认知无线电合作频谱感知实验平台以及合作感知方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线电频谱感知技术，尤其涉及一种认知无线电合作频谱 感知实验平台以及合作感知方法。

背景技术

随着无线通信业务和设备的激增，无线电频谱资源日趋紧张，传统的频谱管理 方式受到了极大的挑战。认知无线电(CR，Cognitive Radio)技术能够实现空闲频 谱的二次利用，为有效解决当今无线网络中频谱资源紧张与频谱利用率不高这一矛 盾开辟了新的途径。

认知无线电是在软件无线电基础上发展起来的一种新型通信技术。它通过对周 围电磁环境进行频谱感知，得到授权网络的当前频谱“空洞”，调整无线传输参数并 且机会式地接入，既避免了对该频段上的授权用户的干扰，又保证了认知设备的传 输。认知无线电的一个关键技术和实现前提就是如何快速和准确的频谱感知。目前 的频谱感知策略主要有能量检测、匹配滤波法、信号周期特性检测等方法。

在CR的实际应用场景中，由于认知用户(即使用CR技术的用户)与授权用 户间无任何交互信息(CR透明性原则)，加之无线环境的阴影、多径、噪声不确 定等不利因素的影响，仅凭单个认知用户的单一频谱感知策略通常无法对微弱授权 信号进行高可靠性和强实时性的检测，隐藏终端问题一直是频谱感知中亟待解决的 问题。合作频谱感知是有效解决上述问题的方法之一，它通过一个公共信道对多个 CR独立的判决信息进行融合，来提高频谱检测的精度和实时性，能有效的解决频 谱感知中的隐藏终端问题。

然而，现存的合作频谱感知方法，面临着以下问题：

(1)每次频谱感知都需要大量的认知用户参与。频繁的感知会消耗认知用户 大量的能量，从而大大减少了认知用户的寿命；同时，参与频谱感知的用户还将失 去大量的传输时间。这样并没有充分利用授权网络的频谱“空洞”，因此制约了认知 网络的吞吐量。

(2)由于认知用户位置的移动，每次判决信息的可信度都是变化的，造成了 控制中心数据融合的困难。实际技术中常用的几种简单、实用的数据融合方式并不 能保证最终的感知结果的正确性。

此外，在802.22的标准草案中，也没有给出合作频谱感知的具体实现方法。 目前，基于合作频谱感知的研究，大都集中在如何进行数据交互和信息处理上，提 出的方法大多都比较复杂，难于应用于实际。而在如何避免认知用户频繁的中断传 输去频谱感知，从而提高认知网络的吞吐量，延长认知用户的寿命，同时降低数据 融合的复杂性等方面，却很少涉及。

鉴于上述现有技术的合作频谱感知中存在的问题，需要一种能避免认知用户频 繁的中断传输去频谱感知，提高认知网络性能，同时降低数据融合的复杂性的合作 频谱感知技术。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种认知无线 电合作频谱感知实验平台以及合作感知方法，通过结合能量检测、匹配滤波检测， 准确、实时地找出当前的频谱“空洞”并通过网关接口提供给该区域中的认知用户， 并能及时检测到授权用户的出现。另外在此基础上，本发明设计了一个简单、实用 的信道分配协议来尽可能地减少频谱切换过程中认知用户传输速率的下降。

为实现上述目的，本发明提供了一种认知无线电合作频谱感知实验平台，其特 征在于，包括能量检测节点、匹配滤波感知节点、中心节点、网关接口和频谱池； 所述能量检测节点、所述匹配滤波感知节点、所述中心节点和认知用户被接入一个 无线通信网络，并通过所述无线通信网络进行信息交互；所述能量检测节点采用能 量检测进行频谱感知；所述匹配滤波感知节点采用匹配滤波检测进行频谱感知；所 述中心节点通过所述无线通信网络发送控制信令；所述网关接口用于接受所述认知 用户的信道请求登记和信道收回登记以及向所述认知用户广播信道分配结果；所述 频谱池用于记录信道的状态，接收所述能量检测节点和所述匹配滤波感知节点的判 决信息，以及对所述判决信息进行数据融合。

进一步地，所述信道的状态包括：所述信道是否被占用；占用所述信道的用户 的类别，所述用户的类别包括授权用户和认知用户；以及所述认知用户的接入所述 信道的时刻和退出所述信道的时刻。

进一步地，所述中心节点、所述网关接口和所述频谱池由计算机构成。

进一步地，所述能量检测节点包括射频前端、高速AD转化器、高速并行转接 口电路、数字带通滤波器和能量检测器。

进一步地，所述匹配滤波感知节点包括射频前端、高速AD转化器、高速并行 转接口电路、数字带通滤波器和匹配滤波检测器。

进一步地，所述高速并行转接口电路由可编程逻辑阵列芯片、可编程逻辑电路 芯片或现场可编程逻辑阵列芯片构成。

进一步地，所述数字带通滤波器和所述能量检测器由数字信号处理芯片构成。

进一步地，所述数字带通滤波器和所述匹配滤波检测器由数字信号处理芯片构 成。

进一步地，本发明提供了一种认知无线电合作感知方法，应用于所述的认知无 线电合作频谱感知实验平台，其特征在于，是一种周期检测；对于每一次所述周期 检测包括以下步骤：所述中心节点通过所述无线通信网络发送周期检测开始信令； 所述能量检测节点和所述匹配滤波感知节点分别进行频谱感知；所述能量检测节点 和所述匹配滤波感知节点分别将判决信息发送到所述频谱池；所述频谱池对所述判 决信息进行数据融合，得到冲突信道集和候选信道集，并将所述冲突信道集发送到 所述网关接口，将所述候选信道集发送到所述中心节点；所述网关接口通知所述冲 突信道集的认知用户退出所述信道；所述中心节点按照所述候选信道集和认知用户 队列进行信道分配，并将所述分配的结果通过所述网关接口通知所述认知用户。

进一步地，所述频谱池进行数据融合的步骤为：所述频谱池对接收的所述匹配 滤波感知节点的判决信息采用或运算进行数据融合，如果所述数据融合后的结果为 冲突，则判定所述信道发生冲突，将所述信道送入所述冲突信道集；所述频谱池对 接收的所述能量感知节点的判决信息采用少数服从多数方式进行数据融合，如果所 述数据融合后的结果为空闲，则判定所述信道为空闲，将所述信道送入所述候选信 道集。

在本发明的较佳实施方式中，本发明的认知无线电合作频谱感知实验平台包括 三个能量检测节点、两个匹配滤波感知节点、频谱池、中心节点和网关接口。其中， 三个能量检测节点、两个匹配滤波感知节点、中心节点、和两个认知用户都接有 WI-FI适配器，它们通过无线路由器组成一个基于802.11的无线局域网，用于平台 中的能量检测节点、匹配滤波感知节点、中心节点和认知用户之间的信息交互。中 心节点和频谱池、网关接口相连并且在同一台计算机上构建，能量检测节点由射频 前端、高速AD转换器、高速并行转换接口电路、数字带通滤波器和能量检测器构 成，匹配滤波检测节点由射频前端、高速AD转换器、高速并行转换接口电路、数 字带通滤波器和匹配滤波检测器构成。频谱池用于记录候选信道集、冲突信道集、 认知用户队列、认知用户的优先级、信道使用标志字等信息，并将当前可用信道资 源送往中心节点作资源分配，存储中心节点的资源分配方案。中心节点向所有感知 节点发送和接受信令。网关接口接受认知用户的信道请求登记和信道收回登记，并 向认知用户广播信道分配结果，如果某信道的授权用户出现，网关接口将通知正在 使用该信道的认知用户退出，并且为他们安排新信道。应用于此认知无线电合作频 谱感知实验平台的合作感知方法包括步骤：系统的初始化；中心节点发送周期检测 开始信令，并广播当前的信道使用标志字U；能量检测节点和匹配滤波检测节点按 照各自的检测方法进行频谱感知，并向频谱池发送判决信息；频谱池进行数据融合， 得到冲突信道集和候选信道集，将结果分别送往网关接口和中心节点。

因此可见，本发明通过采用能量感知节点和匹配滤波感知节点两类不同的感知 节点，充分利用了能量检测和匹配滤波检测各自的优势，能有效克服能量感知算法 中噪音不确定性对感知准确性的影响，又能降低匹配滤波算法的复杂性，从而提高 了算法的准确性和灵敏性。认知用户不需要周期去频谱感知，减少了耗能，延长了 节点的使用寿命；同时，认知用户获得了更多传输时间，能提高对频谱“空洞”的利 用率。

附图说明

图1是本发明的较佳实施例的认知无线电合作频谱感知实验平台的示意图；

图2是本发明的较佳实施例的认知无线电合作频谱感知实验平台的中心节点 的结构图；

图3是本发明的较佳实施例的认知无线电合作频谱感知实验平台的能量检测 节点的结构图；

图4是本发明的较佳实施例的认知无线电合作频谱感知实验平台的匹配滤波 感知节点的结构图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的认知无线电合作频谱感知实验平台包括：能量检测节 点11、12和13，匹配滤波感知节点21和22，频谱池3，中心节点5，无线路由器 7，网关接口6。其中，能量检测节点11、能量检测节点12、能量检测节点13、匹 配滤波感知节点21、匹配滤波感知节点22、中心节点5、认知用户8和认知用户9 都接有WI-FI适配器，它们通过无线路由器7组成一个基于802.11的无线局域网， 此无线局域网作为整个实验平台的无线通信网络，网络中的能量检测节点11、能 量检测节点12、能量检测节点13、匹配滤波感知节点21、匹配滤波感知节点22、 中心节点5、认知用户8和认知用户9通过此无线局域网进行信息交互。

中心节点5和频谱池3、网关接口6相连并且在同一台计算机上构建，如图2 所示，与它们相连的是WI-FI适配器406。频谱池3采用的是acess数据库软件， 用于记录候选信道集、冲突信道集、认知用户队列、认知用户的优先级、信道使用 标志字等信息，并将当前可用信道资源送往中心节点5作资源分配，存储中心节点 5的资源分配方案。频谱池3通过VC++6.0编写EXE文件来进行数据融合等工作。 中心节点5进行信道分配，中心节点5通过WI-FI适配器406向所有感知节点发送 和接受信令。网关接口6通过WI-FI适配器406接受认知用户8和9的信道请求登 记和信道收回登记，并向认知用户8和9广播信道分配结果，如果某信道的授权用 户出现，网关接口6将通知正在使用该信道的认知用户退出，并且为他们安排新信 道。其中，信道请求登记用于有通信需求的认知用户预约信道，信道收回登记用于 已通信完成的认知用户请求收回自己使用的信道。当网关接口6收到认知用户的信 道请求登记后，便将该认知用户送入队列等候分配信道；如果网关接口6收到认知 用户的信道收回登记，便将该认知用户从队列中删除。认知用户申请信道的等候队 列称为认知用户队列。

本实施例中，计算机的型号为dell E6400，WI-FI适配器的型号为Xbox 360USB  WI-FI适配器，无线路由器7的型号为TP-LINK TL-WR84IN。

如图3所示，能量检测节点11由射频前端111、高速AD转换器112、高速并 行转换接口电路113、数字带通滤波器114和能量检测器110构成。其中，射频前 端111、高速AD转换器112为能量检测节点11的软件无线电外设，数字带通滤波 器114和能量检测器110由数字信号处理(DSP)芯片构成，高速并行转换接口电 路113是软件无线电外设和DSP芯片之间的连接电路。高速并行转换接口电路113 可以由可编程逻辑阵列(PAL)芯片、复杂可编程逻辑器件(CPLD)芯片或现场 可编程门阵列(FPGA)芯片构成，本实施例中采用的是FPGA芯片。射频前端111 的中心频率可以通过它的调谐器来进行调节。

在能量检测节点11工作中，射频前端111将微弱的射频信号放大，并通过混 频得到中频信号，高速AD转换器112将中频信号转化成数字信号，通过高速并行 转接口电路113将AD转换后的高速并行数据送入DSP芯片，通过DSP芯片上的 数字带通滤波器114得出当前子信道的基带信号，将基带信号送入能量检测器110 得到判决信息。本实施例中选用的DSP芯片的型号为TMS320VC5502，射频前端 111的型号为AD8347，高速AD转换器112的型号为AD9862，FPGA芯片的型号 为Cyclone EP1C12，数字带通滤波器114为C语言编写的带宽为3MHz、中心频 率为0Hz的Butterworth型滤波器。能量检测节点11外接WI-FI适配器411。能量 检测节点12、13的结构与工作和能量检测节点11相同。

如图4所示，匹配滤波检测节点21由射频前端211、高速AD转换器212、高 速并行转换接口电路213、数字带通滤波器214和匹配滤波检测器210构成。其中， 射频前端211、高速AD转换器212为匹配滤波检测节点21的软件无线电外设， 数字带通滤波器214和能量检测器210由数字信号处理(DSP)芯片构成，高速并 行转换接口电路213是软件无线电外设和DSP芯片之间的连接电路。高速并行转 换接口电路213可以由可编程逻辑阵列(PAL)芯片、复杂可编程逻辑器件(CPLD) 芯片或现场可编程门阵列(FPGA)芯片构成，本实施例中采用的是FPGA芯片。 射频前端211的中心频率可以通过它的调谐器来进行调节。

在匹配滤波检测节点21工作中，射频前端211将微弱的射频信号放大，并通 过混频得到中频信号，高速AD转换器212将中频信号转化成数字信号，通过高速 并行转接口电路213将AD转换后的高速并行数据送入DSP芯片，通过DSP芯片 上的数字带通滤波器214得出当前子信道的基带信号，将基带信号送入匹配滤波检 测器210得到判决信息。本实施例中选用的DSP芯片的型号为TMS320VC5502， 射频前端211的型号为AD8347，高速AD转换器212的型号为AD9862，FPGA 芯片的型号为Cyclone EP1C12，数字带通滤波器214为C语言编写的带宽为3MHz、 中心频率为0Hz的Butterworth型滤波。匹配滤波检测节点21外接WI-FI适配器 421。匹配滤波检测节点22的结构与工作和匹配滤波检测节点21相同。

本发明的合作感知方法，应用于上述的合作频谱感知实验平台，包括以下步骤：

步骤101，系统的初始化。

本实施例中，假设授权用户占用了2500-2519MHz的一段频谱，该频谱共划分 为2500-2503MHz、2504-2507MHz、2508-2511MHz、2512-2515MHz、2516-2519MHz 五个等宽等间隔的授权信道。将这些授权信道分别编号，成为信道71、72、73、 74和75。

设置能量检测节点11、12和13的能量检测器的快速傅里叶变换(FFT)变换 的阶数N＝256。

设定能量检测节点11、12和13的能量判决门限E，保证：若授权用户和认知 用户都没有占用该信道，所有的能量检测节点在一个检测周期T内通过少数服从 多数(MAJOR)方式的数据融合能以95％的概率检测到该信道空闲。

设定能量检测节点11、12和13的检测周期T为0.5s，授权用户和认知用户的 发送功率相同，均为50mW。

设定无线路由器7的IP地址为：192.168.0.1，8个WI-FI适配器的IP地址为： 192.168.0.10至192.168.0.17。

步骤102，中心节点5发送周期检测开始信令，并广播当前的信道使用标志字 U。

本实施例中，中心节点5发送的开始信令为连续8个低电平。

信道使用标志字U为一个5bit的数据，每一个信道的状态用一个bit标示。若 信道m(m∈{71，72，73，74，75})上有认知用户通信，则信道m的状态标示为 1(忙碌)，否则为0(空闲)。

步骤103，在收到信道使用标志字U后，能量检测节点11、12、13和匹配滤 波检测节点21、22按照各自的检测方法进行频谱感知，并向频谱池3发送判决信 息。其具体为步骤201和202：

步骤201，能量检测节点11、12、13检测使用标志为空闲的信道，其具体步 骤为步骤301-303：

步骤301，能量检测节点11、12、13将其射频前端的载波频率设为当前信道 的中心频率，扫描一个周期T。

本实施例中，当前信道依次为信道71、72、73、74和75中使用标志为空闲的 信道，信道71、72、73、74和75对应的中心频率分别为2501.5MHz、2505.5MHz、 2509.5MHz、2513.5MHz和2517.5MHZ。

步骤302，将基带信号通过快速傅里叶变换(FFT)变换到频域，通过求频谱 密度的平均平方和，得出当前信道内的平均能量，与设定的能量判决门限E比较， 来判断信道当前被占用与否。

将FFT变换后的结果和能量判决门限E比较，如果比E小，则认定该信道上 空闲，将该信道的状态置为0，否则认定该信道上忙碌，将该信道的状态置为1。 将结果向频谱池3传输；

步骤303，切换到下一个信道，进入步骤301，直到标志位为空闲的信道扫描 完毕。

步骤202，匹配滤波检测节点21、22检测使用标志为忙碌的信道，其具体为 步骤311-313：

步骤311，匹配滤波检测节点21、22将其射频前端的中心频率设为当前信道 的中心频率，扫描一个周期T；

当前信道依次为信道71、72、73、74和75中使用标志为忙碌的信道，信道 71、72、73、74和75对应的中心频率分别为2501.5MHz、2505.5MHz、2509.5MHz、 2513.5MHz和2517.5MHZ。

步骤312，如果匹配滤波检测节点21、22的匹配滤波检测器的判决信息为存 在授权用户，则认为该信道发生冲突。将该信道的状态置为冲突，否则为正常。并 将结果向频谱池3传输；

步骤313，切换到下一个信道，进入步骤311，直到标志位为忙碌的信道扫描 完毕。

步骤104，频谱池3接收能量检测节点11、12、13和匹配滤波检测节点21、 22的判决信息后，开始进行数据融合，得到冲突信道集和候选信道集，将结果分 别送往网关接口6和中心节点5。

其中，冲突信道集是用来表示授权用户和认知用户发生冲突的信道集合，候选 信道集是用来表示授权用户和认知用户都没有占用的信道集合。

本实施例中，频谱池3对能量检测节点11、12、13的判决信息，采用少数服 从多数(MAJOR)方式的融合策略，若融合后标志位为0，则认定该信道空闲， 将信道的标号送入到候选信道集中。频谱池3对匹配滤波检测节点21、22的判决 信息，采用或运算(OR运算)的融合策略，若融合后标志位为1，则认定该信道 冲突，将信道的标号送入到冲突信道集中。

网关接口6通知冲突信道集的认知用户退出该信道，并更新该认知用户的优先 级状态。中心节点5按照候选信道集和认知用户队列进行信道分配，并将分配的结 果通过网关接口6通知给相应的认知用户，更新信道使用标志字U。

本实施例中采用“先来先得”的原则进行信道分配。在认知用户队列中，只有 优先级高的用户才可能分配到信道，对优先级高的认知用户，按照认知用户队列中 先后顺序进行信道分配，直到信道全部分配完毕。当认知用户获得信道后，优先级 变为低，直到其被通知退出，其优先级又变为高。本实施例中，认知用户的优先级 状态用0或1标示，其中0标示优先级高。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领 域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的 实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。