【摘要】：計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，促進(jìn)了通信技術(shù)的快速革新。當(dāng)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(shí)，隨著人們對(duì)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(duì)無線電頻譜資源需求與當(dāng)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(rèn)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(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的智能水平。認(rèn)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(jì)算和智能決策等更多的功能和更高的計(jì)算性能需求。因此，對(duì)面向認(rèn)知無線電的數(shù)字信號(hào)處理器體系結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)劃項(xiàng)目和多個(gè)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持下，對(duì)認(rèn)知無線電的頻譜感知算法和體系結(jié)構(gòu)、認(rèn)知無線電可重構(gòu)基帶處理器體系結(jié)構(gòu)以及自主認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)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(rèn)知無線電頻譜盲感知算法和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。頻譜盲感知對(duì)于認(rèn)知無線電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)來說十分重要，為了加速能量檢測計(jì)算和適應(yīng)變化的檢測精度需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種具有動(dòng)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(diǎn)的FFT計(jì)算，同時(shí)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(jì)實(shí)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(shí)時(shí)頻譜感知協(xié)處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。循環(huán)平穩(wěn)特征檢測廣泛應(yīng)用于窄帶信號(hào)到達(dá)角估計(jì)、信號(hào)識(shí)別以及雷達(dá)信號(hào)參數(shù)估計(jì)等領(lǐng)域，但是由于較高的計(jì)算復(fù)雜度一直限制其作為實(shí)時(shí)信號(hào)處理的工具。提出了一種計(jì)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(jìn)行了算法映射和實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，對(duì)于8MHz的32768次采樣，頻譜感知時(shí)間為78.8ms。基于并行循環(huán)平穩(wěn)特征檢測算法，設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)簡單的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)了頻譜感知性能和功耗開銷的平衡。 3、面向認(rèn)知無線電的可重構(gòu)基帶處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。認(rèn)知無線電可重構(gòu)基帶處理對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器提出了新的挑戰(zhàn)，提出了認(rèn)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(jì)算特征。為了滿足認(rèn)知無線電對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的功能需求，提出了面向基帶處理應(yīng)用的可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這一體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足基于NC-OFDM技術(shù)的認(rèn)知無線電基帶處理計(jì)算需求。 4、自主認(rèn)知無線電概念模型、認(rèn)知圈和自主認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)原型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)從頻譜感知認(rèn)知無線電到理想認(rèn)知無線電的演進(jìn)，研究了自主系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則并證明了理想認(rèn)知無線電認(rèn)知圈與自主系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則的一致性，提出了自主認(rèn)知無線電概念模型和自主認(rèn)知無線電認(rèn)知圈，給出了自主認(rèn)知無線電概念模型相關(guān)部件的功能和詳細(xì)定義�；谧灾魍ㄐ砰_源平臺(tái)ACE Toolkit，，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自主認(rèn)知無線電模擬環(huán)境。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了MPSoC結(jié)構(gòu)的自主認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)原型ACRA，將IEEE802.22協(xié)議規(guī)定的認(rèn)知無線電功能定義映射到ACRA上的實(shí)驗(yàn)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(duì)面向認(rèn)知無線電的數(shù)字信號(hào)處理器體系結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了面向認(rèn)知無線電的頻譜感知協(xié)處理器，認(rèn)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(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)模型和原型實(shí)現(xiàn)，對(duì)于推動(dòng)認(rèn)知無線電的相關(guān)研究和體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)具有一定的意義和價(jià)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(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TN925;TP332

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10 馬志W(wǎng)

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