文摘

在无线通信领域最感兴趣的认知无线电的概念。由于其得天独厚的传播特性,电视空白可以被认为成为认知无线电的第一个商业应用程序。它允许使用二次non-occupied频带通信系统。在这篇文章中,介绍了频谱感知算法的三个主要中国电视标准DTMB, CMMB, PAL-D / K。原型平台及其底层架构提出了基于DSP和FPGA的插图包括认知无线电的应用程序的设置。此外,遥感算法的性能上实现原型平台相比,仿真结果所示。

1。介绍

近十年来显示增加利益领域的认知无线电(CR)无线通信系统。它被认为是一个关键技术,显著缓解频谱稀缺。

电视空白(TVWS),指non-occupied频段电视频谱,900 MHz以下,是一个理想的目标CR-based频谱共享由于其有利的传播属性比其他频率范围一方面和另一方面由于它的低利用率(1]。因此,在TVWS部署CR机制可能会成为第一个商业应用,将CR从概念到现实。在美国,美国联邦通信委员会已经正式请求允许未经授权的用户重用电视乐队没有现任用户造成干扰(2]。在其他国家,相应的监管部门,如接受在欧洲发展的法规在TVWS未经授权的使用。除了监管当局,工作组等IEEE 802.22 [3)已经开始认知无线电应用程序的标准化。

频谱感知是CR及其应用的一个关键要素TVWS已被广泛研究。然而,存在各种不同的电视标准可能不同于国家,特别是对数字电视标准。而在北美电视(先进的电视系统委员会)部署,在欧洲,南亚,非洲,优质/ H(数字视频Broadcasting-Terrestrial /手持)起主要作用。进一步ISDB(综合服务数字广播)等标准开发的日本或DMB(数字多媒体广播)发达在韩国也使用在不同的国家(4]。因此,设计一个通用遥感算法几乎是可行的所有电视标准。本文对中国电视标准使用自相关频谱感知方法。尽管自相关的方法被广泛研究了频谱感知的目的,应用中国电视标准还没有被认为是彻底的。

在中国,主要是三个陆地和手持电视标准部署:DTMB(地面数字多媒体广播)5]因为地面接待,CMMB(中国移动多媒体广播)6]因为手持接待和PAL-D / K(阶段交替线)7为模拟电视)。而美国等其他国家已经停止提供模拟电视,全国电视从模拟到数字的转换不会发生,直到2015年。因此,数字电视的模拟电视仍将共存很多年了。然而,测量通道入住率透露很多虽然提供的模拟电视仍未使用的通道。结果,两个模拟和数字信号的检测是CR实现所必需的。

频谱感知的需求在中国是基于IEEE 802.22规范。即感知阈值产生−−114 dBm 6 MHz通道带宽112.8 dBm 8 MHz宽渠道。模拟电视的阈值是114−100千赫带宽产生−95.0 dBm dBm 8 MHz带宽。

英国和美国是最活跃的国家利用TVWS的未经授权的使用。电视信号的光谱传感技术已经深入研究。几个检测算法对电视及其模拟前任NTSC(国家电视系统委员会)可以在IEEE 802.22标准中找到(8]。2008年,一个传感原型测试活动是由FCC (9]。作为一个例子,摩托罗拉,飞利浦,I2R提交他们的原型设计已被测试在实验室和在田里。结果表明,电视和NTSC信号可以正确检测到有一定概率的。作为另一个广泛使用的电视标准,优质的也被集中研究了频谱感知。在[10),一个健壮的传感方法讨论了使用一个原型传感器由飞利浦。几个检测算法为中国标准,DTMB,也一直在研究和出版11,12]。本文实验光谱传感原型平台,提出了中国电视标准和结果进行了讨论。

本文的结构如下。部分2介绍了中国电视DTMB标准,CMMB, PAL-D / K。中给出的相应的传感算法部分3。节4原型平台,包括频谱感知的信号流操作。部分5显示选定的结果比较模拟算法的性能和性能测量与原型平台。最后,给出一个结论。

2。中国电视标准

本节的目的是给各种中国电视标准的简要概述。重点是基于功能的信号检测的主要方面相关。电视系统的完整描述,请参考[5- - - - - -7]。

2.1。DTMB

DTMB,也称为DMB-T(数字多媒体Broadcast-Terrestrial),在中国是一个强制性的电视标准。DTMB可用于单载波或基于模式。三个选举委员会(前向纠错)代码,5个灯的订单,和两个交错的深度为DTMB[指定5]。DTMB发射机的框图如图1。

DTMB定义了三种不同的标题类型具有不同的长度。架体本身的固定长度为500年代。DTMB的框架结构,包括不同的标题类型如图2。框架的分层次结构在一个日历天内,一分钟,和一个超帧。一个日历日框架持续24小时,包含1440分钟每帧的时间一分钟。每分钟,反过来,由480名超级帧。一个超帧由225帧的帧头模式1或216帧的帧头模式2或200帧的帧头模式3。

三帧头是由不同的发电机多项式(5] 对于模式1, 为模式2, 模式3。序列的生成可以通过一个线性反馈移位寄存器实现。帧头模式上的选择取决于所需的覆盖和固定一次传输已经开始。

2.2。CMMB

CMMB系统完全基于著名的OFDM(正交频分复用)。发射机结构如图3。结合Reed-Solomon (RS)和低密度奇偶校验(LDPC)码用于选举委员会。与许多其他OFDM系统,如优质的13)的OFDM符号长度在时域不仅是延长插入循环前缀长度),但它也延长pre-guard间隔和post-guard区间的长度每一个。如图4的post-guard间隔一定的OFDM符号CMMB与pre-guard间隔的随后的象征6]。

在CMMB,一帧的时间1 s,由40个时段。每个时间段都包含一个灯塔,53个OFDM符号。灯塔包含发射机标识字段和两个同步信号。OFDM符号包括data-bearing副载波以及飞行员副载波。这些试点副载波分为连续的飞行员和分散飞行员(6]。

2.3。PAL-D / K

各种不同的PAL-based标准存在的主要差异在通道带宽或潜在的调制方案。PAL标准在中国使用叫做PAL-D / K与8 MHz通道带宽,50赫兹场频率,每帧625行(7]。PAL信号由单独的视频和音频部分组成。在这篇文章中,只有视频带宽占用的部分频谱感知。朋友使用的视频信号是一个CVBS(彩色视频,消隐和同步)信号的扩展单色根据视频、消隐和同步信号。根据信号的快照如图5。除了视频信号,根据信号有一些额外的组件,例如需要在接收机同步。黑色电平信号组件后,视频信号被称为前门廊,门廊,分别。在图所示的时间值5是PAL-D / K标准兼容。一行的总持续时间是64年年代导致线频率15625赫兹(7]。

3所示。频谱感知算法

简要介绍各种后中国电视标准,本节描述频谱感知算法。所有算法的共同点,他们都是基于自相关的数字基带信号。一般来说,自相关函数复杂的信号被定义为 在哪里表示复杂的共轭。

3.1。DTMB

在DTMB,帧头定期出现在每一帧的开始,可以利用感应操作。提出autocorrelation-based感应DTMB算法可以分为三个阶段:(我)自相关阶段,(2)comb-correlation阶段,(3)决策阶段。

算法的流程图如图6。自相关的数字化基带信号乘以延迟和延迟的信号本身的复杂的共轭版本取决于帧头模式。在未知情况下,帧头模式,算法需要进行分别为每一帧头模式。正在运行的平均滤波器堆积一定数量的乘法的输出样本。造成的期刊外观帧头,第一阶段的输出是应用于梳理相关器相关狄拉克梳子有距离相应的帧头期, 这个阶段允许收集的能量传感中的所有帧周期。累积的平方级comb-correlation输出决策阶段。在这个阶段,比率最大和平均的前一阶段的输出计算: 通过应用一个不痒的决定度量的概率,衡量DTMB信号生成的存在。此外,比较比率阈值给出了一个艰难的决定对DTMB信号的存在。这个阈值是由使用一个阈值指标基于可用的传感区间和所需的虚警概率。

通过使用比例决定对DTMB信号的存在,提出了算法健壮的反对以及不同信噪比和动态范围变化,因此,独立于底层AGC(自动增益控制)的实现。

3.2。CMMB

传感算法CMMB DTMB传感算法非常相似。如部分所示2,CMMB使用循环重复的某些部分的OFDM符号,表示循环前缀。因为这等于循环前缀的最后部分相应的OFDM符号,它非常适合感应操作。算法的总体数据流DTMB算法描述图是一样的6。然而,必须根据计时CMMB参数。

3.3。PAL-D / K

PAL-D / K的遥感算法依赖于某些部分CVBS的周期性信号如图5。CVBS信号展览同步脉冲的周期模式在每个传输线路产生的电视画面。除了同步脉冲本身的长度,前面和后面门廊的长度和分别可以用于传感目的。连续两个同步脉冲之间的时间间隔。PAL-D / K传感算法的流程图如图7和由两个阶段组成:(我)自相关阶段,(2)决策阶段。而延迟自相关对应的周期性CVBS信号,运行的长度平均过滤器设置。这提高了视频信号的传感性能利用相似性连续线。在决策阶段,自相关阶段的输出的平均值计算。决策阶段的剩余部分中相应的部分完全相同的决定阶段对DTMB和CMMB信号。

4所示。频谱感知原型平台

本节介绍了潜在的光谱遥感应用程序原型平台。这里给出的频谱感知原型是一个功能模块的一部分TVWS设备利用non-occupied辅助通信系统频率。TVWS设备可以是一个基站和用户设备。传感原型必须能够与TVWS交互设备。同步需要匹配的平静时期用于感应操作。因此,两个接口定义的传感原型:(我)接口的外部时钟源原型可以TVWS设备的同步信号。(2)接口与频谱管理实体的感知可以传输请求和遥感结果。

频谱感知的实体的框图如图8。它由一个射频前端,混合信号子卡和C6455 DSP(数字信号处理器)Starter Kit (DSK)。射频前端的核心部分是一个商用调谐器模块。它接收射频信号通过天线,down-converts中频(如果有)。这个模拟信号的混合信号的女儿卡和数字化使用AD6655模拟-数字转换器(ADC)的模拟设备。进一步筛选和死亡进行FPGA(现场可编程门阵列)驻留在子卡。数字基带信号传输到DSP位于卡恩。转移是通过DMA(直接存储器存取)进行使用德州仪器专用EMIF(外部存储器接口)。DSP本身是一个功能强大的德州仪器TMS320C6455 1.2 GHz系统时钟。各种电视标准的遥感算法在DSP和结果进行传输的频谱管理实体被实现为一个程序在电脑上运行。 The connection is realized using an Ethernet interface.

在DSP的信号流如图9。来自FPGA的数字基带数据存储在一个本地缓冲DSP。控制单元,它本身是直接控制频谱管理实体,定义了探测器的信号传递。有不同的操作模式根据先验知识基础电视使用。如果感兴趣的频段可能只使用一个电视标准,该信息传达给控制单元,因此只有相应的检测算法。否则,以防这个频段可以使用任何可用的电视标准,控制单元通过捕获的数据首先DTMB探测器CMMB探测器紧随其后,最后,PAL-D / K探测器。所有探测器的输出不痒的决定然后处理组合指标给一个总体信息的存在这些信号。

一个图形用户界面(GUI)开发,允许一个简单的配置传感参数和立即感知结果的演示。同步信号是由华为商用LTE eNodeB生成。它的信号接收和解码的频谱感知的实体与LTE(长期演进)数据同步传输。

摄影的频谱感知原型图10。它显示了前面所提到的三种模块与射频前端在顶部和底部的卡恩。在之间,PCB的女儿卡所在地。此外,一个单独的PCB位于右侧为调试和与实体同步。

5。结果

本节给出仿真结果和实验测量结果前面提出的遥感算法。电视信号是由一个罗德与施瓦茨信号发生器。信号发送到原型模块检测。此外,实际的信号功率使用罗德与施瓦茨功率计测量。参数的模拟,以及用于测量如下:带宽用于所有电视标准是8 MHz和传感区间设置为20毫秒。选择目标虚警概率为10%和0.1%,而目标探测概率是90%。的模拟,图8分贝的噪音。图11显示了检测概率与接收到的信号功率。认为DTMB信号使用帧头模式1。蓝色曲线显示仿真结果的虚警概率为10%和0.1%,分别。红色的曲线显示相应的测量结果。为目标检测概率为90%,测定结果3 dB 4 dB比仿真结果。用给定的算法,因此,约110−dBm的敏感性和−108.5 dBm可以达到硬件设置。有几个原因可能导致这种退化。模拟假设一个完美的AGC在真实系统的最大增益是有限的调谐器模块导致增加量化噪声极低的权力在调谐器的输入信号。电视调谐器显示高度不稳定行为的振幅和相位,当输入信号很弱。这种财产的结果的调谐器是专为接收电视信号在更高功率水平。 The required sensing sensitivity is much higher than the TV receiver sensitivity. This causes unexpected distortion when the signal level is below the target receiver sensitivity. This aspect is also the reason why autocorrelation algorithms are favorable compared to cross-correlation algorithms. Cross-correlation algorithms suffer more seriously from such distortions of the tuner, leading maximally to the same overall performance as the autocorrelation algorithms although in simulations such cross-correlation algorithms perform better than their autocorrelation counterparts. However, the computational complexity of cross-correlation implementations is much higher and, hence, autocorrelation algorithms are preferred. Further reasons for the difference between the simulated and measured sensing results are effects such as frequency offsets and amplifier non-linearities in the RF stage which cannot be avoided in hardware implementations and may lead to significant performance degradations. However, these effects have not been considered in the simulations.

图12显示了CMMB结果。再次,几乎3 dB的测量性能的退化比模拟性能可以被识别。与实现算法,一个敏感性−111 dBm ()和−109.5 dBm (),分别可以达到给定目标探测概率为90%。

PAL-D / K,测量性能比模拟性能,如图13。性能损失源于一个贡献额外的信号处理的步骤,这是必要的提取CVBS信号从接收到的信号PAL-D / K。这些信号处理步骤之前需要进行遥感操作。然而,实现它们的处理延迟最小化的一种方法,而不是使用最有效的动态范围。这会导致一个重大的性能退化仿真结果相比基于浮点计算没有任何约束的动态范围。PAL-D / K的感知阈值是102−dBm。

仿真结果表明,该传感算法适合满足中国频谱感知需求。然而,在数字电视标准DTMB和CMMB,略失败要求使用传感测量间隔20毫秒。在模拟电视的标准PAL-D / K,需求更放松,这样即使是仿真结果之间的显著差异和测量,结果是充分的为中国频谱感知的需求。

6。结论

在这篇文章中,认知无线电的应用程序对中国电视空白处理。因此,频谱感知算法的三个主要中国电视标准。介绍了原型平台和信号流所允许的电视DTMB标准,CMMB和PAL-D / K。性能结果表明,开发的平台允许信号检测即使在非常低的水平的接收功率。考虑10%的虚警概率和目标检测概率为90%,原型平台实现灵敏度−110 dBm DTMB, CMMB和PAL-D / K敏感性−111 dBm和−102 dBm,分别。