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认知超宽带无线电系统兼容性方案设计
摘要
认知超宽带是结合认知无线电的思想和超宽带通信优点的一种智能通信系统技术,它以解决频谱资源浪费、提高频谱利用率,不影响现有通信系统的共享频谱为目标,是一种很具有进展前景的通信技术。
本文主要解决超宽带通信系统与环境中存在的窄带通信系统的共存问题。
通过结合认知无线电的理念以及软频谱适配的设计思路,着重于与超宽带通信系统的工作环境交互,通过对环境中干扰的改变进行频谱感知,实时修改针对超宽带发生信号所需的频谱模板,设计出一种动态的、可编程的脉冲发生器。
关键词:
认知超宽带;频谱感知;脉冲发生器
Abstract
Cognitiveultra-widebandisanintelligentcommunicationsystemtechnologythatcombinestheadvantagesofcognitiveradioandultra-widebandcommunication.Itaimsatimprovingspectrumutilizationwithoutaffectingthesharedspectrumofexistingcommunicationsystems.Itisapromisingdevelopment.Communicationtechnology.
ThispapermainlyaddressesthecoexistenceofUWBandexistingnarrowbandsystems.BycombiningtheconceptofcognitiveradioandthedesignconceptofSSA,thefocuswillbeonhowtointeractwithUWB'sworkenvironment.Thefocusisoninteractingwiththeworkingenvironmentofanultra-widebandcommunicationsystem,andspectrumsensingofinterferenceintheenvironmentisperformedtomodifythespectrumrequiredforgeneratingsignalsforultra-widebandinrealtime.Dynamicallyprogrammablepulsegenerator.
Keywords:
CognitiveUltra-Wideband;Spectrumsensing;Pulsegenerator
第一章绪论
1.1研究背景及意义
现代社会信息工业的飞速成长,带动了无线通信业务的日益增长。
但是无线接入频段受制于天线尺寸、设备功率等原因,频谱资源仍是处于较匮乏的状态,影响无线通信的进展。
并且当前,一般频谱安排采纳的是统一的政府部门治理,所有的频谱资源被分为已授权频段和未授权频段,其中已授权频段占了绝大多数,如果有未授权业务使用了授权频段那将被视为违法。
而未授权频段中,各种通讯业务通过申请可以在一定的规章下进行竞争使用。
但是这样静态的频谱资源治理无法使频谱资源得到充分利用,经常出现频谱未完全使用或某时段空闲的情况。
为了解决频谱资源短缺和利用率低的问题,人们开始探寻更有效利用频谱资源的方法。
超宽带通信技术UWB(Ultra-Wideband)和认知无线电技术CR(CognitiveRadio)就顺理成章的诞生了。
超宽带通信技术和认知无线电技术本质上都是为了不对现有通信系统造成干扰的共享可使用的频谱资源[1]。
虽然它们的共享频谱方式以及与其他通信系统共存的方式不同,但是都能够极大的提升频谱利用率。
美国联邦通信委员会FCC(Federal
CommunicationsCommission)定义超宽带为
或者
,
其中
和
是信号功率谱密度在-10dB处测量的值[2]。
图1.1超宽带的FCC辐射掩蔽
超宽带信号在信道中会与其它通信信号共同存在,因此一定把干扰限定在一定的范围里,所以FCC规定了一个辐射掩蔽MASK来限制功率,图1.1就是FCCMASK的图。
辐射掩蔽图中的最高功率谱密度为-41.3dBm/MHz,最低为-75.3dBm/MHz。
超宽带其实是一种无载波的通信技术,利用了时间间隔极短的脉冲进行通信,在很宽的频谱上传输数据,并且功率极低,幸免给现有系统带来有害干扰[3]。
认知无线电技术是通过频谱感知技术探测出环境中的频谱空洞,合理地占用此临时可用的频段,并自适应地随着感知结果动态地改变系统传输参数,提高传输质量[4]。
1.2国内外研究现状
上个世纪80年代末,超宽带技术首先在美国军方和政府得到真正的关注,由美国国防部首先定义了“超宽带”的概念。
2002年4月, 美国联邦通讯委员会修正了超宽带的定义,并通过了商用许可,划定频谱范围3.1~10.6GHz,之后许多公司、高校都开始涉足超宽带技术的研发。
认知无线电于1999年JosephMitola博士提出概念,之后3年德国的F.K.Jondral教授提出了频谱池的概念,将认知无线电技术推向具体实现的研究阶段[5]。
2004年,电气和电子工程师协会IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)制订了全球第一个将CR技术由概念变成现实的标准[6],利用空闲电视频段进行宽带接入的技术标准[7]。
认知超宽带CUWB(CognitiveUltra-Wideband)作为UWB和CR两种频谱资源有效利用技术的结合,从2005年开始,国外已经开始做出了这个方面的研究,尤其是意大利Create-Net研究中心,其研究的重点放在通过认知无线电思想来解决超宽带对其他频段通信系统的干扰问题,并已经取得部分成果[8]。
当前,对于CUWB基本都是理论研究,探究二者技术结合之后可能面临的问题,为以后的具体实现作准备。
与一些较早开始研究的国家相比,我国在认知超宽带通信领域的技术进展还有较大的差距,但是政府职能部门给相关技术予以高度关注,超宽带技术和认知无线电都成为了“863打算”和国家自然基金会的重点支持项目。
国内学者自2006年开始了对CUWB技术的探讨,其中东南大学的毕光国等从UWB的角度出发,把CR技术的引入作为UWB的后续研究方向,让两者优点相结合,并探讨了基于超宽带的频谱感知技术等方面,提出了一种新的适合超宽带的检测算法,并以正交频分复用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)信号为例给出了软件仿真和性能分析。
并且除了政府部门,像华为、中兴等通讯企业也为该技术设立了基金来赞助高校进行研究[9]。
总结而来,当前关于认知超宽带技术还处于早期进展状态,超宽带技术和认知无线电技术都算是通信领域中的新技术,如何把二者的优点融合,充分发挥超宽带带宽极宽、放射功率低和认知无线电的利用空闲频谱等特点[10],实现与已授权频段的和谐共享是目前研究的热点问题。
1.3本文研究内容及章节安排
本文主要目标是设计一种动态的能够编程的脉冲发生器,通过结合CR技术,可以针对环境中的窄带干扰来实时自适应频谱中的改变,并且产生的脉冲需要符合FCC的放射功率谱模板的限制。
UWB与认知无线电相结合,首先要解决的技术问题是频谱检测,目前有很多方法,例如基于放射机检测的匹配滤波器法、能量检测法、循环平稳特征检测法,还有接收机检测的基于干扰温度的频谱感知法等,根据UWB通信的工作特点,本课题主要采纳能量检测方法,来推断UWB工作频段内有可能存在的强窄带干扰。
其次要解决如何产生一个可编程的自适应脉冲波形,该脉冲能够智能地对频谱安排策略与环境干扰做出反应。
这要求该组适配波形能满足FCC放射功率谱模板的要求,同时也能幸免对别的通信系统形成干扰[11]。
这部分工作分为两部分:
(1)制定一个自适应的功率谱模板,该模板能实时的对窄带干扰存在的频段做出反应,在窄带干扰频段处形成一定的能量下陷;
(2)针对上述的功率谱模板,设计出相应的脉冲波形。
本文首先简要介绍了认知超宽带的研究背景及意义和国内外的研究现状,其次介绍了认知超宽带系统的模型及其中的超宽带信号形成、频谱感知等,然后给出基于Chirp信号的超宽带脉冲波形设计,对波形进行仿真、分析,最终在前面的研究、分析的基础上,进行总结并对认知超宽带技术的未来展望。
第二章认知超宽带系统建模
2.1认知超宽带系统模型
2.1.1认知超宽带的结构
放射超宽带信号最开始是产生频域上极短的脉冲信号,这被称为冲激无线电IR(ImpulseRadio)[12],再对产生的脉冲信号进行调制、编码才形成完整的UWB信号。
由于UWB信号带宽极宽、功率很低,在信道中正常的窄带通信系统看来UWB信号类似噪声,接受端的感应器进行频谱感知过程,探寻出信道中信号的中心频率范围和功率大小,传送给放射端对脉冲信号进行符合FCCMASK的修正,从而动态地控制放射功率形成针对的形成功率下陷的功率谱,并产生相应的自适应脉冲信号。
超宽带信号的功率谱取决于单个脉冲信号[13],所以本文在进行方案设计时,选择直接对UWB脉冲进行功率谱设计,让其能够适应环境信号不造成干扰,从而做到UWB放射信号能够自适应调整。
图2.1认知超宽带的系统框图
2.1.2频谱感知
认知无线电技术中为了感知周围的通信环境,首先要做的就是对周围环境进行检测,所以说频谱感知是认知无线电的关键之一。
为了能够不打扰原来信道里已授权用户的正常使用,感知功能需要分析出区域频段使用情况,找出适合通信的频谱空穴[14]。
如图2.2所示,频谱感知有以下三种分类:
放射机检测、合作检测、接收机检测。
图2.2频谱感知的方法分类
频谱感知的目的是要找到干扰,而干扰一般是放射时产生的问题,可以通过调整放射机端的功率等控制干扰的水平,但由于各种新干扰源可能的出现,接收机范围内也可能有干扰。
接受机检测的两种方法:
本振泄露功率检测和基于干扰温度检测在目前都存在还无法解决的难处和问题,所以本文不予考虑选择这两个检测方式。
合作检测指的是多个CR用户检测到的信息做交互,用来检测频谱的授权用户。
该方法可以提升检测的概率,但需要多个CR用户不适合本文的方案设计,故不选择这一类方法。
放射机检测中有三种主要检测法:
匹配滤波法、能量检测法、循环特征检测法。
匹配滤波器法是依靠能够输出最大信噪比的线性滤波器,但是需要知道被测信号的信息如调制类型、帧格式等,限制要求比较大,缺乏灵活性;循环特征检测法中针对已调制信号一般都具有内在的周期性,通过分析其频谱的自相关函数可以探测,但是需要进行两次FFT变换,计算量很大;能量检测法在没有足够的被测信号信息时是最优选,因为它不需要提前知道信号的各种信息,方法易实现,所以有关放射机检测方面的研究还是主要在能量检测法上,本文也选用能量检测法。
图2.3是能量检测法的具体流程,对平常的窄带信号来说,UWB信号功率极低,类似白噪声,设定好阈值很简单将窄带信号的中心频率探测出来,实现简洁,而且反馈迅速,十分符合UWB的要求。
图2.3能量检测法的实现流程图
2.1.3背景信号与能量分析
放射机端放射出UWB信号后,会在信道受到现有的窄带通信系统的干扰。
所以本文在方案里会设计一个超宽带的背景信号,由超宽带信号和窄带信号叠加而成。
本文选用了GSM信号作为背景窄带信号与超宽带信号叠加,并设定了一个门限值-63dBm,可以看出右图中,在1.15GHz周边有明显的干扰噪声,左图中在0.8GHz和5GHz周边有干扰噪声。
由于对超宽带信号来看,窄带噪声的功率较大,所以在图上就会有很明显的突起,为了幸免窄带处的干扰对通信造成影响,就需要对脉冲波形进行设计。
图2.4背景信号的能量检测图
2.2本章小结
本章主要介绍了认知超宽带的模型,利用流程图展示了认知过程,并通过超宽带信号功率谱取决于单脉冲信号分析得出认知超宽带,设计时只需对UWB单个脉冲信号进行自适应调整即可。
之后介绍频谱感知的各种方法,分析其优劣,最终选择了实现相对简单、符合设计要求的能量检测法。
最终设计了超宽带信号与窄带信号叠加,形成设计中的环境背景信并用能量检测的方法感知到窄带干扰,为之后针对环境信号设计仿真做准备。
第三章基于Chirp信号的超宽带脉冲波形设计
3.1超宽带成形脉冲设计
Chirp信号又名线性调频信号,是指在其持续期间频率连续改变并保持某种线性规律的信号,是一个典型的非平稳信号[15]。
Chirp信号通常用于声纳和雷达,但还有其他应用,如扩频通信。
Chirp信号的时域表达式为:
(3.1)
式3.1中,a(t)常用矩形脉冲,其为Chirp信号的包络,即当
时a(t)=1,其它a(t)=0。
是Chirp信号的中心频率,B=|k|T是Chirp信号的带宽,k为线性调频率。
Chirp信号分为两种:
正向线性调频脉冲(UP-Chirp)和反向线性调频脉冲(DOWN-Chirp),是由k的正负决定的,当k>0,瞬时频率不停增大,即为正向;反之,则是反向。
UP-Chirp信号和DOWN—Chirp信号都拥有良好的自相关性[6]。
其自相关函数表达式为
(3.2)
图3.1UP-Chirp和DOWN-Chirp及其匹配滤波后的时域波形
可以将UP-Chirp信号和DOWN-Chirp信号相互作为其匹配滤波器的冲激响应,从图3.1中可以看出经过匹配滤波器输出的波形具有较为尖锐的时域特点,其相对于发送的Chirp信号在时域上被压缩了B
倍(称为压缩增益比)。
此输出波形定义为Chirp压缩信号,将其作为UWB的成形脉冲。
3.2压缩脉冲信号设计
通过改变Chirp信号的中心频率和带宽可以改变其参数,进而调整叠加可以设计对干扰进行避让出符合功率谱要求的自适应脉冲。
图3.2不改变中心频率,带宽改变时的Chirp信号时域和功率谱密度图,图3.3是带宽不变,中心频率改变。
通过两幅图可以看出,这些成型的脉冲都是符合FCC规定的功率谱限制。
图3.2中随着Chirp波形的带宽B(1.5/2.5/3.5/4.5GHz)不断的增大时域上的波形变得越来越窄,旁瓣的功率也是迅速下降;图3.3中随着中心频率
(4/6/8/10GHz)的上升,时域上的波形越来越密集,波形的改变周期缩短了。
图3.2中心频率
不变,带宽改变时的时域波形和功率谱密度
图3.3带宽不变,中心频率改变的时域波形和功率谱密度
由此通过带宽和中心频率的改变可以调整得到多个Chirp信号,基于这个特点,根据傅里叶改变中的线性特性,可以把多个Chirp脉冲信号进行线性叠加,产生出一个频谱利用率高,并且符合FCC的UWB辐射功率谱限制的一个组合脉冲:
(3.3)
图3.4给出了基于组合Chirp压缩脉冲的UWB脉冲波形生成框图。
通过匹配滤波器得到Chirp压缩信号,然后根据式3.3中选择中心频率
、带宽B、脉冲个数N,以及幅度a(t)各个参数,经过组合相加再使用快速傅里叶改变,比较是否符合功率谱限制,如果符合则得到符合功率谱限制要求的UWB成型脉冲,如果没有符合,则从新用Chirp压缩信号再次选择组合。
图3.4基于组合Chirp压缩脉冲的UWB脉冲波形生成框图
取N=18,将Chirp信号进行压缩、组合之后就形成了图3.5中的组合Chirp压缩脉冲信号,从图中可以看出该脉冲信号时域上小于2ns,功率谱密度符合FCC要求,旁瓣在规定的3.1-10.6GHz范围外的地方迅速衰落,类似于一个门函数的图形,并且利用率很高,主要用到的频段几乎使用满。
图3.5组合Chirp压缩脉冲信号的时域波形和功率谱密度
3.3基于组合Chirp压缩信号的软频谱自适应设计
软频谱自适应就是对于干扰采纳频谱避让的方式,通过对各种参数的设置,可以对环境中的已经被占用的频谱或是特别的频段进行避让。
通过3.2的分析、仿真可以得知Chirp压缩信号通过选择不同中心频率
和带宽B可以改变频谱特性。
根据2.1.3
小节对预设的背景信号的能量检测中得到的窄带干扰频率
,需要对这两个时刻的窄带干扰频率点进行适应,做到功率谱下陷,避开干扰。
由于感知了背景信号,所以干扰以外的频谱基本都可以使用,而FCC规定的功率谱密度-41.3dBm不能超过。
图3.6是窄带干扰在1.15GHz时的自适应Chirp波形的时域图和功率谱密度图,可以看到在干扰处有35dBm的下陷,基本规避了干扰。
而其它频率段都很高效率的利用到了。
图3.6窄带干扰
1.15GHz时自适应Chirp波形的波形和功率谱密度
图3.7窄带干扰
0.8GHz和5GHz时自适应Chirp波形的波形和功率谱密度
图3.7在窄带干扰0.8GHz和5GHz处都形成了接近40dBm的功率下陷,与图3.6展现的一样,波形对背景信号进行了自适应。
通过上面的基于Chirp信号的自适应波形可以看出该方法灵活性很高,可以满足不同带宽、频率的超宽带系统的波形设计。
3.4本章小结
本章介绍了基于Chirp信号的脉冲波形设计方法,从由UP、DOWNChirp信号匹配滤波得到的脉冲成型设计到改变参数做出的组合压缩,完成符合FCCMASK的脉冲信号,利用FFT的线性特点能够调整组合的脉冲中的中心频率、带宽等参数达到某频段功率上降低,避开窄带干扰的目标。
最终完成了自适应脉冲波形的设计,做出仿真,使脉冲信号在窄带干扰处功率下陷,完成了设计目标。
第四章总结与展望
本文首先对UWB系统和CR技术的进展历史和国内外现状进行了简洁的介绍,并且介绍了UWB通信中的重要部门FCC,其中FCCMASK是UWB通信的通常限制。
然后本文对CUWB进行建模,超宽带信号是由超宽带脉冲组成,然后经过信道,由接收端进行频谱感知最终修正放射波形,这样一个完整的循环过程。
设计方案时由此得出对最开始的超宽带脉冲信号进行自适应设计就能够使整个超宽带信号自适应。
之后分析频谱感知方法优劣,选择出最合适的能量检测法,并设计超宽带与窄带信号结合的背景信号。
最终设计了基于Chirp信号的自适应脉冲波形,通过UP、DOWN-Chirp信号互为匹配滤波器得到超宽带成形脉冲,又改变其中心频率、带宽等参数进行组合,再线性叠加产生出了组合压缩Chirp脉冲波形,感知之前设计的频谱,在窄带干扰处做出功率下陷,成功做出仿真结果。
本文的兼容性设计方案是以能量检测和Chirp信号为基础做出的感知频谱的超宽带脉冲波形,不足之处在于没有尝试其他的方法,波形设计中,高斯信号也能够组合生成超宽带信号,频谱感知方法中特征检测法和匹配滤波法在已信道中信号的情况下也可使用,作为方案设计还不够全面。
经过毕设期间对认知超宽带的浅薄研究,本人对认知超宽带技术有了一个比较基础的认识,并通过仿真了解了其中的简化过程。
认知无线电现在还处于理论研究阶段,需要已授权频段用户的信任;对于超宽带系统,不能够对共享频谱的授权和免授权用户产生干扰,但超宽带系统也可能收到其他窄带系统的干扰,二者结合实际应用还有一段不短的路要走。
但是因为认知超宽带能够带来的极高的频谱资源利用率,肯定有朝一日能够投入应用。
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致谢
本篇论文能够顺利完成,除了我自己的努力还需要感谢很多人。
我在前期准备不是很充分,导致之后进度完成较慢,所以我非常感谢大家对我的帮助,让我完成了毕业设计。
首先是我的同组同学黄辉峰、刘铮,由于我们的题目原理具有关联性,所以我们经常一起商议相关知识,我从他们身上学到了许多知识和了解到了新的想法。
其次我还要感谢我的舍友们,在他们的督促和激励下,我让自己不断学习。
我最感谢的是指导老师周刘蕾老师,周老师经常为我们解决研究中的疑惑,给予了我极大的帮助,让我最终能顺利完成本论文。
最终,再一次向以上的所有人表达我由衷的感谢,非常感谢能够在毕业阶段得到你们的帮助,祝愿大家都能够一切顺利。
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