專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)無靜默期頻譜感知的認(rèn)知無線電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，特別涉及認(rèn)知無線電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)無線頻譜資源的需求越來越大。然而，無線頻譜 是稀缺、有限的資源。如何充分利用頻譜資源，提高頻譜利用率，成為了一個(gè)亟待解決的問 題。認(rèn)知無線電(CR，Cognitive radio)技術(shù)為解決這個(gè)問題提供了一種可行的方案。在 CR系統(tǒng)中，具有認(rèn)知功能的用戶(CR用戶)需要對(duì)授權(quán)用戶頻譜進(jìn)行感知，在不影響授權(quán)用 戶正常通信的前提下利用頻譜空穴，所述頻譜空穴為已分配給授權(quán)用戶但未被其使用的空 閑頻譜。在目前的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，如IEEE802.22無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，為了抑制認(rèn)知無線電 信號(hào)對(duì)頻譜感知的干擾，現(xiàn)有的頻譜感知技術(shù)需要使用靜默期，在靜默期內(nèi)CR用戶中斷自 身的數(shù)據(jù)傳輸，這樣不但減少了 CR用戶進(jìn)行自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，而且破壞了數(shù)據(jù)傳輸?shù)?連續(xù)性，嚴(yán)重?fù)p害了 CR用戶的通信服務(wù)質(zhì)量(QoS，Quality of Service) 0

發(fā)明內(nèi)容
為了解決靜默期給CR用戶通信QoS帶來的損害，本發(fā)明實(shí)例提供了一種實(shí)現(xiàn)無靜 默期的認(rèn)知無線電系統(tǒng)，應(yīng)用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，包括認(rèn)知無線電發(fā)射裝置和認(rèn)知無線電 接收裝置，其特征在于所述認(rèn)知無線電發(fā)射裝置，采用混沌信號(hào)發(fā)射信息，包括認(rèn)知無線電發(fā)射信息產(chǎn)生模塊，用于將CR用戶將要發(fā)送的信息轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制發(fā) 射信息；混沌信號(hào)發(fā)生模塊，用于產(chǎn)生混沌信號(hào)；自適應(yīng)模塊，用于認(rèn)知無線電發(fā)射裝置根據(jù)感知到的頻譜空穴特征調(diào)整上述混沌 信號(hào)的頻譜；混沌調(diào)制模塊，用頻譜經(jīng)過調(diào)整的混沌信號(hào)將上述二進(jìn)制發(fā)射信息調(diào)制成混沌信 號(hào)；單天線發(fā)射模塊，用于將混沌調(diào)制模塊產(chǎn)生的混沌信號(hào)發(fā)射出去，且發(fā)射頻段在 一定范圍內(nèi)可調(diào)。所述認(rèn)知無線電接收裝置，用于對(duì)接收到的信號(hào)同時(shí)進(jìn)行頻譜感知和混沌信號(hào)解 調(diào)，實(shí)現(xiàn)無需靜默期的頻譜感知，包括多天線接收模塊，用于接收裝置能夠同時(shí)接收至少三個(gè)相互獨(dú)立的信號(hào)，且接收 頻段在一定范圍內(nèi)可調(diào)；分路器模塊，用于將接收到的信號(hào)分成兩路，第一路用于頻譜感知，第二路用于混 沌信號(hào)的解調(diào)；頻譜感知模塊，用于感知接收到的信號(hào)中是否含有授權(quán)用戶發(fā)射信號(hào)；
解調(diào)模塊，用于解調(diào)接收信號(hào)中的混沌信號(hào)，恢復(fù)出CR用戶發(fā)射信息；管理模塊，用于認(rèn)知無線電接收裝置根據(jù)頻譜感知模塊和解調(diào)模塊的結(jié)果進(jìn)行決 策并調(diào)整頻譜感知模塊和解調(diào)模塊參數(shù)所述混沌信號(hào)發(fā)生模塊，用于產(chǎn)生混沌信號(hào)，包括混沌信號(hào)發(fā)生模塊采用蔡氏模擬混沌電路來實(shí)現(xiàn)。所述自適應(yīng)模塊，用于認(rèn)知無線電發(fā)射裝置根據(jù)感知到的頻譜空穴特征調(diào)整混沌 信號(hào)的頻譜，包括通帶自適應(yīng)可調(diào)的濾波器，將混沌信號(hào)通入其中，濾波器的通帶范圍根據(jù)感知到 的頻譜空穴特征來設(shè)置，從而混沌信號(hào)的頻譜能夠自適應(yīng)的根據(jù)頻譜空穴來調(diào)整。所述頻譜感知模塊，用于感知接收到的信號(hào)中是否含有授權(quán)用戶發(fā)射信號(hào)，包 括自相關(guān)模塊，對(duì)接收到的第一路信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)，得到自相關(guān)信號(hào)；杜芬混沌振子模塊，用于提供杜芬混沌振子；循環(huán)頻率估計(jì)模塊，將自相關(guān)得到的信號(hào)導(dǎo)入杜芬混沌振子中，估計(jì)其中授權(quán)用 戶信號(hào)的循環(huán)頻率；檢測(cè)模塊，用于根據(jù)臨界混沌狀態(tài)的杜芬混沌振子對(duì)同頻率周期信號(hào)敏感的特性 檢測(cè)授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)；判斷模塊，用于根據(jù)觀察杜芬混沌振子的狀態(tài)來判斷授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)。所述循環(huán)頻率估計(jì)模塊，將自相關(guān)得到的信號(hào)導(dǎo)入杜芬混沌振子中，估計(jì)其中授 權(quán)用戶信號(hào)的循環(huán)頻率，包括將自相關(guān)得到的信號(hào)導(dǎo)入杜芬混沌振子模塊；根據(jù)授權(quán)用戶使用頻段的歷史統(tǒng)計(jì)信息采用相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)杜芬混沌振子模 塊的角頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，并記錄杜芬混沌振子每個(gè)角頻率值對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)；計(jì)算輸出信號(hào)的方差值，分別求出每個(gè)角頻率對(duì)應(yīng)杜芬混沌振子輸出信號(hào)的方差 值；依據(jù)方差值確定待檢信號(hào)的循環(huán)頻率，選取最大輸出信號(hào)方差值對(duì)應(yīng)的角頻率， 即為該自相關(guān)信號(hào)中可能存在的授權(quán)用戶信號(hào)自相關(guān)循環(huán)頻率。所述根據(jù)授權(quán)用戶使用頻段的歷史統(tǒng)計(jì)信息采用相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)杜芬混沌振 子模塊的角頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，并記錄杜芬混沌振子每個(gè)角頻率值對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，包括調(diào)節(jié)機(jī)制的選擇基于授權(quán)用戶使用頻段的歷史統(tǒng)計(jì)信息。若根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)信息， 授權(quán)用戶在該頻譜空穴內(nèi)使用的頻段比較分散且多變，則采用兩步調(diào)節(jié)機(jī)制第一步以較 大的間隔值對(duì)杜芬混沌振子的策動(dòng)力角頻率進(jìn)行粗調(diào)節(jié)；第二步根據(jù)第一步輸出信號(hào)方差 的結(jié)果，選定方差值較大的角頻率區(qū)間，并在該區(qū)間以較小的間隔值對(duì)杜芬混沌振子的策 動(dòng)力角頻率進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)。若根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)信息授權(quán)用戶在該頻譜空穴內(nèi)使用的頻段比較集 中且固定，則采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，在使用集中的頻段采用小間隔值對(duì)杜芬混沌振子的策 動(dòng)力角頻率進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)，在其他頻段采用大間隔值對(duì)其進(jìn)行粗調(diào)節(jié)。所述檢測(cè)模塊，用于根據(jù)臨界混沌狀態(tài)的杜芬混沌振子對(duì)同頻率周期信號(hào)敏感的 特性檢測(cè)授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)，包括調(diào)節(jié)杜芬混沌振子的策動(dòng)力角頻率等于估計(jì)的循環(huán)頻率，并調(diào)節(jié)杜芬混沌振子的策動(dòng)力幅值使振子處于臨界混沌狀態(tài)，然后將自相關(guān)得到的信號(hào)導(dǎo)入杜芬混沌振子。所述解調(diào)模塊，用于解調(diào)接收信號(hào)中的混沌信號(hào)，恢復(fù)出CR用戶發(fā)射信息，包括混沌信號(hào)提取模塊，用于從第二路信號(hào)中提取混沌信號(hào)；利用混沌信號(hào)的動(dòng)力學(xué)方程和參數(shù)估計(jì)法，搜尋提取矩陣W，利用W從第二路信號(hào) Xi (t) (i = 1,2,3)中提取出混沌信號(hào)，W為F = arg rmne(W)ε (W)為誤差函數(shù)ε (ff) =Σ (y(t)-f(y(t-l)))2f( ·)為所要提取混沌信號(hào)的動(dòng)力學(xué)方程，y(t)為混沌信號(hào)的估計(jì)值?；煦缧盘?hào)解調(diào)模塊，用于對(duì)提取出的混沌信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。所述管理模塊，用于認(rèn)知無線電接收裝置根據(jù)頻譜感知模塊和解調(diào)模塊的結(jié)果進(jìn) 行決策并調(diào)整頻譜感知模塊和解調(diào)模塊參數(shù)，包括若頻譜感知的結(jié)果是授權(quán)用戶信號(hào)不存在，則管理模塊做出決策CR用戶繼續(xù)使 用該段頻譜空穴，在該段頻譜空穴上傳輸信息并進(jìn)行頻譜感知；若頻譜感知的結(jié)果是授權(quán) 用戶信號(hào)存在，則管理模塊做出決策CR用戶立刻退出該頻譜空穴。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案的有益效果是通過本技術(shù)方案所設(shè)計(jì)的認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無靜默期的頻譜感知，一方面 使得CR用戶可以在進(jìn)行自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行不間斷的頻譜感知，提高了檢測(cè)的及時(shí) 性和準(zhǔn)確性；另一方面使得CR用戶可以在進(jìn)行頻譜感知的同時(shí)無需中斷自身數(shù)據(jù)傳輸，保 證了自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，提高了頻譜利用率，提高了 CR用戶的通信QoS。


圖1 本發(fā)明實(shí)施例的認(rèn)知無線電系統(tǒng)拓?fù)鋱D；圖2 本發(fā)明實(shí)施例提供的認(rèn)知無線電發(fā)射和接收裝置示意圖；圖3 本發(fā)明實(shí)施例提供的認(rèn)知無線電發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)圖；圖4 本發(fā)明實(shí)施例提供的認(rèn)知無線電接收裝置結(jié)構(gòu)圖；圖5 本發(fā)明實(shí)施例提供的認(rèn)知無線電接收裝置頻譜感知模塊結(jié)構(gòu)圖；圖6 處于混沌臨界狀態(tài)的杜芬混沌振子吸引子相軌跡圖；圖7 處于大尺度周期狀態(tài)的杜芬混沌振子吸引子相軌跡圖；圖8 本發(fā)明實(shí)施例提供的認(rèn)知無線電接收裝置解調(diào)模塊結(jié)構(gòu)具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方 式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。本發(fā)明實(shí)施例的認(rèn)知無線電系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，一對(duì)CR用戶設(shè)備，包括CR發(fā)射 裝置和CR接收裝置，和一對(duì)授權(quán)用戶設(shè)備，包括授權(quán)發(fā)射裝置和授權(quán)接收裝置。授權(quán)用戶 設(shè)備使用已分配的授權(quán)頻譜資源，該授權(quán)頻譜資源為可用信道，而CR用戶設(shè)備在授權(quán)用戶 設(shè)備不工作的時(shí)候利用該段已經(jīng)授權(quán)的頻譜資源，但是，授權(quán)用戶設(shè)備隨時(shí)可能開始工作， 認(rèn)知用戶設(shè)備需要通過頻譜感知快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出該段頻譜資源上隨時(shí)出現(xiàn)的授權(quán)用戶信號(hào)并及時(shí)退出該信道。以下是具體的實(shí)施例，參見圖2，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種實(shí)現(xiàn)無靜默期頻譜感知 的認(rèn)知無線電系統(tǒng)，包括認(rèn)知無電線發(fā)射裝置100 用于產(chǎn)生混沌信號(hào)并發(fā)射出去，由微處理器、差分混沌 鍵控調(diào)制電路、蔡氏模擬混沌電路以及單天線發(fā)射電路組成；認(rèn)知無線電接收裝置200 用于接收頻譜空穴上的信號(hào)并通過對(duì)其處理同時(shí)實(shí)現(xiàn) 頻譜感知與混沌信號(hào)的解調(diào)，由微處理器、多天線接收電路、延遲相關(guān)解調(diào)電路、分路電路 和自相關(guān)電路組成；如圖3所示，在本發(fā)明實(shí)施例中，認(rèn)知無電線發(fā)射裝置100包括認(rèn)知無線電發(fā)射信息產(chǎn)生模塊101 由微處理器實(shí)現(xiàn)，輸出與混沌調(diào)制模塊104的 輸入相連，該模塊對(duì)CR用戶需要發(fā)送的信息進(jìn)行編碼，使其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的認(rèn)知無線電發(fā) 射信息；混沌信號(hào)發(fā)生模塊102 用于產(chǎn)生混沌信號(hào)，其輸出與自適應(yīng)模塊103的輸入相 連，該模塊可以根據(jù)一定的混沌模型利用由電容、電阻、電感等元件組成的模擬混沌電路產(chǎn) 生，混沌信號(hào)的產(chǎn)生可以采用如蔡氏模擬混沌電路、變型蔡氏模擬混沌電路、杜芬模擬混沌 電路等；也可以根據(jù)一定混沌模型的動(dòng)力學(xué)方程利用數(shù)字合成技術(shù)產(chǎn)生。在本發(fā)明實(shí)施例 中混沌信號(hào)發(fā)生模塊采用蔡氏模擬混沌電路來實(shí)現(xiàn)，在保證CR用戶通信QoS的前提下，也 可采用上述其他方法來產(chǎn)生混沌信號(hào)。自適應(yīng)模塊103 輸入與混沌信號(hào)發(fā)生模塊102的輸出相連，可以由微處理器實(shí) 現(xiàn)，能夠根據(jù)感知到的頻譜空穴特征自適應(yīng)調(diào)整混沌信號(hào)的頻譜，以避免對(duì)相臨信道的通 信造成干擾；該模塊包含通帶自適應(yīng)可調(diào)的濾波器，將混沌信號(hào)通入通帶可調(diào)的濾波器，濾波 器的通帶范圍根據(jù)感知到的頻譜空穴特征來設(shè)置，從而混沌信號(hào)的頻譜能夠自適應(yīng)的根據(jù) 頻譜空穴來調(diào)整。
混沌調(diào)制模塊104 由差分混沌鍵控調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)，輸入與認(rèn)知無線電發(fā)射信息
產(chǎn)生模塊101和自適應(yīng)模塊103的輸出相連，輸出與單天線發(fā)射模塊105的輸入相連，用經(jīng) 過自適應(yīng)調(diào)制的混沌信號(hào)對(duì)認(rèn)知無線電發(fā)射信息進(jìn)行差分混沌鍵控調(diào)制；
差分混沌鍵控調(diào)制基函數(shù)的前半段稱為參考段，后半段稱為信息承載段。根據(jù)認(rèn)
的不同，信息承載段分別為參考段的同相或反相副本。當(dāng) 發(fā)射信息為“ 1”時(shí)，發(fā)送gl (t)；當(dāng)發(fā)射信息為“0”時(shí)，發(fā)送g2(t) ‘ 1
知無線電發(fā)射信息為“0”和“1:
gl(t)和g2(t)分別為 =
c(t), g2(t) =
+
c⑴,
0<t<T/2
T/2<t<T
0< <Τ/2
4Ε
c(卜 Γ/2), T/2<t<T
7
T為CR用戶發(fā)射信息的符號(hào)周期。需要說明的是，在本發(fā)明實(shí)施例中，混沌調(diào)制模 塊選擇差分混沌調(diào)制方式，在保證CR認(rèn)知用戶通信QoS的前提下，當(dāng)然可以選擇其他數(shù)字 混沌調(diào)制方式，如混沌鍵控、混沌開關(guān)鍵控、調(diào)頻差分混沌鍵控等。單天線發(fā)射模塊105 由單天線發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)，輸入與混沌調(diào)制模塊104的輸出相 連，用于將產(chǎn)生的混沌信號(hào)發(fā)射出去，且發(fā)射頻段可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整。在本發(fā)明實(shí)施例中，如圖4，認(rèn)知無線電接收裝置200包括多天線接收模塊201 :由多天線接收電路實(shí)現(xiàn)，輸出與分路模塊202的輸入相連， 采用三根接收信號(hào)相互獨(dú)立的天線從頻譜空穴上接收信號(hào)，保證接收到的信號(hào)相互獨(dú)立， 且接收頻段在一定范圍內(nèi)可調(diào)；由于接收到的信號(hào)由混沌信號(hào)s(t)、隨時(shí)可能出現(xiàn)的授權(quán)用戶信號(hào)i(t)及噪聲 n(t)三種相互獨(dú)立的信號(hào)組成，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)中的混沌信號(hào)的準(zhǔn)確解調(diào)，接收端可 以利用從多條天線數(shù)接收到的多個(gè)相互獨(dú)立的信號(hào)中提取出混沌信號(hào)s (t)，消除授權(quán)用戶 信號(hào)i(t)及噪聲n(t)的干擾。本實(shí)施例僅以采用三根天線為例，在CR用戶接收裝置實(shí)現(xiàn) 成本允許的情況下，也可以采用多于三根的天線來實(shí)現(xiàn)。分路模塊202 由分路電路實(shí)現(xiàn)，輸入與多天線接收模塊201的輸出相連，有兩路 輸出，第一路輸出和第二路輸出分別與頻譜感知模塊203和解調(diào)模塊204的輸入相連，將三 根天線接收到的信號(hào)(用Xi(t) (i = 1,2,3)表示)分成兩路，第一路為包含任一根天線接 收到的信號(hào)，用于頻譜感知，將該路信號(hào)記為r(t)；第二路為包含三根天線接收到的信號(hào) Xi (t) (i = 1,2,3) ο頻譜感知模塊203 由微處理器和自相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)，輸入與分路模塊202的第一路 輸出相連，輸出與管理模塊205的輸入相連，對(duì)接收到的第一路信號(hào)進(jìn)行頻譜感知，以感知 授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)；解調(diào)模塊204 由微處理器和延遲相關(guān)解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)，輸入與分路模塊202的第二 路輸出相連，輸出與管理模塊205的輸入相連，對(duì)接收到的第二路信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出認(rèn) 知無線電發(fā)射信息；管理模塊205 由微處理器實(shí)現(xiàn)，輸入與頻譜感知模塊203和解調(diào)模塊204的輸出 相連，根據(jù)頻譜感知模塊和解調(diào)模塊的結(jié)果進(jìn)行決策并調(diào)整多天線接收模塊201，頻譜感知 模塊203，解調(diào)模塊204參數(shù)。若頻譜檢測(cè)的結(jié)果是授權(quán)用戶信號(hào)不存在，則管理模塊做出決策CR用戶繼續(xù)使 用該段頻譜空穴，在該段頻譜空穴上傳輸信息并進(jìn)行頻譜感知；若頻譜檢測(cè)的結(jié)果是授權(quán) 用戶信號(hào)存在，則管理模塊做出決策CR用戶立刻退出該頻譜空穴。在本發(fā)明實(shí)施例中，如圖5，頻譜感知模塊203包括自相關(guān)模塊203a 通過自相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)，輸入與分路模塊202的第一路輸出相連， 輸出與杜芬混沌振子模塊203b的輸入相連，對(duì)接收到的第一路信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)，得到自相 關(guān)信號(hào)c(t)；由于授權(quán)用戶信號(hào)i(t)經(jīng)過調(diào)制、編碼等處理后，信號(hào)中存在一定的冗余信息， 若第一路信號(hào)包含i(t)則自相關(guān)得到的信號(hào)c (t)會(huì)呈現(xiàn)出循環(huán)周期性；由于噪聲和混沌 信號(hào)不具有這種特性。因此，若第一路信號(hào)不包含i(t)，則其自相關(guān)得到的信號(hào)c(t)不具 有循環(huán)周期性。
杜芬混沌振子模塊203b ，該模塊根據(jù)杜芬混沌振子的動(dòng)力學(xué)方程利用數(shù)字合成 技術(shù)通過微處理器實(shí)現(xiàn)，與循環(huán)頻率估計(jì)模塊203c，檢測(cè)模塊203d為雙向連接，輸入與自 相關(guān)模塊203a的輸出連接，用于提供杜芬混沌振子；杜芬混沌振子的動(dòng)力學(xué)方程表示為χ" (t)+kx' (t) -X3 (t) +χ5 (t) = accos ω ct其中，k為阻尼比；a。為振子周期策動(dòng)力幅值；ω。為振子策動(dòng)力角頻率。循環(huán)頻率估計(jì)模塊203c ，由微處理器實(shí)現(xiàn)，與檢測(cè)模塊203b為雙向連接，將自相 關(guān)得到的信號(hào)c(t)導(dǎo)入杜芬混沌振子中，估計(jì)其中授權(quán)用戶信號(hào)i(t)的循環(huán)頻率；該模塊的工作原理如下A 導(dǎo)入待檢信號(hào)，將信號(hào)c (t)導(dǎo)入杜芬混沌振子；B:采用基于授權(quán)用戶使用頻段歷史統(tǒng)計(jì)信息的調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)杜芬混沌振子角頻率 進(jìn)行調(diào)節(jié)，在頻譜空穴的頻段范圍內(nèi)，采用該機(jī)制調(diào)節(jié)杜芬混沌振子的策動(dòng)力角頻率并記 錄混沌振子每個(gè)角頻率值對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)；角頻率調(diào)節(jié)機(jī)制的設(shè)計(jì)基于授權(quán)用戶使用頻段的歷史統(tǒng)計(jì)信息。若根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì) 信息，授權(quán)用戶在該頻譜空穴內(nèi)使用的頻段比較分散且多變，則采用兩步調(diào)節(jié)機(jī)制第一步 以較大的間隔值對(duì)杜芬混沌振子的策動(dòng)力角頻率進(jìn)行粗調(diào)節(jié)；第二步根據(jù)C的計(jì)算結(jié)果， 選定方差值較大的角頻率區(qū)間，并在該區(qū)間以較小的間隔值對(duì)杜芬混沌振子的策動(dòng)力角頻 率進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)。若根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)信息授權(quán)用戶在該頻譜空穴內(nèi)使用的頻段比較集中且固 定，則采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，在使用集中的頻段采用小間隔值對(duì)杜芬混沌振子的策動(dòng)力角 頻率進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)，在其他頻段采用大間隔值對(duì)其進(jìn)行粗調(diào)節(jié)。C:計(jì)算輸出信號(hào)的方差值，分別求出每個(gè)角頻率對(duì)應(yīng)杜芬混沌振子輸出信號(hào)的方
差值；D 依據(jù)方差值確定待檢信號(hào)的循環(huán)頻率，選取最大輸出信號(hào)方差值對(duì)應(yīng)的角頻 率，即為信號(hào)c (t)中假設(shè)存在授權(quán)用戶信號(hào)自相關(guān)的循環(huán)頻率。檢測(cè)模塊203d ，由微處理器實(shí)現(xiàn)，與杜芬混沌振子模塊203b為雙向連接，與判斷 模塊203e單向連接，輸出與判斷模塊203e的輸入相連，用于根據(jù)臨界混沌狀態(tài)的杜芬混沌 振子對(duì)同頻率周期信號(hào)敏感的特性檢測(cè)授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)；調(diào)節(jié)杜芬混沌振子的策動(dòng)力角頻率等于估計(jì)的循環(huán)頻率，并調(diào)節(jié)杜芬混沌振子的 策動(dòng)力幅值使振子處于臨界混沌狀態(tài)，然后將自相關(guān)信號(hào)c(t)導(dǎo)入杜芬混沌振子；調(diào)節(jié)a。 值的大小可以改變杜芬混沌振子的狀態(tài)，當(dāng)該混沌振子處于混沌狀態(tài)時(shí)，增大a。值到一臨 界值，若a。值若再增大，該混沌振子便會(huì)由混沌狀態(tài)躍遷到周期狀態(tài)。判斷模塊203e 由微處理器實(shí)現(xiàn)，輸入與檢測(cè)模塊203d的輸出相連，用于根據(jù)觀 察杜芬混沌振子的狀態(tài)來判斷授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)。觀測(cè)導(dǎo)入自相關(guān)信號(hào)c(t)之后杜芬混沌振子的狀態(tài)，處于臨界混沌狀態(tài)的杜芬 混沌振子對(duì)導(dǎo)入其中的同頻率循環(huán)周期信號(hào)敏感，所述同頻率是指杜芬混沌振子的策動(dòng)力 角頻率與導(dǎo)入循環(huán)周期信號(hào)的循環(huán)頻率相同，表現(xiàn)為杜芬混沌振子會(huì)由混沌狀態(tài)變?yōu)榇蟪?度周期狀態(tài)，其相位軌跡會(huì)由復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如圖6)變?yōu)榄h(huán)狀的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如圖7)。據(jù) 此，通過觀察杜芬混沌振子的相位軌跡可判斷導(dǎo)入杜芬混沌振子的信號(hào)是否具有循環(huán)周期 特性，即是否存在授權(quán)用戶信號(hào)。
需要說明的是，在本發(fā)明實(shí)施例中，判斷模塊采用觀察杜芬混沌振子的相位軌跡 來判斷振子是否仍處于混沌狀態(tài)，在保證判斷準(zhǔn)確的前提下，當(dāng)然也可以選擇其他方法來 判斷杜芬混沌振子是否仍處于混沌狀態(tài)，如計(jì)算此時(shí)杜芬混沌振子輸出信號(hào)的熵值等。在本發(fā)明實(shí)施例中，如圖8，解調(diào)模塊204包括混沌信號(hào)提取模塊204a 用于從第二路信號(hào)中提取混沌信號(hào)，可以由微處理器實(shí) 現(xiàn)，輸入與分路模塊202的第二路輸出相連，輸出與混沌信號(hào)解調(diào)模塊204b相連，；該模塊利用混沌信號(hào)的動(dòng)力學(xué)方程，從第二路信號(hào)Xi (t) (i = 1,2,3)中提取出混 沌信號(hào)；對(duì)提取問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，Xi (t) (i = 1,2,3)可用矩陣表示為X = ASX = [Xl(t), x2(t), x3(t)]TS = [s(t)，i(t)，n(t)]T其中，A為混合矩陣，由X和S都為滿秩矩陣可知，A也是滿秩的。因此A必定存在 偽逆矩陣A#，根據(jù)AsA = E，則存在提取矩陣W，可表示為W = A#(l,)根據(jù)WA = [1，0，0]，混沌信號(hào)可由下式得到y(tǒng) (t) = WX = WAS= [l，0，0]*[s(t)，i(t)，n(t)]T= s(t)因此，混沌信號(hào)提取的關(guān)鍵就是尋找到提取矩陣W，使y(t)逼近s(t)。為此，定義 誤差函數(shù)ε (W) =Σ (y(t)-s(t))2其中f( ·)為所要提取混沌信號(hào)的動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)于CR用戶為已知信息，y(t)為 s(t)的估計(jì)值，則混沌信號(hào)s (t)可表示為s (t) = f (y (t_l))將其帶入上式得ε (W) =Σ (y(t)-f(y(t-l)))2因此，混沌信號(hào)的提取問題可轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題，即妒=arg rmns(W)尋找最優(yōu)的提取矩陣W，使誤差函數(shù)ε (W)最小。利用參數(shù)估計(jì)法，搜尋提取矩陣W，選取使誤差函數(shù)ε (W)達(dá)到全局最小對(duì)應(yīng)的W 即為提取矩陣。將其帶入下式y(tǒng) (t) = WX = WAS = s (t)即可得到混沌信號(hào)。混沌信號(hào)解調(diào)模塊204b 由延遲相關(guān)解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)，輸入與混沌信號(hào)提取模塊 204a的輸入相連，用于對(duì)提取出的混沌信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。該模塊對(duì)提取出的混沌信號(hào)進(jìn)行延遲相關(guān)解調(diào)。利用混沌信號(hào)類似于脈沖函數(shù)的 自相關(guān)特性和非常低的互相關(guān)特性，將混沌信號(hào)延遲時(shí)間τ (τ =Τ/2)并進(jìn)行自相關(guān)，將 自相關(guān)的結(jié)果與判決門限進(jìn)行比較，大于門限值判為“1”，小于門限值則判為“0”。
權(quán)利要求
一種實(shí)現(xiàn)無靜默期頻譜感知的認(rèn)知無線電系統(tǒng)，應(yīng)用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，包括認(rèn)知無線電發(fā)射裝置和認(rèn)知無線電接收裝置，其特征在于所述認(rèn)知無線電發(fā)射裝置，采用混沌信號(hào)發(fā)射信息；所述認(rèn)知無線電接收裝置，用于對(duì)接收到的信號(hào)同時(shí)進(jìn)行頻譜感知和混沌信號(hào)解調(diào)，實(shí)現(xiàn)無需靜默期的頻譜感知。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述認(rèn)知無線電發(fā)射裝置，采用混沌信號(hào) 發(fā)射信息，包括認(rèn)知無線電發(fā)射信息產(chǎn)生模塊，用于將CR用戶將要發(fā)送的信息轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制發(fā)射信息；混沌信號(hào)發(fā)生模塊，用于產(chǎn)生混沌信號(hào)；自適應(yīng)模塊，用于認(rèn)知無線電發(fā)射裝置根據(jù)感知到的頻譜空穴特征調(diào)整上述混沌信號(hào) 的頻譜；混沌調(diào)制模塊，用頻譜經(jīng)過調(diào)整的混沌信號(hào)將上述二進(jìn)制發(fā)射信息調(diào)制成混沌信號(hào)；單天線發(fā)射模塊，用于將混沌調(diào)制模塊產(chǎn)生的混沌信號(hào)發(fā)射出去，且發(fā)射頻段在一定 范圍內(nèi)可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述認(rèn)知無線電接收裝置，用于對(duì)接收到 的信號(hào)同時(shí)進(jìn)行頻譜感知和混沌信號(hào)解調(diào)，實(shí)現(xiàn)無需靜默期的頻譜感知，包括多天線接收模塊，用于接收裝置能夠同時(shí)接收至少三個(gè)相互獨(dú)立的信號(hào)，且接收頻段 在一定范圍內(nèi)可調(diào)；分路器模塊，用于將接收到的信號(hào)分成兩路，第一路用于頻譜感知，第二路用于混沌信 號(hào)的解調(diào)；頻譜感知模塊，用于感知接收到的信號(hào)中是否含有授權(quán)用戶發(fā)射信號(hào)；解調(diào)模塊，用于解調(diào)接收信號(hào)中的混沌信號(hào)，恢復(fù)出CR用戶發(fā)射信息；管理模塊，用于認(rèn)知無線電接收裝置根據(jù)頻譜感知模塊和解調(diào)模塊的結(jié)果進(jìn)行決策并 調(diào)整頻譜感知模塊和解調(diào)模塊參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述混沌信號(hào)發(fā)生模塊，用于產(chǎn)生混沌信 號(hào)，包括混沌信號(hào)發(fā)生模塊采用蔡氏模擬混沌電路來實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述自適應(yīng)模塊，用于認(rèn)知無線電發(fā)射裝 置根據(jù)感知到的頻譜空穴特征調(diào)整混沌信號(hào)的頻譜，包括通帶自適應(yīng)可調(diào)的濾波器，將混沌信號(hào)通入其中，濾波器的通帶范圍根據(jù)感知到的頻 譜空穴特征來設(shè)置，從而混沌信號(hào)的頻譜能夠自適應(yīng)的根據(jù)頻譜空穴來調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述頻譜感知模塊，用于感知接收到的信 號(hào)中是否含有授權(quán)用戶發(fā)射信號(hào)，包括自相關(guān)模塊，對(duì)接收到的第一路信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)，得到自相關(guān)信號(hào)；杜芬混沌振子模塊，用于提供杜芬混沌振子；循環(huán)頻率估計(jì)模塊，將自相關(guān)得到的信號(hào)導(dǎo)入杜芬混沌振子中，估計(jì)其中授權(quán)用戶信 號(hào)的循環(huán)頻率；檢測(cè)模塊，用于根據(jù)臨界混沌狀態(tài)的杜芬混沌振子對(duì)同頻率周期信號(hào)敏感的特性檢測(cè)授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)；判斷模塊，用于根據(jù)觀察杜芬混沌振子的狀態(tài)來判斷授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述循環(huán)頻率估計(jì)模塊，將自相關(guān)得到的 信號(hào)導(dǎo)入杜芬混沌振子中，估計(jì)其中授權(quán)用戶信號(hào)的循環(huán)頻率，包括將自相關(guān)得到的信號(hào)導(dǎo)入杜芬混沌振子模塊；根據(jù)授權(quán)用戶使用頻段的歷史統(tǒng)計(jì)信息采用相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)杜芬混沌振子模塊的 角頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，并記錄杜芬混沌振子每個(gè)角頻率值對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)；計(jì)算輸出信號(hào)的方差值，分別求出每個(gè)角頻率對(duì)應(yīng)杜芬混沌振子輸出信號(hào)的方差值；依據(jù)方差值確定待檢信號(hào)的循環(huán)頻率，選取最大輸出信號(hào)方差值對(duì)應(yīng)的角頻率，即為 該自相關(guān)信號(hào)中可能存在的授權(quán)用戶信號(hào)自相關(guān)循環(huán)頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述根據(jù)授權(quán)用戶使用頻段的歷史統(tǒng)計(jì) 信息采用相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)杜芬混沌振子模塊的角頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，并記錄杜芬混沌振子每 個(gè)角頻率值對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，包括調(diào)節(jié)機(jī)制的選擇基于授權(quán)用戶使用頻段的歷史統(tǒng)計(jì)信息。若根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)信息，授權(quán) 用戶在該頻譜空穴內(nèi)使用的頻段比較分散且多變，則采用兩步調(diào)節(jié)機(jī)制第一步以較大的 間隔值對(duì)杜芬混沌振子的策動(dòng)力角頻率進(jìn)行粗調(diào)節(jié)；第二步根據(jù)第一步輸出信號(hào)方差的結(jié) 果，選定方差值較大的角頻率區(qū)間，并在該區(qū)間以較小的間隔值對(duì)杜芬混沌振子的策動(dòng)力 角頻率進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)。若根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)信息授權(quán)用戶在該頻譜空穴內(nèi)使用的頻段比較集中且 固定，則采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，在使用集中的頻段采用小間隔值對(duì)杜芬混沌振子的策動(dòng)力 角頻率進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)，在其他頻段采用大間隔值對(duì)其進(jìn)行粗調(diào)節(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測(cè)模塊，用于根據(jù)臨界混沌狀態(tài)的 杜芬混沌振子對(duì)同頻率周期信號(hào)敏感的特性檢測(cè)授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)，包括調(diào)節(jié)杜芬混沌振子的策動(dòng)力角頻率等于估計(jì)的循環(huán)頻率，并調(diào)節(jié)杜芬混沌振子的策動(dòng) 力幅值使振子處于臨界混沌狀態(tài)，然后將自相關(guān)得到的信號(hào)導(dǎo)入杜芬混沌振子。
10.根據(jù)權(quán)利要求3述的系統(tǒng)，其特征在于，所述解調(diào)模塊，用于解調(diào)接收信號(hào)中的混 沌信號(hào)，恢復(fù)出CR用戶發(fā)射信息，包括混沌信號(hào)提取模塊，用于從第二路信號(hào)中提取混沌信號(hào)；混沌信號(hào)解調(diào)模塊，用于對(duì)提取出的混沌信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管理模塊，用于認(rèn)知無線電接收裝 置根據(jù)頻譜感知模塊和解調(diào)模塊的結(jié)果進(jìn)行決策并調(diào)整頻譜感知模塊和解調(diào)模塊參數(shù)，包 括若頻譜感知的結(jié)果是授權(quán)用戶信號(hào)不存在，則管理模塊做出決策CR用戶繼續(xù)使用該 段頻譜空穴，在該段頻譜空穴上傳輸信息并進(jìn)行頻譜感知；若頻譜感知的結(jié)果是授權(quán)用戶 信號(hào)存在，則管理模塊做出決策CR用戶立刻退出該頻譜空穴。
全文摘要
本發(fā)明給出了一種實(shí)現(xiàn)無靜默期頻譜感知的認(rèn)知無線電系統(tǒng)，應(yīng)用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)。所述系統(tǒng)包括一種發(fā)射信息采用混沌信號(hào)的認(rèn)知無線電發(fā)射裝置，一種對(duì)接收到的信號(hào)同時(shí)進(jìn)行頻譜感知和混沌信號(hào)解調(diào)的認(rèn)知無線電接收裝置。通過該系統(tǒng)認(rèn)知無線電用戶在進(jìn)行頻譜感知時(shí)無需采用靜默期，增加了認(rèn)知無線電用戶進(jìn)行自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，提高了認(rèn)知無線電用戶的通信QoS(Quality of Service)。
文檔編號(hào)H04B1/06GK101982938SQ20101054109
公開日2011年3月2日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者馮春燕, 劉芳芳, 曾志民, 郭彩麗, 魏冬 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)