[發(fā)明專利]一種基于USRP的5G認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)及其方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710591215.9
• 申請(qǐng)日: 2017-07-19
• 公開（公告）號(hào): CN107592173B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔翠梅;楊德智;金石;朱錫芳;王旭旭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 常州工學(xué)院
• 主分類號(hào): H04B17/382
• 分類號(hào): H04B17/382;H04B1/00;H04L27/12
• 代理公司: 常州西創(chuàng)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32472
• 代理人: 武政

1.一種基于USRP的5G認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，其特征在于，包括USRP，所述USRP通過以太網(wǎng)與主機(jī)計(jì)算機(jī)PC相連接；

所述主機(jī)計(jì)算機(jī)PC中包括LabVIEW軟件平臺(tái)和NI USRP軟件套件，所述NI USRP軟件套件在LabVIEW中增加了NI-USRP驅(qū)動(dòng)程序，所述LabVIEW軟件平臺(tái)中的程序通過NI-USRP驅(qū)動(dòng)程序與所述USRP進(jìn)行交互；

所述LabVIEW軟件平臺(tái)中的程序包括認(rèn)知程序，所述認(rèn)知程序包括接收無線信號(hào)和發(fā)射無線信號(hào)模塊、頻譜感知模塊、確定發(fā)射頻率模塊、音頻信號(hào)FM調(diào)制模塊以及FM信號(hào)解調(diào)模塊；

所述接收無線信號(hào)和發(fā)射無線信號(hào)模塊通過所述NI-USRP驅(qū)動(dòng)程序的所述八個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)接收無線信號(hào)和發(fā)射無線信號(hào)的過程；

所述頻譜感知模塊采用能量檢測(cè)的辦法來感知頻譜，具體如下：

在進(jìn)行能量檢測(cè)之前，需要把時(shí)域內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域內(nèi)的功率密度譜，轉(zhuǎn)換方法如下：通過公式(1)先求出時(shí)域函數(shù)X(t)的自相關(guān)函數(shù)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(shí)移大小，t表示時(shí)域中的某一時(shí)刻，f表示頻段中的某一頻率，用H₀表示授權(quán)用戶PU不存在，H₁表示授權(quán)用戶PU存在，頻譜感知問題就轉(zhuǎn)換成下面公式(3)和公式(4)的假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

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(hào)，w(i)是均值為0，方差為σ²的高斯噪聲，s(i)是PU信號(hào)，N是數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，i為自然數(shù)，如果一個(gè)信號(hào)的均值為0，那么這個(gè)信號(hào)的方差也就是這個(gè)信號(hào)的平均功率，

而能量檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)量可以表示成公式(5)：

根據(jù)中心極限定理，當(dāng)N較大時(shí)，得到公式(6)和公式(7)的近似關(guān)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(tǒng)計(jì)量T服從高斯分布，γ表示信噪比(SNR)；根據(jù)上述的分布，如果判決門限λ已經(jīng)確定，虛警概率P_f和檢測(cè)概率P_d可以表示成公式(8)和公式(9)：

其中Q(.)是正態(tài)分布尾部概率函數(shù)；

把公式(8)和公式(9)轉(zhuǎn)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(gè)值與門限值進(jìn)行比較，大于門限值的地方說明存在PU信號(hào)，小于門限值的地方說明不存在PU信號(hào)；

所述確定發(fā)射頻率模塊在得到了空閑頻帶以后，根據(jù)SU信號(hào)所占用的帶寬，利用確定發(fā)射頻率模塊判斷哪些空閑頻帶可用，若所述確定發(fā)射頻率模塊程序找到若干可用頻帶，這時(shí)確定發(fā)射頻率模塊會(huì)從可用頻帶中找到一個(gè)頻率作為認(rèn)知用戶SU的發(fā)射頻率；

所述音頻信號(hào)FM調(diào)制模塊定義如下所示的公式(12)的正弦調(diào)制信號(hào)m(t)：

m(t)＝A_mcos(2πf_mt) (12)

A_m表示正弦調(diào)制信號(hào)的振幅，f_m表示正弦調(diào)制信號(hào)的頻率，它生成的FM信號(hào)的瞬時(shí)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(hào)的瞬時(shí)頻率偏離載頻f_c最大值，k_f為單位調(diào)制電壓產(chǎn)生的頻率偏移；

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

頻偏Δf與調(diào)制頻率f_m的比值通常稱為FM信號(hào)的調(diào)制指數(shù)，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(hào)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(jù)調(diào)制指數(shù)β可用來區(qū)分頻率調(diào)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(diào)制信號(hào)得到的FM信號(hào)，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(jiǎn)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(hào)A_mcos(2πf_mt)得到的窄帶FM信號(hào)的近似形式，該公式(24)對(duì)應(yīng)的調(diào)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(hào)的和即為窄帶調(diào)制信號(hào)，通過該調(diào)制器就能實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能；

所述FM信號(hào)解調(diào)模塊由公式(18)可以看出基帶信號(hào)m(t)存在FM調(diào)制信號(hào)的相位中，考慮FM信號(hào)相位的一階導(dǎo)數(shù)，可以得到公式(25)和公式(26)的結(jié)果：

由于FM系統(tǒng)的f_c一般遠(yuǎn)大于最大頻偏Δf＝k_f|m(t)|_max，所以v(t)的包絡(luò)可以視為2πf_cA_c+2πk_fA_cm(t)，這樣就采用鑒頻法解調(diào)，鑒頻法解調(diào)過程實(shí)際上相當(dāng)于微分加包絡(luò)檢波的方法。