一种伪混沌认知超宽带频谱构形方法*

辛雁峰,卢 玲

(1.中国人民解放军94198部队,新疆哈密839101;2.武警工程大学信息工程系,陕西西安710086)

一种伪混沌认知超宽带频谱构形方法*

辛雁峰1,卢 玲2

(1.中国人民解放军94198部队,新疆哈密839101;2.武警工程大学信息工程系,陕西西安710086)

本文充分考虑了认知超宽带系统频谱构形的物理层实现难度,进而选择伪混沌脉冲位置调制(Pseudo-Chaotic Pulse Position Modulation,PCPPM)作为超宽带系统调制方式。分析了PCPPMUWB脉冲信号频谱特性,实验证明PCPPM-UWB脉冲信号的连续谱线部分具备类噪声特性可以与窄带系统共存,而离散谱线部分干扰强度大,无法与窄带系统共存。在此基础上提出了一种基于PCPPM的认知超宽带频谱构形方法,该方法通过改变PCPPM调制参数将离散谱线移出主用户频带范围,使主用户带宽内仅存在功率受限的连续谱部分,这样可以保证当主用户恢复传输时不会受到认知用户的强干扰,且认知用户也不会出现因切换频段而造成通信中断问题。

认知超宽带 频谱构形 伪混沌脉冲位置调

0 引 言

为了进一步提高频谱利用率,认知超宽带(Cognitive UWB,CUWB)技术应运而生,CUWB系统以超宽带作为认知无线电系统的物理层,依据对外界无线环境的感知结果,自适应设定频谱掩模,并进一步改变其传输参数(功率、波形、速率等),实现UWB系统和现有窄带系统的无缝共存[1-2]。动态频谱构形是认知超宽物理层的关键技术,目前在该方面的研究通常集中于构建灵活的脉冲波形/频谱,即根据对外界无线环境所检测的情况,认知无线电能够高度灵活地确定其占用频段及使用频谱的形状[3]。这里有两种观点,一是UWB的频谱是类噪声的,不会对窄带系统造成影响;另一个观点则对此不认同(如某些国家的无线电管理机构的观点),这也是CUWB出现的初衷,据此为了防止UWB信号的干扰,认知用户需要根据主用户出现位置设定频

谱零点,并形成发射的脉冲波形。在具体实现时是通过基本脉冲的组合来实现的,这些基本脉冲可以是规则的(具有相同的信号带宽),也可以是不规则的,根据主用户出现情况,设定参与组合脉冲的形式和数量,形成具有特定零陷点的频谱结构[4]。脉冲的类型可以是高斯脉冲、Sinc脉冲、PSWF脉冲、APSWF脉冲,Hermite脉冲等。但在实践中可以看到,由于ADC、DAC器件性能的限制,实现理想脉冲波形是困难的,另外由于天线的微分效应等影响,在射频实现时会出现波形失真,所以还需要考虑预处理手段,而且这要求CUWB系统能够适应多种类型脉冲的有效接收和发射,实现难度大。因此本文希望寻求一种实现难度和共存性折中的频谱构形方法。

1 PCPPM调制信号模型

由于脉冲位置调制(PPM)只需要产生单一的脉冲波形,这在认知超宽带物理层实现上具有很大的优势,但其频谱存在很强的离散谱线,会对其他系统造成严重干扰。为了解决这一问题,本文选用伪混沌脉冲位置调制技术(PCPPM)作为认知超宽带物理层信号调制技术[5],该调制方式利用伪混沌编码随机控制脉冲出现的位置,脉冲间隔Tn为有限个离散取值,

其中,dPCPPM为调制幅度;In为对应Tn的状态空间的标示,为保证脉冲发射次序不发生逆转,一般取为正整数,且0＜In≤NPCPPM,NPCPPM为混沌系统状态空间量化最大值;Sn是发送信息;FPCPPM表示混沌序列的迭代过程函数,本文采用Tent映射[6]。假设对混沌映射进行3 bit量化,则脉冲间隔Tn的取值有8种可能,即dPCPPM、2dPCPPM、…、8dPCPPM,其中dPCPPM为调制幅度。通过蒙特卡罗实验仿真证明每种脉冲间隔出现的概率是相同的。

若将时间轴划分为宽度为dPCPPM的时隙,定义脉冲在每个时隙内出现的平均概率为PPCPPM,则根据二进制随机连续脉冲序列功率谱密度表达式[7],可将PCPPM-UWB信号的功率谱密度ζPCPPM(f)表示为:

其中,g(t)为PCPPM-UWB系统发射的脉冲信号,G(f)为脉冲g(t)的傅里叶变换,n为正整数。由式(3)可知,该频谱中存在离散谱线,出现在n/dPCPPM处,说明离散谱线的出现位置只与调制幅度dPCPPM有关。因此只要改动参数dPCPPM即可轻松的控制离散谱的位置。

2 PCPPM-UWB信号对窄带系统的干扰

本节通过蒙特卡罗实验分析PCPPM信号连续谱线和离散谱线部分对窄带系统的干扰强度。为了不失一般性,本章假设窄带无线通信系统是一个以正弦波作为载波、能量相等、待传输码元先验概率相等、互不相关的BPSK信号最佳接收系统,假设传输信道为加性高斯白噪声(AWGN)信道。

2.1 连续谱线对窄带系统的影响

仿真参数选择为:(1)窄带系统参数为:载波频率fc=5 GHz;比特速率为20×106bit/s;采样频率fs=50 GHz。(2)PCPPM-UWB系统参数为:采样频率fs=50 GHz;PCPPM调制幅度dPCPPM=0.5 ns;超宽带脉冲为高斯单脉冲,脉冲成形因子α=0.2 ns,每个超宽带脉冲调制1比特信息。

假设正弦波幅度Asin=0.5,调制参数dPCPPM= 0.5 ns,=5 dB,其中为窄带系统带宽范围内PCPPM-UWB信号连续谱线的平均功率谱密度,采样带宽范围内,PCPPM-UWB信号和BPSK窄带信号叠加的频谱如图1所示。由图1可知, PCPPM-UWB信号对窄带信号的干扰连续存在于整个窄带系统带宽范围内且为平滑谱线,幅度近似相等,与噪声谱类似,窄带系统带宽范围外存在离散谱线,且离散谱线强度远高于连续谱线。

图1 采样带宽范围内信号频谱(Eb/UWB=5 dB dPCPPM=0.5 ns)Fig.1 Spectrum in sampling bandwidth (Eb/UWB=5 dB dPCPPM=0.5 ns)

此时,将BPSK系统与PCPPM-UWB系统同时工作时(此时接收信号中仅包含BPSK信号和PCPPM-UWB信号,不考虑噪声信号),BPSK窄带系统的误码率性能与BPSK系统在AWGN信道下的误码率性能进行对比,性能曲线如图2所示。由图2可知,PCPPM-UWB中平滑谱线对窄带系统的干扰与高斯白噪声对窄带系统的干扰类似,平滑谱线的干扰强度比噪声干扰弱2 dB。

图2 误码率性能对比(dPCPPM=0.5 ns)Fig.2BERcomparison(dPCPPM=0.5 ns)

2.2 离散谱线对窄带系统的影响

当调制参数dPCPPM=0.8 ns,Eb/UWB=5 dB时,窄带系统带宽范围内,PCPPM-UWB信号和窄带信号叠加的频谱如图3所示。由图3可知,PCPPMUWB信号频谱第四根离散谱线位置为FD4=4/ dPCPPM=5 GHz,即窄带系统中心频率位置存在PCPPM-UWB信号离散谱线,此时窄带系统既受到平滑谱线的干扰又受到离散谱线的干扰。

图3 窄带系统带宽范围内信号频谱(Eb/UWB=5 dB dPCPPM=0.8 ns)Fig.3 Spectrum in narrowband system bandwidth (Eb/UWB=5 dB dPCPPM=0.8 ns)

下面通过仿真实验研究该情况下窄带BPSK系统误码率性能,并将其与只受到噪声干扰时的窄带系统误码率性能进行对比,性能曲线如图4所示。为了与连续谱线对窄带系统的干扰强度形成对比,所以当选择Eb/UWB作为衡量窄带BPSK系统性能的标准时,UWB仍为PCPPM-UWB系统发射信号的平滑谱线部分平均功率谱密度。

图4 误码率性能对比(dPCPPM=0.8 ns)Fig.4BERcomparison (dPCPPM=0.8 ns)

图4说明当窄带系统带宽范围内同时存在PCPPM-UWB信号平滑谱线和离散谱线时,要想保证BPSK窄带系统正常工作,平滑谱线部分必须满足Eb/UWB大于27 dB;考虑到当窄带系统仅受到AWGN干扰时,Eb/N0大于8 dB,窄带系统便能正常工作,因此PCPPM-UWB信号离散谱线对窄带系统的干扰强度远大于高斯白噪声和其平滑谱线部分,不具备类噪声特性。

3 频谱成形方法

综上所述,采用PCPPM-UWB系统作为CUWB系统物理层时具有以下优势:

1)PCPPM-UWB信号的平滑谱线部分具有类噪声性质,可以通过限制其发射功率实现以频谱覆盖(Spectrum Underlay)的方式与窄带系统共用频带;

2)PCPPM-UWB系统仅需要改变一个系统参数,即调制幅度dPCPPM,就可以灵活改变离散谱线位置,使其移出窄带系统的带宽范围,避免对窄带系统造成干扰,不需要改变其他系统参数,实现复杂度低。

认知超宽带系统在通过频谱感知过程对周围无线电环境进行侦听并构建了相应的辐射模板之后,我们要解决的问题就是进行快速高效的频谱成形

(Spectrum Shaping),以实现UWB系统在共享频谱的时候不能对已经授权的窄带通信系统造成干扰。

根据上面对PCPPM-UWB信号不同频率成分对窄带系统的干扰分析,本文提出了一种基于PCPPM的认知超宽带频谱成形方法。如图5所示,如果CUWB用户占用的授权频带上主用户信号重新开始传输,PCPPM-UWB系统仅需改变调制幅度dPCPPM,使离散谱线避开主用户使用频带,便可以继续以频谱覆盖(Spectrum Underlay)的方式与窄带系统共存,保证了认知用户在切换频段时不间断工作。论文第二节中,我们仿真证明了通过改变调制幅度dPCPPM,就可以改变离散谱线的位置,从而使其避开主用户工作频段,如图1和3所示。

图5 基于PCPPM的认知超宽带频谱成形方法Fig.5 Cognitive UWB spectrum shaping scheme based on PCPPM

4 结 语

本文首先分析了PCPPM-UWB信号的频谱特性,说明其频谱存在离散谱线和连续谱线两部分,但可以通过调整调制幅度dPCPPM控制离散谱线位置。接下来精细化研究了PCPPM-UWB信号不同频率成分对窄带系统的干扰强度,实验证明PCPPMUWB信号平滑谱线部分具备类噪声特性,且其对窄带系统的干扰强度比高斯白噪声对窄带系统的干扰强度弱2 dB;离散谱线部分不具备类噪声特性,无法与窄带系统以频谱覆盖的方式共用频带。在此基础上提出了一种基于PCPPM-UWB的认知超宽带频谱成形方法,该方法通过改变调制幅度dPCPPM使离散谱线避开主用户带宽范围,可以保证认知用户当主用户恢复传输时快速不间断的切换频段。

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辛雁峰(1981—),男,硕士,工程师,主要研究方向为超宽带、认知无线电;

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

卢 玲(1985—),女,硕士,助教,主要研究方向为信号处理、超宽带。

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