CN101982938B - 一种实现无静默期频谱感知的认知无线电系统 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种实现无静默期频谱感知的认知无线电系统，应用于认知无线电网络。所述系统包括：一种发射信息采用混沌信号的认知无线电发射装置，一种对接收到的信号同时进行频谱感知和混沌信号解调的认知无线电接收装置。通过该系统认知无线电用户在进行频谱感知时无需采用静默期，增加了认知无线电用户进行自身数据传输的时间，保证了数据传输的连续性，提高了认知无线电用户的通信QoS(Quality of Service)。

Description

一种实现无静默期频谱感知的认知无线电系统

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及认知无线电系统。

背景技术

随着无线通信技术的发展，人们对无线频谱资源的需求越来越大。然而，无线频谱是稀缺、有限的资源。如何充分利用频谱资源，提高频谱利用率，成为了一个亟待解决的问题。认知无线电(CR，Cognitiveradio)技术为解决这个问题提供了一种可行的方案。在CR系统中，具有认知功能的用户(CR用户)需要对授权用户频谱进行感知，在不影响授权用户正常通信的前提下利用频谱空穴，所述频谱空穴为已分配给授权用户但未被其使用的空闲频谱。

在目前的认知无线电网络中，如IEEE802.22无线区域网络，为了抑制认知无线电信号对频谱感知的干扰，现有的频谱感知技术需要使用静默期，在静默期内CR用户中断自身的数据传输，这样不但减少了CR用户进行自身数据传输的时间，而且破坏了数据传输的连续性，严重损害了CR用户的通信服务质量(QoS，Quality of Service)。

发明内容

为了解决静默期给CR用户通信QoS带来的损害，本发明实例提供了一种实现无静默期的认知无线电系统，应用于认知无线电网络，包括认知无线电发射装置和认知无线电接收装置，其特征在于：

所述认知无线电发射装置，采用混沌信号发射信息，包括：

认知无线电发射信息产生模块，用于将CR用户将要发送的信息转化成二进制发射信息；

混沌信号发生模块，用于产生混沌信号；

自适应模块，用于认知无线电发射装置根据感知到的频谱空穴特征调整上述混沌信号的频谱；

混沌调制模块，用频谱经过调整的混沌信号将上述二进制发射信息调制成混沌信号；

单天线发射模块，用于将混沌调制模块产生的混沌信号发射出去，且发射频段在一定范围内可调。

所述认知无线电接收装置，用于对接收到的信号同时进行频谱感知和混沌信号解调，实现无需静默期的频谱感知，包括：

多天线接收模块，用于接收装置能够同时接收至少三个相互独立的信号，且接收频段在一定范围内可调；

分路器模块，用于将接收到的信号分成两路，第一路用于频谱感知，第二路用于混沌信号的解调；

频谱感知模块，用于感知接收到的信号中是否含有授权用户发射信号；

解调模块，用于解调接收信号中的混沌信号，恢复出CR用户发射信息；

管理模块，用于认知无线电接收装置根据频谱感知模块和解调模块的结果进行决策并调整频谱感知模块和解调模块参数

所述混沌信号发生模块，用于产生混沌信号，包括：

混沌信号发生模块采用蔡氏模拟混沌电路来实现。

所述自适应模块，用于认知无线电发射装置根据感知到的频谱空穴特征调整混沌信号的频谱，包括：

通带自适应可调的滤波器，将混沌信号通入其中，滤波器的通带范围根据感知到的频谱空穴特征来设置，从而混沌信号的频谱能够自适应的根据频谱空穴来调整。

所述频谱感知模块，用于感知接收到的信号中是否含有授权用户发射信号，包括：

自相关模块，对接收到的第一路信号进行自相关，得到自相关信号；

杜芬混沌振子模块，用于提供杜芬混沌振子；

循环频率估计模块，将自相关得到的信号导入杜芬混沌振子中，估计其中授权用户信号的循环频率；

检测模块，用于根据临界混沌状态的杜芬混沌振子对同频率周期信号敏感的特性检测授权用户信号是否出现；

判断模块，用于根据观察杜芬混沌振子的状态来判断授权用户信号是否出现。

所述循环频率估计模块，将自相关得到的信号导入杜芬混沌振子中，估计其中授权用户信号的循环频率，包括：

将自相关得到的信号导入杜芬混沌振子模块；

根据授权用户使用频段的历史统计信息采用相应的调节机制对杜芬混沌振子模块的角频率进行调节，并记录杜芬混沌振子每个角频率值对应的输出信号；

计算输出信号的方差值，分别求出每个角频率对应杜芬混沌振子输出信号的方差值；

依据方差值确定待检信号的循环频率，选取最大输出信号方差值对应的角频率，即为该自相关信号中可能存在的授权用户信号自相关循环频率。

所述根据授权用户使用频段的历史统计信息采用相应的调节机制对杜芬混沌振子模块的角频率进行调节，并记录杜芬混沌振子每个角频率值对应的输出信号，包括：

调节机制的选择基于授权用户使用频段的历史统计信息。若根据历史统计信息，授权用户在该频谱空穴内使用的频段比较分散且多变，则采用两步调节机制：第一步以较大的间隔值对杜芬混沌振子的角频率进行粗调节；第二步根据第一步输出信号方差的结果，选定方差值较大的角频率区间，并在该区间以较小的间隔值对杜芬混沌振子的角频率进行细调节。若根据历史统计信息授权用户在该频谱空穴内使用的频段比较集中且固定，则采用自适应调节机制，在使用集中的频段采用小间隔值对杜芬混沌振子的角频率进行细调节，在其他频段采用大间隔值对其进行粗调节。

所述检测模块，用于根据临界混沌状态的杜芬混沌振子对同频率周期信号敏感的特性检测授权用户信号是否出现，包括：

调节杜芬混沌振子的角频率等于估计的循环频率，并调节杜芬混沌振子的策动力幅值使振子处于临界混沌状态，然后将自相关得到的信号导入杜芬混沌振子。

所述解调模块，用于解调接收信号中的混沌信号，恢复出CR用户发射信息，包括：

混沌信号提取模块，用于从第二路信号中提取混沌信号；

利用混沌信号的动力学方程和参数估计法，搜寻提取矩阵W，利用W从第二路信号x_i(t)(i＝1，2，3)中提取出混沌信号，W为：

$W=\arg \underset{W}{\min }\mathrm{\ϵ}\left(W\right)$

ε(W)为误差函数：

ε(W)＝∑(y(t)-f(y(t-1)))²

f(·)为所要提取混沌信号的动力学方程，y(t)为混沌信号的估计值。

混沌信号解调模块，用于对提取出的混沌信号进行解调。

所述管理模块，用于认知无线电接收装置根据频谱感知模块和解调模块的结果进行决策并调整频谱感知模块和解调模块参数，包括：

若频谱感知的结果是授权用户信号不存在，则管理模块做出决策：CR用户继续使用该段频谱空穴，在该段频谱空穴上传输信息并进行频谱感知；若频谱感知的结果是授权用户信号存在，则管理模块做出决策：CR用户立刻退出该频谱空穴。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过本技术方案所设计的认知无线电系统可以实现无静默期的频谱感知，一方面使得CR用户可以在进行自身数据传输的同时进行不间断的频谱感知，提高了检测的及时性和准确性；另一方面使得CR用户可以在进行频谱感知的同时无需中断自身数据传输，保证了自身数据传输的连续性，提高了频谱利用率，提高了CR用户的通信QoS。

附图说明

图1：本发明实施例的认知无线电系统拓扑图；

图2：本发明实施例提供的认知无线电发射和接收装置示意图；

图3：本发明实施例提供的认知无线电发射装置结构图；

图4：本发明实施例提供的认知无线接收装置结构图；

图5：本发明实施例提供的认知无线电接收装置频谱感知模块结构图；

图6：处于混沌临界状态的杜芬混沌振子吸引子相轨迹图；

图7：处于大尺度周期状态的杜芬混沌振子吸引子相轨迹图；

图8：本发明实施例提供的认知无线电接收装置解调模块结构图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例的认知无线电系统拓扑如图1所示，一对CR用户设备，包括CR发射装置和CR接收装置，和一对授权用户设备，包括授权发射装置和授权接收装置。授权用户设备使用已分配的授权频谱资源，该授权频谱资源为可用信道，而CR用户设备在授权用户设备不工作的时候利用该段已经授权的频谱资源，但是，授权用户设备随时可能开始工作，认知用户设备需要通过频谱感知快速准确地检测出该段频谱资源上随时出现的授权用户信号并及时退出该信道。

以下是具体的实施例，参见图2，本发明实施例提供了一种实现无静默期频谱感知的认知无线电系统，包括：

认知无电线发射装置100：用于产生认知无线电混沌信号并发射出去，由微处理器、差分混沌键控调制电路、蔡氏模拟混沌电路以及单天线发射电路组成；

认知无线电接收装置200：用于接收频谱空穴上的信号并通过对其处理同时实现频谱感知与认知无线电混沌信号的解调，由微处理器、多天线接收电路、延迟相关解调电路、分路电路和自相关电路组成；

如图3所示，在本发明实施例中，认知无电线发射装置100包括：

认知无线电发射信息产生模块101：由微处理器实现，输出与混沌调制模块104的输入相连，该模块对CR用户需要发送的信息进行编码，使其转化为二进制的认知无线电发射信息；

混沌信号发生模块102：用于产生混沌信号，其输出与自适应模块103的输入相连，该模块可以根据一定的混沌模型利用由电容、电阻、电感等元件组成的模拟混沌电路产生，混沌信号的产生可以采用如蔡氏模拟混沌电路、变型蔡氏模拟混沌电路、杜芬模拟混沌电路等；也可以根据一定混沌模型的动力学方程利用数字合成技术产生。在本发明实施例中混沌信号发生模块采用蔡氏模拟混沌电路来实现，在保证CR用户通信QoS的前提下，也可采用上述其他方法来产生混沌信号。

自适应模块103：输入与混沌信号发生模块102的输出相连，可以由微处理器实现，能够根据感知到的频谱空穴特征自适应调整混沌信号的频谱，以避免对相临信道的通信造成干扰；

该模块包含通带自适应可调的滤波器，将混沌信号通入通带可调的滤波器，滤波器的通带范围根据感知到的频谱空穴特征来设置，从而混沌信号的频谱能够自适应的根据频谱空穴来调整。

混沌调制模块104：由差分混沌键控调制电路实现，输入与认知无线电发射信息产生模块101和自适应模块103的输出相连，输出与单天线发射模块105的输入相连，用经过自适应调制的混沌信号对认知无线电发射信息进行差分混沌键控调制；

差分混沌键控调制基函数的前半段称为参考段，后半段称为信息承载段。根据认知无线电发射信息为“0”和“1”的不同，信息承载段分别为参考段的同相或反相副本。当发射信息为“1”时，发送g₁(t)；当发射信息为“0”时，发送g₂(t)。g₁(t)和g₂(t)分别为

$g_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}+\frac{1}{\sqrt{E_b}}c\left(t\right),& 0\&le;t<T/2\\ +\frac{1}{\sqrt{E_b}}c(t-T/2),& T/2\&le;t<T\end{array}\right.$

$g_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}+\frac{1}{\sqrt{E_b}}c\left(t\right),& 0\&le;t<T/2\\ +\frac{1}{\sqrt{E_b}}c(t-T/2),& T/2\&le;t<T\end{array}\right.$

T为CR用户发射信息的符号周期。需要说明的是，在本发明实施例中，混沌调制模块选择差分混沌调制方式，在保证CR认知用户通信QoS的前提下，当然可以选择其他数字混沌调制方式，如混沌键控、混沌开关键控、调频差分混沌键控等。

单天线发射模块105：由单天线发射电路实现，输入与混沌调制模块104的输出相连，用于将产生的认知无线电混沌信号发射出去，且发射频段可以在一定范围内调整。

在本发明实施例中，如图4，认知无线电接收装置200包括：

多天线接收模块201：由多天线接收电路实现，输出与分路模块202的输入相连，采用三根接收信号相互独立的天线从频谱空穴上接收信号，保证接收到的信号相互独立，且接收频段在一定范围内可调；

由于接收到的信号由认知无线电混沌信号s(t)、随时可能出现的授权用户信号i(t)及噪声n(t)三种相互独立的信号组成，为了实现对接收信号中的认知无线电混沌信号的准确解调，接收端可以利用从多条天线数接收到的多个相互独立的信号中提取出认知无线电混沌信号s(t)，消除授权用户信号i(t)及噪声n(t)的干扰。本实施例仅以采用三根天线为例，在CR用户接收装置实现成本允许的情况下，也可以采用多于三根的天线来实现。

分路模块202：由分路电路实现，输入与多天线接收模块201的输出相连，有两路输出，第一路输出和第二路输出分别与频谱感知模块203和解调模块204的输入相连，将三根天线接收到的信号(用x_i(t)(i＝1，2，3)表示)分成两路，第一路为包含任一根天线接收到的信号，用于频谱感知，将该路信号记为r(t)；第二路为包含三根天线接收到的信号x_i(t)(i＝1，2，3)。

频谱感知模块203：由微处理器和自相关电路实现，输入与分路模块202的第一路输出相连，输出与管理模块205的输入相连，对接收到的第一路信号进行频谱感知，以感知授权用户信号是否出现；

解调模块204：由微处理器和延迟相关解调电路实现，输入与分路模块202的第二路输出相连，输出与管理模块205的输入相连，对接收到的第二路信号进行解调，恢复出认知无线电发射信息；

管理模块205：由微处理器实现，输入与频谱感知模块203和解调模块204的输出相连，根据频谱感知模块和解调模块的结果进行决策并调整多天线接收模块201，频谱感知模块203，解调模块204参数。

若频谱检测的结果是授权用户信号不存在，则管理模块做出决策：CR用户继续使用该段频谱空穴，在该段频谱空穴上传输信息并进行频谱感知；若频谱检测的结果是授权用户信号存在，则管理模块做出决策：CR用户立刻退出该频谱空穴。

在本发明实施例中，如图5，频谱感知模块203包括：

自相关模块203a：通过自相关电路实现，输入与分路模块202的第一路输出相连，输出与杜芬混沌振子模块203b的输入相连，对接收到的第一路信号进行自相关，得到自相关信号c(t)；

由于授权用户信号i(t)经过调制、编码等处理后，信号中存在一定的冗余信息，若第一路信号包含i(t)则自相关得到的信号c(t)会呈现出循环周期性；由于噪声和混沌信号不具有这种特性。因此，若第一路信号不包含i(t)，则其自相关得到的信号c(t)不具有循环周期性。

杜芬混沌振子模块203b：，该模块根据杜芬混沌振子的动力学方程利用数字合成技术通过微处理器实现，与循环频率估计模块203c，检测模块203d为双向连接，输入与自相关模块203a的输出连接，用于提供杜芬混沌振子；

杜芬混沌振子的动力学方程表示为：

x^.(t)+kx′(t)-x³(t)+x⁵(t)＝a_c cosω_ct

其中，k为阻尼比；a_c为振子周期策动力幅值；ω_c为振子角频率。

循环频率估计模块203c：，由微处理器实现，与检测模块203b为双向连接，将自相关得到的信号c(t)导入杜芬混沌振子中，估计其中授权用户信号i(t)的循环频率；

该模块的工作原理如下：

A：导入待检信号，将信号c(t)导入杜芬混沌振子；

B：采用基于授权用户使用频段历史统计信息的调节机制对杜芬混沌振子角频率进行调节，在频谱空穴的频段范围内，采用该机制调节杜芬混沌振子的角频率并记录混沌振子每个角频率值对应的输出信号；

角频率调节机制的设计基于授权用户使用频段的历史统计信息。若根据历史统计信息，授权用户在该频谱空穴内使用的频段比较分散且多变，则采用两步调节机制：第一步以较大的间隔值对杜芬混沌振子的策动力角频率进行粗调节；第二步根据C的计算结果，选定方差值较大的角频率区间，并在该区间以较小的间隔值对杜芬混沌振子的策动力角频率进行细调节。若根据历史统计信息授权用户在该频谱空穴内使用的频段比较集中且固定，则采用自适应调节机制，在使用集中的频段采用小间隔值对杜芬混沌振子的策动力角频率进行细调节，在其他频段采用大间隔值对其进行粗调节。

C：计算输出信号的方差值，分别求出每个角频率对应杜芬混沌振子输出信号的方差值；

D：依据方差值确定待检信号的循环频率，选取最大输出信号方差值对应的角频率，即为信号c(t)中假设存在授权用户信号自相关的循环频率。

检测模块203d：，由微处理器实现，与杜芬混沌振子模块203b为双向连接，与判断模块203e单向连接，输出与判断模块203e的输入相连，用于根据临界混沌状态的杜芬混沌振子对同频率周期信号敏感的特性检测授权用户信号是否出现；

调节杜芬混沌振子的角频率等于估计的循环频率，并调节杜芬混沌振子的策动力幅值使振子处于临界混沌状态，然后将自相关信号c(t)导入杜芬混沌振子；调节a_c值的大小可以改变杜芬混沌振子的状态，当该混沌振子处于混沌状态时，增大a_c值到一临界值，若a_c值若再增大，该混沌振子便会由混沌状态跃迁到周期状态。

判断模块203e：由微处理器实现，输入与检测模块203d的输出相连，用于根据观察杜芬混沌振子的状态来判断授权用户信号是否出现。

观测导入自相关信号c(t)之后杜芬混沌振子的状态，处于临界混沌状态的杜芬混沌振子对导入其中的同频率循环周期信号敏感，所述同频率是指杜芬混沌振子的角频率与导入循环周期信号的循环频率相同，表现为杜芬混沌振子会由混沌状态变为大尺度周期状态，其相位轨迹会由复杂的运动状态(如图6)变为环状的运动状态(如图7)。据此，通过观察杜芬混沌振子的相位轨迹可判断导入杜芬混沌振子的信号是否具有循环周期特性，即是否存在授权用户信号。

需要说明的是，在本发明实施例中，判断模块采用观察杜芬混沌振子的相位轨迹来判断振子是否仍处于混沌状态，在保证判断准确的前提下，当然也可以选择其他方法来判断杜芬混沌振子是否仍处于混沌状态，如计算此时杜芬混沌振子输出信号的熵值等。

在本发明实施例中，如图8，解调模块204包括：

认知无线电混沌信号提取模块204a：用于从第二路信号中提取认知无线电混沌信号，可以由微处理器实现，输入与分路模块202的第二路输出相连，输出与认知无线电混沌信号解调模块204b相连，；

该模块利用认知无线电混沌信号的动力学方程，从第二路信号x_i(t)(i＝1，2，3)中提取出认知无线电混沌信号；

对提取问题进行数学建模，x_i(t)(i＝1，2，3)可用矩阵表示为

X＝AS

X＝[x₁(t)，x₂(t)，x₃(t)]^T

S＝[s(t)，i(t)，n(t)]^T

其中，A为混合矩阵，由X和S都为满秩矩阵可知，A也是满秩的。因此A必定存在伪逆矩阵A^#，根据A^#A＝E，则存在提取矩阵W，可表示为

W＝A^#(1，：)

根据WA＝[1，0，0]，认知无线电混沌信号可由下式得到

y(t)＝WX＝WAS

＝[1，0，0]*[s(t)，i(t)，n(t)]^T

＝s(t)

因此，混沌信号提取的关键就是寻找到提取矩阵W，使y(t)逼近s(t)。为此，定义误差函数

ε(W)＝∑(y(t)-s(t))²

其中f(·)为所要提取混沌信号的动力学方程，对于CR用户为已知信息，y(t)为s(t)的估计值，则认知无线电混沌信号s(t)可表示为

s(t)＝f(y(t-1))将其带入上式得

ε(W)＝∑(y(t)-f(y(t-1)))²

因此，混沌信号的提取问题可转化为最优化问题，即

$W=\arg \underset{W}{\min }\mathrm{\&epsiv;}\left(W\right)$

寻找最优的提取矩阵W，使误差函数ε(W)最小。

利用参数估计法，搜寻提取矩阵W，选取使误差函数ε(W)达到全局最小对应的W即为提取矩阵。将其带入下式

y(t)＝WX＝WAS＝s(t)

即可得到认知无线电混沌信号。

认知无线电混沌信号解调模块204b：由延迟相关解调电路实现，输入与认知无线电混沌信号提取模块204a的输入相连，用于对提取出的认知无线电混沌信号进行解调。

该模块对提取出的认知无线电混沌信号进行延迟相关解调。利用混沌信号类似于脉冲函数的自相关特性和非常低的互相关特性，将认知无线电混沌信号延迟时间τ(τ＝T/2)并进行自相关，将自相关的结果与判决门限进行比较，大于门限值判为“1”，小于门限值则判为“0”。

Claims (4)

1.一种基于混沌信号的无静默期频谱感知装置，其特征在于可对接收到的信号同时进行频谱感知和混沌信号解调，实现无需静默期的频谱感知，包括：

多天线接收模块，用于基于混沌信号的无静默期频谱感知装置能够同时接收至少三个相互独立的信号，且接收频段在一定范围内可调；

分路器模块，用于将接收到的信号分成两路，第一路用于频谱感知，第二路用于混沌信号的解调；

频谱感知模块，感知接收到的信号中是否含有授权用户发射信号，包括以下5个模块：

a)自相关模块，对接收到的第一路信号进行自相关，得到自相关信号；

b)杜芬混沌振子模块，用于提供杜芬混沌振子；

c)循环频率估计模块，将自相关得到的信号导入杜芬混沌振子，根据授权用户使用频段的历史统计信息采用相应的调节机制对杜芬混沌振子的角频率进行调节以估计其中可能存在的授权用户信号自相关循环频率，具体包括：若根据历史统计信息，授权用户在该频谱空穴内使用的频段分散且多变，则采用先粗后细的两步调节机制，第一步对杜芬混沌振子的角频率进行粗调节，第二步根据第一步输出信号方差的结果在选定的角频率区间内对杜芬混沌振子的角频率进行细调节；若根据历史统计信息授权用户在该频谱空穴内使用的频段集中且固定，则采用自适应调节机制，在使用集中的频段对杜芬混沌振子的角频率进行细调节，在其他频段对杜芬混沌振子的角频率进行粗调节；并记录杜芬混沌振子每个角频率值对应的输出信号；计算输出信号的方差值，分别求出每个角频率对应杜芬混沌振子输出信号的方差值；依据方差值确定待检信号的循环频率，选取最大输出信号方差值对应的角频率，即为该自相关信号中可能存在的授权用户信号自相关循环频率；

d)检测模块，用于根据临界混沌状态的杜芬混沌振子对同频率周期信号敏感的特性检测授权用户信号是否出现；

e)判断模块，用于根据观察杜芬混沌振子的状态来判断授权用户信号是否出现；

解调模块，用于解调接收信号中的混沌信号，恢复出认知无线电(CR，Cognitive radio)用户发射信息；

管理模块，用于基于混沌信号的无静默期频谱感知装置根据频谱感知模块和解调模块的结果进行决策并调整频谱感知模块和解调模块参数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测模块，用于根据临界混沌状态的杜芬混沌振子对同频率周期信号敏感的特性检测授权用户信号是否出现，包括：

调节杜芬混沌振子的角频率等于估计的循环频率，并调节杜芬混沌振子的策动力幅值使振子处于临界混沌状态，然后将自相关得到的信号导入杜芬混沌振子。

3.根据权利要求1述的装置，其特征在于，所述解调模块，用于解调接收信号中的混沌信号，恢复出CR用户发射信息，包括：

混沌信号提取模块，用于从第二路信号中提取混沌信号；

混沌信号解调模块，用于对提取出的混沌信号进行解调。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述管理模块，用于基于混沌信号的无静默期频谱感知装置根据频谱感知模块和解调模块的结果进行决策并调整频谱感知模块和解调模块参数，包括：

若频谱感知的结果是授权用户信号不存在，则管理模块做出决策：CR用户继续使用该段频谱空穴，在该段频谱空穴上传输信息并进行频谱感知；若频谱感知的结果是授权用户信号存在，则管理模块做出决策：CR用户立刻退出该频谱空穴。

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