【摘要】：計算機和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，促進了通信技術(shù)的快速革新。當前廣泛使用的無線通信技術(shù)在人們的工作和生活中扮演著越來越重要的角色。與此同時，隨著人們對于高速多媒體無線通信網(wǎng)絡(luò)需求的不斷增長，使得無線通信對無線電頻譜資源需求與當前頻譜固定分配策略下頻譜利用率低下的矛盾變得越來越突出。認知無線電是一種具有頻譜感知和智能決策能力的軟件無線電，不僅能夠提高無線電頻譜資源的利用率，還將進一步提高通信系統(tǒng)的智能水平。認知無線電處理器在軟件無線電處理器的需求之上，增加了頻譜感知、可重構(gòu)計算和智能決策等更多的功能和更高的計算性能需求。因此，對面向認知無線電的數(shù)字信號處理器體系結(jié)構(gòu)進行深入研究具有十分重要的意義。本文在國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目和多個國家自然科學基金項目的支持下，對認知無線電的頻譜感知算法和體系結(jié)構(gòu)、認知無線電可重構(gòu)基帶處理器體系結(jié)構(gòu)以及自主認知無線電節(jié)點體系結(jié)構(gòu)等方面展開了深入的分析研究，主要工作包括： 1、基于能量檢測的認知無線電頻譜盲感知算法和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)。頻譜盲感知對于認知無線電系統(tǒng)實現(xiàn)來說十分重要，為了加速能量檢測計算和適應變化的檢測精度需求，設(shè)計實現(xiàn)了一種具有動態(tài)可重構(gòu)功能的流水線體系結(jié)構(gòu)的FFT處理器，能夠重構(gòu)處理64到2048點的FFT計算，同時保持了良好的功耗和面積開銷。提出了兩階段能量檢測算法，基于這一算法和可重構(gòu)FFT處理器設(shè)計實現(xiàn)了檢測性能可調(diào)的能量檢測器。 2、基于循環(huán)平穩(wěn)特征檢測算法的并行實時頻譜感知協(xié)處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)。循環(huán)平穩(wěn)特征檢測廣泛應用于窄帶信號到達角估計、信號識別以及雷達信號參數(shù)估計等領(lǐng)域，但是由于較高的計算復雜度一直限制其作為實時信號處理的工具。提出了一種計算高效的并行循環(huán)平穩(wěn)特征檢測算法，并在多核軟件無線電處理器了進行了算法映射和實現(xiàn)驗證，對于8MHz的32768次采樣，頻譜感知時間為78.8ms�；诓⑿醒h(huán)平穩(wěn)特征檢測算法，設(shè)計實現(xiàn)了并行循環(huán)平穩(wěn)特征檢測器體系結(jié)構(gòu)。能量檢測器具有實現(xiàn)簡單的優(yōu)點，可以作為粗粒度頻譜盲感知的手段，基于本文提出的可重構(gòu)FFT處理器，設(shè)計實現(xiàn)了具有能量感知和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測功能的可重構(gòu)頻譜感知協(xié)處理器，實現(xiàn)了頻譜感知性能和功耗開銷的平衡。 3、面向認知無線電的可重構(gòu)基帶處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)。認知無線電可重構(gòu)基帶處理對數(shù)字信號處理器提出了新的挑戰(zhàn)，提出了認知無線電基帶系統(tǒng)模型，分析了以NC-OFDM為傳輸技術(shù)的基帶處理計算特征。為了滿足認知無線電對動態(tài)可重構(gòu)的功能需求，提出了面向基帶處理應用的可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計實現(xiàn)了基于這一模型的可重構(gòu)多處理器體系結(jié)構(gòu)CORA，實驗結(jié)果表明，這一體系結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足基于NC-OFDM技術(shù)的認知無線電基帶處理計算需求。 4、自主認知無線電概念模型、認知圈和自主認知無線電節(jié)點體系結(jié)構(gòu)原型設(shè)計實現(xiàn)。為了實現(xiàn)從頻譜感知認知無線電到理想認知無線電的演進，研究了自主系統(tǒng)設(shè)計原則并證明了理想認知無線電認知圈與自主系統(tǒng)設(shè)計原則的一致性，提出了自主認知無線電概念模型和自主認知無線電認知圈，給出了自主認知無線電概念模型相關(guān)部件的功能和詳細定義�；谧灾魍ㄐ砰_源平臺ACE Toolkit，，設(shè)計實現(xiàn)了自主認知無線電模擬環(huán)境。設(shè)計實現(xiàn)了MPSoC結(jié)構(gòu)的自主認知無線電節(jié)點體系結(jié)構(gòu)原型ACRA，將IEEE802.22協(xié)議規(guī)定的認知無線電功能定義映射到ACRA上的實驗結(jié)果表明ACRA在頻譜管理上的合理性以及頻譜感知性能上的優(yōu)勢。 綜上所述，本文針對面向認知無線電的數(shù)字信號處理器體系結(jié)構(gòu)技術(shù)進行了研究，提出了面向認知無線電的頻譜感知協(xié)處理器，認知無線電基帶處理模型和可重構(gòu)基帶處理器以及自主認知無線電節(jié)點體系結(jié)構(gòu)模型和原型實現(xiàn)，對于推動認知無線電的相關(guān)研究和體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)具有一定的意義和價值。
[Abstract]:The rapid development of computer and microelectronics technology has promoted the rapid innovation of communication technology. The widely used wireless communication technology is playing a more and more important role in people's work and life. At the same time, with the increasing demand for high-speed multimedia wireless communication network, wireless communication on radio. Cognitive radio is a kind of software radio with spectrum sensing and intelligent decision-making ability. It can not only improve the utilization of radio spectrum resources, but also further improve the intelligence level of communication system. Line processor adds more functions and higher computational performance requirements such as spectrum sensing, reconfigurable computing and intelligent decision-making to the needs of software radio processors. Therefore, it is of great significance to study the architecture of digital signal processor for cognitive radio in depth. With the support of the project of Technology Research and Development and several projects of National Natural Science Foundation of China, the spectrum sensing algorithm and architecture of cognitive radio, the reconfigurable baseband processor architecture of cognitive radio and the node architecture of autonomous cognitive radio are studied in depth.
1. Design and implementation of spectrum blind sensing algorithm and architecture for cognitive radio based on energy detection. Spectrum blind sensing is very important for the implementation of cognitive radio system. In order to accelerate the calculation of energy detection and adapt to the requirements of changing detection accuracy, a pipeline architecture with dynamic reconfigurable function is designed and implemented. The FFT processor can reconstruct the FFT computation between 64 and 2048 points, while maintaining good power consumption and area overhead. A two-stage energy detection algorithm is proposed. Based on this algorithm and reconfigurable FFT processor, an energy detector with adjustable detection performance is designed and implemented.
2. Architecture design and implementation of parallel real-time spectrum sensing coprocessor based on cyclostationary feature detection algorithm. Cyclic stationary feature detection is widely used in narrowband signal DOA estimation, signal recognition and radar signal parameter estimation, but its high computational complexity has limited its application as real-time signal processing. A computationally efficient parallel cyclostationary feature detection algorithm is proposed. The algorithm is mapped and implemented on a multi-core software radio processor. For 32768 sampling times at 8 MHz, the spectrum sensing time is 78.8 Ms. Based on the parallel cyclostationary feature detection algorithm, the parallel cyclostationary feature detection is designed and implemented. Based on the reconfigurable FFT processor proposed in this paper, a reconfigurable spectrum sensing coprocessor with the functions of energy sensing and cyclostationary feature detection is designed and implemented, which realizes the balance of spectrum sensing performance and power consumption. Balance.
3. Architecture design and implementation of a reconfigurable baseband processor for cognitive radio. Reconfigurable baseband processing for cognitive radio poses a new challenge to digital signal processors. A cognitive radio baseband system model is proposed. The computational characteristics of baseband processing based on NC-OFDM transmission technology are analyzed. A reconfigurable architecture model for baseband processing applications is proposed, and a reconfigurable multiprocessor architecture CORA based on this model is designed and implemented. The experimental results show that the architecture design can meet the requirements of baseband processing computation in cognitive radio based on NC-OFDM technology.
4. The conceptual model of autonomous cognitive radio, the prototype design and implementation of cognitive circle and node architecture of autonomous cognitive radio. The conceptual model of autonomous cognitive radio (ACR) and the cognitive circle of autonomous cognitive radio (ACR) are proposed. The functions and detailed definitions of related components of the conceptual model of autonomous cognitive radio (ACR) are given. Based on ACE Toolkit, an autonomous cognitive radio simulation environment is designed and implemented. The point architecture prototype ACRA maps the cognitive radio function definition stipulated in IEEE 802.22 protocol onto ACRA. The experimental results show that ACRA is reasonable in spectrum management and has superiority in spectrum sensing performance.
In summary, this paper studies the architecture technology of digital signal processor for cognitive radio, proposes the spectrum sensing coprocessor for cognitive radio, the baseband processing model for cognitive radio, the reconfigurable baseband processor, and the architecture model and prototype implementation of autonomous cognitive radio nodes. The research and architecture implementation of mobile cognitive radio is of great significance and value.
【學位授予單位】：國防科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TN925;TP332

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