CN103475438A - 一种适用于认知无线电环境的低相关区域序列设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于认知无线电环境的低相关区域序列设计方法，采用随机相位序列组和频谱感知判决矢量生成一组认知频谱随机相位序列，再将认知频谱随机相位序列进行傅里叶逆变换从而得到一组基础序列，生成同样数量的零相关区域序列，将基础序列和零相关区域序列进行Kronecker乘法运算，得到低相关区域序列组。采用本发明得到的低相关区域序列组，在一定的相关区域内，绝大部分自相关函数取值为零，并且全部互相关函数取值为零。本发明所得到的低相关区域序列组，可以广泛应用于认知无线电系统，如信号同步、信道估计、多用户扩频等方面。

Description

一种适用于认知无线电环境的低相关区域序列设计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于认知无线电环境的低相关区域序列设计方法。

背景技术

随着无线通信需求的不断增长，频谱资源日益紧张，同时已授权的频谱资源在时间和空间上存在不同程度的闲置，成为制约无线通信发展的新瓶颈，这就要求未来通信系统在保证可靠性和有效性的同时，还要具备频谱的动态接入能力，以提高频谱资源利用率。认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术应运而生，其核心思想是用户具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该环境空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。

在认知无线电系统中，为了充分利用空闲的频谱资源，CR系统把所有频段分解为一系列独立频谱，并且根据频谱感知和频谱判决的结果，决定空闲频谱的位置以便CR系统使用。由于外部环境的频谱特性随着时间推移不断发生变化，因而空闲频谱的分布特性也随之变化。如果把传统的序列用于CR系统中，仅仅空闲频谱对应的序列元素被保留，其余部分将强制设定为零。经过仿真和测试发现，采用这种方式获取的新序列不再满足严格的完美相关特性(自相关特性和互相关特性)。如果CR系统中采用上述非完美序列用于多用户通信时会产生严重的用户间干扰，增加变换域通信技术的误码率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于认知无线电环境的低相关区域序列设计方法，使获取的序列组具有低相关区域的相关特性，即在一定的相关区域内，绝大部分自相关函数取值为零，并且全部互相关函数取值为零。

为实现上述发明目的，本发明适用于认知无线电环境的低相关区域序列设计方法，包括以下步骤：

S1：生成零相关区域序列组A＝{A₁，A₂，…，A_i，…，A_U}，其中A_i＝{a_i(0)，a_i(1)，…，a_i(L-1)}表示第i个零相关区域序列，U表示序列个数，L表示序列长度，i的取值范围为1≤i≤U，a_i(l)是A_i的第l个元素，l的取值范围为0≤l≤L-1；

S2：生成U个基础序列b_i，生成方法为：

S2.1：采用频谱感知技术得到频谱感知判决矢量S＝{S(0)，S(1)，…，S(N-1)}，N表示频谱感知得到的频率点数量；

S2.2：生成随机相位序列组P＝{P₁，P₂，…，P_i，…，P_U}，其中P_i＝{p_i(0)，p_i(1)，…，p_i(N-1)}表示第i个随机相位序列；根据随机相位序列组P生成U个认知频谱随机相位序列B_i＝S·diag(P_i)，diag(P_i)表示对角元素为P_i中元素的对角矩阵；

S2.3：对U个认知频谱随机相位序列B_i进行傅里叶逆变换得到U个基础序列b_i＝{b_i(0)，b_i(1)，…，b_i(N-1)}＝IFFT{B_i}，b_i(n)是b_i的第n个元素，n的取值范围为0≤n≤N-1；

S3：分别将步骤S1中得到的U个零相关区域序列A_i和步骤S2中得到的U个基础序列b_i进行Kronecker乘法运算，得到低相关区域序列组C＝{c₁，c₂，…，c_i，…，c_U}，其中c_i＝{c_i(0)，c_i(1)，…，c_i(LN-1)}为第i个低相关区域序列，c_i中的第h个元素为：c_i(h)＝a_i(l)×b_i(n)，其中h＝lN+n。

其中，步骤S2.1中频谱感知判决矢量S的生成方法为：采用频谱感知技术获取外部环境电磁特性，得到N个频率点上的功率谱幅度，如果第n，n＝0，1，…，N-1个功率谱幅度大于预设门限，设定该频率点数值S(n)为0；如果功率谱幅度小于预设门限，设定该频率点数值S(n)为1。

其中，步骤S2.2中随机相位序列为伪随机相位序列，生成方法为：先产生伪随机比特序列，然后将其输入至r位抽头的相位映射器得到相应的伪随机相位序列P_i，其中r表示抽头位数。

其中，相位映射器采用2^r-MPSK（Multiple Phase Shift Keying，多进制数字相位调制）进行相位映射。

本发明认知无线电环境的低相关区域序列设计方法，采用伪随机相位序列组和频谱感知判决矢量生成一组认知频谱随机相位序列，再将认知频谱随机相位序列进行傅里叶逆变换从而得到一组基础序列，生成同样数量的零相关区域序列，将基础序列组和零相关区域序列组进行Kronecker乘法运算，得到低相关区域序列组。采用本发明得到的低相关区域序列组，在一定的相关区域内，绝大部分自相关函数取值为零，并且全部互相关函数取值为零。本发明所得到的低相关区域序列组，可以广泛应用于认知无线电系统，如信号同步、信道估计、多用户扩频等方面，提高系统性能，在用于多用户通信时可以减少用户间的干扰，并降低认知扩频通信系统的误码率。

附图说明

图1是本发明适用于认知无线电环境的低相关区域序列设计方法的一种具体实施方式系统结构图；

图2为本发明具体实施例的圆周自相关函数示意图；

图3为本发明具体实施例的圆周互相关函数示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明适用于认知无线电环境的低相关区域序列设计方法的一种具体实施方式系统结构图。如图1所示，实现本发明的系统包括频谱感知模块1、频谱比较模块2、随机相位序列发生器模块3、认知频谱随机相位序列生成器模块4、傅里叶逆变换模块5、零相关区域序列生成模块6、Kronecker乘法器模块7，其工作流程，即本发明的具体步骤为：

S101：零相关区域序列生成模块6产生零相关区域序列组A＝{A₁，A₂，…，A_i，…，A_U}，其中A_i＝{a_i(0)，a_i(1)，…，a_i(L－1)}表示第i个零相关区域序列，U表示序列个数，L表示序列长度，i的取值范围为1≤i≤U，a_i(l)是A_i的第l个元素，l的取值范围为0≤l≤L－1。序列长度L根据实际情况确定。零相关区域序列组是一组特殊的序列，在给定的相关区域内T，其圆周自相关函数

满足：

并且圆周互相关

函数满足：

其中，mod表示取余运算，*表示共轭，τ表示相对滑动位置，i′的取值范围为1≤i′≤U，并且i′≠i。

本发明中零相关区域序列组A＝{A₁，A₂，…，A_i，…，A_U}中的各序列可以部分相同，也可以全部相同，也可以全部不同。

S102：生成基础序列b_i，本实施方式采用频谱感知模块1、频谱比较模块2、随机相位序列发生器模块3、认知频谱随机相位序列生成器模块4以及傅里叶逆变换模块5组成基础序列产生装置，该基础序列产生装置为现有技术。具体生成包括以下步骤：

S201：频谱感知模块1采用频谱感知技术获取外部环境电磁特性，得到不同频率点上的功率谱幅度，频率点数量记为N。本实施方式中，频谱感知模块1配置有接收天线接收外部环境的电磁信号。

S202：频谱比较模块2通过比较步骤S201得到的各频率点的功率谱幅度得到频谱感知判决矢量S＝{S(0)，S(1)，…，S(N－1)}，其中S(n)，n＝0，1，…，N－1表示各频率点的占用情况。其具体方法为：将步骤S101得到的所有频率点的功率谱幅度与预设定的功率谱幅度门限进行比较，如果第n个功率谱幅度大于门限，表示该频率点被占用，设定该频率点数值S(n)为0；如果功率谱幅度小于门限，表示该频率点空闲，设定该频率点数值S(n)为1。通过功率谱幅度比较，能够得到由数值0、1组成的频谱感知判决矢量，用来描述外部环境频率点使用情况。在认知扩频通信系统中，无论是发送端还是接收端，通过频谱感知与比较得到的频谱感知判决矢量是一致的。

S203：随机相位序列发生器模块3产生随机相位序列组P＝{P₁，P₂，…，P_i，…，P_U}，其中P_i＝{p_i(0)，p_i(1)，…，p_i(N－1)}表示第i个随机相位序列。本实施方式中，第i个随机相位序列

其中U为随机相位序列数量，m_i(n)表示随机相位，n的取值范围为0≤n≤N-1，j表示虚数单位。在实际应用中，随机相位序列P_i采用伪随机相位序列。本实施方式中，产生伪随机相位序列P_i的具体方式为：先产生伪随机比特序列，然后将其输入至r位抽头的相位映射器得到相应的伪随机相位序列P_i，抽头位数r根据实际情况确定。在具体应用实施时，相位映射器可采用2^r-MPSK或其他类似方式进行相位映射。

S204：认知频谱随机相位序列生成器模块4，用于将频谱比较模块2得到的频谱感知判决矢量S与随机相位序列发生器模块3得到的随机相位序列P_i进行逐元素乘法运算，得到认知频谱随机相位序列B_i＝S·dia_g(P_i)，dia_g(P_i)表示对角元素为P_i中元素的对角矩阵。认知频谱随机相位序列B_i主要用于产生具有噪声特性的序列，具有低截获概率，并可以在多址接入方式中区分不同的用户。

S205：傅里叶逆变换模块5将认知频谱随机相位序列生成器模块4输出的认知频谱随机相位序列B_i进行傅里叶逆变换得到基础序列b_i＝{b_i(0)，b_i(1)，…，b_i(N-1)}＝IFFT{B_i}，b_i中的第n个元素为：

$b_i\left(n\right)=\mathrm{\λ}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}S\left(k\right)e^{j{m}_i\left(k\right)}{e}^{\frac{j2\mathrm{\πkn}}{N}}=\mathrm{\λ}\underset{k\∈{\mathrm{\Ω}}^C}{\mathrm{\Σ}}{e}^{j{m}_i\left(k\right)}{e}^{\frac{j2\mathrm{\πkn}}{N}}$

其中，n的取值范围为0≤n≤N-1，λ为功率归一化因子，Ω^C为频谱感知判决矢量S中数值为1的元素集合，即空闲频率点的集合。

S103：Kronecker乘法器模块7将步骤S101得到的U个零相关区域序列A_i和步骤S102得到的U个基础序列b_i对应进行Kronecker乘法运算，即A_i与b_i进行Kronecker乘法运算得到低相关区域序列c_i＝{c_i(0)，c_i(1)，…，c_i(LN-1)}，其中c_i中第h个元素为：c_i(h)＝a_i(l)×b_i(n)，h＝lN+n。从而得到低相关区域序列组C＝{c₁，c₂，…，c_i，…，c_U}。

实施例

本发明得到的序列c_i的表达式为：

c_i＝{a_i(0)×b_i(0)，…，a_i(0)×b_i(n)，…，a_i(0)×b_i(N-1)，

a_i(1)×b_i(0)，…，a_i(1)×b_i(n)，…，a_i(1)×b_i(N-1)，…，

a_i(L-1)×b_i(0)，…，a_i(L-1)×b_i(n)，…，a_i(L-1)×b_i(N-1)}

圆周自相关函数的表达式为：

圆周互相关函数的表达式为：

为了说明本发明的有益效果，采用具体实施例进行了实验仿真，仿真中采用的相关函数幅度为归一化幅度。仿真参数为：频谱感知得到的频率点数量N＝64，频谱感知判决矢量为：

S＝{ones(16，1);zeros(8，1);ones(16，1);zeros(8，1);ones(16，1)}；

即64个频率点中，前16个频率点未被占用，S(n)＝1；之后8个频率点被占用，S(n)＝0；之后16个频率点未被占用，S(n)＝1；之后8个频率点被占用，S(n)＝0；最后16个频率点未被占用，S(n)＝1。

设置序列个数U＝4。随机相位序列组P＝{P₁，P₂，P₃，P₄}采用长度为64的Zadoff-Chu序列，对应的根序列分别为3，5，7，9。

零相关区域序列的长度L＝16，零相关区域序列组A＝{A₁，A₂，A₃，A₄}为：

A₁＝[1，1，-1，1，1，1，-1，1，-1，-1，-1，1，-1，-1，-1，1]

A₂＝[-1，-1，1，-1，1，1，-1，1，1，1，1，-1，-1，-1，-1，1]

A₃＝[1，-1，-1，-1，1，-1，-1，-1，-1，1，-1，-1，-1，1，-1，-1]

A₄＝[-1，1，1，1，1，-1，-1，-1，1，-1，1，1，-1，1，-1，-1]

根据本发明低相关区域序列设计方法，得到序列组C＝{c₁，c₂，c₃，c₄}，可见序列c_i的长度为1024。

图2为本发明具体实施例的圆周自相关函数示意图。如图2所示，当τ＝0，圆周自相关函数的归一化幅度为1；当0＜|τ|≤64时，虽然归一化幅度不为0，但是不为0的归一化幅度仍然相对较小；当64＜|τ|≤128，圆周自相关函数的归一化幅度全为0。可见，本实施例中采用本发明得到的序列组C＝{c₁，c₂，c₃，c₄}在相关区域|τ|≤128内绝大部份圆周自相关函数取值为零。

图3为本发明具体实施例的圆周互相关函数示意图。如图3所示，当|τ|≤128时，圆周互相关函数的归一化幅度为0。可见，本实施例中采用本发明得到的序列组C＝{c₁，c₂，c₃，c₄}相关区域τ≤128内全部圆周互相关函数取值为零。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种适用于认知无线电环境的低相关区域序列设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：生成零相关区域序列组A＝{A₁，A₂，…，A_i，…，A_U}，其中A_i＝{a_i(0)，a_i(1)，…，a_i(L-1)}表示零相关区域序列，U表示序列个数，L表示序列长度，i的取值范围为1≤i≤U，a_i(l)是A_i的第l个元素，l的取值范围为0≤l≤L-1；

S2：生成U个基础序列b_i，生成方法为：

S2.1：采用频谱感知技术得到频谱感知判决矢量S＝{S(0)，S(1)，…，S(N-1)}，N表示频谱感知得到的频率点数量；

S2.2：生成随机相位序列组P＝{P₁，P₂，…，P_i，…，P_U}，其中P_i＝{p_i(0)，p_i(1)，…，p_i(N-1)}表示第i个随机相位序列；根据随机相位序列组P生成U个认知频谱随机相位序列B_i＝S·diag(P_i)，diag(P_i)表示对角元素为P_i中元素的对角矩阵；

S2.3：对U个认知频谱随机相位序列B_i进行傅里叶逆变换得到U个基础序列b_i＝{b_i(0)，b_i(1)，…，b_i(N-1)}＝IFFT{B_i}，b_i(n)是b_i的第n个元素，n的取值范围为0≤n≤N-1；

S3：分别将步骤S1中得到的U个零相关区域序列A_i和步骤S2中得到的U个基础序列b_i对应进行Kronecker乘法运算，得到低相关区域序列组C＝{c₁，c₂，…，c_i，…，c_U}，其中c_i＝{c_i(0)，c_i(1)，…，c_i(LN-1)}，c_i中的第h个元素为：c_i(h)＝a_i(l)×b_i(n)，其中h＝lN+n。

2.根据权利要求1所述的低相关区域序列设计方法，其特征在于，所述步骤S2.1中频谱感知判决矢量S的生成方法为：采用频谱感知技术获取外部环境电磁特性，得到N个频率点上的功率谱幅度，如果第n，n＝0，1，…，N-1个功率谱幅度大于预设门限，设定该频率点数值S(n)为0；如果功率谱幅度小于预设门限，设定该频率点数值S(n)为1。

3.根据权利要求1所述的低相关区域序列设计方法，其特征在于，所述步骤S2.2中随机相位序列为伪随机相位序列，生成方法为：先产生伪随机比特序列，然后将其输入至r位抽头的相位映射器得到相应的伪随机相位序列P_i，其中r表示抽头位数。

4.根据权利要求3所述的低相关区域序列设计方法，其特征在于，所述相位映射器采用2^r-MPSK进行相位映射。

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