基于无速率编码的认知无线电系统传输机制的设计与研究

摘要

进入21世纪以来,认知无线电成为无线通信领域的一个新兴热点。认知无线电是一种智能的频谱共享技术,认知用户通过频谱感知伺机占用授权用户遗留的空闲频谱资源,有效地改善了传统的固定频谱分配方式带来的浪费。利用认知无线电可以更加高效地利用频谱资源,极大地缓解了频谱资源紧张的问题。无速率编码是一种既有良好的编码增益,又能自适应信道状态的信道编码技术。把无速率编码引入认知无线电,可以利用无速率编码对网络动态环境的自适应能力来对抗授权用户不可预知的出现。本文首先介绍了认知无线电和无速率编码的概念和特点,然后提出了在认知网络中引入无速率编码的工作场景,研究了适用于不同译码方法的系统设计和帧结构；另外本文研究了基于无速率编码认知通信的吞吐量优化和能量分配问题,最后利用软件无线电平台,给出了认知收发终端具体的实现方案。
　　 本文首先研究了如何设计基于无速率编码的认知无线电系统传输机制,提出了希望最终实现的通信场景。本文研究的认知系统选用Raptor码作为认知通信的信道编码方法,通过性能仿真考察了不同码长的Raptor码在硬判决和软判决两种译码算法下的性能。然后选择码长和分布得到适用于认知环境的Raptor码,并针对硬判决和软判决译码算法分别设计了两种差异明显的系统帧结构。最后讨论了如何把已经形成的系统帧结构调制到OFDM系统上,帧与帧之间被看成并行的数据流调制到各个子信道上,实现了之前提出的基于无速率编码的认知系统工作场景。
　　 之后研究了基于无速率编码认知无线电系统的优化算法。为研究的认知系统建立了模型,从用户在含有主用户群的多信道认知环境下利用无速率编码通信。根据信道“忙”“闲”状态的马尔科夫模型和从用户周期感知的数据传输机制,分析了从用户的认知通信对主用户造成的干扰,并得到了具体表达式。然后分析了从用户的认知通信吞吐量,得到了平均吞吐量和数据发送时长之间的关系。在保证从用户对主用户通信的干扰小于系统门限的条件下,优化了从用户认知通信的平均吞吐量。还分析了从用户发送端的能量消耗,提出的能量分配算法根据信道和系统特性分配从用户的感知能量和传输能量,有效地降低了从用户发送端的能量消耗,提高系统的能量利用率。
　　 本文的研究最终依靠软件无线电平台实现,在微软最新发布的Sora软件无线电平台上用C语言编程实现了认知环境下应用层Raptor码硬判决译码。还给出了自行设计的传统软件无线电平台的具体架构,可在FPGA上实现认知环境下物理层Raptor码软判决译码。