基于認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)的NC-OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李孟達(dá) ， 柏 鵬 ,彭衛(wèi)東 ， 盧 虎 ,李 飛

（1.空軍工程大學(xué) 綜合電子信息系統(tǒng)與電子對(duì)抗技術(shù)研究中心，陜西 西安710051；2.空軍工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安710051;3.95883部隊(duì)，北京102206）

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù) CR（Cognitive Radio）[1]被國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)公認(rèn)為是解決頻譜利用率低的最佳解決方案[2]。目前普遍認(rèn)為應(yīng)該采用多載波技術(shù)進(jìn)行CR的數(shù)據(jù)傳輸，其中正交頻分復(fù)用（OFDM）是最佳候選技術(shù)之一[3]。但是CR中可用頻譜的特性是分布寬、非連續(xù)且動(dòng)態(tài)變化，所以傳統(tǒng)的OFDM技術(shù)已無(wú)法再適用于具有上述特性的頻譜環(huán)境。基于頻譜池思想的非連續(xù)正交頻分復(fù)用技術(shù)（NC-OFDM）[4]能夠靈活、智能地整合空閑的頻譜資源，并充分利用、有效地適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的頻譜環(huán)境，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)次用戶和主用戶之間的多系統(tǒng)共存，因此它非常適合作為CR的數(shù)據(jù)傳輸體制。

目前國(guó)內(nèi)外的課題研究[3-5]都集中于認(rèn)知無(wú)線電的理論上,涉及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究較少。本文在設(shè)計(jì)NCOFDM傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠快速并且有效抑制峰均比(PAPR)的自適應(yīng)算法，同時(shí)也解決了該系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的關(guān)鍵問題，最后利用USRP2平臺(tái)實(shí)現(xiàn)NC-OFDM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。本系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值，為認(rèn)知無(wú)線電由理論研究步入實(shí)際應(yīng)用奠定了原型基礎(chǔ)，同時(shí)也為其他基于USRP2的無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有益借鑒。

1 NC-OFDM系統(tǒng)的原理及模型

認(rèn)知無(wú)線電是一種智能的無(wú)線通信系統(tǒng)，它不僅可以主動(dòng)感知周圍的無(wú)線電磁環(huán)境，還能感知到頻譜的使用情況。依據(jù)本文傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，改進(jìn)參考文獻(xiàn)[3]中的系統(tǒng)框圖，得到CR環(huán)境中基于QPSK調(diào)制的NCOFDM系統(tǒng)流程，如圖1所示。在發(fā)送端，發(fā)送的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行QPSK調(diào)制，然后根據(jù)感知單元得到的子載波開/關(guān)控制信息將數(shù)據(jù)進(jìn)行串并變換，分配到N路可用的子載波上，此時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸速率也降低了。

子載波開/關(guān)控制信息是由頻譜感知單元得到的，該單元包括頻譜估計(jì)和幅度判決兩部分，利用各種頻譜檢測(cè)手段、方法感知系統(tǒng)周圍的無(wú)線頻譜使用情況，然后將檢測(cè)到的各頻段功率譜密度(PSD)與依據(jù)通信環(huán)境和要求所設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，PSD大于 (含等于)門限值的是不可使用的頻段，PSD小于門限值的是可以使用的頻段。不難發(fā)現(xiàn)，在該系統(tǒng)下通常可以用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的頻帶是非連續(xù)并且是動(dòng)態(tài)變化的。對(duì)于依據(jù)檢測(cè)判決結(jié)果得到的子載波開/關(guān)控制信息，系統(tǒng)將會(huì)打開分布在可用頻段上的子載波開關(guān)，用以傳輸數(shù)據(jù)；同時(shí)關(guān)閉不可使用頻段上的子載波開關(guān)。數(shù)據(jù)變成多路傳輸后，可以按照梳狀導(dǎo)頻插入的方法插入導(dǎo)頻，并進(jìn)行N點(diǎn)傅里葉反變換。然后在發(fā)送數(shù)據(jù)前給每個(gè)符號(hào)插入保護(hù)間隔用以消除碼間干擾(ISI)和載波間干擾(ICI)。接著將數(shù)據(jù)恢復(fù)成串行的數(shù)據(jù)流，便得到了基帶信號(hào)x(t)，最后經(jīng)射頻調(diào)制到相應(yīng)的頻率上發(fā)射出去。

接收端將接收到的信號(hào)先進(jìn)行射頻解調(diào)，得到基帶信號(hào)y(t)，然后進(jìn)行與發(fā)送端相反的操作就能恢復(fù)出原始的發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 基于USRP2實(shí)現(xiàn)NC-OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸

2.1 USRP2平臺(tái)

USRP2主要由母板和子板組成。板中的FPGA模塊用于計(jì)算、編程和算法實(shí)現(xiàn)；RAM模塊用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；設(shè)置模塊用于USRP2內(nèi)一些芯片功能設(shè)置，主要由串行ADC和DAC進(jìn)行指令控制完成；以太網(wǎng)模塊用于將來(lái)自電腦通過(guò)網(wǎng)線傳輸?shù)腢DP數(shù)據(jù)讀入U(xiǎn)SRP2中；電源模塊為USRP2中各個(gè)芯片和模塊提供穩(wěn)定的電源；底板是將所有模塊連在一起并使母板和子板得以正常傳輸數(shù)據(jù)的重要部分；子板是射頻發(fā)射板，主要功能是將母板中接收到的數(shù)字中頻信號(hào)上變頻到想要的射頻信號(hào)。

在MATLAB中SIMULINK為用戶提供的USRP2 Transmitter和USRP2 Receiver兩個(gè)模塊[6]。這兩個(gè)模塊都支持SIMULINK與USRP2之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互，以允許用戶模擬和開發(fā)各種各樣的認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用。

2.2 NC-OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題

同OFDM系統(tǒng)一樣，在NC-OFDM系統(tǒng)中，當(dāng)有同樣相位的信號(hào)疊加時(shí)就會(huì)產(chǎn)生非常大的峰值平均功率比（PAPR），當(dāng)PAPR過(guò)高時(shí)會(huì)顯著影響 NC-OFDM系統(tǒng)的整體性能。近些年也提出了許多解決PAPR的方法，廣義上可以分為確定的方法和概率的方法[7-8]。經(jīng)分析NC-OFDM的特點(diǎn)，普遍認(rèn)為概率的方法中基于頻域的處理技術(shù)更適合用于該系統(tǒng)。依據(jù)本文傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將參考文獻(xiàn)[5]中的算法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種適合本系統(tǒng)的快速抑制峰均比自適應(yīng)算法，將部分傳輸序列（PTS）方法和交織方法很好地結(jié)合在了一起。

對(duì)PTS和交織兩種方法進(jìn)行分析后,得出結(jié)論：當(dāng)初始PAPR值較大時(shí)，PTS方法能夠較好地將其降低；而當(dāng)初始PAPR值不是很大時(shí)，PTS的效果則不太明顯，此時(shí)使用交織方法能夠較高效地降低PAPR。針對(duì)這種情況，本文提出了將PTS方法與交織方法相結(jié)合的自適應(yīng)算法，在系統(tǒng)中將PTS方法與交織方法的交點(diǎn)值設(shè)為門限值，通過(guò)與門限值的比較決定采用哪種方法，該自適應(yīng)算法能夠快速、有效地降低NC-OFDM傳輸系統(tǒng)的PAPR，其流程圖如圖2所示。

算法首先計(jì)算出NC-OFDM符號(hào)的PAPR值，如果小于預(yù)先設(shè)定好的門限值PAPRth1，信號(hào)不作任何改動(dòng)，直接傳送到IFFT模塊。當(dāng)PAPR大于PAPRth1并且小于PAPRth2時(shí)，傳輸信號(hào)只進(jìn)行交織運(yùn)算。如果大于PAPRth2，則將傳輸信號(hào)送入PTS運(yùn)算模塊。

另外，NC-OFDM系統(tǒng)對(duì)同步的要求也是非常高的，可以采用基于循環(huán)前綴的最大似然估計(jì)ML(Maximum Likelihood Estimation)算法[10]，來(lái)進(jìn)行符號(hào)定時(shí)估計(jì)和載波頻率偏移估計(jì)。

圖2 自適應(yīng)算法流程圖

在NC-OFDM系統(tǒng)中,為了避免對(duì)主用戶的干擾，會(huì)使一些子載波無(wú)效，其值設(shè)為0，即IFFT的輸入端和FFT的輸出端有一些0。此時(shí)，F(xiàn)FT模塊的硬件資源將不能充分利用，本文設(shè)計(jì)的傳輸系統(tǒng)使用了FFT修剪算法[3]，該算法能夠很好地解決上述問題，大幅度提高系統(tǒng)的整體性能。

另一方面，在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保證控制信道傳輸模塊的正常工作，即發(fā)送端和接收端的子載波開/關(guān)控制信息必須保持高度一致，否則將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的解調(diào)順序錯(cuò)亂，無(wú)法得到正確的接收數(shù)據(jù)。可以在傳輸信息時(shí)在每幀數(shù)據(jù)的幀頭部分加入一些識(shí)別信息，接收端可根據(jù)識(shí)別信息來(lái)確定接收到的子載波開/關(guān)控制信息是否準(zhǔn)確。

2.3 基于USRP2的NC-OFDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文按照NC-OFDM系統(tǒng)的框圖模型及其原理，應(yīng)用2.2節(jié)中各種關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，在SIMULINK中設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)NC-OFDM傳輸系統(tǒng),并與USRP2平臺(tái)互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線信道的發(fā)送與接收,如圖3所示。

本系統(tǒng)的發(fā)送數(shù)據(jù)由伯努利二進(jìn)制序列隨機(jī)生成，在經(jīng)過(guò)RS編碼、QPSK調(diào)制后，數(shù)據(jù)進(jìn)入NC-OFDM調(diào)制系統(tǒng)，根據(jù)頻譜感知模塊得到的子載波開/關(guān)控制信息進(jìn)行串并變換，將數(shù)據(jù)分配到可用子載波上，然后進(jìn)行IFFT變換，接著添加循環(huán)前綴（CP），數(shù)據(jù)進(jìn)行并串變換后形成待發(fā)送數(shù)據(jù)比特流，最后待發(fā)送數(shù)據(jù)通過(guò)UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳送至USRP2平臺(tái),并經(jīng)由射頻天線發(fā)射出去。在接收端，接收到的數(shù)據(jù)信息將會(huì)被解調(diào)，得到基帶信號(hào)。

3 仿真結(jié)果及分析

仿真環(huán)境：硬件使用認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)USRP2；軟件使用 MATLAB（2010b）版。

仿真條件：信源系統(tǒng)采用伯努利二進(jìn)制序列，所設(shè)置的占空比為0.5，所產(chǎn)生的序列以幀的形式，每幀數(shù)據(jù)是 44 bit，碼元寬度為 16e-5/44/2 s；調(diào)制方式使用的QPSK；總載波數(shù)目N=512；進(jìn)行 64點(diǎn) IFFT變換；發(fā)送平臺(tái)與接收平臺(tái)相距5 m；射頻頻率2.45 GHz。

仿真實(shí)驗(yàn)1：NC-OFDM收、發(fā)端頻譜分析

在NC-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，發(fā)送端頻譜圖如圖4(a)所示，可以很明顯地看出發(fā)送數(shù)據(jù)使用的子載波部分和被屏蔽掉的子載波部分。

NC-OFDM系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)接收端頻譜圖如圖4(b)所示。由于數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線信道的傳輸，必定會(huì)有能量的衰減和噪聲的干擾，而且在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中沒有考慮帶外干擾抑制，所以會(huì)有少部分接收信號(hào)被干擾。但是，經(jīng)過(guò)對(duì)比和判斷兩張頻譜圖中載波的位置信息和峰值幅度信息，還是可以認(rèn)為接收信號(hào)頻譜圖基本與發(fā)送信號(hào)的頻譜圖相吻合，使用相應(yīng)的技術(shù)手段就能夠較理想地從接收到的數(shù)據(jù)信息得到系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。所以，可以認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的基于USRP2平臺(tái)的NC-OFDM系統(tǒng)可以進(jìn)行無(wú)線通信的數(shù)據(jù)傳輸。

仿真實(shí)驗(yàn)2：PAPR抑制方法的性能分析

設(shè)仿真門限值 PAPRth1=7.5，PAPRth2=8.6，可用子載波數(shù) Nu=128，交織方法 K=4，PTS方法 M=4,仿真結(jié)果如圖5所示。可以看出，在原始NC-OFDM符號(hào)中，有0.1%的NC-OFDM符號(hào)的PAPR超過(guò)了11.5 dB，而使用自適應(yīng)算法后，此時(shí)的PAPR值只有9 dB，提高了2.5 dB的性能，并且此算法進(jìn)行峰均比的抑制速度也得到了大幅度的提升。所以該方法能夠非常有效地解決NCOFDM系統(tǒng)峰均比大的問題。

仿真實(shí)驗(yàn)3：不同子載波占用比下的PAPR分析

從圖6可以看出，在總子載波個(gè)數(shù)固定不變時(shí)，隨著可用子載波個(gè)數(shù)Nu的增加，高的PAPR出現(xiàn)概率不斷增加。當(dāng)Nu≥128時(shí)，其PAPR的CCDF曲線已經(jīng)非常接近總子載波個(gè)數(shù)為512的OFDM的CCDF曲線,甚至在某些點(diǎn)上已經(jīng)重合。可以認(rèn)為此時(shí)NC-OFDM的PAPR與OFDM的PAPR近似相等。

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)給無(wú)線通信帶來(lái)了革命性的變化，它有效地解決了頻譜利用效率。NC-OFDM是目前解決認(rèn)知無(wú)線電數(shù)據(jù)傳輸問題的最佳候選技術(shù)之一，本文研究了NC-OFDM技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，運(yùn)用所提出的抑制峰均比自適應(yīng)算法和其他一些關(guān)鍵技術(shù)，解決了NC-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)遇到的困難問題，并且在認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)（USRP2）上進(jìn)行了數(shù)據(jù)的傳輸檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。該系統(tǒng)為認(rèn)知無(wú)線電由理論研究步入實(shí)際應(yīng)用奠定了原型基礎(chǔ)，有一定的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)該平臺(tái)上的成功實(shí)驗(yàn)也為其他基于USRP2的無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了借鑒。然而認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)從概念到應(yīng)用仍然存在許多困難和挑戰(zhàn)，需要突破一些關(guān)鍵技術(shù)，而其中每個(gè)關(guān)鍵技術(shù)模塊都還存在著非常值得深入探討的問題，未來(lái)的工作可以考慮在諸如頻偏估計(jì)算法和帶外干擾抑制等方面進(jìn)行更為深入的研究。

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