認(rèn)知無線電技術(shù)CR（Cognitive Radio）[1]被國內(nèi)外許多研究機構(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)且動態(tài)變化,，所以傳統(tǒng)的OFDM技術(shù)已無法再適用于具有上述特性的頻譜環(huán)境?；陬l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)動態(tài)變化的頻譜環(huán)境,，同時還可以實現(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,。

     目前國內(nèi)外的課題研究[3-5]都集中于認(rèn)知無線電的理論上,涉及實驗平臺的研究較少,。本文在設(shè)計NC-OFDM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,，同時也解決了該系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時的關(guān)鍵問題,，最后利用USRP2平臺實現(xiàn)NC-OFDM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。本系統(tǒng)具有一定的實用價值,，為認(rèn)知無線電由理論研究步入實際應(yīng)用奠定了原型基礎(chǔ),，同時也為其他基于USRP2的無線通信系統(tǒng)設(shè)計提供了有益借鑒。
1 NC-OFDM系統(tǒng)的原理及模型
    認(rèn)知無線電是一種智能的無線通信系統(tǒng),，它不僅可以主動感知周圍的無線電磁環(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,，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NC-OFDM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和幅度判決兩部分,，利用各種頻譜檢測手段、方法感知系統(tǒng)周圍的無線頻譜使用情況,，然后將檢測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)下通常可以用來傳輸數(shù)據(jù)的頻帶是非連續(xù)并且是動態(tài)變化的,。對于依據(jù)檢測判決結(jié)果得到的子載波開/關(guān)控制信息,，系統(tǒng)將會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點傅里葉反變換,。然后在發(fā)送數(shù)據(jù)前給每個符號插入保護(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先進(jìn)行射頻解調(diào)，得到基帶信號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實現(xiàn)NC-OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸
2.1 USRP2平臺
    USRP2主要由母板和子板組成。板中的FPGA模塊用于計算,、編程和算法實現(xiàn),；RAM模塊用于存儲數(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)模塊用于將來自電腦通過網(wǎng)線傳輸?shù)腢DP數(shù)據(jù)讀入USRP2中；電源模塊為USRP2中各個芯片和模塊提供穩(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)字中頻信號上變頻到想要的射頻信號,。
    在MATLAB中SIMULINK為用戶提供的USRP2 Transmitter和USRP2 Receiver兩個模塊[6],。這兩個模塊都支持SIMULINK與USRP2之間的動態(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)知無線電應(yīng)用,。
2.2 NC-OFDM系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題
    同OFDM系統(tǒng)一樣,， 在NC-OFDM系統(tǒng)中，當(dāng)有同樣相位的信號疊加時就會產(chǎn)生非常大的峰值平均功率比（PAPR）,，當(dāng)PAPR過高時會顯著影響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,，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,，將參考文獻(xiàn)[5]中的算法進(jìn)行改進(jìn),，設(shè)計了一種適合本系統(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,，PTS方法能夠較好地將其降低；而當(dāng)初始PAPR值不是很大時，PTS的效果則不太明顯,，此時使用交織方法能夠較高效地降低PAPR,。針對這種情況，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值設(shè)為門限值,，通過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。

    算法首先計算出NC-OFDM符號的PAPR值,，如果小于預(yù)先設(shè)定好的門限值PAPRth1,，信號不作任何改動,，直接傳送到IFFT模塊,。當(dāng)PAPR大于PAPRth1并且小于PAPRth2時，傳輸信號只進(jìn)行交織運算,。如果大于PAPRth2,，則將傳輸信號送入PTS運算模塊。
    另外,，NC-OFDM系統(tǒng)對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ML(Maximum Likelihood Estimation) 算法[10]，來進(jìn)行符號定時估計和載波頻率偏移估計,。
    在NC-OFDM系統(tǒng)中,為了避免對主用戶的干擾,，會使一些子載波無效，其值設(shè)為0,，即IFFT的輸入端和FFT的輸出端有一些0,。此時，F(xiàn)FT模塊的硬件資源將不能充分利用,，本文設(shè)計的傳輸系統(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,，在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，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)順序錯亂，無法得到正確的接收數(shù)據(jù),?？梢栽趥鬏斝畔r在每幀數(shù)據(jù)的幀頭部分加入一些識別信息，接收端可根據(jù)識別信息來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)計與實現(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)計并搭建了一個NC-OFDM傳輸系統(tǒng),并與USRP2平臺互聯(lián)， 以實現(xiàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過無線信道的發(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)制序列隨機生成,，在經(jīng)過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UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳送至USRP2平臺,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)信息將會被解調(diào),，得到基帶信號,。
3 仿真結(jié)果及分析
    仿真環(huán)境：硬件使用認(rèn)知無線電平臺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IFFT變換；發(fā)送平臺與接收平臺相距5 m,；射頻頻率2.45 GHz,。
    仿真實驗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,，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)時接收端頻譜圖如圖4(b)所示,。由于數(shù)據(jù)經(jīng)過無線信道的傳輸,，必定會有能量的衰減和噪聲的干擾，而且在本文設(shè)計的系統(tǒng)中沒有考慮帶外干擾抑制,，所以會有少部分接收信號被干擾,。但是，經(jīng)過對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)為接收信號頻譜圖基本與發(fā)送信號的頻譜圖相吻合,，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)計的基于USRP2平臺的NC-OFDM系統(tǒng)可以進(jìn)行無線通信的數(shù)據(jù)傳輸,。

    仿真實驗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?？梢钥闯?，在原始NC-OFDM符號中，有0.1%的NC-OFDM符號的PAPR超過了11.5 dB,，而使用自適應(yīng)算法后,，此時的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NC-OFDM系統(tǒng)峰均比大的問題,。

    認(rèn)知無線電技術(shù)的出現(xiàn)給無線通信帶來了革命性的變化,，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)的基本原理和實現(xiàn)方法,，運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)時遇到的困難問題,，并且在認(rèn)知無線電平臺（USRP2）上進(jìn)行了數(shù)據(jù)的傳輸檢測,，檢測結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。該系統(tǒng)為認(rèn)知無線電由理論研究步入實際應(yīng)用奠定了原型基礎(chǔ),，有一定的實用價值,，同時該平臺上的成功實驗也為其他基于USRP2的無線系統(tǒng)設(shè)計提供了借鑒。然而認(rèn)知無線電技術(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，未來的工作可以考慮在諸如頻偏估計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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