专利名称：Mimo-ofdm认知无线电通信方法
技术领域：
本发明涉及的是一种认知无线电通信方法，具体地说是一种MIM0-0FDM认知无线 电通信方法。
背景技术：
随着无线通信技术和通信业务的飞速发展，无线网络正面临着有限频谱资源与各 种业务对频谱资源需求不断增长的矛盾。认知无线电，作为一种智能的无线通信系统能够 感知周围的无线环境，通过对无线环境的分析，相应地改变某些工作参数来实时地适应环 境，从而达到提高频谱利用率、缓解频谱资源紧张的目的，为有效解决频谱资源紧张与频谱 利用率不高的矛盾开辟了新的途径。MIM0-0FDM技术是目前比较公认的容易实现频谱资源 控制和有效利用频谱的传输方式，具有传输速率快，抗干扰能力强的特性，是认知无线电首 选的复用、调制及传输技术。与本发明相关的公开报道有1、“一种基于MIMO技术的认知无线电通信系 统”(《船舶电子工程》2008年第07期)一文中主要阐述了 MIMO子系统和认知子系统 中各模块的功能、结构及工作原理，阐述采用MIMO等技术的认知无线电系统将具有自适 应频谱接入、自动调整数据传输率和抗干扰能力强等优点。2、“DeSign of A MIM0-0FDM Baseband Transceiver forCognitive Radio System" (IEEE International Symposium on Circuitsand Systems，2006年)研究了将MIM0-0FDM系统与CR相结合，根据频谱分 配的原则，适当的调整系统参数，增强MIM0-0FDM系统的传输性能。3、“认知无线电环境下 MIM0-0FDM系统的无线资源管理”(《电子学报》2007年第6A期)一文中阐述了认知无线 电环境下MIM0-0FDM系统分布式无线资源管理的问题，利用博弈的分析思想，提高整个认 知无线电系统的容量。4、“认知无线电中基于SA-MIM0-0FDM的动态频谱共享方案”(《电 子与信息学报》2008年第7期)一文中提出一种结合频谱自适应(Spectrum Adaptation, SA)与MIM0-0FDM技术的动态频谱共享方案。该方案基于功率门限模型实现非授权信号的 自适应频谱成型，并给出了一种简单的动态功率分配算法以最大化比特率，该方案能够克 服干扰温度模型的局部干扰问题，使用MIMO技术可进一步提高系统性能，通过动态功率分 配算法可降低计算复杂性并提高频谱利用率。虽然关于MIM0-0FDM技术的认知无线电通信技术的研究报告已经很多了，但是， 一方面不仅都没有阐述完整的基于MIM0-0FDM技术的认知无线电通信技术，而且都是利用 MIM0-0FDM技术的优势提高认知无线电中的某部分关键技术的性能；另一方面都是频谱检 测和认知用户数据发送共用相同的天线，不能达到快速检测频带利用情况，高效传输认知 用户数据的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高频带利用率和认知用户数据传输速率，减少认 知用户频谱切换次数的MIM0-0FDM认知无线电通信方法。
本发明的目的是这样实现的待检测的网络1-1、宽带射频模块下变频1-2、空域滤波模块1-3及模数转换1-4 组成的射频模块1输出中频的数据用于频谱检测2-1，确定是否为空闲频谱，如果是空闲频 谱，则进行最优频谱分析2-2和信道估计2-3，确定该频谱的特性，然后进行最优的频谱分 配2-4，同时对发射的信号要进行功率控制2-5，最后确定信息传输的路由线路2-6，建立路 由表频谱数据库2-8，当主用户需要使用当前的频段时，要执行频谱切换2-7，同时更新路 由信息2-6，重新调整路由表频谱数据库2-8 ；认知模块2在进行频谱分配2-4和功率控制
2-5后发射控制信号给射频模块1用于设置射频模块的第二次变频的参数，以及设定数据 传输模块3的通信频带；当认知用户有数据业务的需求时，接入的认知用户数据根据频谱 分析2-2以及信道估计2-3的结果确定认知用户数据的映射3-1形式，经过空时分组编码
3-2，增强数据传输的抗干扰的能力，在功率控制2-5的作用下完成IFFT3-3变换后，通过 加入循环前缀3-4，作去除信道间干扰的处理后通过认知用户自身携带的发射天线3-5和 3-6发射认知用户的数据，传输过程中通过路由表频谱数据库2-8确定认知用户数据的传 输路径，接收端认知用户通过接收天线3-7和3-8接收认知数据，经过去循环前缀(CP) 3-9 以及FFT变换3-10处理后，进行空时分组的译码3-11，最后通过反映射接收数据3-12处理 后接收数据，实现认知用户数据之间的传输。1、所述最优频谱分析是采用基于门限值的频谱分析方法，通过比较频谱幅度和通 信业务建立时使用的门限值，对通过感知的频谱进行分级，最后建立频谱数据库，用于认知 用户申请通信；首先通过频谱感知检测出每个信道中的幅度最大值，同时设定两个门限值， 如果幅度值小于最低的门限值，那么此信道是最佳信道环境，进而对此信道进行信道估计 和信道容量分析，确定其信道的特性，最后标志此信道为最优先信道，并将对信道的分析结 果放入频谱管理的存储单元；如果信道的最大幅度大于最低的门限，但是小于最高的门限， 那么此信道为次佳的用于通信的信道环境，进而对其信号特性进行分析，并将分析结果和 信道的标号存入频谱管理单元的存储器中；如果信道的最大幅度高于最高的门限，那么此 信道不适合通信，不进行信道特性估计和信道容量的估计；最后将信道环境和信道的特性 参数作综合的比较，为认知用户找到最适合的通信信道。2、所述最优的频谱分配是采用基于CSGC的改进的最优频谱分配算法，即在图论 着色的频谱分配算法的基础上引入连通分支和极大独立集的概念，一次完成一个极大独立 集中多个定点的频谱分配，然后基于图论着色对极大独立集中各个顶点完成最终的频谱分 配。3、所述的频谱切换是由整合资源模块提供认知用户切换所使用的频谱资源，根据 切换的预判模块确定使用整合资源模块中的哪部分资源完成通信能保证最少的频谱切换 次数；然后使用基于遗传算法优化的模糊控制器判定认知用户是否要进行频谱切换，最后 进入切换执行模块，执行频谱切换的同时发送信令信息通知认知用户接收端信道的切换信 息，最终在最少频谱切换次数的基础上完成认知用户之间的通信。本发明提出了完整的认知无线电通信系统的通信过程，同时提出，使用专门的天 线用于持续的监听某一频段范围内的频带使用情况，另一方使用认知用户自带的多天线用 于数据的传输，最终实现及时的发现空闲的频谱，提高了频谱的利用率，减少了信道切换的 次数，提高数据的传输质量；达到认知用户认知数据的稳定传输的目的。
图1是新型MIM0-0FDM认知无线电通信方法实现流程图；图2是认知无线电通信技术各模块关系图。
具体实施例方式结合图1，本发明的新型MIM0-0FDM认知无线电通信方法。待检测的网络1-1、宽 带射频模块下变频1-2、空域滤波模块1-3及模数转换1-4组成的射频模块1输出中频的数 据用于频谱检测2-1，确定是否为空闲频谱，如果是空闲频谱，则进行最优频谱分析2-2和 信道估计2-3，确定该频谱的特性，然后进行基于改进的CSGC的频谱分配2-4，同时对发射 的认知数据要进行功率的控制2-5，最后确定信息传输的路由线路2-6，当主用户需要使用 当前的频段时，要执行频谱切换2-7，同时更新路由信息2-6，建立路由表频谱数据库2-8， 选择其他路由线路用于认知用户的数据传输。由2-1到2-8组成了系统的认知模块2 ；同时 认知模块2发射控制信号给射频模块1，用于设置射频模块的第二次变频的参数，以便设定 数据传输模块3的通信频带。每个认知用户都自带两个发射和接收天线3-5、3-6、3-7、3-8 用于数据的发送和接收，当设定好通信的频带后，认知数据被送入数据传输模块3，首先认 知数据首先进行映射认知数据3-1，映射后的数据进行空时分组编码3-2，经过IFFT3-3变 换和加循环前缀3-4处理后经过自带的天线3-5，3-6发射出去，同时认知模块2还要和数 据传输模块3之间传输信令信息用于选择传输的线路和适合的发射的功率。射频模块由宽带天线、射频滤波器、低噪放大器、信道选择器、空域滤波器、频率合 成器、自动增益控制、陷波滤波器、A/D转换器组成。宽带天线接入待检测频段的频谱数据， 经过滤波、降低信号的动态范围等一系列处理后经过A/D转换后变成数字信号，用于认知 模块的频谱检测。与以往射频模块不同的是该技术中的射频模块使用单独的天线用于监听 当前频谱的使用请况，因此可以及时的发现空闲频谱的存在。认知模块由频谱检测、频谱分析、信道估计、频谱分配、功率控制、路由技术、频谱 切换组成。经由射频模块输出了频段信息用于频谱检测，确定频谱是否存在空闲，如果没有 空闲频谱，则继续接入宽带天线接入的频谱数据，如果存在空闲的频谱，则对空闲的频谱进 行最优的频谱分析，确定信道的容量，调制方式等特性，用于确定认知用户发射数据时的功 率和认知用户的频谱分配，之后要确定认知用户之间通信的路由路径，实现高效的数据传 输效率。最后在认知模块还要考虑，当主用户需要占用其授权频段时，认知用户需要执行频 谱切换，根据具体情况，确定的最优的切换算法，实现认知用户完整的传输。认知模块最后 形成两个控制指令，一方面控制射频模块的第二次变频，确定数据传输模块的通信频带，另 一方面形成控制数据传输模块传输的信令。数据传输模块。在认知用户的数据通信频段、频谱分配的方式、发射功率的大小、 路由路径的确定后，认知用户使用自身所带的天线实现基于MIM0-0FDM技术的数据传输。 首先数据进行调制映射根据用户数据传输速率的要求和信道环境的变化智能的调整调制 方式，以充分利用资源达到最优的效果；然后进行空时分组编码，充分的提高频谱的利用 率；其次进行OFDM的调制，也是认知用户数据自适应数据传输的一种方式，使用该技术实 现频谱的剪裁，达到高效率的利用频谱的目的，同时通过加入循环前缀，减少子载波之间的干扰，提高数据传输的抗干扰性能。最后，认知用户数据通过两根天线发射出去。在不考虑 中间中继转发的前提下，接收端使用与发送端相反的方式，实现数据的接收，完成认知用户 之间的通信。结合图1。以一段频段内的频谱空闲检测为例，一根宽带射频天线检测该段频谱， 通过空域滤波技术降低接入信号的动态的范围，滤除强信号，将接入信号进行A/D转换后， 送入频谱检测器，用于检测该频段是否为空闲的频谱，如果是则对该频段进行频谱分析确 定信道容量和信道的参数，为认知用户传输数据时进行频谱分配奠定基础。接下来进行频 谱分配和功率控制确定认知用户发射的频带和信号的发射功率，并根据现有的检测空闲频 带的状态，确定认知用户数据通信的线路，既是认知用户路由通信的设定，此时还要考虑一 种情况，当主用户是使用授权频段时，认知用户要执行频谱切换到其他的频段继续进行通 信，通过认知模块对检测到空闲频谱的处理，可以得到认知用户数据发送的通信频带，得到 认知用户发射数据时的功率控制、通信的线路、通信转换的路径，控制基于MIM0-0FDM技术 的数据传输模块的数据传输状态，各个参数设定好之后，认知用户通过自身携带的发射和 接收天线实现基于MIM0-0FDM技术的传输数据，实现传输过程中先将要发射的数据进行映 射编码，以便提高数据的传输可靠性，然后进行空时分组编码，提高传输的抗干扰能力，随 后基于OFDM技术自适应的传输数据，对频带进行裁剪，使用认知用户空闲的子载波，最后 基于功率控制技术由2根天线发射出认知用户的数据，中间要经历很多的路由路径，以及 中继的转发，最后在接收端，根据认知用户之间所设立的通信的协议以及路由过程恢复认 知用户的数据，完成整个的通信过程。结合图2实现整个认知无线电通信技术各个模块之间的控制关系，完成了认知用 户1和认知用户2之间的通信。整个的认知无线电通信技术由三部分组成既是射频模块、 认知模块、数据传输模块。实现的过程如下1、来自监听天线的频谱数据经过射频模块的宽带滤波和下变频处理得到中频信 号，信号进入ADC完成A/D变换，通过中频接口输入认知模块，得到认知分析和管理的结 果；2、当有认知业务通信需求时，数据传输模块向认知功能模块提交业务申请。在申 请中同时指明业务所需要的调制方式、发射功率、带宽门限、噪声门限等需求信息。在认知 功能模块中，根据申请信息和频谱的分析结果，选择合适频谱空洞，并将指派信息(如带 宽、背景噪声强度等)发送给数据传输模块使其建立通信。因此要利用现在掌握的频谱数 据，通信双方进行信道的协商寻找频谱空洞、通信信道确定等工作。同时认知模块设置射频 模块的第二次下变频，用户设置认知用户的通信频带；3、认知用户依据认知模块和射频模块提供的信令协议，使用自身携带的天线进行 通信；4、因为认知通信是见缝插针的非授权通信，所以通信建立后宽带射频前端的数据 接入天线要持续的监测通信频带，防止认知通信被干扰或干扰授权用户的通信。在此过程 中，射频模块的中心频点不再搬移，认知功能模块对认知业务使用的频点进行时刻跟踪监 测。一旦出现授权用户或者其它干扰造成该频带不可用状态，立刻终止通信，并转入切换阶 段；反之，正常完成通信，重新进入认知模块，等待新的通信请求现。切换阶段是为了认知无 线电系统保护授权用户或防止认知通信被干扰。当进入此阶段，认知功能模块停止数据传
7输模块的数据发送和改变射频的工作状态，保存当前通信状态，扫描和选择合适的空洞，进 行频谱的切换，建立新的路由信息列表，重新建立通信。 此系统结构与以往的认知无线电通信系统的不同的地方在于通过一个单独的天 线检测网络中某一段中主用户占用情况，建立认知数据库，每个认知用户的接收和发送端 都有2根天线用于认知用户数据业务的发送和接收，MIMO技术提高了数据传输的容量，减 少了认知用户在频段上切换的次数，OFDM提高了数据传输的抗干扰能力，提高频带的利用 率，可以有效降低认知用户发射功率的情况下提高了数据的传输质量，最终实现认知用户 的自适应的数据传输过程。
权利要求
1.一种MIM0-0FDM认知无线电通信方法，其特征是通过射频模块、认知模块以及数据 传输模块所组成的认知通信系统，使用认知用户自身携带的天线完成认知用户之间的数据 传输过程。
2.根据权利要求1所述的一种MIM0-0FDM认知无线电通信方法，其特征是待检测的 网络(1-1)、宽带射频模块下变频(1-2)、空域滤波模块(1-3)及模数转换(1-4)组成的射 频模块1输出中频的数据用于频谱检测0-1)，确定是否为空闲频谱，如果是空闲频谱，则 进行最优频谱分析(2- 和信道估计0-3)，确定该频谱的特性，然后进行最优的频谱分配 0-4)，同时对发射的信号要进行功率控制0-5)，最后确定信息传输的路由线路0-6)，建 立路由表频谱数据库0-8)，当主用户需要使用当前的频段时，要执行频谱切换0-7)，同 时更新路由信息0-6)，重新调整路由表频谱数据库0-8)；认知模块( 在进行频谱分配 (2-4)和功率控制(2- 后发射控制信号给射频模块1用于设置射频模块的第二次变频的 参数，以及设定数据传输模块3的通信频带；当认知用户有数据业务的需求时，接入的认知 用户数据根据频谱分析0-2)以及信道估计0-3)的结果确定认知用户数据的映射(3-1) 形式，经过空时分组编码(3-2)，增强数据传输的抗干扰的能力，在功率控制0-5)的作用 下完成IFFT(3-;3)变换后，通过加入循环前缀(3-4)，作去除信道间干扰的处理后通过认 知用户自身携带的发射天线(3-5)和(3-6)发射认知用户的数据，传输过程中通过路由表 频谱数据库(2-8)确定认知用户数据的传输路径，接收端认知用户通过接收天线(3-7和 3-8)接收认知数据，经过去循环前缀(3-9)以及FFT变换(3-10)处理后，进行空时分组的 译码(3-11)，最后通过反映射接收数据(3-1 处理后接收数据，实现认知用户数据之间的 传输。
3.根据权利要求2所述的MIM0-0FDM认知无线电通信方法，其特征是所述最优频谱 分析是采用基于门限值的频谱分析方法，通过比较频谱幅度和通信业务建立时使用的门限 值，对通过感知的频谱进行分级，最后建立频谱数据库，用于认知用户申请通信；首先通过 频谱感知检测出每个信道中的幅度最大值，同时设定两个门限值，如果幅度值小于最低的 门限值，那么此信道是最佳信道环境，进而对此信道进行信道估计和信道容量分析，确定其 信道的特性，最后标志此信道为最优先信道，并将对信道的分析结果放入频谱管理的存储 单元；如果信道的最大幅度大于最低的门限，但是小于最高的门限，那么此信道为次佳的用 于通信的信道环境，进而对其信号特性进行分析，并将分析结果和信道的标号存入频谱管 理单元的存储器中；如果信道的最大幅度高于最高的门限，那么此信道不适合通信，不进行 信道特性估计和信道容量的估计；最后将信道环境和信道的特性参数作综合的比较，为认 知用户找到最适合的通信信道。
4.根据权利要求3所述的MIM0-0FDM认知无线电通信方法，其特征是所述最优的频 谱分配是采用基于CSGC的改进的最优频谱分配算法，即在图论着色的频谱分配算法的基 础上引入连通分支和极大独立集的概念，一次完成一个极大独立集中多个定点的频谱分 配，然后基于图论着色对极大独立集中各个顶点完成最终的频谱分配。
5.根据权利要求4所述的MIM0-0FDM认知无线电通信方法，其特征是所述的频谱切 换是由整合资源模块提供认知用户切换所使用的频谱资源，根据切换的预判模块确定使用 整合资源模块中的哪部分资源完成通信能保证最少的频谱切换次数；然后使用基于遗传算 法优化的模糊控制器判定认知用户是否要进行频谱切换，最后进入切换执行模块，执行频谱切换的同时发送信令信息通知认知用户接收端信道的切换信息，最终在最少频谱切换次 数的基础上完成认知用户之间的通信。
6.根据权利要求5所述的MIM0-0FDM认知无线电通信方法，其特征是所述的频谱切 换是由整合资源模块提供认知用户切换所使用的频谱资源，根据切换的预判模块确定使用 整合资源模块中的哪部分资源完成通信能保证最少的频谱切换次数；然后使用基于遗传算 法优化的模糊控制器判定认知用户是否要进行频谱切换，最后进入切换执行模块，执行频 谱切换的同时发送信令信息通知认知用户接收端信道的切换信息，最终在最少频谱切换次 数的基础上完成认知用户之间的通信。
全文摘要
本发明提供的是一种MIMO-OFDM认知无线电通信方法。射频模块输出中频的数据用于频谱检测，确定是否为空闲频谱，如果是空闲频谱，则进行最优频谱分析和信道估计，确定该频谱的特性，然后进行最优的频谱分配，确定信息传输的路由线路，当主用户需要使用当前的频段时，选择其他路由线路用于数据传输；认知模块发射控制信号给射频模块控制信号，用于设置射频模块的第二次变频的参数，设定数据传输模块的通信频带；每个认知用户都自带两个发射和接收天线用于数据的发送接收，认知模块还要和数据传输模块之间传输信令信息用于选择传输的线路和适合的发射的功率。本发明提高了频谱的利用率，减少了信道切换的次数，提高数据的传输质量；达到认知用户认知数据的稳定传输的目的。
文档编号H04W16/14GK102075950SQ20111000271
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月7日 优先权日2011年1月7日
发明者刘洪丹, 刘胜 申请人:哈尔滨工程大学