蔡偉煌

(湖南科技學(xué)院 湖南 永州 425000)

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基于GNURadio的認(rèn)知OFDM系統(tǒng)研究

蔡偉煌

(湖南科技學(xué)院 湖南 永州 425000)

在開源軟件無線電(GNU Radio)平臺(tái)上來搭建一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)及非連續(xù)正交頻分復(fù)用(NC-OFDM)系統(tǒng)，通過對各模塊的參數(shù)設(shè)置以及編寫程序來完成系統(tǒng)信號(hào)的收發(fā)。對OFDM模塊的調(diào)制方式選用QPSK和16QAM，然后對收發(fā)信號(hào)的時(shí)域和頻譜進(jìn)行異同分析，仿真結(jié)果表明在NC-OFDM系統(tǒng)中QPSK調(diào)制方式更合適。

認(rèn)知無線電；NC-OFDM；GNURadio

引言

為了提高頻譜資源利用率，近年來，被業(yè)界稱為認(rèn)知無線電(CR,cognitive radio)的頻譜使用模式正逐漸受到人們的關(guān)注[1]。在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，認(rèn)知用戶通過未被頻譜授權(quán)用戶占用的頻段進(jìn)行通信，因此，基于正交頻分復(fù)用(OFDM，orthogonalfrequency division multiplexing)的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，OFDM符號(hào)的部分子載波可能會(huì)落到頻譜授權(quán)用戶占用的頻段內(nèi)。為了避免對頻譜授權(quán)用戶造成干擾，這些落入頻譜授權(quán)用戶占用頻段內(nèi)的子載波上不能用來發(fā)送數(shù)據(jù)或?qū)ьl，而只能將其置零，這時(shí)的系統(tǒng)便成為不連續(xù)子載波(NC-OFDM)系統(tǒng)。

目前國內(nèi)外針對NC-OFDM的研究尚在理論與實(shí)驗(yàn)階段，該系統(tǒng)還沒有廣泛的應(yīng)用到實(shí)踐中，但是一些國外高校和機(jī)構(gòu)都建立了自己的無線電平臺(tái)進(jìn)行仿真和演示。例如美國維吉利亞理工大學(xué)(Virginia Tech)無線通信中心利用USRP構(gòu)建了一個(gè)認(rèn)知無線電演示平臺(tái)，可以開發(fā)獨(dú)立的認(rèn)知無線電系統(tǒng)以及進(jìn)行頻譜感知測試,算法分析等。

本文將NC-OFDM系統(tǒng)與開源軟件GNU Radio平臺(tái)相結(jié)合，進(jìn)行系統(tǒng)框圖的建立和研究，通過設(shè)置框圖中各模塊的參數(shù)能夠進(jìn)行不同條件下的仿真，本文在OFDM調(diào)制模塊就設(shè)置了兩種不同調(diào)制方式下的仿真，分別是QPSK和16QAM。利用開源軟件平臺(tái)和OFDM系統(tǒng)相結(jié)合的方式也是現(xiàn)在研究OFDM在通信中的應(yīng)用的一種趨勢。

一、NC-OFDM系統(tǒng)框圖

OFDM及正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，是一種特殊的多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)。認(rèn)知OFDM，就是使用非連續(xù)的正交頻分復(fù)用技術(shù)，及NC-OFDM。NC-OFDM系統(tǒng)模型框圖如圖1.1所示，其基本原理是：在發(fā)送端，對數(shù)據(jù)流采用QPSK調(diào)制，然后調(diào)制后的數(shù)據(jù)按照子載波的開/關(guān)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的串并變換，設(shè)NC-OFDM系統(tǒng)子載波總數(shù)是N,才串并變換后，將數(shù)據(jù)變成N路較低速率的數(shù)據(jù)流，分配到可用的子載波上。

圖1.1 NC-OFDM系統(tǒng)框圖

NC-OFDM系統(tǒng)在發(fā)送端需要在動(dòng)態(tài)頻譜感知模塊的輔助下監(jiān)測出目前禁用的子載波數(shù)，從而來獲得可用子數(shù)。子載波分配模塊將用戶已調(diào)符號(hào)和導(dǎo)頻符合分配到可用的子載波上，并禁止子載波置零，形成有順序的序列。數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換后，需要插入導(dǎo)頻(保護(hù)間隔)，得到符號(hào)X(k)，然后對X(k)進(jìn)行N點(diǎn)逆傅里葉變換，得到信號(hào)x(n):

(1)

其中，N為逆傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)。X(k)和OFDM調(diào)制中的符號(hào)相異，它是數(shù)據(jù)通過子載波開/關(guān)信息進(jìn)行串并變換得到的。為了降低信號(hào)見干擾和載波間干擾，在發(fā)送數(shù)據(jù)前給每個(gè)NC-OFDM符號(hào)插入保護(hù)間隔，再進(jìn)行并串變換，回復(fù)成串行數(shù)據(jù)流，由此可以得到基帶發(fā)送信號(hào)x(t):

(2)

其中，Ts=Tg+T,T為OFDM的符號(hào)周期，Ts為加入保護(hù)間隔后的周期，Tg為保護(hù)間隔的長度，N為子載波的數(shù)目，ε為傳輸信號(hào)的功率。X(t)經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送出去。

在接收端進(jìn)行和發(fā)送端相反的操作。將接收到的信號(hào)先進(jìn)行射頻解調(diào)，得到基帶信號(hào)y(t)。y(t)進(jìn)行串并變換和去除保護(hù)間隔,經(jīng)N點(diǎn)傅立葉變換后得到頻域信號(hào)Y(k)：

(3)

其中，N為傅立葉變換的點(diǎn)數(shù)，y(n)為去除保護(hù)間隔后得到的信號(hào)。然后進(jìn)行信道估計(jì)以對抗多徑衰落。去除導(dǎo)頻信號(hào)，根據(jù)由發(fā)送端得到的子載波開/關(guān)信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行并串變換，正確的讀取出子載波上發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。最后進(jìn)行QPSK解調(diào),恢復(fù)出發(fā)送的原始數(shù)據(jù)流。

在整個(gè)收發(fā)過程中值得注意的是：發(fā)送端和接收端的子載波開/關(guān)信息必須保持一致，否則無法進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)解調(diào)。實(shí)際應(yīng)用中可以采取收發(fā)雙方協(xié)同檢測的辦法來實(shí)現(xiàn)一致[2]。文章采用的是將發(fā)送端的子載波開/關(guān)信息發(fā)送給接收端的方法來實(shí)現(xiàn)一致[3]。

二、GNURadio平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

(一)GNURadio仿真平臺(tái)

GNU Radio(開源軟件無線電)，是由Eric Blossom于2001年發(fā)起的，可以用來構(gòu)建軟件無線電平臺(tái)的軟件包[4]。它包含大量的數(shù)字信號(hào)處理模塊，例如：OFDM調(diào)節(jié)模塊，OFDM解調(diào)模塊等等，除了GNU Radio本身所包含的豐富處理模塊意外，用戶還可以自定義許多特定的信號(hào)處理模塊。它是一個(gè)很靈活的系統(tǒng)，并且擴(kuò)展新的處理模塊也很容易，程序員或者用戶均可以通過搭建相應(yīng)的模塊來構(gòu)建無線電應(yīng)用的流圖，也可以自定義編碼來擴(kuò)展模塊構(gòu)建無線應(yīng)用。

系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)框圖中所選用的模塊有：Radom Source模塊，OFDM Mod模塊，OFDM Demod模塊，Noise Source模塊，WX GUI 系列模塊，Throttle模塊，Varlable模塊。仿真框圖中各模塊的基本參數(shù)設(shè)置如表2-1所示，其他參數(shù)為模塊默認(rèn)值。

表 2-1 基本仿真參數(shù)說明

(二)NC-OFDM仿真的實(shí)現(xiàn)

認(rèn)知OFDM的仿真可以在多平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，其調(diào)制的方式也有QPSK和QAM，文章選擇在Ubuntu系統(tǒng)下搭建GNU Radio仿真平臺(tái)，通過GNU Radio自帶的開源模塊，搭建起NC-OFDM系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)圖。通過添加OFDM調(diào)制，OFDM解調(diào)等模塊，然后設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)，例如：OFDM調(diào)制和解調(diào)應(yīng)用的調(diào)制方式選用的是正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keyin，QPSK)，采樣頻率設(shè)為32K，噪聲源設(shè)為高斯白噪聲等等。

仿真采用重復(fù)的隨機(jī)信號(hào)，通過對周圍電磁環(huán)境進(jìn)行頻譜檢測，得到頻譜的使用信息，形成分配向量，在可以用頻帶內(nèi)進(jìn)行OFDM子載波的選擇與分配。認(rèn)知OFDM調(diào)制后的波形和解調(diào)后的波形可以通過添加多個(gè)WX GUI Scope Sink模塊進(jìn)行觀測。

三、仿真結(jié)果及其分析

圖3.1 QPSK調(diào)制收發(fā)信號(hào)頻譜圖

在linux環(huán)境下，通過GNU Radio平臺(tái)仿真，由WX GUI Scope Sink觀測到的仿真結(jié)果的頻域圖如圖3.1和3.2所示。時(shí)域結(jié)果如圖3.3和圖3.所示。

圖 3.2 16QAM調(diào)制收發(fā)信號(hào)頻譜圖

仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)信道環(huán)境為加性高斯白噪聲，采用QPSK調(diào)制技術(shù)，采用QPSK調(diào)制而不采用QAM調(diào)制的原因是系統(tǒng)的誤碼性能較好。而NC-OFDM系統(tǒng)頻譜估計(jì)的結(jié)果直接決定了子載波是否用來傳送數(shù)據(jù)。

從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)子載波的分布有時(shí)會(huì)和當(dāng)時(shí)的頻譜情況不完全對應(yīng)，這是由預(yù)設(shè)門限值不準(zhǔn)確造成的。門限值太大則一些干擾將無法濾除，影響系統(tǒng)的性能；門限值太小則會(huì)使大量可用頻帶被剔除，降低頻譜的利用率。門限值的選取要根據(jù)當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的噪聲水平和授權(quán)用戶的功率來確定。另外在分布子載波時(shí)還要留有足夠的保護(hù)子載波，來避免對授權(quán)用戶造成干擾[5]。噪聲的改變也會(huì)使接收端收到的信號(hào)出現(xiàn)失真。模塊參數(shù)的改變也會(huì)使仿真結(jié)果發(fā)生變化。

從圖3.1和3.2可以看出，在OFDM系統(tǒng)中采用QPSK調(diào)制技術(shù)比采用16QAM調(diào)制技術(shù)，系統(tǒng)的誤碼性能較好，在采用兩種調(diào)制方式下，系統(tǒng)的收發(fā)信號(hào)頻譜圖基本保持一致。如圖3.3和3.4所示，采用QPSK和16QAM調(diào)制方式，收發(fā)信號(hào)的時(shí)域圖在位置上發(fā)生了時(shí)移，但收發(fā)信號(hào)的前后，時(shí)域圖并無較明顯的變化。

圖3.3 QPSK調(diào)制收發(fā)信號(hào)時(shí)域圖

圖3.4 16QAM收發(fā)信號(hào)時(shí)域圖

四、結(jié)論

利用GNU Radio中的模塊搭建NC-OFDM系統(tǒng)框圖，通過改變模塊中的參數(shù)(QPSK調(diào)制/16QAM調(diào)制)來得到不同的結(jié)果，對仿真結(jié)果分析，QPSK調(diào)制技術(shù)更適合NC-OFDM系統(tǒng)。從根源上解決日趨增長的無線通信需求與有限的無線頻譜資源間的矛盾還需不斷的努力。當(dāng)然，文章中所提到的NC-OFDM是解決無線電數(shù)據(jù)傳輸問題的最有效的技術(shù)之一，它通過調(diào)整子載波的分配太適應(yīng)系統(tǒng)頻譜的動(dòng)態(tài)變化。文章研究了NC-OFDM技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，并且在開源軟件平臺(tái)(GNU Radio)上進(jìn)行了仿真。仿真的結(jié)果表明NC-OFDM能夠適應(yīng)認(rèn)知環(huán)境中的可用頻譜特性，并且在系統(tǒng)中有很多子載波并沒有得到利用，這樣可以通過一些快速傅里葉變化(FFT)修剪算法來降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度[5]。

[1]何雪云.認(rèn)知無線電NC-OFDM系統(tǒng)中基于壓縮感知的信道估計(jì)新方法[J].通信學(xué)報(bào),2011.11.

[2]蔣相.基于GNURadio和USRPX310的多帶Chirp信號(hào)檢測[J].電子科學(xué)技術(shù)，2016.5.

[3]王欽輝，葉保留，田宇,等.認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配算法研究[J].電子學(xué)報(bào)，2012,40(1):147-154.

[4]李佳珉，康桂華.NC-OFDM在認(rèn)知無線電中應(yīng)用的仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2009.9.

[5]DucToan Nguyen.Implementation of OFDM systems using GNU Radio and USRP[M].University of Wollongong,2013

蔡偉煌(1995.04-),男,漢族，湖南婁底人，本科。