基于认知无线电平台的NC-OFDM系统设计与实现

摘  要： 基于USRP2平台设计并实现了一个非连续正交频分复用(NC-OFDM)认知无线电传输系统，给出了系统的软硬件设计详细流程和关键问题的解决方案，并针对NC-OFDM系统提出了一种快速抑制峰均比的自适应算法。硬件仿真结果表明，本系统能够在USRP2平台上成功实现无线通信的数据传送与接收，为认知无线电由理论研究迈向实际应用奠定了基础，有一定的实用价值，同时也为其他基于USRP2的无线系统设计提供了有益借鉴。
关键词： 认知无线电； 非连续正交频分复用； USRP2； 峰值平均功率比
       认知无线电技术CR（Cognitive Radio）[1]被国内外许多研究机构公认为是解决频谱利用率低的最佳解决方案[2]。目前普遍认为应该采用多载波技术进行CR的数据传输，其中正交频分复用（OFDM）是最佳候选技术之一[3]。但是CR中可用频谱的特性是分布宽、非连续且动态变化，所以传统的OFDM技术已无法再适用于具有上述特性的频谱环境。基于频谱池思想的非连续正交频分复用技术（NC-OFDM）[4]能够灵活、智能地整合空闲的频谱资源，并充分利用、有效地适应动态变化的频谱环境，同时还可以实现次用户和主用户之间的多系统共存，因此它非常适合作为CR的数据传输体制。
      目前国内外的课题研究[3-5]都集中于认知无线电的理论上,涉及实验平台的研究较少。本文在设计NC-OFDM传输系统的基础上，提出了一种能够快速并且有效抑制峰均比(PAPR)的自适应算法，同时也解决了该系统传输数据时的关键问题，最后利用USRP2平台实现NC-OFDM系统中数据的发送与接收。本系统具有一定的实用价值，为认知无线电由理论研究步入实际应用奠定了原型基础，同时也为其他基于USRP2的无线通信系统设计提供了有益借鉴。
1 NC-OFDM系统的原理及模型
     认知无线电是一种智能的无线通信系统，它不仅可以主动感知周围的无线电磁环境，还能感知到频谱的使用情况。依据本文传输数据的特点，改进参考文献[3]中的系统框图，得到CR环境中基于QPSK调制的NC-OFDM系统流程，如图1所示。在发送端，发送的数据首先进行QPSK调制，然后根据感知单元得到的子载波开/关控制信息将数据进行串并变换，分配到N路可用的子载波上，此时数据的传输速率也降低了。
   
       子载波开/关控制信息是由频谱感知单元得到的，该单元包括频谱估计和幅度判决两部分，利用各种频谱检测手段、方法感知系统周围的无线频谱使用情况，然后将检测到的各频段功率谱密度(PSD)与依据通信环境和要求所设定的门限值进行比较，PSD大于(含等于)门限值的是不可使用的频段，PSD小于门限值的是可以使用的频段。不难发现，在该系统下通常可以用来传输数据的频带是非连续并且是动态变化的。对于依据检测判决结果得到的子载波开/关控制信息，系统将会打开分布在可用频段上的子载波开关，用以传输数据；同时关闭不可使用频段上的子载波开关。数据变成多路传输后，可以按照梳状导频插入的方法插入导频，并进行N点傅里叶反变换。然后在发送数据前给每个符号插入保护间隔用以消除码间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)。接着将数据恢复成串行的数据流，便得到了基带信号x(t)，最后经射频调制到相应的频率上发射出去。
     接收端将接收到的信号先进行射频解调，得到基带信号y(t)，然后进行与发送端相反的操作就能恢复出原始的发送数据。
2 基于USRP2实现NC-OFDM系统的数据传输
2.1 USRP2平台
     USRP2主要由母板和子板组成。板中的FPGA模块用于计算、编程和算法实现；RAM模块用于存储数据；设置模块用于USRP2内一些芯片功能设置，主要由串行ADC和DAC进行指令控制完成；以太网模块用于将来自电脑通过网线传输的UDP数据读入USRP2中；电源模块为USRP2中各个芯片和模块提供稳定的电源；底板是将所有模块连在一起并使母板和子板得以正常传输数据的重要部分；子板是射频发射板，主要功能是将母板中接收到的数字中频信号上变频到想要的射频信号。
     在MATLAB中SIMULINK为用户提供的USRP2 Transmitter和USRP2 Receiver两个模块[6]。这两个模块都支持SIMULINK与USRP2之间的动态数据交互，以允许用户模拟和开发各种各样的认知无线电应用。
2.2 NC-OFDM系统设计中的关键问题
     同OFDM系统一样， 在NC-OFDM系统中，当有同样相位的信号叠加时就会产生非常大的峰值平均功率比（PAPR），当PAPR过高时会显着影响NC-OFDM系统的整体性能。近些年也提出了许多解决PAPR的方法，广义上可以分为确定的方法和概率的方法[7-8]。经分析NC-OFDM的特点，普遍认为概率的方法中基于频域的处理技术更适合用于该系统。依据本文传输数据的特点，将参考文献[5]中的算法进行改进，设计了一种适合本系统的快速抑制峰均比自适应算法，将部分传输序列（PTS）方法和交织方法很好地结合在了一起。
     对PTS和交织两种方法进行分析后,得出结论：当初始PAPR值较大时，PTS方法能够较好地将其降低；而当初始PAPR值不是很大时，PTS的效果则不太明显，此时使用交织方法能够较高效地降低PAPR。针对这种情况，本文提出了将PTS方法与交织方法相结合的自适应算法，在系统中将PTS方法与交织方法的交点值设为门限值，通过与门限值的比较决定采用哪种方法，该自适应算法能够快速、有效地降低NC-OFDM传输系统的PAPR，其流程图如图2所示。
   
       算法首先计算出NC-OFDM符号的PAPR值，如果小于预先设定好的门限值PAPRth1，信号不作任何改动，直接传送到IFFT模块。当PAPR大于PAPRth1并且小于PAPRth2时，传输信号只进行交织运算。如果大于PAPRth2，则将传输信号送入PTS运算模块。
     另外，NC-OFDM系统对同步的要求也是非常高的，可以采用基于循环前缀的最大似然估计ML(Maximum Likelihood Estimation) 算法[10]，来进行符号定时估计和载波频率偏移估计。
     在NC-OFDM系统中,为了避免对主用户的干扰，会使一些子载波无效，其值设为0，即IFFT的输入端和FFT的输出端有一些0。此时，FFT模块的硬件资源将不能充分利用，本文设计的传输系统使用了FFT修剪算法[3]，该算法能够很好地解决上述问题，大幅度提高系统的整体性能。
     另一方面，在整个数据传输过程中，应当保证控制信道传输模块的正常工作，即发送端和接收端的子载波开/关控制信息必须保持高度一致，否则将导致数据的解调顺序错乱，无法得到正确的接收数据。可以在传输信息时在每帧数据的帧头部分加入一些识别信息，接收端可根据识别信息来确定接收到的子载波开/关控制信息是否准确。
2.3 基于USRP2的NC-OFDM系统的设计与实现
     本文按照NC-OFDM系统的框图模型及其原理，应用2.2节中各种关键技术的解决方案，在SIMULINK中设计并搭建了一个NC-OFDM传输系统,并与USRP2平台互联， 以实现数据经过无线信道的发送与接收,如图3所示。