具有感知功能的軟體無線電的研究與實現

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

具有感知功能的軟體無線電的研究與實現研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 98-2622-E-011-008-CC3

執行期間： 98 年 07 月 01 日至 99 年 06 月 30 日執行單位：國立臺灣科技大學電機工程系

計畫主持人：曾德峰

處理方式：本計畫涉及專利或其他智慧財產權，研究成果報告(精簡版)2 年後可公開查詢

中華民國 99 年 10 月 31 日

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- XI -

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 █ 成果報告

□期中進度報告 具有感知功能的軟體無線電的研究與實現

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號：NSC 98－2622－ E －011－008－CC3

執行期間： 98 年 07 月 01 日至 99 年 06 月 30 日

計畫主持人：曾德峰共同主持人：

計畫參與人員：林智偉、陳耀文、蔡宗儒

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學電機工程學系

中華民國 99 年 10 月 25 日

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

具有感知功能的軟體無線電的研究與實現

Study and Realization of Cognitive Radio in Software-Defined Radio

計畫編號：

NSC 98- 2622 – E - 011- 008- CC3

執行期限：98 年 07 月 01 日至 99 年 06 月 30 日

主持人：曾德峰教授國立台灣科技大學電機工程學系 Email: [email protected]

參與人員：林智偉、陳耀文、蔡宗儒國立台灣科技大學電機工程所研究生

一、中文摘要

本計畫為實現一具有訊號感知能力的軟體無線電接收機，整體系統係運作於 IEEE 802.16e-2005(mobile wimax)的協定下，以能接收協定中的 FCH(Frame Control Header)為主要目標，因為 FCH 中含有目前系統未占用的通道訊息，若能成功接收 FCH 訊息進而得知及使用這些未占用通道，

即可提申整體資源的使用效率。感知功能方面，利用了訊號具有循環穩態

(cyclestationary)的特性，藉由分析特徵曲線來辨別目前訊號是否存在(feature

detection)，比起傳統的功率偵測(energy detection)，在低訊雜比時可得到更佳的偵測機率及較低的誤判機率。另一方面，在成功偵測到訊號存在後，接下來所需的便是後端的訊號接收及解調的實作，由於 FCH訊息所使用的調變及編碼方式皆已固定，因此實作上最重要的便是訊號一開始的同步及後續的頻率補償、通道估測等步驟，計畫中均會針對這些問題作一一的討論及解決。

關鍵詞：Wimax、感知、cyclostationary、

訊號同步、載波頻率補償、通道估測

Abstract

In this project, the main purpose is realization of cognitive software defined radio in IEEE802.16e-2005 (Mobile Wimax) system. To achieve the cognitive functionality, capturing and analyzing the FCH (Frame Control Header) information is the main task. FCH includes the system channel information such that we can know the system channel condition and improve the efficiency of spectrum reused if we can utilize the FCH information properly.

For cognitive functionality, we employ the cyclostationary characteristics of IEEE802.16e OFDMA signaling to derive its feature, and then analyze the feature to make a decision if the served signaling exists or not.

This is so called “Feature Detection”.

Comparing to traditional energy detection, we can obtain better probability of detection and lower probability of false alarm. On the other hand, after we successfully detect the existence of signal, what we need left is realization of signal receiving and decoding the message. Because the modulation and coding method of FCH is unvaried in IEEE802.16e-2005 standard, the important issues of realization are the signal synchronization in the first hand, followed by the carrier frequency offset compensation, channel estimation, decoding and finally data demodulation. We will conduct relevant approaches regarding the above issues and compare the outcomes from both computer simulation as well as hardware implementation.

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- XIII -

Keyword: WiMax、cognitive、cyclostationary、

signal synchronization 、 carrier frequency offset compensation、channel estimation 二、緣由與目的

通訊技術不斷的在進步，對頻寬的使用需求也相對增加，因此如何提高頻寬的使用效率也變成一門重要的議題。就目前頻寬的使用權限來說，主要還是以有執照的主要使用者(Primary Users，PUs)有優先使用權，而且不得受到非法的干擾，因此這些 PUs 如果沒有使用這些頻寬時，其他非主要使用者(Secondary Users，SUs)也無法使用這些頻寬，導致頻寬的使用率的浪費。為了改善此種狀況，提出了 IEEE802.22 針對無線感知的議題制定標準規範，開放頻寬給 SUs 使用，但必須是在沒有 PUs 情況下。因此如果 SUs 要使用頻寬，必須得要一直偵測是否有 PUs 訊號。

在 IEEE802.16e-2005(Mobile WiMAX) 系統中，在所傳的訊息前端包含了含有目前通道占用及後端資料調變資料的訊塊 -FCH(Frame Control Header)，若使用者能解出其中所含資訊便可得知目前哪些通道是處於佔用狀態，而哪些通道為閒置未使用的狀態，對於 SUs 來說得知此訊息可在不佔用 PUs 的頻寬下，選擇其他未使用的通道作資訊傳輸，進而達到感知的功能，

可大大提升整體頻寬的使用率。

但在成功接收解調之前，一個重要的課題便是需要確認目前訊號究竟存在與否，

否則一昧的不斷接收及同步可能造成能源及的浪費及加重系統的負擔，因此訊號偵測便是首要解決的問題。雖然傳統功率偵測器在訊號偵測上有不錯的表現，但[2]所提出的循環穩態的方法，不但可以改善功

率偵測器的缺點，也可藉由分析特徵曲線來得知目前的訊號參數。

因此，本應用產學計畫(與史賓納公司合作 ) 提出以 IEEE802.16e-2005 (Mobile WiMAX)為系統協定的循環穩態特徵偵測器來達到感知的功能，並且透過感知的結果以硬體實現的方式來繼續之後的解調動作，以解出系統中所含 FCH(Frame Control Header)訊息，藉此來辨認目前頻寬的使用狀況，使得 SUs 可以根據目前頻寬的使用狀況來做進一步的動作。

三、研究結果與討論

在 WiMAX 標準下，一個訊框可分為幾部分：下行子訊框(Downlink subframe) 跟上行子訊框(uplink subframe)。下行子訊框包含前置先導訊號(preamble)、訊框控制檔頭(Frame Control Header；FCH)、下行訊框映對 (DL-MAP) 、上行訊框映對 (UL-MAP)、以及多個下行叢訊(DL-burst)，

上行子訊框包含 ranging 子通道及多個上行叢訊。不管是上行叢訊或下行叢訊，都包含了像 MAC PDU 這類的 MAC 層的訊息在裡面。其 TDD 訊框架構為圖(1)所示：

圖(1) OFDMA 訊框架構

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- XIV -

其中 FCH 是用於描述此訊框使用的子通道數及 DL-MAP 的長度、編碼方式、和重複編碼次數(repetition)，因此解出 FCH 為達到感知最重要的步驟。在了解訊框的基本架構後，接著就是傳送端的部分，圖(2)為基頻訊號產生流程圖，而圖(3)則為通道編碼的流程圖。

圖(2) 基頻訊號產生流程

圖(3) 通道編碼流程

如先前我們所提到的，為了達到感知的功能，SUs 必須在接收端先解出 FCH 的資訊，但要解出 FCH 的資訊，就先得確定目前接收到的訊號裡面是有包含訊息的。

為了確定目前訊息是否存在，我們使用循環穩態偵測器藉由觀察接收到的訊號其在時間上具有周期性的變化，也就是循環穩態特性，利用這樣的特性來偵測訊號。循環穩態偵測器的方法有兩種[3]：多循環偵測器(multi-cycle detector)跟單一循環偵測器(single-cycle detector)，前者為考慮多個循環頻率，後者則是指考慮單一循環頻率，

此計畫中我們是使用單一循環偵測器我們假設收到的訊號可分為兩種：

H1：x t s t w t 訊息存在 H0：x t w t 訊息不存在

，接著將收到訊號去做下式的處理[3]：

y t ^∞_∞S^α f S^α_T t, f df，α 0 (1)

S^α_T t, f _TXT t, f ^α XT t, f ^α (2)

XT t, f _T⁄^T⁄ x u e ^π du (3) 再利用(1)得到的統計值去和臨界值比較，

來判斷目前收到的訊號是否有包含訊息，

y′ γ，y′ |y | (4) 我們將會在下一章節裡使用 ROC(Receiver operating characteristic)曲線來討論循環穩態偵測器的效能。

如果接收端判斷出是有包含訊息的，

則會先將訊號同步、補償載波頻率，接著做通道估測，最後則是將訊號解調變，然後得到FCH裡的資訊。

在了解基本架構後，則來介紹硬體實現部分。本計畫使用Spectrum 公司的Barcelona DSP板來實現後端的資料接收。一片 Barcelona DSP板上包含有四顆德州儀器公司(TI)所出品的TMS320C6201定點數數位訊號處理器，每顆處理器的時脈皆為 200Mhz，處理速度最高可達1600MPIS。除了主要的DSP板以外，還使用了兩個模組：

PMC-2MAI [5] 和 PEM-4WDC [6] 。 PMC-2MAI 為 12-bit 65MHz A/D Converter （類比轉數位轉換器）， PEM-4PDC 為一降頻轉換器

（ DownConverter）。硬體部分的整體連接方塊圖如圖(5)，中頻的Wimax訊號先經過PMC-MAI裡的A/D轉換器以高速65Mhz 取樣後，將取樣過的數位資料傳至 PEM-4PDC模組以將經65Mhz頻率取樣過的訊號資料降至我們所要求的頻率，最後再將降頻過後的資料送入DSP板作訊號處理的動作。

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- XV - 圖(4) 系統接收流程方塊圖

圖(5) 硬體連接方塊圖

訊號產生的部分是由安捷倫公司出產的向量訊號產生器E4438C，以下簡稱ESG。

由於ESG本身並無法產生符合

IEEE802.16-2005規格書的訊號，所以我們是以電腦撰寫Matlab程式，將我們所欲產生的訊號按照規格書中的規範撰寫成程式碼，包含其中所含調變、編碼、等所有一切處理，再將電腦以網路線和ESG連接，

ESG便會產生依我們所撰寫的規格訊號。

下圖為硬體器材實際連接圖：

圖(6) 硬體器材實際連接圖

圖(7) 訊號及各模組間連接圖

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- XVI - 圖(8) 使用訊號規格參數

四、計畫成果自評

在訊號偵測的部分，我們會利用經過循環穩態偵測器所得到的統計值透過 histogram[7]來求得兩種情況下(H0、H1)其機率分佈，再透過機率分佈來得到 ROC 曲線，藉由 ROC 曲線來分析偵測器的效能，

也會將其效能來與能量偵測器 (Energy detector)來做比較。下圖為通過 AWGN 通道時，當 Es/N0(symbol energy/雜訊的功率頻譜密度)為-10dB 時循環穩態偵測器與能量偵測器的 ROC 曲線

圖(9) Es/N0=-10dB 時，循環穩態偵測器與能量偵測器的 ROC 比較圖

可以從圖(8)觀察到，循環穩態偵測器的效能要比能量偵測器還來的好。接著我們將 AWGN 通道改成多重路徑通道，多重路徑通道的參數則是使用 ITU-R Ped.A[8]的環境。通道多重路徑通道後的 ROC 曲線如下：

圖(10) 經過多重路徑後， Es/N0=-10dB 時，循環穩態偵測器與能量偵測器的 ROC 比較圖

由於經過的多重路徑通道是屬於 slow

fading，通道響應隨時間變化的幅度非常小，

但循環穩態偵測器的效能仍然會比傳統能量偵測器還來的好。

在偵測到訊號的前提下，接下來則是在實際硬體實現訊號的解析。訊號經由硬體模組取樣及降頻處理後，會將訊號作四倍的降頻取樣並對每一份樣本做交互相關聯 (Cross-Correlation)的運算[9]去找到周期性訊號的邊界，分離出資料的起點，達到同步的目的，下圖為硬體實現的同步結果：

圖(11) 硬體實際關聯性運算結果

在完成同步後，接著我們會將訊號作 128 點的 FFT 轉換至頻域，然後計算出由硬體

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- XVII -

震盪器不匹配所造成的載波頻率誤差並補償之。再來我們需作通道響應的估測及補償，在此採用的是先以 pilot 子載波去做 LS(Least Square)估測去估測出所有 pilot 子載波上的響應，再以估出的 pilot 子載波響應搭配不同的內插法去內插出剩餘的子載波上的響應值完成通道估測[10]。最後我們以傳送時對應的解調及解編碼方式去做解調及解編碼後即可得到訊號中的 FCH 訊息。

下圖為通道模型為 ITU-R Ped.A，使用硬體實際量測錯誤率和軟體模擬結果的比較

圖(12) 硬體實際量測錯誤率與軟體模擬結果比較

由上圖可看出硬體實測結果與模擬的結果在 SNR 較小時相差較大，但隨著 SNR 上升，硬體表現有逐漸向模擬結果靠攏的趨勢，雖然仍和軟體模擬結果有些許差異，

但造成此差異部份原因應是來自於接收端及發射端取樣頻率誤差所造成的線性相位誤差，日後研究應可以補償此部份誤差縮小表現差異為方向進行。

本計畫不以傳統式能量偵測的方式，

而是嘗試以循環穩態的特性去做為偵測訊號的依據，並證明了其偵測及誤判的機率均明顯優於傳統的能量偵測。在後端的訊號接收實現上首先是克服了實作上訊號同步的問題，包括關聯性運算及載波頻率誤

差補償，而從後面實際解出的錯誤率表現也可發現與電腦模擬值相差並不大，可證明此一感知型軟體無線電的概念已初步實現，未來可朝加入其他通訊協定訊號，並可成功辨別及接收為目標繼續研究 五、參考文獻

[1] IEEE,”Std 802.16e-2005 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems”28 February 2006 [2] W. A. Gardner. “Signal interception:Performance

advantages of cyclic-feature detectors” IEEE Transactions on Communications, Vol. 40, No.1.

pp. 149-159, 1992.

[3] W. A. Gardner. “Signal interception:Performance advantages of cyclic-feature detectors” IEEE Transactions on Communications, Vol. 40, No.1.

pp. 149-159, 1992.

[4] Barcelona Hot-swap Quad 'C6x CompactPCI Board Technical Reference,Document Number 500-00561,Revision 1.20,April 2003

[5] PMC-MAI 65 MHz 10-Bit A/D Converter ModuleUserGuide,DocumentNumber500-00380, Revision 1.04,October 1999

[6] PEM-4PDC Quad Programmable Down Converter PEM Module User Guide,Document Number 500-00381,Revision 2.01,October 1999 [7] DAVID W. SCOTT,” On optimal and data-based

histograms” Biometrika (1979), 66, 3, pp. 605-10 [8] ITU Document, “Rec.ITU-R M.1225 - Guidelines

for Evaluation of Radio Transmission Technologies for IMT-2000”, ITU-R, 1997

[9] Schmidl, T. M., and D. C. Cox, “Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM,” IEEE Trans. On Comm. , Dec. 1997, vol. 45, No. 12, pp. 1613-1621.

[10] Hosseinnezhad, M.; Salahi, A.,” Performance comparison of Pilot-symbol Aided Channel Estimation methods for the IEEE802.16d WMAN standard”,IEEE CONFERENCES,

Communications and Networking in China, 2008.

ChinaCom 2008. Third International Conference on, Aug. 2008 ,pp.1379 – 1383.

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國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期 2010年10月31日

國科會補助計畫

研發成果名稱

發明人 (創作人)

技術說明

技術移轉可行性及預期效益技術/產品應用範圍

產業別

計畫名稱:

計畫主持人:

計畫編號: 學門領域:

(中文)

(英文)

成果歸屬機構

(中文)

(英文)

具有感知功能的軟體無線電的研究與實現曾德峰

98 -2622-E -011 -008 - 訊號處理具有感知功能的軟體無線電的研究與實現

Study and Realization of Cognitive Radio in Software-Defined Radio

國立臺灣科技大學曾德峰

近來無線通訊系統的環境，已經是由多個系統共存所構成。為讓終端能享受及使用不同系統所提供的各式服務，甚至對同樣服務需求，終端能隨時、隨處自由選擇最有利的系統來搭配(譬如，數位影音可以在WiMAX或者DVB-H系統提供移動電視收訊的服務)，可支援多系統的產品將是主要發展趨勢。近年興起的感知無線電開啟此種產品的可能性，因其具有偵測周遭環境無線通訊資源現況的能力，並可因應環境觀測現況作適當的資源調整。因此，對整體多重共存的系統而言，可以同時達成有效使用無線通訊資源與實現最佳的服務品質。軟體無線電技術的高彈性系統平台及可重置性的重要特徵，並且省略硬體的空間，提供了此種產品絕佳的解決方案，是目前各大行動通訊製造業者及先進研發機構鎖定方展的重點技術。

本計畫目標為結合不同頻帶的寬頻無線通訊系統，經由開發的演算法置入軟體無線電與感知無線電的模組，使終端能隨時、隨處收取最佳的高畫質電視的服務。我們提出以高階數位訊號處理發展系統來實現感知無線電中的頻譜感測機制，並與軟體無線電技術做結合；主要以終端對環境的衰減及其他雜訊干擾的感測紀錄，發展調適性擷取技術，判定最佳的無線收訊系統，提升收訊品質。

在演算法方面，設定多個系統(非傳統單一系統下)的錯失機率、假警報機率以 As bandwidths have been released from government for commercial applications in wireless systems, customers have longed for a pioneering product compatible with several wireless standards.

Software defined radio (SDR) has attracted a lot of attention from both academia and industry due to its properties of, flexibility from software reconfiguration, which in turn conserves hardware

components. Further, researchers have made a lot of efforts on the development of cognitive radio (CR) for its enabling of improved spectrum efficiency to a great extent.

其他專業、科學及技術服務業

數位傳輸

具有研發能力廠商

註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。

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98 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：曾德峰計畫編號：98-2622-E-011-008-CC3 計畫名稱：具有感知功能的軟體無線電的研究與實現

量化

成果項目 ^{實際已達成}

數（被接受或已發表）

預期總達成數(含實際已

達成數)

本計畫實際貢獻百

分比

單位

備註（質化說明：如數個計畫共同成果、成果列為該期刊之封面故事 ...

等）

期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報告 1 1 100%

研討會論文 1 1 100%

論文著作篇

專書 0 0 0%

申請中件數 0 1 0%

專利已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 2 2 100%

博士生 1 0 0%

博士後研究員 0 0 100%

國內

參與計畫人力

（本國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

期刊論文 0 1 70%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 1 1 100%

論文著作篇

專書 0 0 100% 章/本

申請中件數 0 0 100%

專利已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 0 0 100%

博士生 0 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國外

參與計畫人力

（外國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

(12)

其他成果 (無法以量化表達之成果如辦理學術活動、獲得獎項、重要國際合作、研究成果國際影響力及其他協助產業技術發展之具體效益事項等，請以文字敘述填列。)

本產學計畫主要為應用高階的軟體無線電的儀器，將目前成熟的 WiMAX 系統的頻譜加以解讀，利用感知的功能，可以增加頻譜的使用效益。雖然無法即期有產品的產出，對於業界殷殷期盼的無線通訊系統軟體開發的人才培訓，應該有極大的助益。

成果項目量化 名稱或內容性質簡述

測驗工具(含質性與量性) 0

課程/模組 0

電腦及網路系統或工具 0

教材 0

舉辦之活動/競賽 0

研討會/工作坊 0

電子報、網站 0

科教處計畫加填項

目計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

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本產學合作計畫研發成果及績效達成情形自評表成果項目本產學合作計畫預估研究成果及績效指標

（作為本計畫後續管考之參據）計畫達成情形

技術移轉預計技轉授權 0 項完成技轉授權 0 項

國內預估 0 件提出申請 1 件，獲得 0 件

專利

國外預估 0 件提出申請 0 件，獲得 0 件

博士 0人，畢業任職於業界0人博士 1人，畢業任職於業界0人

碩士 0人，畢業任職於業界0人碩士 2人，畢業任職於業界0人人才培育

其他 0人，畢業任職於業界0人其他 0人，畢業任職於業界0人

期刊論文 0 件發表期刊論文 0 件

研討會論文 0 件發表研討會論文 1 件

SCI論文 0 件發表SCI論文 0 件

專書 0 件完成專書 0 件

國內

技術報告 0 件完成技術報告 1 件

期刊論文 0 件發表期刊論文 0 件

學術論文 0 件發表學術論文 0 件

研討會論文 0 件發表研討會論文 2 件

SCI/SSCI論文 0 件發表SCI/SSCI論文 0 件

專書 0 件完成專書 0 件

論文著作

國外

技術報告 0 件完成技術報告 0 件

其他協助產業發展

之具體績效新公司或衍生公司 0 家設立新公司或衍生公司(名稱)：

計畫產出成果簡述：請以文字敘述計畫非量化產出之技術應用具體效益。（限 600 字以

內）

本產學計畫主要為應用高階的軟體無線電的儀器，將目前成熟的 WiMAX 系統的頻譜加以解讀，利用感知的功能，可以增加頻譜的使用效益。雖然無法即期有產品的產出，

對於業界殷殷期盼的無線通訊系統軟體開發的人才培訓，應該有極大的助益。