基于GNURadio的認知OFDM系統研究

蔡偉煌

(湖南科技學院 湖南 永州 425000)

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基于GNURadio的認知OFDM系統研究

蔡偉煌

(湖南科技學院 湖南 永州 425000)

在開源軟件無線電(GNU Radio)平臺上來搭建一種認知無線電系統及非連續正交頻分復用(NC-OFDM)系統，通過對各模塊的參數設置以及編寫程序來完成系統信號的收發。對OFDM模塊的調制方式選用QPSK和16QAM，然后對收發信號的時域和頻譜進行異同分析，仿真結果表明在NC-OFDM系統中QPSK調制方式更合適。

認知無線電；NC-OFDM；GNURadio

引言

為了提高頻譜資源利用率，近年來，被業界稱為認知無線電(CR,cognitive radio)的頻譜使用模式正逐漸受到人們的關注[1]。在認知無線電系統中，認知用戶通過未被頻譜授權用戶占用的頻段進行通信，因此，基于正交頻分復用(OFDM，orthogonalfrequency division multiplexing)的認知無線電系統中，OFDM符號的部分子載波可能會落到頻譜授權用戶占用的頻段內。為了避免對頻譜授權用戶造成干擾，這些落入頻譜授權用戶占用頻段內的子載波上不能用來發送數據或導頻，而只能將其置零，這時的系統便成為不連續子載波(NC-OFDM)系統。

目前國內外針對NC-OFDM的研究尚在理論與實驗階段，該系統還沒有廣泛的應用到實踐中，但是一些國外高校和機構都建立了自己的無線電平臺進行仿真和演示。例如美國維吉利亞理工大學(Virginia Tech)無線通信中心利用USRP構建了一個認知無線電演示平臺，可以開發獨立的認知無線電系統以及進行頻譜感知測試,算法分析等。

本文將NC-OFDM系統與開源軟件GNU Radio平臺相結合，進行系統框圖的建立和研究，通過設置框圖中各模塊的參數能夠進行不同條件下的仿真，本文在OFDM調制模塊就設置了兩種不同調制方式下的仿真，分別是QPSK和16QAM。利用開源軟件平臺和OFDM系統相結合的方式也是現在研究OFDM在通信中的應用的一種趨勢。

一、NC-OFDM系統框圖

OFDM及正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，是一種特殊的多載波數字調制技術。認知OFDM，就是使用非連續的正交頻分復用技術，及NC-OFDM。NC-OFDM系統模型框圖如圖1.1所示，其基本原理是：在發送端，對數據流采用QPSK調制，然后調制后的數據按照子載波的開/關信息進行數據的串并變換，設NC-OFDM系統子載波總數是N,才串并變換后，將數據變成N路較低速率的數據流，分配到可用的子載波上。

圖1.1 NC-OFDM系統框圖

NC-OFDM系統在發送端需要在動態頻譜感知模塊的輔助下監測出目前禁用的子載波數，從而來獲得可用子數。子載波分配模塊將用戶已調符號和導頻符合分配到可用的子載波上，并禁止子載波置零，形成有順序的序列。數據經過串并變換后，需要插入導頻(保護間隔)，得到符號X(k)，然后對X(k)進行N點逆傅里葉變換，得到信號x(n):

(1)

其中，N為逆傅里葉變換的點數。X(k)和OFDM調制中的符號相異，它是數據通過子載波開/關信息進行串并變換得到的。為了降低信號見干擾和載波間干擾，在發送數據前給每個NC-OFDM符號插入保護間隔，再進行并串變換，回復成串行數據流，由此可以得到基帶發送信號x(t):

(2)

其中，Ts=Tg+T,T為OFDM的符號周期，Ts為加入保護間隔后的周期，Tg為保護間隔的長度，N為子載波的數目，ε為傳輸信號的功率。X(t)經過調制后發送出去。

在接收端進行和發送端相反的操作。將接收到的信號先進行射頻解調，得到基帶信號y(t)。y(t)進行串并變換和去除保護間隔,經N點傅立葉變換后得到頻域信號Y(k)：

(3)

其中，N為傅立葉變換的點數，y(n)為去除保護間隔后得到的信號。然后進行信道估計以對抗多徑衰落。去除導頻信號，根據由發送端得到的子載波開/關信息對數據進行并串變換，正確的讀取出子載波上發送的數據信息。最后進行QPSK解調,恢復出發送的原始數據流。

在整個收發過程中值得注意的是：發送端和接收端的子載波開/關信息必須保持一致，否則無法進行正確的數據解調。實際應用中可以采取收發雙方協同檢測的辦法來實現一致[2]。文章采用的是將發送端的子載波開/關信息發送給接收端的方法來實現一致[3]。

二、GNURadio平臺的實現

(一)GNURadio仿真平臺

GNU Radio(開源軟件無線電)，是由Eric Blossom于2001年發起的，可以用來構建軟件無線電平臺的軟件包[4]。它包含大量的數字信號處理模塊，例如：OFDM調節模塊，OFDM解調模塊等等，除了GNU Radio本身所包含的豐富處理模塊意外，用戶還可以自定義許多特定的信號處理模塊。它是一個很靈活的系統，并且擴展新的處理模塊也很容易，程序員或者用戶均可以通過搭建相應的模塊來構建無線電應用的流圖，也可以自定義編碼來擴展模塊構建無線應用。

系統仿真實現框圖中所選用的模塊有：Radom Source模塊，OFDM Mod模塊，OFDM Demod模塊，Noise Source模塊，WX GUI 系列模塊，Throttle模塊，Varlable模塊。仿真框圖中各模塊的基本參數設置如表2-1所示，其他參數為模塊默認值。

表 2-1 基本仿真參數說明

(二)NC-OFDM仿真的實現

認知OFDM的仿真可以在多平臺上實現，其調制的方式也有QPSK和QAM，文章選擇在Ubuntu系統下搭建GNU Radio仿真平臺，通過GNU Radio自帶的開源模塊，搭建起NC-OFDM系統仿真實驗圖。通過添加OFDM調制，OFDM解調等模塊，然后設置各個模塊的參數，例如：OFDM調制和解調應用的調制方式選用的是正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keyin，QPSK)，采樣頻率設為32K，噪聲源設為高斯白噪聲等等。

仿真采用重復的隨機信號，通過對周圍電磁環境進行頻譜檢測，得到頻譜的使用信息，形成分配向量，在可以用頻帶內進行OFDM子載波的選擇與分配。認知OFDM調制后的波形和解調后的波形可以通過添加多個WX GUI Scope Sink模塊進行觀測。

三、仿真結果及其分析

圖3.1 QPSK調制收發信號頻譜圖

在linux環境下，通過GNU Radio平臺仿真，由WX GUI Scope Sink觀測到的仿真結果的頻域圖如圖3.1和3.2所示。時域結果如圖3.3和圖3.所示。

圖 3.2 16QAM調制收發信號頻譜圖

仿真結果表明，系統信道環境為加性高斯白噪聲，采用QPSK調制技術，采用QPSK調制而不采用QAM調制的原因是系統的誤碼性能較好。而NC-OFDM系統頻譜估計的結果直接決定了子載波是否用來傳送數據。

從仿真結果可以看出，系統子載波的分布有時會和當時的頻譜情況不完全對應，這是由預設門限值不準確造成的。門限值太大則一些干擾將無法濾除，影響系統的性能；門限值太小則會使大量可用頻帶被剔除，降低頻譜的利用率。門限值的選取要根據當時系統的噪聲水平和授權用戶的功率來確定。另外在分布子載波時還要留有足夠的保護子載波，來避免對授權用戶造成干擾[5]。噪聲的改變也會使接收端收到的信號出現失真。模塊參數的改變也會使仿真結果發生變化。

從圖3.1和3.2可以看出，在OFDM系統中采用QPSK調制技術比采用16QAM調制技術，系統的誤碼性能較好，在采用兩種調制方式下，系統的收發信號頻譜圖基本保持一致。如圖3.3和3.4所示，采用QPSK和16QAM調制方式，收發信號的時域圖在位置上發生了時移，但收發信號的前后，時域圖并無較明顯的變化。

圖3.3 QPSK調制收發信號時域圖

圖3.4 16QAM收發信號時域圖

四、結論

利用GNU Radio中的模塊搭建NC-OFDM系統框圖，通過改變模塊中的參數(QPSK調制/16QAM調制)來得到不同的結果，對仿真結果分析，QPSK調制技術更適合NC-OFDM系統。從根源上解決日趨增長的無線通信需求與有限的無線頻譜資源間的矛盾還需不斷的努力。當然，文章中所提到的NC-OFDM是解決無線電數據傳輸問題的最有效的技術之一，它通過調整子載波的分配太適應系統頻譜的動態變化。文章研究了NC-OFDM技術的基本原理和實現方法，并且在開源軟件平臺(GNU Radio)上進行了仿真。仿真的結果表明NC-OFDM能夠適應認知環境中的可用頻譜特性，并且在系統中有很多子載波并沒有得到利用，這樣可以通過一些快速傅里葉變化(FFT)修剪算法來降低系統實現的復雜度[5]。

[1]何雪云.認知無線電NC-OFDM系統中基于壓縮感知的信道估計新方法[J].通信學報,2011.11.

[2]蔣相.基于GNURadio和USRPX310的多帶Chirp信號檢測[J].電子科學技術，2016.5.

[3]王欽輝，葉保留，田宇,等.認知無線電網絡頻譜分配算法研究[J].電子學報，2012,40(1):147-154.

[4]李佳珉，康桂華.NC-OFDM在認知無線電中應用的仿真研究[J].計算機仿真，2009.9.

[5]DucToan Nguyen.Implementation of OFDM systems using GNU Radio and USRP[M].University of Wollongong,2013

蔡偉煌(1995.04-),男,漢族，湖南婁底人，本科。