[發明專利]一種基于USRP的5G認知網絡系統架構及其方法

有效

• 申請號: 201710591215.9
• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN107592173B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 崔翠梅;楊德智;金石;朱錫芳;王旭旭
• 申請（專利權）人: 常州工學院
• 主分類號: H04B17/382
• 分類號: H04B17/382;H04B1/00;H04L27/12
• 代理公司: 常州西創專利代理事務所(普通合伙) 32472
• 代理人: 武政

1.一種基于USRP的5G認知網絡系統架構，其特征在于，包括USRP，所述USRP通過以太網與主機計算機PC相連接；

所述主機計算機PC中包括LabVIEW軟件平臺和NI USRP軟件套件，所述NI USRP軟件套件在LabVIEW中增加了NI-USRP驅動程序，所述LabVIEW軟件平臺中的程序通過NI-USRP驅動程序與所述USRP進行交互；

所述LabVIEW軟件平臺中的程序包括認知程序，所述認知程序包括接收無線信號和發射無線信號模塊、頻譜感知模塊、確定發射頻率模塊、音頻信號FM調制模塊以及FM信號解調模塊；

所述接收無線信號和發射無線信號模塊通過所述NI-USRP驅動程序的所述八個函數來實現接收無線信號和發射無線信號的過程；

所述頻譜感知模塊采用能量檢測的辦法來感知頻譜，具體如下：

在進行能量檢測之前，需要把時域內的信號轉換成頻域內的功率密度譜，轉換方法如下：通過公式(1)先求出時域函數X(t)的自相關函數R_x(τ)，再利用維納—欣欽定理，通過公式(2)求出指定頻段的功率譜密度S_x(f)；

R_x(τ)＝E[X(t)X(t+τ)] (1)

其中τ表示時移大小，t表示時域中的某一時刻，f表示頻段中的某一頻率，用H₀表示授權用戶PU不存在，H₁表示授權用戶PU存在，頻譜感知問題就轉換成下面公式(3)和公式(4)的假設檢驗模型：

H₀:x(i)＝w(i),i＝1,2,3...,N (3)

H₁:x(i)＝s(i)+w(i),i＝1,2,3...,N (4)

在公式(3)和公式(4)中，x(i)是接收到的信號，w(i)是均值為0，方差為σ²的高斯噪聲，s(i)是PU信號，N是數據點數，i為自然數，如果一個信號的均值為0，那么這個信號的方差也就是這個信號的平均功率，

而能量檢測的統計量可以表示成公式(5)：

根據中心極限定理，當N較大時，得到公式(6)和公式(7)的近似關系：

T|H₀～N(σ²,2σ⁴/N) (6)

T|H₁～N((1+γ)σ²,2(1+γ)²σ⁴/N) (7)

其中，～N表示統計量T服從高斯分布，γ表示信噪比(SNR)；根據上述的分布，如果判決門限λ已經確定，虛警概率P_f和檢測概率P_d可以表示成公式(8)和公式(9)：

其中Q(.)是正態分布尾部概率函數；

把公式(8)和公式(9)轉換成λ未知的形式，即如公式(10)和公式(11)表示：

把頻譜上的每個值與門限值進行比較，大于門限值的地方說明存在PU信號，小于門限值的地方說明不存在PU信號；

所述確定發射頻率模塊在得到了空閑頻帶以后，根據SU信號所占用的帶寬，利用確定發射頻率模塊判斷哪些空閑頻帶可用，若所述確定發射頻率模塊程序找到若干可用頻帶，這時確定發射頻率模塊會從可用頻帶中找到一個頻率作為認知用戶SU的發射頻率；

所述音頻信號FM調制模塊定義如下所示的公式(12)的正弦調制信號m(t)：

m(t)＝A_mcos(2πf_mt) (12)

A_m表示正弦調制信號的振幅，f_m表示正弦調制信號的頻率，它生成的FM信號的瞬時角頻率f_i(t)如公式(13)和公式(14)所示：

f_i(t)＝f_c+k_fA_mcos(2πf_mt) (13)

Δf＝k_fA_m (14)

Δf稱為頻偏，代表FM信號的瞬時頻率偏離載頻f_c最大值，k_f為單位調制電壓產生的頻率偏移；

由公式(13)得到FM信號的角度θ_i(t)如公式(15)和公式(16)所示：

頻偏Δf與調制頻率f_m的比值通常稱為FM信號的調制指數，用β表示，因而有公式(17)和公式(18)所示：

θ_i(t)＝2πf_ct+βsin(2πf_mt) (18)

而FM信號s(t)為公式(19)所示：

s(t)＝A_ccos[2πf_ct+βsin(2πf_mt)] (19)

或表示成如公式(20)所示的含有m(t)的形式：

根據調制指數β可用來區分頻率調制的兩種情況：

1.窄帶FM，β小于1弧度；

2.寬帶FM，β大于1弧度；

公式(20)定義了由正弦調制信號得到的FM信號，展開該式如公式(21)所示：

s(t)＝A_ccos(2πf_ct)cos[βsin(2πf_mt)]-A_csin(2πf_ct)sin[βcos(2πf_mt)] (21)

公式(21)中的β小于1弧度，所以有如公式(22)和公式(23)所示的近似式：

cos[βsin(2πf_mt)]≈1 (22)

sin[βcos(2πf_mt)]≈βcos(2πf_mt) (23)

公式(21)簡化成如公式(24)所示：

s(t)＝A_ccos(2πf_ct)-βA_csin(2πf_ct)cos(2πf_mt) (24)

公式(24)定義了由正弦信號A_mcos(2πf_mt)得到的窄帶FM信號的近似形式，該公式(24)對應的調制器將載波A_mcos(2πf_mt)分為兩路。一路是同相分量；另一路正交分量，兩路信號的和即為窄帶調制信號，通過該調制器就能實現調制功能；

所述FM信號解調模塊由公式(18)可以看出基帶信號m(t)存在FM調制信號的相位中，考慮FM信號相位的一階導數，可以得到公式(25)和公式(26)的結果：

由于FM系統的f_c一般遠大于最大頻偏Δf＝k_f|m(t)|_max，所以v(t)的包絡可以視為2πf_cA_c+2πk_fA_cm(t)，這樣就采用鑒頻法解調，鑒頻法解調過程實際上相當于微分加包絡檢波的方法。