[发明专利]一种基于USRP的5G认知网络系统架构及其方法

权利要求书

1.一种基于USRP的5G认知网络系统架构，其特征在于，包括USRP，所述USRP通过以太网与主机计算机PC相连接；

所述主机计算机PC中包括LabVIEW软件平台和NI USRP软件套件，所述NI USRP软件套件在LabVIEW中增加了NI-USRP驱动程序，所述LabVIEW软件平台中的程序通过NI-USRP驱动程序与所述USRP进行交互；

所述LabVIEW软件平台中的程序包括认知程序，所述认知程序包括接收无线信号和发射无线信号模块、频谱感知模块、确定发射频率模块、音频信号FM调制模块以及FM信号解调模块；

所述接收无线信号和发射无线信号模块通过所述NI-USRP驱动程序的所述八个函数来实现接收无线信号和发射无线信号的过程；

所述频谱感知模块采用能量检测的办法来感知频谱，具体如下：

在进行能量检测之前，需要把时域内的信号转换成频域内的功率密度谱，转换方法如下：通过公式(1)先求出时域函数X(t)的自相关函数R_x(τ)，再利用维纳—欣钦定理，通过公式(2)求出指定频段的功率谱密度S_x(f)；

R_x(τ)＝E[X(t)X(t+τ)] (1)

其中τ表示时移大小，t表示时域中的某一时刻，f表示频段中的某一频率，用H₀表示授权用户PU不存在，H₁表示授权用户PU存在，频谱感知问题就转换成下面公式(3)和公式(4)的假设检验模型：

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)是接收到的信号，w(i)是均值为0，方差为σ²的高斯噪声，s(i)是PU信号，N是数据点数，i为自然数，如果一个信号的均值为0，那么这个信号的方差也就是这个信号的平均功率，

而能量检测的统计量可以表示成公式(5)：

根据中心极限定理，当N较大时，得到公式(6)和公式(7)的近似关系：

T|H₀～N(σ²,2σ⁴/N) (6)

T|H₁～N((1+γ)σ²,2(1+γ)²σ⁴/N) (7)

其中，～N表示统计量T服从高斯分布，γ表示信噪比(SNR)；根据上述的分布，如果判决门限λ已经确定，虚警概率P_f和检测概率P_d可以表示成公式(8)和公式(9)：

其中Q(.)是正态分布尾部概率函数；

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

把频谱上的每个值与门限值进行比较，大于门限值的地方说明存在PU信号，小于门限值的地方说明不存在PU信号；

所述确定发射频率模块在得到了空闲频带以后，根据SU信号所占用的带宽，利用确定发射频率模块判断哪些空闲频带可用，若所述确定发射频率模块程序找到若干可用频带，这时确定发射频率模块会从可用频带中找到一个频率作为认知用户SU的发射频率；

所述音频信号FM调制模块定义如下所示的公式(12)的正弦调制信号m(t)：

m(t)＝A_mcos(2πf_mt) (12)

A_m表示正弦调制信号的振幅，f_m表示正弦调制信号的频率，它生成的FM信号的瞬时角频率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称为频偏，代表FM信号的瞬时频率偏离载频f_c最大值，k_f为单位调制电压产生的频率偏移；

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

频偏Δf与调制频率f_m的比值通常称为FM信号的调制指数，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信号s(t)为公式(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：

根据调制指数β可用来区分频率调制的两种情况：

1.窄带FM，β小于1弧度；

2.宽带FM，β大于1弧度；

公式(20)定义了由正弦调制信号得到的FM信号，展开该式如公式(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)简化成如公式(24)所示：

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

公式(24)定义了由正弦信号A_mcos(2πf_mt)得到的窄带FM信号的近似形式，该公式(24)对应的调制器将载波A_mcos(2πf_mt)分为两路。一路是同相分量；另一路正交分量，两路信号的和即为窄带调制信号，通过该调制器就能实现调制功能；

所述FM信号解调模块由公式(18)可以看出基带信号m(t)存在FM调制信号的相位中，考虑FM信号相位的一阶导数，可以得到公式(25)和公式(26)的结果：

由于FM系统的f_c一般远大于最大频偏Δf＝k_f|m(t)|_max，所以v(t)的包络可以视为2πf_cA_c+2πk_fA_cm(t)，这样就采用鉴频法解调，鉴频法解调过程实际上相当于微分加包络检波的方法。