辛雁峰,盧 玲

(1.中國人民解放軍94198部隊(duì),新疆哈密839101;2.武警工程大學(xué)信息工程系,陜西西安710086)

一種偽混沌認(rèn)知超寬帶頻譜構(gòu)形方法*

辛雁峰1,盧 玲2

(1.中國人民解放軍94198部隊(duì),新疆哈密839101;2.武警工程大學(xué)信息工程系,陜西西安710086)

本文充分考慮了認(rèn)知超寬帶系統(tǒng)頻譜構(gòu)形的物理層實(shí)現(xiàn)難度,進(jìn)而選擇偽混沌脈沖位置調(diào)制(Pseudo-Chaotic Pulse Position Modulation,PCPPM)作為超寬帶系統(tǒng)調(diào)制方式。分析了PCPPMUWB脈沖信號頻譜特性,實(shí)驗(yàn)證明PCPPM-UWB脈沖信號的連續(xù)譜線部分具備類噪聲特性可以與窄帶系統(tǒng)共存,而離散譜線部分干擾強(qiáng)度大,無法與窄帶系統(tǒng)共存。在此基礎(chǔ)上提出了一種基于PCPPM的認(rèn)知超寬帶頻譜構(gòu)形方法,該方法通過改變PCPPM調(diào)制參數(shù)將離散譜線移出主用戶頻帶范圍,使主用戶帶寬內(nèi)僅存在功率受限的連續(xù)譜部分,這樣可以保證當(dāng)主用戶恢復(fù)傳輸時(shí)不會(huì)受到認(rèn)知用戶的強(qiáng)干擾,且認(rèn)知用戶也不會(huì)出現(xiàn)因切換頻段而造成通信中斷問題。

認(rèn)知超寬帶 頻譜構(gòu)形 偽混沌脈沖位置調(diào)

0 引 言

為了進(jìn)一步提高頻譜利用率,認(rèn)知超寬帶(Cognitive UWB,CUWB)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,CUWB系統(tǒng)以超寬帶作為認(rèn)知無線電系統(tǒng)的物理層,依據(jù)對外界無線環(huán)境的感知結(jié)果,自適應(yīng)設(shè)定頻譜掩模,并進(jìn)一步改變其傳輸參數(shù)(功率、波形、速率等),實(shí)現(xiàn)UWB系統(tǒng)和現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)的無縫共存[1-2]。動(dòng)態(tài)頻譜構(gòu)形是認(rèn)知超寬物理層的關(guān)鍵技術(shù),目前在該方面的研究通常集中于構(gòu)建靈活的脈沖波形/頻譜,即根據(jù)對外界無線環(huán)境所檢測的情況,認(rèn)知無線電能夠高度靈活地確定其占用頻段及使用頻譜的形狀[3]。這里有兩種觀點(diǎn),一是UWB的頻譜是類噪聲的,不會(huì)對窄帶系統(tǒng)造成影響;另一個(gè)觀點(diǎn)則對此不認(rèn)同(如某些國家的無線電管理機(jī)構(gòu)的觀點(diǎn)),這也是CUWB出現(xiàn)的初衷,據(jù)此為了防止UWB信號的干擾,認(rèn)知用戶需要根據(jù)主用戶出現(xiàn)位置設(shè)定頻

譜零點(diǎn),并形成發(fā)射的脈沖波形。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)是通過基本脈沖的組合來實(shí)現(xiàn)的,這些基本脈沖可以是規(guī)則的(具有相同的信號帶寬),也可以是不規(guī)則的,根據(jù)主用戶出現(xiàn)情況,設(shè)定參與組合脈沖的形式和數(shù)量,形成具有特定零陷點(diǎn)的頻譜結(jié)構(gòu)[4]。脈沖的類型可以是高斯脈沖、Sinc脈沖、PSWF脈沖、APSWF脈沖,Hermite脈沖等。但在實(shí)踐中可以看到,由于ADC、DAC器件性能的限制,實(shí)現(xiàn)理想脈沖波形是困難的,另外由于天線的微分效應(yīng)等影響,在射頻實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)波形失真,所以還需要考慮預(yù)處理手段,而且這要求CUWB系統(tǒng)能夠適應(yīng)多種類型脈沖的有效接收和發(fā)射,實(shí)現(xiàn)難度大。因此本文希望尋求一種實(shí)現(xiàn)難度和共存性折中的頻譜構(gòu)形方法。

1 PCPPM調(diào)制信號模型

由于脈沖位置調(diào)制(PPM)只需要產(chǎn)生單一的脈沖波形,這在認(rèn)知超寬帶物理層實(shí)現(xiàn)上具有很大的優(yōu)勢,但其頻譜存在很強(qiáng)的離散譜線,會(huì)對其他系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾。為了解決這一問題,本文選用偽混沌脈沖位置調(diào)制技術(shù)(PCPPM)作為認(rèn)知超寬帶物理層信號調(diào)制技術(shù)[5],該調(diào)制方式利用偽混沌編碼隨機(jī)控制脈沖出現(xiàn)的位置,脈沖間隔Tn為有限個(gè)離散取值,

其中,dPCPPM為調(diào)制幅度;In為對應(yīng)Tn的狀態(tài)空間的標(biāo)示,為保證脈沖發(fā)射次序不發(fā)生逆轉(zhuǎn),一般取為正整數(shù),且0＜In≤NPCPPM,NPCPPM為混沌系統(tǒng)狀態(tài)空間量化最大值;Sn是發(fā)送信息;FPCPPM表示混沌序列的迭代過程函數(shù),本文采用Tent映射[6]。假設(shè)對混沌映射進(jìn)行3 bit量化,則脈沖間隔Tn的取值有8種可能,即dPCPPM、2dPCPPM、…、8dPCPPM,其中dPCPPM為調(diào)制幅度。通過蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)仿真證明每種脈沖間隔出現(xiàn)的概率是相同的。

若將時(shí)間軸劃分為寬度為dPCPPM的時(shí)隙,定義脈沖在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)出現(xiàn)的平均概率為PPCPPM,則根據(jù)二進(jìn)制隨機(jī)連續(xù)脈沖序列功率譜密度表達(dá)式[7],可將PCPPM-UWB信號的功率譜密度ζPCPPM(f)表示為:

其中,g(t)為PCPPM-UWB系統(tǒng)發(fā)射的脈沖信號,G(f)為脈沖g(t)的傅里葉變換,n為正整數(shù)。由式(3)可知,該頻譜中存在離散譜線,出現(xiàn)在n/dPCPPM處,說明離散譜線的出現(xiàn)位置只與調(diào)制幅度dPCPPM有關(guān)。因此只要改動(dòng)參數(shù)dPCPPM即可輕松的控制離散譜的位置。

2 PCPPM-UWB信號對窄帶系統(tǒng)的干擾

本節(jié)通過蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)分析PCPPM信號連續(xù)譜線和離散譜線部分對窄帶系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度。為了不失一般性,本章假設(shè)窄帶無線通信系統(tǒng)是一個(gè)以正弦波作為載波、能量相等、待傳輸碼元先驗(yàn)概率相等、互不相關(guān)的BPSK信號最佳接收系統(tǒng),假設(shè)傳輸信道為加性高斯白噪聲(AWGN)信道。

2.1 連續(xù)譜線對窄帶系統(tǒng)的影響

仿真參數(shù)選擇為:(1)窄帶系統(tǒng)參數(shù)為:載波頻率fc=5 GHz;比特速率為20×106bit/s;采樣頻率fs=50 GHz。(2)PCPPM-UWB系統(tǒng)參數(shù)為:采樣頻率fs=50 GHz;PCPPM調(diào)制幅度dPCPPM=0.5 ns;超寬帶脈沖為高斯單脈沖,脈沖成形因子α=0.2 ns,每個(gè)超寬帶脈沖調(diào)制1比特信息。

假設(shè)正弦波幅度Asin=0.5,調(diào)制參數(shù)dPCPPM= 0.5 ns,=5 dB,其中為窄帶系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)PCPPM-UWB信號連續(xù)譜線的平均功率譜密度,采樣帶寬范圍內(nèi),PCPPM-UWB信號和BPSK窄帶信號疊加的頻譜如圖1所示。由圖1可知, PCPPM-UWB信號對窄帶信號的干擾連續(xù)存在于整個(gè)窄帶系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)且為平滑譜線,幅度近似相等,與噪聲譜類似,窄帶系統(tǒng)帶寬范圍外存在離散譜線,且離散譜線強(qiáng)度遠(yuǎn)高于連續(xù)譜線。

圖1 采樣帶寬范圍內(nèi)信號頻譜(Eb/UWB=5 dB dPCPPM=0.5 ns)Fig.1 Spectrum in sampling bandwidth (Eb/UWB=5 dB dPCPPM=0.5 ns)

此時(shí),將BPSK系統(tǒng)與PCPPM-UWB系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)(此時(shí)接收信號中僅包含BPSK信號和PCPPM-UWB信號,不考慮噪聲信號),BPSK窄帶系統(tǒng)的誤碼率性能與BPSK系統(tǒng)在AWGN信道下的誤碼率性能進(jìn)行對比,性能曲線如圖2所示。由圖2可知,PCPPM-UWB中平滑譜線對窄帶系統(tǒng)的干擾與高斯白噪聲對窄帶系統(tǒng)的干擾類似,平滑譜線的干擾強(qiáng)度比噪聲干擾弱2 dB。

圖2 誤碼率性能對比(dPCPPM=0.5 ns)Fig.2BERcomparison(dPCPPM=0.5 ns)

2.2 離散譜線對窄帶系統(tǒng)的影響

當(dāng)調(diào)制參數(shù)dPCPPM=0.8 ns,Eb/UWB=5 dB時(shí),窄帶系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi),PCPPM-UWB信號和窄帶信號疊加的頻譜如圖3所示。由圖3可知,PCPPMUWB信號頻譜第四根離散譜線位置為FD4=4/ dPCPPM=5 GHz,即窄帶系統(tǒng)中心頻率位置存在PCPPM-UWB信號離散譜線,此時(shí)窄帶系統(tǒng)既受到平滑譜線的干擾又受到離散譜線的干擾。

圖3 窄帶系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)信號頻譜(Eb/UWB=5 dB dPCPPM=0.8 ns)Fig.3 Spectrum in narrowband system bandwidth (Eb/UWB=5 dB dPCPPM=0.8 ns)

下面通過仿真實(shí)驗(yàn)研究該情況下窄帶BPSK系統(tǒng)誤碼率性能,并將其與只受到噪聲干擾時(shí)的窄帶系統(tǒng)誤碼率性能進(jìn)行對比,性能曲線如圖4所示。為了與連續(xù)譜線對窄帶系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度形成對比,所以當(dāng)選擇Eb/UWB作為衡量窄帶BPSK系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)時(shí),UWB仍為PCPPM-UWB系統(tǒng)發(fā)射信號的平滑譜線部分平均功率譜密度。

圖4 誤碼率性能對比(dPCPPM=0.8 ns)Fig.4BERcomparison (dPCPPM=0.8 ns)

圖4說明當(dāng)窄帶系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)同時(shí)存在PCPPM-UWB信號平滑譜線和離散譜線時(shí),要想保證BPSK窄帶系統(tǒng)正常工作,平滑譜線部分必須滿足Eb/UWB大于27 dB;考慮到當(dāng)窄帶系統(tǒng)僅受到AWGN干擾時(shí),Eb/N0大于8 dB,窄帶系統(tǒng)便能正常工作,因此PCPPM-UWB信號離散譜線對窄帶系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度遠(yuǎn)大于高斯白噪聲和其平滑譜線部分,不具備類噪聲特性。

3 頻譜成形方法

綜上所述,采用PCPPM-UWB系統(tǒng)作為CUWB系統(tǒng)物理層時(shí)具有以下優(yōu)勢:

1)PCPPM-UWB信號的平滑譜線部分具有類噪聲性質(zhì),可以通過限制其發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)以頻譜覆蓋(Spectrum Underlay)的方式與窄帶系統(tǒng)共用頻帶;

2)PCPPM-UWB系統(tǒng)僅需要改變一個(gè)系統(tǒng)參數(shù),即調(diào)制幅度dPCPPM,就可以靈活改變離散譜線位置,使其移出窄帶系統(tǒng)的帶寬范圍,避免對窄帶系統(tǒng)造成干擾,不需要改變其他系統(tǒng)參數(shù),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低。

認(rèn)知超寬帶系統(tǒng)在通過頻譜感知過程對周圍無線電環(huán)境進(jìn)行偵聽并構(gòu)建了相應(yīng)的輻射模板之后,我們要解決的問題就是進(jìn)行快速高效的頻譜成形

(Spectrum Shaping),以實(shí)現(xiàn)UWB系統(tǒng)在共享頻譜的時(shí)候不能對已經(jīng)授權(quán)的窄帶通信系統(tǒng)造成干擾。

根據(jù)上面對PCPPM-UWB信號不同頻率成分對窄帶系統(tǒng)的干擾分析,本文提出了一種基于PCPPM的認(rèn)知超寬帶頻譜成形方法。如圖5所示,如果CUWB用戶占用的授權(quán)頻帶上主用戶信號重新開始傳輸,PCPPM-UWB系統(tǒng)僅需改變調(diào)制幅度dPCPPM,使離散譜線避開主用戶使用頻帶,便可以繼續(xù)以頻譜覆蓋(Spectrum Underlay)的方式與窄帶系統(tǒng)共存,保證了認(rèn)知用戶在切換頻段時(shí)不間斷工作。論文第二節(jié)中,我們仿真證明了通過改變調(diào)制幅度dPCPPM,就可以改變離散譜線的位置,從而使其避開主用戶工作頻段,如圖1和3所示。

圖5 基于PCPPM的認(rèn)知超寬帶頻譜成形方法Fig.5 Cognitive UWB spectrum shaping scheme based on PCPPM

4 結(jié) 語

本文首先分析了PCPPM-UWB信號的頻譜特性,說明其頻譜存在離散譜線和連續(xù)譜線兩部分,但可以通過調(diào)整調(diào)制幅度dPCPPM控制離散譜線位置。接下來精細(xì)化研究了PCPPM-UWB信號不同頻率成分對窄帶系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)證明PCPPMUWB信號平滑譜線部分具備類噪聲特性,且其對窄帶系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度比高斯白噪聲對窄帶系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度弱2 dB;離散譜線部分不具備類噪聲特性,無法與窄帶系統(tǒng)以頻譜覆蓋的方式共用頻帶。在此基礎(chǔ)上提出了一種基于PCPPM-UWB的認(rèn)知超寬帶頻譜成形方法,該方法通過改變調(diào)制幅度dPCPPM使離散譜線避開主用戶帶寬范圍,可以保證認(rèn)知用戶當(dāng)主用戶恢復(fù)傳輸時(shí)快速不間斷的切換頻段。

[1] GRANELLIF.,ZHANG H..Cognitive UltraWide Band Radio:A Research Vision and Its Open Challenges [C]//Proceeding of 2nd International Workshop on Networking with Ultra Wide Band(NEUWB2).Rome: IEEE,2005:4-6.

[2] 王群,侯曉赟,王東明.認(rèn)知無線電中的頻譜退讓技術(shù)[J].通信技術(shù),2013,46(08):12-14.

WANG Qun,HOU Xiao-yun,WANG Dong-ming. Spectrum Handoff Technology in Cognitive Radio[J]. Communication Technology,2013,46(08):12-14.

[3] ASGHARI V.,AISSA S..Adaptive Rate and Power Transmission in Spectrum-Sharing Systems[J].Wireless Communications,2010,9(10):3272-3280.

[4] BARRAJ I.,TRABELSIH.,MASMOUDIM..A New UWB Pulse Shaping for IEEE 802.15.4a[C]//Proceeding of 2013 10th International Multi-Conference on Systems,Signals&Devices(SSD).Hammamet:IEEE, 2013:1-5.

[5] 向新,王杰令,曾志斌等.超寬帶通信中的偽混沌脈沖位置調(diào)制[J].通信學(xué)報(bào),2009,30(11):106-112.

XIAN GXin,WANG Jie-ling,ZENG Zhi-bin.Pseudo Chaotic Pulse Position Modulation in UWB Communications[J].Journal on Communications,2009,30(11): 106-112.

[6] XIE Shao-bin,He Zi-shu,Hu Jin-feng.Performances of Improved Tent Chaos-based FM Radio Signal[J]. Systems Engineering and Electronics,2012,23(3):385 -391.

[7] 樊昌信,魯?shù)烙?徐炳祥等.通信原理[M].第四版.北京:國防工業(yè)出版社,1995:298-323.

FAN Chang-xin,LU Dao-yong,XU Bing-xiang,etc. Communication Principle[M].The fourth edition.Beijing:National Defense Industry Press,1995:298-323.

辛雁峰(1981—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)槌瑢拵А⒄J(rèn)知無線電;

XIN Yan-feng,(1981-),M.Sci.,engineer,mainly engaged in UWB communication and cognitive radio.

盧 玲(1985—),女,碩士,助教,主要研究方向?yàn)樾盘柼幚?、超寬帶?/p>

LU Ling(1985-),female,M.Sci.,assistant,mainly engaged in signal processing and UWB communication.

A Configuration M ethod of Pseudo Chaotic Cognitive UWB Spectrum

XIN Yan-feng1,LU Ling2
(1.Unit94198 of PLA,Hami Xinjiang839101,China;2.Engineering University of CAPF,Xi'an Shaanxi710086,China)

Taking full account of the physical-layer difficulty in CUWB spectrum configuration,PCPPM (Pseudo Chaotic Pulse Position Modulation)is chosen as themodulation technology of UWB system.The spectrum characteristics of PCPPM-UWB signal are analyzed.Simulations verify that the successive spectrum line of PCPPM-UWB pulse signal is noise-like,thus could coexist with narrow-band system while the the discrete spectrum could not,due to the intensive inteference.In light of this,a cognitive UWB spectrum condiguration method based on PCPPM is proposed.Thismethod shifts the discrete spectrum line away from the the primary user frequency range via changing themodulation parameter,with only the power -confined smooth spectrum in the primary user frequency range.Therefore,the primary user is prevented from strong jamming from cognitive user when it restarts transmitting,and the cognitive user could avoid the communication interruption when switching the spectrum range.

cognitive UWB(CUWB);spectrum configuration;pseudo chaotic pulse positionmodulation(PCPPM)

TN92

A

1002-0802(2014)12-1384-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.12.008

2014-09-22;

2014-11-13 Received date：2014-09-22;Revised date：2014-11-13