CN104168244A - 一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法 - Google Patents

Abstract

一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法，属于无线通信技术领域。发射方基于OFDM技术在频域叠加信息将主通道信息和附加通道信息(系统信息)叠加在一起，经IFFT变换和加循环前缀后发射；接收方将接收到的信息经去循环前缀、FFT变换后，先解码获得主信息，然后从接收到的信息中消去主信息，最后再解调出附加信息。其中附加信息采用kasami序列进行编码；在保证原服务信息(主通道)可靠性传输的前提下，在频域叠加信息(附加通道)的传输技术实现了认知网络的系统参数传递、能够适应动态的频谱切换、简化了设计复杂度。

Description

一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法。

背景技术

伴随着社会需求的日益增长，各种无线通信技术正快速发展并应用在社会生活各个领域，频谱资源紧张的状况也日益突出。然而研究表明，仍有部分频谱资源未被充分利用，存在着大量的空闲频段，频谱资源浪费严重。认知无线电技术(CR)的出现为解决频谱资源利用低下问题提供了有效途径，成为近年来的研究热点。它能够感知周围无线环境的传输参数(如授权用户和认知用户的工作频率、发射功率、调制方式、接收端的信噪比等),并对这些信息进行分析、学习和判断，从而自适应的调整工作参数，保证整个网络能够提供可靠的通信,实现授权用户和认知用户之间的频谱共享。

在复杂多变网络环境下，为了使通信终端在尽可能少的人为操作下自适应的完成组网，从而提高网络运行的稳健性和网络维护的效率，需要对整个网络进行动态管理，当认知用户选择最佳的工作频段后，一旦主用户出现在该频段，认知用户就得及时进行频谱切换。不同网络层次的协议必须适应不同工作频率上信道参数，每当某个认知用户改变其工作频率时，网络协议会进行一些修正来适应工作参数的变化。动态的管理就是确保能平稳快速的进行频谱切换并且将由于切换带来的性能上的退化降到最低。动态管理最重要的指标是频谱切换持续时间，目前认知无线网络采用集中式频谱共享和分布式频谱共享两种方式进行动态频谱管理，其结构如图1所示。其中集中式网络结构中存在一个融合中心，由其统一汇集各协作用户发送的数据，进而由其对授权用户信号是否存在做出判决。在分布式网络结构中，没有专门的融合中心，而是由各认知用户相互分享检测数据，由每个认知用户根据收到的数据和本身的检测情况综合做出判决。两种方式都要通过感知信道(虚线箭头)进行频谱检测，再将感知信息从报告信道(实线箭头)发送到认知用户。两种方式都通过报告信道传输感知信息，这种传输方式不仅需要额外的频谱开销，而且由于认知无线电中频谱切换频繁，系统参数更新快，利用这种方式传输导致收发机交互能力弱，频谱切换的实时性差。

在认知无线网络中，系统不仅需要传输频谱感知信息，还需要自适应传输运行参数来适应动态频谱环境和用户识别信息来区分多个认知用户。传统的一些通信协议中，超帧周期较长，不能适应动态感知；信息传输方式中，自适应传输复杂度高，收发机的交互能力弱。如果利用附加通道传输系统运行参数可以避免复杂的自适应反馈，增强收发机的交互能力且不会占用额外的时隙资源。鉴于OFDM调制技术的频谱利用率高，其抗多径性能可以降低叠加信息带来的同信道干扰，应用OFDM技术，在保证原服务信息(主通道)可靠性传输的前提下，在频域叠加信息(附加通道)的传输技术实现了认知网络的系统参数传递、能够适应动态的频谱切换、简化了设计复杂度。基于以上背景，本专利提出一种认知无线电通信系统中的系统参数传递方法。

发明内容

本发明提供一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法，该方法基于OFDM技术在频域叠加信息，主通道传输数据信息，附加通道实部传输系统参数(包括信道、调制和功率信息)，虚部传输发射机识别信息，在保证原服务信息(主通道)可靠性传输的前提下，在频域叠加信息(附加通道)的传输技术实现了认知网络的系统参数传递、能够适应动态的频谱切换、简化了设计复杂度。

本发明技术方案如下：

一种认知无线电通信网络中的系统参数传输方法，该方法基于OFDM技术在频域叠加信息，如图1所示，设发射方调制后功率归一化的主信息为X₁(k)，附加信息为X₂(k)，子载波数为N，主通道的平均功率为附加通道的平均功率为取 根据主附功率比(PSR)来确定，则叠加后经IFFT变换后的信息为：

$x_T\left[n\right]=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(X_1\right[k]+{10}^{-\mathrm{PSR}/20}{X}_2[k\left]\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}---\left(1\right)$

其中主附功率比：

$\mathrm{PSR}=10{\log }_{10}\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_p^2}{{\mathrm{\σ}}_s^2}\right)---\left(2\right)$

附加通道平均功率：

${\mathrm{\σ}}_s^2={10}^{(-\mathrm{PSR}/10)}---\left(3\right)$

IFFT变换后的信息添加循环前缀后发射到通信信道中；

如图2所示，设接收方接收到的传输信息经去循环前缀、FFT变换后为R[k]，则：

$R\left[k\right]=\left[\frac{\left(X_1\right[k]+{10}^{-\mathrm{PSR}/20}{X}_2[k\left]\right)H\left(k\right)+W\left[k\right]}{H_{\mathrm{est}}\left[k\right]}\right]---\left(4\right)$

其中H_est[k]为信道频域响应的估计值；

接收方在解码获得主信息后，利用主信息编码调制模式，对解调后的信息重新进行编码调制，以便将R[k]中的主信息消除。主信息的具体消除方式为：通过控制功率因子，使主信息平均功率远高于附加信息，将附加通道的影响降到最低。

进一步的，本发明中附加信息采用kasami序列进行编码(仿真时采用直接序列扩频进行对比)，具体编码方式为：

Kasami序列分为大集合和小集合，n阶大集合kasami序列的种数M＝(1+2ⁿ)2^n/2，可调制信息比特数为log₂M≈1.5n，n阶小集合kasami序列种数M＝2^n/2，可加载信息比特数为log₂M≈0.5n。以6阶kasami序列为例简要介绍其编码方式(如图4)，设需要传输的附加信息为二进制序列d＝[d₀,d₁,…,d_n-1,d_n,…,d_1.5n-1]，根据kasami序列的生成方式，首先设定m序列寄存器初始状态为非零序列h，且h＝[a₀,a₁,…,a₅]，与其对应采样序列寄存器的初始状态为h'＝[d₀,d₁,…,d_n-1]，h″＝[d_n,d_n+1,…,d_1.5n-1]，传输信息的不同，生成的kasami序列唯一。

本发明中附加通道实部和虚部采用两个不同的kasami序列进行编码，发射方采用多段小集合kasami序列串接的方式达到应用要求的信息速率，以降低接收方检测信号过程的计算复杂度，通过多次重复kasami序列，接收方相关接收时叠加求平均以减少噪声干扰。具体实施过程为：首先根据附加通道的要求传输的信息量，确定要采用多少段小集合kasami序列，例如9bit信息，6阶小集合kasami序列可加载3bit信息，那么我们需要采用3段小集合kasami序列；然后将多段小集合序列进行串接；最后多次重复串接后的序列。

小集合kasami序列的相关值副峰有三个取值：

B_small＝{-1,-1-2^n/2,-1+2^n/2}

大集合kasami序列的相关值副峰有五个取值：

B_large＝{-1,-1-2^(n+2)/2,-1+2^(n+2)/2,-1-2^n/2,-1+2^n/2}

在频域叠加相同的kasami序列，设kasami序列长度为P，叠加段数为K，通过统计得出每种峰值的概率。设消除主信息后，接收到的附加信息为r(k)，在理想同步情况下，将每个符号中的K段数据进行平均，然后本地M种kasami序列进行相关峰检测，比较式(5)中M种结果，获得最大峰值的相关序列即为发射机信息加载序列。

$c\left(m\right)=\underset{l=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{p,m}\left(l\right)r_{\mathrm{av}}^{*}\left(l\right),m=\mathrm{0,1},...,M-1---\left(5\right)$

其中c_p,m为本地kasami序列，r_av为接受信号K段平均。

同阶大集合kasami序列为小集合kasami序列加信息比特的3倍，但由于其序列种数多，其检测复杂度远高于小集合(约为2ⁿ倍)，为了减小接收机复杂度，本发明采用小集合kasami序列加载信息。如图5所示，图(a)为大集合加载信息的框图，为了加载相同比特数，图(b)中采用三段小集合kasami序列进行加载，加载比特数与大集合相等。附加通道实部和虚部分别采用不同的小集合kasami序列进行编码时，发射方通过多次重复kasami序列的具体方式为：采用多个小集合kasami序列串接的方式达到应用要求的信息速率，以降低接收方检测信号过程的计算复杂度；然后多次重复串接后的序列以便接收方相关接收叠加求平均时能够获得一定信噪比增益。

采用小集合kasami序列，假设三种峰值出现的概率分别为P_i(i＝1,2，3)，则一次相关检测检测错误率为(以下关于kasami序列的计算仅考虑实部)：

$P_{\mathrm{em}}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\×Q\left(\frac{A-B_i}{\sqrt{2}{\mathrm{\σ}}_n}\right)---\left(6\right)$

${\mathrm{\σ}}_n^2={\mathrm{P\σ}}_w^2/2,{\mathrm{\σ}}_w^2=1/{10}^{\mathrm{SNR}/10}$

其中A为相关峰，为相关值中噪声平均功率，为噪声功率。

主通道消除后：

${\mathrm{\σ}}_n^2={\mathrm{P\σ}}_w^2/\left(2K\right)---\left(7\right)$

本发明的有益效果是：

本发明提供一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法，该方法基于OFDM技术在频域叠加信息，主通道传输数据信息，附加通道实部传输系统参数(包括信道、调制和功率信息)，虚部传输发射机识别信息，在保证原服务信息(主通道)可靠性传输的前提下，在频域叠加信息(附加通道)的传输技术实现了认知网络的系统参数传递、能够适应动态的频谱切换、简化了设计复杂度。

附图说明

图1为多用户协作频谱共享网络结构示意图。

图2为附加信息进行信道切换原理示意图。

图3为本发明提供的认知无线电通信系统中系统参数传输方法示意图。

图4为kasami序列加载信息示例，阶数n＝6。

图5为kasami序列加载信息框图。

图6为PSR＝5dB时，附加通道小集合kasami的检测性能仿真。

图7为PSR＝5dB时，小集合与大集合kasami仿真对比。

图8为不同阶数下，大集合与小集合kasami序列接收机复杂度对比。

具体实施方式

下面将构建仿真平台，并给出仿真结果图。系统仿真参数：FFT点数为512，CP长度为128，主通道为QPSK调制，6阶kasami序列长度P＝63，8阶kasami序列长度P＝255。分实部和虚部两路传输，附加信息的接收只考虑一路信息即可。若附加通道为直接序列扩频，可以选择截断PN序列使扩频后的附加信息与OFDM子载波长度一致。以下步骤中仅说明kasami序列加载信息。

1)将主信息进行1/4LDPC编码，QPSK调制。

2)假设附加信息已预先进行kasami序列编码，K次重复kasami序列，并添0补足一个OFDM符号长度。

3)根据PSR产生功率因子，将主信息与附加信息叠加。

4)接收信息时，先进行QPSK解调，LDPC解码获得主信息，然后将解码后的信息进行LDPC编码，QPSK调制，将传输信息中的主信息消除。

5)重复序列求平均，相关解调获得发送的kasami序列。

图6为AWGN信道下，PSR＝5dB时附加通道小集合kasami的检测性能仿真。根据中心极限定理，主信息可以看做高斯白噪声，此仿真假设主信息完全消除，根据式(7)～(8)，调整叠加次数，添加相应噪声对kasami序列进行仿真。由图可知，通过调整kasami序列重复次数改善其检测门限，使得在应用环境SNR下附加信息能正确接收。

图7PSR＝5dB时，小集合与大集合kasami仿真对比。此图可以看出K值相同时，相对于小集合，大集合序列有3.5dB左右的增益，但从图8中可以看出，阶数相同的大集合kasami序列接收机复杂度远高于小集合。

Claims (6)

1.一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法，该方法基于OFDM技术在频域叠加信息，设发射方调制后功率归一化的主信息为X₁(k)，附加信息为X₂(k)，子载波数为N，主通道的平均功率为附加通道的平均功率为取 根据主附功率比(PSR)来确定，则叠加后经IFFT变换后的信息为：

$x_T\left[n\right]=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(X_1\right[k]+{10}^{-\mathrm{PSR}/20}{X}_2[k\left]\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}---\left(1\right)$

其中主附功率比：

$\mathrm{PSR}=10{\log }_{10}\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_p^2}{{\mathrm{\σ}}_s^2}\right)---\left(2\right)$

附加通道平均功率：

${\mathrm{\σ}}_s^2={10}^{(-\mathrm{PSR}/10)}---\left(3\right)$

IFFT变换后的信息添加循环前缀后发射到通信信道中；

设接收方接收到的传输信息经去循环前缀、FFT变换后为R[k]，则：

$R\left[k\right]=\left[\frac{\left(X_1\right[k]+{10}^{-\mathrm{PSR}/20}{X}_2[k\left]\right)H\left(k\right)+W\left[k\right]}{H_{\mathrm{est}}\left[k\right]}\right]---\left(4\right)$

其中H_est[k]为信道频域响应的估计值；

其特征在于：

接收方在解码获得主信息后，利用主信息编码调制模式，对解调后的信息重新进行编码调制，以便将R[k]中的主信息消除；主信息的具体消除方式为：通过控制功率因子，使主信息平均功率远高于附加信息，将附加通道的影响降到最低。

2.根据权利要求1所述的一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法，其特征在于，所述附加信息采用kasami序列进行编码。

3.根据权利要求2所述的一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法，其特征在于，所述kasami序列分为大集合和小集合，n阶大集合kasami序列的种数M＝(1+2ⁿ)2^n/2，可调制信息比特数为log₂M≈1.5n，n阶小集合kasami序列种数M＝2^n/2，可加载信息比特数为log₂M≈0.5n；设需要传输的附加信息为二进制序列d＝[d₀,d₁,…,d_n-1,d_n,…,d_1.5n-1]，根据kasami序列的生成方式，首先设定m序列寄存器初始状态为非零序列h，且h＝[a₀,a₁,…,a₅]，与其对应采样序列寄存器的初始状态为h'＝[d₀,d₁,…,d_n-1]，h″＝[d_n,d_n+1,…,d_1.5n-1]，传输信息的不同，生成的kasami序列唯一。

4.根据权利要求3所述的一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法，其特征在于，附加通道实部和虚部分别采用不同的小集合kasami序列进行编码，发射方通过多次重复kasami序列，接收方相关接收时叠加求平均以减少噪声干扰；kasami序列的相关值副峰有三个取值：

B_small＝{-1,-1-2^n/2,-1+2^n/2}

在频域叠加相同的kasami序列，设kasami序列长度为P，叠加段数为K，通过统计得出每种峰值的概率。假设三种峰值出现的概率分别为P_i，i＝1,2，3，则一次相关检测的检测错误率为：

$P_{\mathrm{em}}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\×Q\left(\frac{A-B_i}{\sqrt{2}{\mathrm{\σ}}_n}\right)---\left(6\right)$

${\mathrm{\σ}}_n^2={\mathrm{P\σ}}_w^2/2,{\mathrm{\σ}}_w^2=1/{10}^{\mathrm{SNR}/10}$

其中A为相关峰，为相关值中噪声平均功率，为噪声功率；

主信息消除后：

${\mathrm{\σ}}_n^2={\mathrm{P\σ}}_w^2/\left(2K\right)---\left(7\right)$

5.根据权利要求4所述的一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法，其特征在于，附加通道实部和虚部分别采用不同的小集合kasami序列进行编码时，发射方通过多次重复kasami序列的具体方式为：采用多个小集合kasami序列串接的方式达到应用要求的信息量，以降低接收方检测信号过程的计算复杂度；然后多次重复串接后的序列以便接收方相关接收叠加求平均时能够获得一定信噪比增益。

6.根据权利要求4或5所述的一种认知无线电通信系统中的系统参数传输方法，其特征在于，kasami序列检测的具体实施过程为：

设主信息消除后，接收到的附加信息为r(k)，在理想同步情况下，将每个符号中的K段数据进行平均，然后本地M种kasami序列进行相关峰检测，比较式(13)中M种结果，获得最大峰值的相关序列即为发射机信息加载序列。

$c\left(m\right)=\underset{l=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{p,m}\left(l\right)r_{\mathrm{av}}\left(l\right),m=\mathrm{0,1},...,M-1---\left(13\right)$

其中c_p,m为本地kasami序列，r_av为接受信号K段平均。