 1 研究背景及意义 1 1 1 软件无线电和认知无线电 理想的软件无线电电台是一个有能力支持多重空中接口和协议的多波段无线 电台，它的所有功能都由软件在通用的处理器上定义。现实中可实现的软件无线 电是理想软件无线电的一个折衷方案：它是在现有的技术条件下利用专用集成电 路、现场可编程门阵列、数字信号处理器和通用处理器适当混合来实现的。 认知无线电系统能感知环境，并能智能的调整系统的参数适应用户的要求。 认知无线电可以看作是带有“认知引擎( c o g n i t i v ee 1 1 西n e ) ”大脑的软件无线电。 在概念上，认知引擎通过配置系统的发射波形、通信协议、工作频段和网络来对 操作者的命令作反应，它同时不停的监视自己的性能，通过观察接收机的输出来 确定射频环境、信道条件、链路性能等，同时通过调整系统的设置来使得业务质 量满足用户要求、操作规范和管理限制。 电子科技大学硕士学位论文 在实际的经济、政治和商业环境下满足这些要求需要发展一种经济上可以承 受的系统。它应该 ( a ) 有足够频率、波形自适应能力来和其它现存的调制技术共存； f b ) 有能力作为使用不同调制技术网络之间的网关【5 1 ； 有充足的智能来发现可用频谱、配置系统并开始工作。 软件无线电满足( a ) 和( b ) ，因为它的工作频段和波形是由软件控制的，更 换不同的调制方式和协议只需要更换不同的代码。认知无线电加入了在( c ) 中的 智能。 目前，人们对认知无线电和软件无线电的关系基本达成共识：软件无线电具 有相当的灵活性，但与认知无线电相比，缺乏一定的智能。二者主要区别在于； 软件无线电的工作参数由软件控制，允许通过编程来改变硬件平台支撑的收发机 工作频率和调制方式；认知无线电能基于同工作环境的交互来改变电台参数，这 些交互包括主动的与频谱使用者协商和通信，和或被动的频谱检测判决。认知无 线电的实现不一定需要软件无线电的支撑1 4 】，但如果借助于软件无线电，则认知无 线电会具有更多潜在的优势【5 】。 1 1 2 认知无线电研究背景 认知无线电的概念起源于1 9 9 9 年j o s 印hm i t o l a 博士【6 】r ”的奠基性工作，其核 心思想是认知无线电具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该 空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。 c r 的学习能力是使它从概念走向实际应用的真正原斟踟。有了足够的人工智 能，c r 就可能通过过去的经验来对现在的实际情况进行实时响应，过去的经验包 括对信号盲区、干扰和使用模式等的了解。这样，c r 有可能赋予无线电设备根据 频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。随着许多c r 相 关研究的展开，对c r 技术存在多种不同的认识。最典型的一类是围绕m i t o l a 博 士提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开研究，他们强调软件无 线电( s o 胁a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 是c r 实现的理想平台。 当前，在频谱政策管理部门的带动下，一些组织开始开展c r 技术的标准化工 作，并先后制定了一系列标准以推动该技术在多种应用场景下的发展。例如，为 了将分配给电视广播的v h f 刖h f 频带的空闲频道有效利用起来，2 0 0 4 年成立的 i 髓e8 0 2 2 2 工作组开始制定对基于c r 的无线区域网络( 、) l 陆e l e 船r e 西o n a ia r e a 2 第一章绪论 n 前啪r k 、脉a n ) 的空中接口标准，目前已经推出了标准的草案m e e8 0 2 1 6 工作组正在着手制定m e e8 0 2 1 6h 版本标准，致力于改进如策略、m a c 增强等 机制以确保基于w i m a x ( w 0 1 1 dn e r o p e r a b i l 时f o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 的免授权 系统之间、与授权系统之间的共存。此外，r r u ( i n t 哪a t i o n a lt e l e c o n n u l l i c a i i o n u i l i o n ) 也在努力寻找类似c r 的频谱共享技术。 受c r 的潜力及其在无线电领域公认的“下一件大事情”的激励，国内外大学 和一些科研机构也开始投入到认知无线电技术的研究当中。 u cb 删e y 大学的a i l a l i ts a h a i 等人专注于认知无线电技术的可行性研究，他 们试图解决认知无线电技术应用的基本理论问题。r u t g e r s 大学的w i n l a b 实验室 在美国国家自然科学基金的资助下，与g e o 晒a i n s t i t u t e o f l 鼬n 0 1 0g ) ，和l u c t b e l l 实验室联合研发认知无线电实验平台【1 0 】【“l 。该实验室还获得了美国国家自然科学 基金的资助，研究通过认知无线电技术进行开放的频谱接入的算法和协议及其相 关技术f 1 1 】。 美国国防高级研究计划署( d a 艘a ) 资助了下一代无线通信( x g 【1 2 ”1 ) 项 目，主要研究系统方法和关键技术，以实现基于认知无线电技术的动态频谱应用； 维吉尼亚理工( 晒i l i at e c h ) 无线通信技术中心主要关注遗传算法的认知模型的 研究、基于博弈论的认知无线电研究和认知无线电节点引擎试验床的研发；英国 的移动电信技术虚拟中心开始转向认知无线电的研究，其多模终端研究小组与布 里斯托尔大学( b r i s t o lu h i v e r s 埘) 通信系统研究中心开始联手进行自适应射频技 术的研究；欧洲通信协会资助的d 黜v e 【1 4 】、o v e r d r i 【1 4 】和t r u s t 项目主要关 注在混合的多天线网络中动态的分配和流量控制，该协会同时资助的端到端重配 置( e n dt oe n dr e c o n 丘g i 】r a b i l i 戗e 2 r 【”】) 网络研究项目主要研究如何功过端到端 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，对基于认知 无线电应用的市场模型、认知无线电网络的定价策略和计费策略也进行了初步的 研究。 在国内，2 0 0 5 年启动的国家高技术发展计划中，电子科技大学、西安电子科 技大学和西安交通大学三校联合开展了有关c r 技术的研究。其它开展研究的高校 包括清华大学、香港科技大学、哈尔滨工业大学等。 1 1 3t d c s 研究背景 变换域通信系统( t r a l l s f o n i ld o m a i nc o m m 啪i c a t i o ns y s t e m ，t d c s ) 的基本思 3 电子科技大学硕士学位论文 想是，通过在给定的频谱范围内动态改变发射信号频谱来避免用户的干扰和避免 干扰这些用户。1 9 8 8 年，g e n n a n 【1 6 】提出利用频谱占用信息修改直接序列扩频信号 的波形来避免干扰。1 9 9 1 年，h a r r i s 公司的a n d r e n 为一种低截获率通信系统申请 了专利【i 7 1 。该专利没有提供理论分析，也没有提供和功能处理相关的实现问题。 美国空军研究实验室( a i rf o r c er c s e a r c hl a b o r a t o r y ) 和空军技术学院( a i rf o r c e h l s t i t i l t eo ft e c h n o l o g y ) 采用了a n d r e n 提出的传播环境采样、波形生成的收发机框 架和g e n n 姐的发送信号处理技术【”】。该方案中的接收机使用传统的时域匹配滤波 和最大似然检测估计。之后，vc h a 虹a v a n l l y 在w c n c2 0 0 5 上提出将t d c s 作为 一种认知无线电技术( c o 鲥t i v er a d i o ，c i t ) 【1 9 】的收发机候选方案【1 9 】。 t d c s 可以使用基于傅立叶变换的、基于离散余弦变换的和基于小波变换的基 函数【2 0 l ，其调制方式可以为循环码移键控( c y c l i cc o d es h mk e y i n 岛c c s k ) 【2 i 】 和正交编码( o n l l o g o n a lc o d i n g ) 用来传送数据【2 0 】。原则上，t d c s 可以使用匹配 滤波器或相关器结构同步接收到的信号，也可以在基于c d m a ( c o d cd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 的网络中实现。但是，为了达到足够的数据吞吐量，实现t d c s 需要复杂的高速d s p ( d i 百t a ls i 班a lp r o c e s s o r ) 。 1 2 主要研究内容和贡献 本文的主要工作和贡献如下： ( 1 ) 给出了t d c 8 信号的数学模型，并在此基础上提出了基于o f d m 的t d c s 收发机方案。该收发机方案避免了r a k e 接收，与现有的o f d m 技术相 兼容，能使用成熟的o f d m 同步、信道估计技术，并能实现c c s k 频域 映射之后的交织操作，因此有良好的应用前景。 ( 2 ) 根据所给出的信号模型和收发机结构，发现在连续部分频谱使用的情况 下，随机交织能极大的改善收发机的性能，进而提出了基于交织o f d m 的t d c s 收发机方案。 ( 3 ) 针对未编码的基于交织o f d m 的t d c s ，分析单用户和多用户的b e r 性 能，在部分频谱使用的情况下给出了近似的b e r 公式和b e r 下限公式。 ( 4 ) 针对编码的变换域通信系统，提出了衰落信道中的软解调方案，并给出了 基于i f f t 的快速实现。该算法和硬解调算法相比复杂度增加不大，但是 使得整个系统能输出对数似然比信息，从而获得b e r 性能的提高。 ( 5 ) 通过分析认知无线电场景中频谱检测结果的特征，发现了收发机频谱罩 4 第一章绪论 ( m 嬲k ) 不一致的特征，进而运用信息论的方法证明了在这种情况下收发 机之间交换检测结果的必要性。 ( 6 ) 针对收发机频谱罩不一致的特征和主用户连续使用频谱的特征，提出了一 种信令交换机制，给出了可实现的接入流程，并进一步讨论了信令传输方 案的要求，提出将基于o f d m 的t d c s 作为一种恰当的信令传输方案。 1 3 本论文的结构安排 本章对认知无线电研究背景和t d c s 研究背景做了介绍，回顾了认知无线电 和变换域通信系统的发展历程。 在第二章中，本文将对未编码的变换域通信系统作讨论。首先介绍传统的 t d c s 收发机，在此基础上给出了发射信号的数学模型。通过分析，提出了基于 o f d m 的t d c s 收发机模型和基于交织o f d m 的) c s 收发机模型。根据基于交 织o f d m 的t d c s 收发机模型，分析了其在认知无线电场景中的b e r 性能分析， 包括单用户和多用户的性能分析。最后给出了a w g n 和i e e e8 0 2 2 2p r o 丘l ec 【2 6 】 信道中的性能仿真结果。 在第三章中，本文讨论了编码的变换域通信系统。首先给出了硬解调的编码 系统的收发机模型，然后分析得到了衰落信道中软解调的算法及其基于f t 的快 速实现。本章给出了该快速实现在m e e8 0 2 2 2p r o f i l e c 信道中的理想信道估计和 实际信道估计仿真结果。 在第四章中，本文提出了基于0 f d m 的t d c s 的种应用场景一认知无线电中 的信令交换。首先分析了认知无线电中频谱检测结果的特征，包括收发端频谱罩 的不一致性和主用户频谱使用连续性的特征。根据不一致的特征，从信息论的角 度证明了交换检测结果的必要性。根据不一致的特征和主用户的频谱使用连续性 的特征，提出了一种基于检测结果交换的信令交换机制，给出了可实现的单链路 算法和多用户接入流程。最后讨论了认知无线电场景中信令机制对信令传输方案 的要求。根据分析，提出将基于0 f d m 的t d c s 作为认知无线电场景中信令传输 方案，并给出了初步的仿真结果。 ， 最后一章对全文做了总结，给出了一些有待研究的方向。在全文的研究工作 中，a 1 阳n 信道中的算法验证仿真基于m a t l a b 仿真平台，所有和i e e e8 0 2 2 2 p r o 丘l ec 相关的算法验证仿真基于c o s s a p 仿真平台。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章未编码变换域通信系统 虽然vc i 出v a r n l y 在w c n c 2 0 0 5 将变换域通信系统提出为认知无线电的发 射机方案【1 9 】，但是目前获得的文献中并没有t d c s 信号的数学模型。本章给出了 t d c s 信号的数学表达式。基于信号的数学模型，提出了基于o f d m 的t d c s 收 发机方案和基于交织0 f d m 的t d c s 收发机方案，并根据信号模型和收发机信号 处理流程，分析得到了其在单用户和多用户情况下的b e r 近似性能公式和b e r 下 限公式。最后用仿真结果验证了公式的正确性。 2 1 传统t d c s 传统的t d c s 在文献 2 2 】、 2 3 】、【2 4 】和 2 5 】中有详细介绍，这里只对收发机做 简要的描述。 2 1 1 收发机模型 传统的t d c s 发射机框图如图2 1 所示。 图2 - l 传统t d l c s 发射机框图 发射机采样其工作信道的电磁环境，得到信号功率矢量。矢量中的每个元素 和预先设定的门限值比较，大于门限值的功率值对应的位置被设定为o ，小于或等 于门限值对应的位置被设定为1 ，生成的矢量记为a 7 ( ) 。信号矢量a ，( ) 和 乒 6 第二章未编码变换域通信系统 值的复随机矢量e j 卟) 按对应元素相乘得到新的信号矢量b 。( 仿1 。为了确保发射信 号矢量有相同的能量，信号乘上因子c 。得到的信号做i d f t ( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o 耵n ) 得到时域的信号矢量b ( t ) ，然后存储起来作为c c s k 调制【2 ”的基函数。 如果信道的电磁环境在一段连续的频谱估计时间间隔内恒定不变，则只在该时间 间隔起始时生成新的基函数，后续步骤使用存储器中的同一个基函数做c c s k 调 制。时域基函数做c c s k 调制后发射出去，可以使用载波发射调制以后的c c s k 符号。 传统的 c s 接收机框图如图2 2 所示。 a ( ) e j 啪) 图2 _ 2 传统t d c s 接收机框图 0 ( f ) 在多径信道条件下，接收机要采用传统的r a k e 接收机。接收机端采用与发 射机端相同的技术采样信道频谱，得到矢量a ，f ) 。接收机同时生成与发射机同步 的相同随机相位矢量e j 0 【。矢量a ，( ) 和相位矢量e 0 【”) 对应元素相乘，然后做 i d f t 和共轭运算，得到信号矢量c ( t ) 。对c ( t ) 做等间隔的m 次循环移位得到m 个信号矢量c ( t ) ，= o ，肼一1 。接收到的信号矢量，( 幻分别和信号矢量 c j ( t ) ，j = o ，m 一1 做相关运算”得到结果z ，( f ) 。找出z ，( f ) ，= o ，一l 中最 大值的下标岛根据c 。( t ) 相对于参考信号矢量c ( t ) 的循环移位估计出所传送的数 据符号d f f l 。 2 1 2c c s k 调制 为了便于以后的分析，这里简要介绍c c s k 的调制原理。 c c s k 依靠基函数的循环移位量来传送发射数据整数。假设发射基函数长度为 ( 通常为2 的幂次) ，c c s k 的可能调制阶数肼一口，) ，通常为小于等于的2 的 7 电子科技大学硕士学位论文 幂次正整数。循环移动了墨m 一口，) ，个元素的基函数用来发送数据整数 置，0 l 0 9 2 m 一口，) ，一1 2 1 3 随机相位生成 传统t d c s 使用线性反馈移位寄存器( l m e a rf e c d b a c ks l l i rr e 百s t l f s r ) 产生随机相位矢量e j 。( 。 陌丽 i 射延迟点i i j 斗静，掣 f _ 1 ，2 ， 图2 3 随机相位映射过程 如图2 3 所示，相位映射器( p h a s e m 印p e r ) 合并厅级l f s r 中的，级，生成 随机相位。 2 2 基于o f d m 的t d c s 为了便于分析t d c s ，有必要给出它的发射信号模型。 考虑到t d c s 发射机模型中，i f f t 之后的c c s k 操作就是实现了对时域信号 的循环移位操作，因此，在频域，c c s k 相当于对发射数据鼍做了如下映射 墨旦；! 斗p 7 2 嘲似一”，j j = o ，1 ，一1( 2 1 ) 然后，信号矢量e 伽8 - 。m - 1 4 与缩放了的基函数矢量c a 。o e j “- ”对应元素相 乘，得到发射信号：其中，c ! = 叫k ，4 为发射频谱罩a 。中l 的个数。 经过一些推导之后t d c s 的发射信号模型可以表示为 拍】= 专篓辱e 譬；诺e 等舻0 1 1 ，舻- ( 2 2 ) 其中，为c c s k 序列长度，毛为发送一个c c s k 符号需要的能量，聊。为， 8 第二章未编码变换域通信系统 级线性反馈移位寄存器生成的随机整数，膨= 2 7 为控制系统多址性能的参数，墨为 第j 个发射的整数数据。 为了和o f d m 方案相兼容并对抗符号间干扰，在基于o f d m 的t d c s 的发射 方案中，发射信号做了添加循环前缀的操作。因此，基于0 f d m 的t d c s 发射机 框图如图2 4 所示。发射机有两副天线，一副用来检测频谱，一副用来发射数据。 检测频谱的感知天线采样工作频谱，得到长度为的信号功率谱矢量。该矢量的 元素与预先设定的门限值比较，得到发射频谱罩a 。，随机相位矢量可以采用与传 统发射机相同的方法产生。随机相位矢量和发射频谱罩对应元素相乘之后，经过 缩放得到基函数c a 。o e j 2 仇， i ，并存储在内存中；如果检测结果不变j 则不再生 成新的基函数，后续的处理使用内存中的基函数。待发射的数据墨经过c c s k 频 域映射得到e 0 2 6 | k ，帅，该信号矢量和基函数作对应元素相乘之后，经过0 f d m 发 射机发射出去。 图2 4 基于o f d m 的t d c s 发射机框图 根据发射信号数学模型和发射机的结构，可以给出信号解调的处理流程。从 一，兰壁色 公式( 2 2 ) 可以看出，调制数据墨存在于因子e 一”中，为了从中解调出墨，考虑