CN105323025B - 一种基于认知ofdm的频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于认知OFDM的频谱接入方法，包括1)配置发送端、接收端的基本无线通信参数、OFDM符号参数以及发送端的频谱接入余量r；2)在首次发送之前，从主信道中截取一段信号长度的有效信号；3)将第二步产生的所述数组F的全部数据按顺序等分成N组；4)根据频段校验准则，生成具有N个元素的01序列S；5)根据第四步所得频段校验序列，所述发送端决定是否在此时接入；6)根据第四步所得频段校验序列中每一位所代表的信息，发送端将L个有效子载波分配到一个未被占用的频段上，其余子载波垫0；7)所述接收端被配置为根据前导码信息，获取发送端数据，首次接收之后，将所述接收端切换至主信道。

Description

一种基于认知OFDM的频谱接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信接入领域，尤其涉及一种无线网络的接入方法用以实现快速接入，同时提高频带利用率。

背景技术

近年来无线通信的高速发展和广泛应用使得频谱稀缺的问题日益加剧，无线通信需要占用频谱资源，传统固定的频谱资源划分导致频谱已经成为一种稀缺资源。目前已经分配的频谱在大多数地方以及大多数时间的频谱利用率却很低，而与此同时，无需授权频段的频谱利用率却很高。绝大部分已经分配的频谱无论是在时间上还是空间上都利用不足。

为了解决现有频谱利用率较低与频谱资源稀缺的矛盾，认知无线电技术被提出，其核心思想在于认知用户(次级用户)可以在频谱资源拥有者(主用户)没有占用信道时，动态接入主用户所拥有信道进行数据传输，但是不能对主用户的传输进行较大干扰。认知无线电在软件无线电技术基础上提出，主要强调通信系统的认知能力，认知功能主要体现在其学习与推理能力及人工智能技术等方面，突出认知无线电通信系统能够通过学习等环节，不断感知无线通信环境的变化，并通过自适应地调整自身内部的通信参数来适应无线环境的变化。

无线传输采用认知无线电的思想，系统无需固定信道，通过频谱感知及动态接入来实现视频数据的实时可靠传输，即保证对已有网络的干扰限制，同时也增加了自身系统的抗干扰能力。达到既能满足移动监控的快速部署，又能满足视频信息无线传输的实时可靠高效传输，躲避电磁干扰，提高频谱利用率的目的。

OFDM作为一种多载波调制技术，具有良好的抗噪声性能和抗多径能力，具备高速率资料传播的能力，被认为是4G移动通信系统中的关键技术。认知OFDM作为融合认知无线电思想和OFDM调制方式的技术，充分利用OFDM技术允许子载波间存在干扰，子载波分配灵活的优点，实现高效的频谱利用。

经对现有文献检索发现，最相近似的实现方案为中国专利申请号为：

201410123924.0，名称为：一种认知OFDM网络中子载波的分配方法，但是该对比文件中OFDM网络中子载波的分配方法，实现复杂度高，不适用于需要迅速接入建立无线通信链路的情景。普通OFDM网络只能利用固定信道传输信息，频谱利用率较低。没有进行动态的频谱感知和切换，不能很好得适应动态变化的通信环境。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于认知OFDM的频谱接入方法，以提高无线信道的频带利用率和可靠性。

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如何在不影响主用户使用无线信道的基础上，提出新的无线网络用户接入方法，用以提高无线信道的频带利用率；如何感知哪些频段资源已被主用户使用或者已被噪声严重干扰，从中选出尚未被占用的最佳频谱片段进行接入；如何在解决前两个问题的基础上保证不同用户无线传输的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于认知OFDM的频谱接入方法，包括以下步骤：

第一步：配置发送端、接收端的基本无线通信参数、OFDM符号参数以及发送端的频谱接入余量r；

第二步：所述发送端被配置为在首次发送之前，从主信道中截取一段有效信号，所述有效信号的信号长度为N的整数倍，并对其进行快速傅里叶变换，然后求模，从而生成频谱数组F；

第三步：所述发送端被配置为将第二步产生的所述数组F的全部数据按顺序等分成N组，代表N个频段，分别对每一组的求平均值，并将所得平均值归一化，得到长度为N的均值数组A；然后对所述数组F计算差分，再求绝对值，得到与数组F等长的数组D，将所述数组D的全部数据也按顺序等分成N组；

第四步：所述发送端被配置为根据频段校验准则，生成具有N个元素的01序列S，其中0代表该频段尚未被主用户占用，发送端可以接入，反之1代表发送端不可以接入；

第五步：根据第四步所得频段校验序列，所述发送端决定是否在此时接入；

第六步：根据第四步所得频段校验序列中每一位所代表的信息，发送端将L个有效子载波分配到一个未被占用的频段上，其余子载波垫0，从而生成OFDM符号，进而封装成数据包进行发送，首次发送后接收端从公共信道切换至主信道；

第七步：所述接收端被配置为根据前导码信息，获取发送端数据，首次接收之后，将所述接收端切换至主信道，根据检测序列调整接收端子载波截取方式，之后再进行接收时能够直接截取有效子载波中的数据，所述接收端和所述发送端将在主信道通信。

进一步地，第一步所述配置OFDM有效子载波数L被配置为用来传输有效数据和前导码的子载波总数；配置的频谱接入余量r被配置为留出不用的子载波个数，以保证不同用户所用频谱之间留出一定间隔。

进一步地，第四步中，所述频段校验准则，包括以下步骤：

4.1.发送端选定一阈值，依次与均值数组A中的每一个元素比较，有两种情况：

4.1.1.A中的第k个元素A[k]大于步骤4.1所述阈值，则判定该组所对应的频段已经被主用户占用，将S中的第k个元素S[k]置为1；

4.1.2.A中的第k个元素A[k]不大于步骤4.1所述阈值，则转到步骤4.2，继续进行下一步判断；

4.2.对于数组D的第k组数据，取出其中的每一个元素作如下运算：将该元素与A[k]作差，再求平方；若第k组数据的每个元素上述运算之后所得结果都不大于A[k],则将S[k]置为0；反之存在第k组数据中的某个元素使得上述运算之后所得结果大于A[k]，则将S[k]置为1。

进一步地，第五步包含下列步骤：

5.1.如果序列中0的个数小于L与r之和，则暂不接入，延时等待一定时间后，转到步骤一，重新进行进行信号截取；

5.2.如果序列中0的个数大于等于L与r之和，则发送端将载波频率切换至公共信道转到步骤六，准备配置接入时所需的子载波参数。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步：配置发送端、接收端的基本无线通信参数,OFDM符号参数，以及发送端的频谱接入余量r。

所述基本无线通信参数主要包括公共信道与主信道的载波频率、IQ速率、调制参数、滤波器参数，数据包结构参数等无线通信参数。

所述OFDM符号参数至少包括OFDM子载波总数N，OFDM有效子载波数L，循环前缀长度。

所述OFDM有效子载波数是指用来传输有效数据和前导码的子载波总数。

所述频谱接入余量r是指为了保证不同用户所用频谱之间留出一定间隔，留出不用的子载波个数。

为了保证接收端和发送端能够实现正确的无线通信，必须保证初始时发送端载波频率处于主信道，接收端载波频率处于公共信道，必须保证接收端和发送端其余的基本无线通信参数及OFDM符号参数配置相同。OFDM子载波总数N代表的就是OFDM通信系统中发送端进行反快速傅里叶变换(IFFT)，接收端进行快速傅里叶变换(FFT)的点数。

第二步：发送端在首次发送之前，从主信道中截取一定长度的有效信号(信号长度应为N的整数倍)，并对其进行快速傅里叶变换，然后求模，从而生成频谱数组F。

第三步：发送端将第二步产生的数组F的全部数据按顺序等分成N组，代表N个频段，分别对每一组的求平均值，并将所得平均值归一化，得到长度为N的均值数组A。然后对数组F计算差分，再求绝对值，得到与数组F等长的数组D，将数组D的全部数据也按顺序等分成N组。

第四步：发送端根据第四步所得频段校验准则，生成具有N个元素的01序列S，其中0代表该频段尚未被主用户占用，发送端可以接入，反之1代表发送端不可以接入

所述频段校验准则，包括以下步骤：

4.1.发送端选定一阈值，依次与均值数组A中的每一个元素比较，有两种情况：

4.1.1.A中的第k个元素A[k]大于步骤4.1所述阈值，则判定该组所对应的频段已经被主用户占用，将S中的第k个元素S[k]置为1。

4.1.2.A中的第k个元素A[k]不大于步骤4.1所述阈值，则转到步骤4.2，继续进行下一步判断。

4.2.对于数组D的第k组数据，取出其中的每一个元素作如下运算：将该元素与A[k]作差，再求平方。若第k组数据的每个元素上述运算之后所得结果都不大于A[k],则将S[k]置为0；反之存在第k组数据中的某个元素使得上述运算之后所得结果大于A[k]，则将S[k]置为1。

第五步：根据第四步所得频段校验序列，发送端决定是否在此时接入，有两种情况：

5.1.序列中0的个数小于L与r之和，则暂不接入，延时等待一定时间后，转到第一步，重新进行进行信号截取。

5.2.序列中0的个数不小于L与r之和，则发送端将载波频率切换至公共信道转到步骤六，准备配置接入时所需的子载波参数。

第六步：根据第四步所得频段校验序列中每一位所代表的信息，发送端将L个有效子载波分配到一个未被占用的频段上，其余子载波垫0，从而生成OFDM符号。发送端首次发送时将子载波分配情况以01序列的形式封装成数据包通过公共信道进行发送，首次发送成功后接收端从公共信道切换至主信道，按照之前的分配情况与接收端开始通信。

第七步：接收端根据前导码信息，利用相关捕获方式，获取发送端数据，首次接收之后，将接收端切换至主信道，根据接收到的子载波分配序列调整接收端子载波截取方式，之后再进行接收时能够直接截取有效子载波中的数据，接收端和发送端将可以在主信道通信，接入成功。

本发明的优点是：在频谱感知的过程中将频谱划分成许多小块分别进行分析，进一步感知哪些频段资源已被主用户使用或者已被噪声严重干扰，然后从中选出尚未被占用的最佳频谱片段进行接入。不仅复杂度低，接入速度快，而且可以有效利用宝贵的频谱资源，提高了频谱利用效率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的硬件连接图；

图2是本发明的一个较佳实施例的OFDM频谱接入通信过程；

图3是本发明的一个较佳实施例的主用户存在时接收端频谱图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例中发射端、接收端，主用户模拟端均采用通用无线电外围设备，如图1，三者均通过PC进行控制。整个过程流程如图2所示。

第一步：配置发送端、接收端的基本无线通信参数,OFDM符号参数，以及发送端的频谱接入余量r。

本实施例中配置发射端和接收端的基本无线通信参数，包括接收端配置公共信道载波频率2.41GHz，发送端配置主信道载波频率2.42GHz,IQ速率2M，发送端和接收端配置发射功率1.5dbm，采用QPSK调制解调方式，上采样倍数为8，成型滤波器及匹配滤波器均为根升余弦滤波器，滚降系数0.5，滤波器长度为6。配置数据包结构参数为前导码26bits，同步位30bits，包序号32bits，信息位2296bits，CRC校验位16bits,用于包捕获的符号200个。配置发送端和接收端的OFDM符号参数为OFDM子载波总数320，OFDM有效子载波数152，循环前缀长度64。配置发送端的频谱接入余量r＝5。

第二步：发送端在首次发送之前，从主信道中截取一定长度的有效信号(信号长度应为N的整数倍)，并对其进行快速傅里叶变换，然后求模，从而生成频谱数组F。

本实施例中发射端通过能量检测捕获主用户模拟端产生的6500个有效数据，对其进行快速傅里叶变换然后求模，生成由6500个实数构成的频谱数组F。

第三步：发送端将第二步产生的数组F的全部数据按顺序等分成N组，代表N个频段，分别对每一组的求平均值，并将所得平均值归一化，得到长度为N的均值数组A。然后对数组F计算差分，再求绝对值，得到与数组F等长的数组D，将数组D的全部数据也按顺序等分成N组，留作后续处理。

本实施例中，发送端将数组F的全部数据按顺序等分成256组，分别对每一组的求平均值，并将所得平均值归一化，得到均值数组A。然后对数组F计算差分，再求绝对值，得到数组D，将数组D的全部数据也按顺序等分成256组，则数组D的每一组有25个元素。

第四步：发送端根据频段校验准则，生成具有N个元素的01序列S，其中0代表该频段尚未被主用户占用，发送端可以接入，反之1代表发送端不可以接入。

本实施例中，阈值选为0.2，S有256个元素。经比较A[119]至A[129],A[131]至A[143]为大于阈值的元素，故S[117]至S[129],S[131]至S[143]置为1。对于A中剩余的A元素[k],记D的第k组第i个元素为D[k][i],可以求得当k＝118，k＝130时，对于i从1到25，存在某个i使得(A[k]-D[k][i])²>A[k]。故将S[128],S[130]置1，其余元素置0。

第五步：根据第四步所得频段校验序列，发送端决定是否在此时接入。

本实施例中，频段校验序列只有S[118]至S[143]一共25个元素为1，其余231个元素为0,L+r＝152+5＝157<231，故发送端将载波频率切换至公共信道的2.41GHz，准备配置接入时所需的子载波参数。

第六步：根据第四步所得频段校验序列中每一位所代表的信息，发送端将L个有效子载波分配到一个未被占用的频段上，其余子载波垫0，从而生成OFDM符号。发送端首次发送时将子载波分配情况以01序列的形式封装成数据包通过公共信道进行发送，首次发送成功后接收端从公共信道切换至主信道，按照之前的分配情况与接收端开始通信。

本实施例中，发射端在不干扰主用户的前提下随机将子载波分配至空闲信道，某次将152个子载波分配至256个子载波中的第5至77个子载波以及第170至248个子载波。其余子载波全部垫0处理。故发送端将代表信道分配情况的256个01数据(0代表垫0,1代表发送有效数据)打包，通过公共信道发送给接收端。其中数据包的32位包序号位全置为1，便于接收端识别。

第七步：接收端根据前导码信息，利用相关捕获方式，获取发送端数据，首次接收之后，将接收端切换至主信道，根据接收到的子载波分配序列调整接收端子载波截取方式，之后再进行接收时能够直接截取有效子载波中的数据，接收端和发送端将可以在主信道通信，接入成功。

本实施例中，接收端切换至主信道后的频谱如图3所示，发送端发送的数据分配在了256个子载波中的第5至77个子载波以及第170至248个子载波。中间的第118至143个子载波为主用户所占用，故接收端不做处理。这样发送端与接收端即可在不干扰主用户，且充分利用频谱的前提下实现OFDM通信。

本发明所述的方案是基于认知无线电思想进行频谱感知，选择目前未被干扰或占用，信道质量较好的OFDM子载波群进行动态接入。另一种替代方案为：发送端不进行频谱感知，在事先指定的子载波群上发送数据信息。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中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。

Claims (4)

1.一种基于认知OFDM的频谱接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：配置发送端、接收端的基本无线通信参数、OFDM符号参数以及发送端的频谱接入余量r；所述OFDM符号参数包括OFDM子载波总数N，OFDM有效子载波数L，循环前缀长度；

第二步：所述发送端被配置为在首次发送之前，从主信道中截取一段有效信号，所述有效信号的信号长度为N的整数倍，并对其进行快速傅里叶变换，然后求模，从而生成频谱数组F；

第三步：所述发送端被配置为将第二步产生的所述数组F的全部数据按顺序等分成N组，代表N个频段，分别对每一组的求平均值，并将所得平均值归一化，得到长度为N的均值数组A；然后对所述数组F计算差分，再求绝对值，得到与数组F等长的数组D，将所述数组D的全部数据也按顺序等分成N组；

第四步：所述发送端被配置为根据频段校验准则，生成具有N个元素的01序列S，其中0代表该频段尚未被主用户占用，发送端可以接入，反之1代表发送端不可以接入；第五步：根据第四步所得频段校验序列，所述发送端决定是否在此时接入；

第六步：根据第四步所得频段校验序列中每一位所代表的信息，发送端将L个有效子载波分配到一个未被占用的频段上，其余子载波垫0，从而生成OFDM符号，进而封装成数据包进行发送，首次发送后接收端从公共信道切换至主信道；

第七步：所述接收端被配置为根据前导码信息，获取发送端数据，首次接收之后，将所述接收端切换至主信道，根据检测序列调整接收端子载波截取方式，之后再进行接收时能够直接截取有效子载波中的数据，所述接收端和所述发送端将在主信道通信。

2.根据权利要求1所述的基于认知OFDM的频谱接入方法，其特征在于，第一步所述配置OFDM有效子载波数L被配置为用来传输有效数据和前导码的子载波总数；配置的频谱接入余量r被配置为留出不用的子载波个数，以保证不同用户所用频谱之间留出一定间隔。

3.根据权利要求1所述的基于认知OFDM的频谱接入方法，其特征在于，第四步中，所述频段校验准则，包括以下步骤：

4.1.发送端选定一阈值，依次与均值数组A中的每一个元素比较，有两种情况：

4.1.1.A中的第k个元素A[k]大于步骤4.1所述阈值，则判定该组所对应的频段已经被主用户占用，将S中的第k个元素S[k]置为1；

4.1.2.A中的第k个元素A[k]不大于步骤4.1所述阈值，则转到步骤4.2，继续进行下一步判断；

4.2.对于数组D的第k组数据，取出其中的每一个元素作如下运算：将该元素与A[k]作差，再求平方；若第k组数据的每个元素上述运算之后所得结果都不大于A[k],则将S[k]置为0；反之存在第k组数据中的某个元素使得上述运算之后所得结果大于A[k]，则将S[k]置为1。

4.根据权利要求1所述的一种基于认知OFDM的频谱接入方法，其特征在于，第五步包含下列步骤：

5.1.如果序列中0的个数小于L与r之和，则暂不接入，延时等待一定时间后，转到步骤一，重新进行进行信号截取；

5.2.如果序列中0的个数大于等于L与r之和，则发送端将载波频率切换至公共信道转到步骤六，准备配置接入时所需的子载波参数。