基于認知無線電的自適應小波調制

摘 要：為了解決小波調制頻帶利用率不高的缺點，提出了一種基于認知無線電的自適應小波調制方案。通過實時感知信道頻譜占用情況，運用基于著色理論的貪婪算法，并以均方誤差達到最小值為準則，調整權值，控制信源中各種不同的噪聲敏感度信號的功率，實行動態頻譜分配。在高斯白噪聲信道中對其進行了仿真，仿真結果表明，在傳遞不同的噪聲敏感度信號時，自適應小波調制方案的性能優于傳統平均功率分配的小波調制。

關鍵詞：自適應小波調制； 認知無線電； 著色理論； 動態頻譜分配

中圖分類號：TN911.4-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0040-03

An Adaptive Wavelet Modulation Scheme Based on Cognitive Radio

RUI Guo-sheng， KE Kai， FU Zheng

(Department of Electronic and Information Engineering， Naval Aeronautical University， Yantai 264001， China)

Abstract： An adaptive wavelet modulation scheme based on cognitive radio is proposed for solving the shortcoming of low frequency-band efficiency of wavelet modulation. The weight is adjusted， the power of different noise sensitivity signal is controlled， and the dynamic spectrum allocation is performed by sensing the occupation of channel resource real-timely， using the coloring-based greedy algorithm and achieving the minimum value of mean-square error. The results of simulation implemented in the additive white Gaussian noise channel show that the performance of adaptive wavelet modulation scheme is superior to traditional wavelet modulation.

Keywords： adaptive wavelet modulation; cognitive radio; coloring theory; dynamic spectrum allocation

0 引 言

小波調制［1］(又稱分形調制)因其抗干擾能力強，保密性好，信道適應能力強等優點，成為近年來倍受關注的研究熱點。但是小波調制的頻帶利用率較低［2-3］，只有0.5 b/Hz，在頻譜資源日益寶貴的今天，已成為限制小波調制發展的瓶頸之一。

認知無線電［4-5］概念最早是由瑞典Joseph Mitola博士于1999年8月提出的，是對軟件無線電功能的進一步擴展，主要目的是解決頻譜資源的有效利用問題。動態頻譜分配技術是認知無線電的一項關鍵技術，它通過對信道狀態的感知結果，動態地調整認知用戶占用的頻段與發射功率，在不影響主用戶通信的前提下，盡可能地提高頻譜的利用率。在認知無線電系統中，認知用戶必須能夠轉移到另外的頻段上，或者改變它的傳輸參數而不對主用戶造成干擾，因此認知用戶可能使用的頻譜通常是隨機變化，并且可能是不連續的。小波調制技術可以靈活地分配用戶占用的信道資源，是認知無線電系統較佳的候選數據傳輸技術。

1 小波調制及自適應小波調制

小波調制實際上是一種多速率調制方案，圖1所示為小波調制的時頻表示，而時寬與頻寬的乘積可以表示小波調制的傳輸信道。

1.1 自適應小波調制技術

為了不失一般性，可假定一個離散信源比特碼流，它的碼流對信道條件有不同的失真敏感性，經過式(1)所示的模/數轉換：

最優化問題的復雜性隨M的增加而增大，式(6)并沒有封閉形式的解決方案，因此這里采用基于著色理論的貪婪算法，實時地進行動態頻譜分配。

1.3 基于著色理論的貪婪頻譜分配算法

在認知無線電系統的頻譜分配研究中，可將認知用戶組成的網絡拓補結構抽象成圖［2］。認知用戶的信道分配可等效成圖頂點的著色問題，其中頂點代表認知用戶，顏色代表信道，頂點之間的連線代表兩認知用戶之間存在干擾，即不可同時使用相同的信道。

在小波調制信道中，可用頻譜信道范圍被劃分成互相不重疊的正交子信道，存在M級重要性碼元，也就是存在M個感知用戶，通過實時感知信道環境信息，建立信道空閑矩陣、干擾矩陣和效用矩陣等。其中，空閑信道矩陣表示信道可用情況；干擾約束矩陣表示節點間的相互干擾情況；效用矩陣表示用戶獲得信道的收益；分配矩陣表征某信道是否分配給某個認知用戶。這樣，信道的分配問題轉換為沖突圖的頂點著色問題。在自適應小波調制的頻譜分配中，要保證最大化E{d2}，因而要在著色理論的基礎上用到貪婪算法。

貪婪算法的核心是將頻譜資源優先分配給噪聲敏感度最大的碼元，以達到系統效能最大化的目標。對于某一頻譜資源，在可占用的認知用戶中選取重要性等級最高的用戶分配信道，若重要性等級最高的用戶已經傳輸，則選取次級重要性碼流傳輸，依此繼續，直到沒有用戶占用信道時分配結束，貪婪算法的流程圖如圖3所示。

2 仿真檢驗

2.1 仿真條件

在仿真系統中，信源產生的256位隨機整數序列u(τ)∈{0，16}，在模/數轉換時產生重要性等級M=4的1 024位二進制比特流［9］，小波調制的參數H=－1/2，因而β=1，采用D8小波，尺度因子采用{10，11，12，13}。

仿真的信道是均值為0，功率譜密度為N0/2的加性高斯白噪聲信道，獨特之處在于信道有不連續的可用性。圖4就是這種信道的一個示例，灰色部分表示信道的不可用資源，在這部分信道中傳遞信號無法避免對主用戶的干擾，而在剩下的白色部分信道中則可以傳遞信號。仿真復制了這種典型的動態頻譜使用通信條件的信道。在傳遞信號前運行實時的頻譜感知程序可以清楚正確地了解信道情況，從而進行動態頻譜分配。小波調制調整通信，以適應周期性改變的信道環境，以便使用可用的信道資源。因而，灰色區域對應的小波傳輸被切斷，白色區域對應的小波允許傳輸，而抑制可能對主用戶有干擾的信號所節省出來的功率則可用于可傳輸的信號［10］，以提升信號的抗噪性。

為了評估系統的性能，本文使用峰值信噪比［8］來定量分析性能的好壞，并與傳統的平均功率小波調制的峰值信噪比進行比較。

2.2 仿真結果

仿真信道的信噪比從-20~10 dB，其結果如圖5和圖6所示。圖5顯示的是權值分配。

關于信噪比的函數，與權值1相關的信息是最高重要級信息，與權值4相關的信息是最低重要級信息。圖5表明，當信噪比較低時，重要級較高的信息有更大的權值，而隨著信噪比的增加，各種重要級的信息逐漸收斂到1。這是因為信道條件越好，重要級不同的信息的信道敏感性差異越小。

圖6顯示了自適應小波調制和傳統的平均功率分配小波調制的峰值信噪比對信道信噪比的變化情況。在仿真的信噪比范圍內，自適應小波調制的信號峰值噪聲比都大于傳統的小波調制，這說明了自適應小波調制在傳遞噪聲敏感度不同的混合碼流時的性能優勢。

3 結 語

本文提出了一種基于認知無線電的自適應小波調制方案，通過實時感知信道頻譜占用情況，運用基于著色理論的貪婪算法，以均方誤差達到最小值為準則，調整權值，控制信源中各種不同的噪聲敏感度信號的功率，實行動態頻率分配。仿真結果表明，自適應小波調制峰值信噪比大于傳統的平均功率分配方案的峰值信噪比，有更好的性能。

參 考 文 獻

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［8］LIXIA Macro， MURRONI Maurizio. Adaptive wavelet modulation for cognitive radio [C]// WCNC 2010 Proceedings. Sydney， Australia: IEEE， 2010: 1-6.

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［10］李麗月，唐向宏.基于時頻混合矩的小波調制信號識別［J］.杭州電子科技大學學報，2009，29(5)：66-69.

作者簡介：

芮國勝 男，1968年出生，江蘇南京人，博士后，博士生導師，教授。主要研究領域為通信信號處理、小波理論及其應用。

柯 凱 男，1986年出生，湖北十堰人，碩士研究生。主要研究領域為小波理論及其應用。

付 爭 男，1986年出生，湖南瀏陽人，碩士研究生。主要研究領域為壓縮感知理論及其應用。