CN102111227B - 基于直接序列cdma/uwb的认知无线电软件仿真平台及其设计方法 - Google Patents

Abstract

基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台，由Source模块、UWB Pulse Generator模块、BP SK Modulation模块、UWB Channel模块、RAKE模块、Equalizer模块、Judging和Error Rate Calculation模块构成；该平台的设计方法是(1)以序列值为+1，-1的沃尔什序列和+1，0，-1的桥函数序列作为扩频序列输入到仿真系统中；(2)将m序列和桥函数序列作为扩频序列输入到仿真系统中；(3)多用户系统下将普通桥函数序列和桥函数智能码序列作为扩频序列输入到仿真系统中。

Description

基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台及其设计方法

技术领域：

本发明提供了一种基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台，它是一种基于衬底式(Underlay)接入方式的超宽带认知无线电软件仿真平台。通过MATLAB/SIMULINK搭建的认知无线电通信仿真系统，以高斯脉冲为发射脉冲，以沃尔什序列和桥函数序列为扩频序列的前提下，通过误码率的计算可以判断出，具有零相关区的三值桥函数序列比沃尔什序列具有更好的误码率性能。本发明属于认知无线电技术领域。

背景技术：

最近二十年里，随着社会发展，人们对无线通信的需求迅速增加，无线网络快速增长。因许多主要无线频谱已经分配给特定的应用，频谱的稀缺变得越来越严重。因此，如何在有限的频谱资源下满足人们对无线通信日益增长的需求是无线通信领域一个十分重要和艰巨的任务。最近测试表明授权频谱没有被充分利用。在此背景下，一类重用频谱资源的无线电技术被一些研究机构和标准制定组织相继提出，这其中最典型的是超宽带无线通信技术(U1traWideband，UWB)和认知无线电技术(Cognitive Radio，CR)。这两种技术因其诱人的应用前景而发展迅速。并且由于它们在频谱重用方式，技术实现层面等诸多不同，将两种技术相结合的进一步研究新奇关注。

超宽带技术自上世纪90年代起应用于民用领域之后，在国际上掀起了一股研究热潮，被认为是下一代无线通信的革命性技术。超宽带作为一种与传统技术有很大不同的无线通信技术，具有高速率，低成本，低功耗的特点，使得UWB成为下一代短距离高速率无线通信的最佳候选技术。超宽带技术目前可分为两类：基于窄脉冲式的冲击类UWB和基于调制载波扩频式的载波类UWB。相应地，目前在国际上占主要地位的UWB设计方案包括直接序列CDMA/UWB方案和多载波OFDM/UWB方案。CDMA/UWB是基于脉冲的UWB方案，而OFDM/UWB是基于多载波的UWB方案，它采用OFDM技术传输子带信息。两种技术方案各有优缺点。

认知无线电作为一种革命性智能频谱共享技术，可以显著地提高频谱的使用率，近几年受到了人们的广泛关注。认知无线电的概念是软件无线电的进一步拓展作为一种全新的智能无线通信技术，认知无线电涵盖面更为广泛，认知无线电的功能也更加强大。

桥函数系是一种由三值“-1”、“0”、“1”元素构成的非正弦正交函数系——桥函数系，凭借它的移位参数来对序列内部零元素数目的可重构的能力和优良的抗同步误差、抗多径和多址干扰的能力，得到了越来越多的应用。桥函数序列具有的零元素数目可重构的能力，让它能根据工作的无线环境来调整码的长度、码集的大小和码型。

认知无线电的动态频谱接入技术可分为交互式接入(Overlay)和衬底式接入(Underlay)。Overlay动态频谱接入具体来讲就是一个认知节点利用未被使用的一段频谱接入网络；这种情况对授权用户造成的干扰最小。Underlay动态频谱接入这种方案利用了蜂窝网络的频谱扩展技术。一旦获得了频谱分配映射图(Channel Map，CM)，认知节点便开始传输。在这段频谱上，授权用户把认知节点的传输当成噪声来处理。因而，这种方案需要复杂的扩频技术。与Overlay频谱共享方案相比，这种方案可以利用更宽的带宽。

本发明通过MATLAB/SIMULINK为基本仿真环境，以Underlay方式为接入技术，以高斯脉冲为发送脉冲，以三值桥函数序列为扩频序列，搭建起基于超宽带认知无线电的软件仿真平台，通过沃尔什序列和具有不同零相关区长度的桥函数序列作为扩频序列并对仿真结果进行对比，仿真结果表明，具有零相关区的三值桥函数序列具有比沃尔什序列具有更好的抗多径和多址干扰的能力，而且零相关区的长度越长，抗多径和多址干扰的能力也越强。

发明内容：

本发明的目的是，提供一种基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台，在此平台下，从仿真结果可以看到，通过采用不同的扩频序列，具有零相关区的三值扩频序列，比沃尔什序列具有更好的抗多径干扰和抗多址干扰的能力。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台，是由Source模块，UWB Pulse Generator模块，BPSK Modulation模块，UWB Channel模块，RAKE模块，Equalizer模块，Judging和Error Rate Calculation模块构成，见图1所示。

其中，Source模块为信号源，用来产生数字信号，主要由Bernoulli Binary Generator模块，Product模块和unipolar to bipolar converter模块构成，见图2所示。该Source模块中的BernoulliBinary Generator生成随机二进行制信息数据0和1，并通过unipolar to bipolar converter变成为-1和1。

其中，UWB Pulse Generator模块为高斯脉冲产生器，在该模块中，产生所需要的超宽带(UWB)脉冲。脉冲的周期及带宽由MATLAB中Workshop工作站所定义的参数决定，并用桥函数序列矩阵优化传输波形，并输入到比例运算模块Gain中，由波形输出端outWave模块输出。输出波形在BPSK Modulation模块中进行BPSK调制。BPSK调制模块由MATLAB/SIMULINK软件提供。调制后的信号送入UWB Channel模块中。

其中，UWB Channel模块为IEEE802.15.3a所定义的标准超宽带信道，该模块提供了IEEE802.15.3a所定义的四种标准超宽带(UWB)信道模型，分别为CM1，CM2，CM3，CM4。其中CM1是视距类型的(LOS)，信道模型为0-4米的室内环境，其余三种信道是非视距类型的(NLOS)，其中CM2为4-8米的室内多径信道模型，CM3为8-12米的室内多径信道模型，CM4为室外信道模型。我们所构建的仿真平台中，UWB Channel模块可以对四种信道进行选择。其中UWB Channel模块主要由数字滤波器，开关选择器以及对数高斯白噪声产生器组成，其结构图如图4所示。经过加性高斯白噪声和对数正态分布衰落的UWB多径信道后，输出信号是含有多条不同时延路径的能量信号，并经过RAKE模块。

其中，RAKE模块采用的是PRAKE接收机，选择合适的最先到达的L条路径，用最小均方差准则进行合并，该RAKE模块由MATLAB/SIMULINK软件提供。然后在Equalizer模块中，采用递归最小平方均衡算法来降低多径信道的影响。

其中，Equalizer模块为均衡器，由一组横向滤波器组成，如图5所示，由四个延迟单元，五个抽头和五个可调的复数乘法器(权值)组成。通过Judging和Error Rate Calculation模块计算误码率。Judging和Error Rate Calculation模块由MATLAB/SIMULINK软件提供。

其中，BPSK Modulation模块为BPSK调制模块

其中，Judging模块为抽样判决模块

其中，Error Rate Calculation模块为误码率计算模块

本发明一种基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台的设计方法，其步骤如下：

步骤一，以序列值为“+1”，“-1”的沃尔什序列和以序列值为“+1”，“0”，“-1”的桥函数序列作为扩频序列输入到所构建的仿真系统中，并通过改变桥函数序列的移位参数j，以增大桥函数的零自相关区，从系统最后所得到的仿真结果即误码率曲线可以看到，具有零相关区的桥函数序列比沃尔什序列具有更好的误码率性能，即具有更好的抗多径干扰的能力；

步骤二，将m序列和桥函数序列作为扩频序列分别输入到所构建的仿真系统中，通过仿真结果可以看到，在桥函数移位参数比较小即桥函数的零相关区比较小的时候，采用m序列的系统比采用桥函数序列的系统抗多径干扰的能力略微要好，这是因为m序列的自相关函数除零点外是一个恒定的值，而且非常接近0，但是随着桥函数移位参数的增大，即零相关逐渐变长的情况下，采用桥函数序列作为扩频序列的系统具有更好的误码率性能；

步骤三，以上的步骤一和步骤二考虑的是单用户系统抑制多径干扰的能力；现在考虑多用户系统下采用互相关函数具有零相关的桥函序列作为扩频序列时其抑制多址干扰的能力；我们构建了一个有两个用户存在的超宽带认知无线电系统，使具有零互相关区的桥函数序列和一类特殊的互相关函数恒为0的桥函数智能码序列作为系统的扩频序列，仿真结果表明，随着移位参数的增大，零互相关区也越来越大，系统抑制多址干扰的能力也越来越强，当采用互相关函数恒为0的桥函数智能码序列时，系统的误码率性能最好，即抑制多址干扰的能力达到最好。

其中，在步骤一中所述的桥函数序列是由沃尔什函数和方块脉冲函数结合而生成的一种由“1”，“-1”，“0”构成的三值序列，有明显的零自相关区和零互相关区。而且作为桥函数中的移位参数j决定了桥函数的零自相关区和零互相关区的长度，随着移位参数j的增大，桥函数零相关区的长度也在逐渐增大，而沃尔什函数和方块脉冲函数却没有类似的性质。而大量的文献中已经证明，含有零相关区的三值扩频序列可以明显的降低多径干扰。所以在步骤一所采用的仿真过程中，我们采用了不同移位参数的桥函数序列和沃尔什序列进行对比，随着移位参数的变化，桥函数的零自相关区的长度也在逐渐增大，则系统抗多径干扰的能力也越来越强。

其中，在步骤二中所述的m序列是一种广为使用的扩频序列，其自相关函数除了在零点处有一个尖峰值外在其余点处是一个恒定值，而且非常接近零。当桥函数序列移位参数j比较小时，即零自相关区的长度比较小时，桥函数序列的抗多径干扰的能力不如m序列，就是因为m序列的自相关函数非常接近0.当桥函数的移位参数j逐渐增大时，零自相关区逐渐增大，抗多径干扰能力自然逐渐增强。所以当使用零相关区比较大的桥函数序列时，其抗多径干扰的能力要比m序列好。在m序列和桥函数序列同时存在的情况下，步骤二提供了一个挑选性能更好的桥函数序列的准则。

其中，在步骤三中所述的多用户系统中，我们采用了两个用户的系统。在这个系统中，我们分别采用了普通桥函数序列和一类特殊的桥函数序列即桥函数智能码序列作为系统的扩频序列。众多参考文献已经证明，多用户系统中所存在的多址干扰由扩频序列的互相关函数决定。普通的桥函数序列族中不同序列的互相关函数具有明显的零相关区，可以降低多用户之间存在的多址干扰。而一类特殊的桥函数序列，即桥函数智能码序列其互相关函数恒为0。理论上可以证明，当互相关函数恒为0时，应具有最好的抗多址干扰的性能。我们把这类智能码序列作为扩频序列用到两用户的系统中，仿真结果验证了理论结果，采用智能码序列的系统比普通的桥函数序列具有更好的误码率性能，即更优良的抗多址干扰的能力。

本发明具有以下的优点和积极效果：

1)本发明构建了基于直接序列CDMA/UWB的采用Underlay接入技术的认知无线电软件仿真平台。通过采用桥函数序列作为扩频序列，可以验证具有零相关区的三值序列比二值序列具有更好的抗多径干扰的能力。

2)本发明所构建的认知无线电系统采用一种特殊的桥函数序列即智能码序列作为扩频序列，此序列的互相关函数恒为0，可以有效地增强系统抗多址干扰的能力。

3)设计方法简单，仿真速度快，使用效果好。

附图说明：

图1为发明的单用户软件仿真系统模块框图

图2为Source模块结构图

图3为UWB Pulse Generator模块结构图

图4为UWB Channel模块结构图

图5为Equalizer模块结构图

图6以沃尔什序列和桥函数序列作为扩频序列时单用户系统误码率性能的对比

图7以m序列和桥函数序列作为扩频序列时单用户系统误码率性能的对比

图8以普通的桥函数序列作为扩频序列时多用户系统的误码率性能

图9以一类特殊桥函数序列即智能码序列作为扩频序列时多用户系统的误码率性能图中符号说明如下：

图1中Source模块为信号源，用来产生数字信号；UWB Pulse Generator模块为高斯脉冲产生器；BPSK Modulation为BPSK调制模块；UWB Channel为IEEE802.15.3a所定义的标准超宽带信道；RAKE模块为PRAKE接收机；Equalizer模块为均衡器；Judging为抽样判决模块；Error Rate Calculation为误码率计算模块。

图2是Source模块的结构图。Source模块即信息数据源模块。Bernoulli Binary Generator即二进制数据产生模块，Product为乘积运算模块。unipolar to bipolar converter为极性转换模块。Biploar为反极性输出，Single为原极性输出。

图3是UWB Pulse Generator模块结构图。Plus.PnWave为波形产生器。Signal FromWorkspace为从MATLAB空间导入的波形数据。Gain为比例运算模块。outWave为输出波形端

图4为UWB Channel模块结构图。Inl为输入端。Digital Filter为数字滤波器。WAGN为高斯白噪声。IN/VarAWGN为对数高斯白噪声及其方差。Channel.SNR为信道的信噪比参数。Switch为开关选择器。Out2为UWB Channel模块的输出端。

图5为Equalizer模块结构图。Equalizer模块由一组横向滤波器组成，由四个延迟单元，五个抽头和五个可调的复数乘法器(权值)组成。Tbout为Equalizer模块输入端，Requa为Equalizer模块输出端

图6是沃尔什序列和桥函数序列抗多径干扰能力的对比。smart code in I代表第一类桥函数智能码序列。因为图2和图3比较的是单用户的情况下系统抗多径干扰的能力，而普通桥函数序列和第一类桥函数智能码序列在零自相关区上的性质相同，所以在单用户情况下我们采用第一类桥函数智能码序列代替普通桥函数序列。横坐标Eb/No表示信噪比；纵坐标BitError Rate表示误码率；j为桥函数的移位参数，随着移位参数的增大，桥函数的零相关区也逐渐增大。

图7是m序列和桥函数序列抗多径干扰能力的对比。横坐标Eb/No表示信噪比；纵坐标Bit Error Rate表示误码率；j为桥函数的移位参数，随着移位参数的增大，桥函数的零相关区也逐渐增大。

图8和图9是两个用户存在的情况下系统误码率仿真图。图4中采用的扩频序列是普通的桥函数序列，图5中采用的扩频序列是特殊的桥函数序列，即桥函数智能码序列，其互相关函数恒为0。横坐标Eb/No表示信噪比；纵坐标Bit Error Rate表示误码率。

具体实施方式：

本发明一种基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台，是由Source模块，UWB Pulse Generator模块，BPSK Modulation模块，UWB Channel模块，RAKE模块，Equalizer模块，Judging和Error Rate Calculation模块构成，见图1所示。

其中，Source模块为信号源，用来产生数字信号，主要由Bernoulli Binary Generator模块，Product模块和unipolar to bipolar converter模块构成，见图2所示。该Source模块中的BernoulliBinary Generator生成随机二进行制信息数据0和1，并通过unipolar to bipolar converter变成为-1和1。

其中，UWB Pulse Generator模块为高斯脉冲产生器，在该模块中，产生所需要的超宽带(UWB)脉冲。脉冲的周期及带宽由MATLAB中Workshop工作站所定义的参数决定，并用桥函数序列矩阵优化传输波形，并输入到比例运算模块Gain中，由波形输出端outWave模块输出。输出波形在BPSK Modulation模块中进行BPSK调制。BPSK调制模块由MATLAB/SIMULINK软件提供。调制后的信号送入UWB Channel模块中。

其中，UWB Channel模块为IEEE802.15.3a所定义的标准超宽带信道，该模块提供了IEEE802.15.3a所定义的四种标准超宽带(UWB)信道模型，分别为CM1，CM2，CM3，CM4。其中CM1是视距类型的(LOS)，信道模型为0-4米的室内环境，其余三种信道是非视距类型的(NLOS)，其中CM2为4-8米的室内多径信道模型，CM3为8-12米的室内多径信道模型，CM4为室外信道模型。我们所构建的仿真平台中，UWB Channel模块可以对四种信道进行选择。其中UWB Channel模块主要由数字滤波器，开关选择器以及对数高斯白噪声产生器组成，其结构图如图4所示。经过加性高斯白噪声和对数正态分布衰落的UWB多径信道后，输出信号是含有多条不同时延路径的能量信号，并经过RAKE模块。

其中，RAKE模块采用的是PRAKE接收机，选择合适的最先到达的L条路径，用最小均方差准则进行合并，该RAKE模块由MATLAB/SIMULINK软件提供。然后在Equalizer模块中，采用递归最小平方均衡算法来降低多径信道的影响。

其中，Equalizer模块为均衡器，由一组横向滤波器组成，如图5所示，由四个延迟单元，五个抽头和五个可调的复数乘法器(权值)组成。通过Judging和Error Rate Calculation模块计算误码率。Judging和Error Rate Calculation模块由MATLAB/SIMULINK软件提供。

其中，BPSK Modulation模块为BPSK调制模块

其中，Judging模块为抽样判决模块

其中，Error Rate Calculation模块为误码率计算模块

本发明一种基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台的设计方法，其步骤如下：

步骤一，以序列值为“+1”，“-1”的沃尔什序列和以序列值为“+1”，“0”，“-1”的桥函数序列作为扩频序列输入到所构建的仿真系统中，并通过改变桥函数序列的移位参数j，以增大桥函数的零自相关区，从系统最后所得到的仿真结果即误码率曲线可以看到，具有零相关区的桥函数序列比沃尔什序列具有更好的误码率性能，即具有更好的抗多径干扰的能力；

步骤二，将m序列和桥函数序列作为扩频序列分别输入到所构建的仿真系统中，通过仿真结果可以看到，在桥函数移位参数比较小即桥函数的零相关区比较小的时候，采用m序列的系统比采用桥函数序列的系统抗多径干扰的能力略微要好，这是因为m序列的自相关函数除零点外是一个恒定的值，而且非常接近0，但是随着桥函数移位参数的增大，即零相关区逐渐变长的情况下，采用桥函数序列作为扩频序列的系统具有更好的误码率性能；

步骤一和步骤二考虑的都是单用户系统，具体按下述方式进行：

讨论单用户DS-UWB系统。在图1中，Data Source子系统中的Bernoulli Binary Generator生成随机二进行制信息数据0和1并通过unipolar to bipolar converter模块变成为-1和1。在UWB脉冲产生器子系统中，产生高斯脉冲波形。输出波形在Data Modulation子系统中的进行BPSK调制。则传输信号可表示为

$s\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{\left[\frac{n}{G}\right]}{c}_{n}p(t-n{T}_c)---\left(1\right)$

p(t)为归一化脉冲波形，持续时间为T_c；c_n是周期为G的扩频码，符号周期为T_s＝GT_c，因此扩频增益为G。把调制信号送往标准的超宽带信道(SV/IEEE 802.15.3a)

$h\left(t\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{k,l}(t-T_l-{\mathrm{\τ}}_{k,l})---\left(2\right)$

其中L为簇的个数，K为簇内射线的个数。α_k，l是多径增益，T_l是第l簇的延时，τ_k，l是第l簇内第k条射线的相对延时.为方便下面的推导，可以采用式上的简化形式

$h\left(t\right)=\underset{l=0}{\overset{\mathrm{KL}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{l^{\′}}\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_{l^{\′}})---\left(3\right)$

容易看出l′＝lK+k，α_l′＝α_k，τ_l′＝T_l+τ_k，l接收信号为

$r\left(t\right)=s\left(t\right)*h\left(t\right)+n\left(t\right)=\underset{l=0}{\overset{\mathrm{KL}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{l^{\′}}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{\left[\frac{n}{G}\right]}{c}_{n}p(t-{\mathrm{\τ}}_{l^{\′}}-n{T}_c)+n\left(t\right)---\left(4\right)$

接收信号是含有多条不同时延路径的能量信号，采用PRAKE接收机，选择合适的最先到达的L条路径，用最小均方差准则进行合并，然后在Equalizer模块中，采用递归最小平方均衡算法来降低多径信道的影响。

经过一系列的推到计算，得出，多径干扰的方差为

R_c(τ)为扩频码的自相关数，

最后，根据BPSK误码率公式可以得到与第m条多径同步的匹配滤波器接收机的错误概率

$P_e=Q\left[\sqrt{\frac{{2E}_m}{{\mathrm{\σ}}_M{\mathrm{PI}}^2+N_0/2}}\right]---\left(6\right)$

E_m为第m条多径每个符号的接收能量，其中

$Q\left(a\right)={\∫}_a^{\∞}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-x^2}\mathrm{dx}---\left(7\right)$

由(5)，(6).(7)式综合可得，因为R_c(τ)为为扩频码的自相关数，由于智能码序列着k值的增大，零相关区逐渐变长，由(7)式可知，误码率性能越来越好.图2、3可以很好的说明这个问题。

步骤三，以上的步骤一和步骤二考虑的是单用户系统抑制多径干扰的能力；现在考虑多用户系统下采用互相关函数具有零相关的桥函序列作为扩频序列时其抑制多址干扰的能力；我们构建了一个有两个用户存在的超宽带认知无线电系统，使具有零互相关区的桥函数序列和一类特殊的互相关函数恒为0的桥函数智能码序列作为系统的扩频序列，仿真结果表明，随着移位参数的增大，零互相关区也越来越大，系统抑制多址干扰的能力也越来越强，当采用互相关函数恒为0的桥函数智能码序列时，系统的误码率性能最好，即抑制多址干扰的能力达到最好。

发射机部分与单用户系统类似，只是多了一个用户，在此不再赘述，现只考虑接收机部分。具体按下述方式进行：

接受机的接受信号可以表达为如下形式

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{N_u}{\mathrm{\Σ}}}{s^{\left(k\right)}}_{\mathrm{rec}}\left(t\right)+n\left(t\right)---\left(8\right)$

其中n(t)是加性高斯白噪声，N_u是用户数目

在多径环境下

$s_{\mathrm{rec}}^{\left(k\right)}\left(t\right)=\sqrt{E_p}\underset{j=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N_s-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_l^{\left(k\right)}{d}_j^{\left(k\right)}{g}_n^{\left(k\right)}{w}_{\mathrm{rec}}(t^{\left(k\right)}-j{T}_f-n{T}_c-{\mathrm{\τ}}_l)---\left(9\right)$

其中E_P是脉冲能量，是第1条路径的信道系数，是多径延迟.

P-Rake接收机的第1个相关器的模板信号可以写为如下表达式

其中是本地产生的伪随机序列，是第1条路径的信道估计延迟

当信号通过L个相关器，第k个用户的信号的表达式为

$r_l^{\left(k\right)}={\∫}_{{\mathrm{jT}}_f}^{{\mathrm{jT}}_f+(N_s-1)T_c}{s}_{\mathrm{rec}}^{\left(k\right)}\left(t\right)v\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中 是权重估计器的估计值

第k个用户多址干扰的表达式为

其中σ_MAI＝(R(Δ))²R_lk(τ)²并且R_lk(τ)是扩频序列的互相关函数

当通过L个相关器之后，高斯白噪声的表示式为

$n^2={\mathrm{\σ}}_n^2{N}_s^2{R}^2\left(0\right){\left(\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_l\right)}^2---\left(13\right)$

根据标准高斯估计，误码率公式的表达式可写为

$P_e=Q\left[\sqrt{\frac{E_p{N}_S^2{R}^2\left(0\right){\left(\stackrel{L-1}{\underset{l=0}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_l{a}_l^k}\right)}^2}{E_p{N}_S^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MAI}}{\left(\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_l{a}_l^{\left(k\right)}\right)}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2{N}_S^2{r}^2\left(0\right){\left(\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_l\right)}^2}}\right]---\left(14\right)$

由式(14)可以看到，扩频序列的互相关函数越小，系统的误码率性能越好，即系统抑制多址干扰的能力也越强。图4与图5对比可以很好的说明这个问题。图4是以普通的桥函数序列作为扩频序列时多用户系统的误码率性能。图5是以一类特殊桥函数序列即智能码序列作为扩频序列时多用户系统的误码率性能。由两图对比可得，采用互相关函数恒为0的桥函数智能码序列比普通的桥函数序列具有更好的误码率性能，即更好的抗多址干扰的能力。

Claims (4)

1.一种基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台的设计方法，该方法是基于CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台实现的，该仿真平台是由Source模块、UWB PulseGenerator模块、BPSK Modulation模块、UWB Channel模块、RAKE模块、Equalizer模块、Judging和Error Rate Calculation模块构成；

所述Source模块为信号源，用来产生数字信号，由Bernoulli Binary Generator模块、Product模块和unipolar to bipolar converter模块构成；该Source模块中的Bernoulli BinaryGenerator生成随机二进行制信息数据0和1，并通过unipolar to bipolar converter变成为-1和1；

所述该UWB Pulse Generator模块为高斯脉冲产生器，在该模块中，产生所需要的超宽带即UWB脉冲，脉冲的周期及带宽由MATLAB中Workshop工作站所定义的参数决定，并用桥函数序列矩阵优化传输波形，并输入到比例运算模块Gain中，由波形输出端outWave模块输出；输出波形在BPSK Modulation模块中进行BPSK调制；BPSK调制模块由MATLAB/SIMULINK软件提供；调制后的信号送入UWB Channel模块中；

所诉该UWB Channel模块为IEEE802.15.3a所定义的标准超宽带信道，该模块提供了IEEE802.15.3a所定义的四种标准超宽带即UWB信道模型，分别为CM1，CM2，CM3，CM4；其中CM1是视距类型的即LOS,信道模型为0-4米的室内环境，其余三种信道是非视距类型的即NLOS，其中CM2为4-8米的室内多径信道模型，CM3为8-12米的室内多径信道模型，CM4为室外信道模型；所构建的仿真平台中，UWB Channel模块对四种信道进行选择；其中UWB Channel模块主要由数字滤波器，开关选择器以及对数高斯白噪声产生器组成，经过加性高斯白噪声和对数正态分布衰落的UWB多径信道后，输出信号是含有多条不同时延路径的能量信号，并经过RAKE模块；

所述该RAKE模块采用的是PRAKE接收机，选择合适的最先到达的L条路径，用最小均方差准则进行合并，该RAKE模块由MATLAB/SIMULINK软件提供；然后在Equalizer模块中，采用递归最小平方均衡算法来降低多径信道的影响；

所述Equalizer模块为均衡器，由一组横向滤波器组成，由四个延迟单元，五个抽头和五个可调的复数乘法器即权值组成；通过Judging和Error Rate Calculation模块计算误码率；Judging和Error Rate Calculation模块由MATLAB/SIMULINK软件提供；

其特征在于：该仿真平台的设计方法步骤如下：

步骤一，以序列值为“+1”，“-1”的沃尔什序列和以序列值为“+1”，“0”，“-1”的桥函数序列作为扩频序列输入到所构建的仿真系统中，并通过改变桥函数序列的移位参数j,以增大桥函数的零自相关区，从系统最后所得到的仿真结果即误码率曲线看到，具有零相关区的桥函数序列比沃尔什序列具有更好的误码率性能，即具有更好的抗多径干扰的能力；

步骤二，将m序列和桥函数序列作为扩频序列分别输入到所构建的仿真系统中，通过仿真结果看到，在桥函数移位参数比较小即桥函数的零相关区比较小的时候，采用m序列的系统比采用桥函数序列的系统抗多径干扰的能力要好，这是因为m序列的自相关函数除零点外是一个恒定的值，而且非常接近0，但是随着桥函数移位参数的增大，即零相关区逐渐变长的情况下，采用桥函数序列作为扩频序列的系统具有更好的误码率性能；

步骤三，以上的步骤一和步骤二考虑的是单用户系统抑制多径干扰的能力；现在考虑多用户系统下采用互相关函数具有零相关区的桥函序列作为扩频序列时其抑制多址干扰的能力；构建了一个有两个用户存在的超宽带认知无线电系统，使具有零互相关区的桥函数序列和一类特殊的互相关函数恒为0的桥函数智能码序列作为系统的扩频序列，仿真结果表明，随着移位参数的增大，零互相关区也越来越大，系统抑制多址干扰的能力也越来越强，当采用互相关函数恒为0的桥函数智能码序列时，系统的误码率性能最好，即抑制多址干扰的能力达到最好。

2.根据权利要求1所述的基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台的设计方法，其特征在于：在步骤一中所述的桥函数序列是由沃尔什函数和方块脉冲函数结合而生成的一种由“1”，“-1”，“0”构成的三值序列，有明显的零自相关区和零互相关区；而且作为桥函数中的移位参数j决定了桥函数的零自相关区和零互相关区的长度，随着移位参数j的增大，桥函数零相关区的长度也在逐渐增大，而沃尔什函数和方块脉冲函数却没有类似的性质；含有零相关区的三值扩频序列能降低多径干扰；所以在步骤一所采用的仿真过程中，采用了不同移位参数的桥函数序列和沃尔什序列进行对比，随着移位参数的变化，桥函数的零自相关区的长度也在逐渐增大，则系统抗多径干扰的能力也越来越强。

3.根据权利要求1所述的基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台的设计方法，其特征在于：在步骤二中所述的m序列是一种广为使用的扩频序列，其自相关函数除了在零点处有一个尖峰值外在其余点处是一个恒定值，而且非常接近零；当桥函数序列移位参数j比较小时，即零自相关区的长度比较小时，桥函数序列的抗多径干扰的能力不如m序列，就是因为m序列的自相关函数非常接近0.当桥函数的移位参数j逐渐增大时，零自相关区逐渐增大，抗多径干扰能力自然逐渐增强；所以当使用零相关区比较大的桥函数序列时，其抗多径干扰的能力要比m序列好；在m序列和桥函数序列同时存在的情况下，步骤二提供了一个挑选性能更好的桥函数序列的准则。

4.根据权利要求1所述的基于直接序列CDMA/UWB的认知无线电软件仿真平台的设计方法，其特征在于：在步骤三中所述的多用户系统中，采用了两个用户的系统；在这个系统中，分别采用了普通桥函数序列和一类特殊的桥函数序列即桥函数智能码序列作为系统的扩频序列；多用户系统中所存在的多址干扰由扩频序列的互相关函数决定；普通的桥函数序列族中不同序列的互相关函数具有明显的零相关区，降低多用户之间存在的多址干扰；而一类特殊的桥函数序列，即桥函数智能码序列其互相关函数恒为0；当互相关函数恒为0时，应具有最好的抗多址干扰的性能；把这这类智能码序列作为扩频序列用到两用户的系统中，仿真结果验证了理论结果，采用智能码序列的系统比普通的桥函数序列具有更好的误码率性能，即更优良的抗多址干扰的能力。