基于OFDM的認(rèn)知無線電功率分配方法研究

徐 聰,宋志群,王荊寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

認(rèn)知無線電的提出是為了緩解頻譜資源日益緊張的狀況,允許認(rèn)知用戶(非授權(quán)用戶)接入空閑的授權(quán)頻段的方式提高頻譜資源的利用率。認(rèn)知無線電能夠通過感知頻譜環(huán)境、智能學(xué)習(xí)并實時調(diào)整其傳輸參數(shù),實現(xiàn)頻譜的再利用。而正交頻分復(fù)用技術(shù)是一種對抗寬帶信道中的多徑衰落技術(shù),它將頻帶劃分為若干個相互正交的子信道,允許子信道的頻譜相互重疊,從而可以獲得較高的頻譜利用率。基于OFDM技術(shù)的認(rèn)知無線電中頻譜資源分配方法是實現(xiàn)可用頻段的最佳通信性能的重要保證,通過對子載波進(jìn)行分組,并利用注水算法對不同的子載波組進(jìn)行功率分配,可以有效提高系統(tǒng)的頻譜利用率,取得性能與復(fù)雜度的折中。

1 系統(tǒng)模型

一種基于OFDM的認(rèn)知無線電系統(tǒng)工作流程如圖1所示,與以往的OFDM系統(tǒng)的不同之處在于對信道進(jìn)行認(rèn)知和對子載波進(jìn)行分塊。研究在獲取外界頻譜檢測結(jié)果等知識后,如何選擇可用頻段,并對發(fā)射端進(jìn)行功率分配并選擇合適的調(diào)制方式來實現(xiàn)吞吐量最大化。

圖1 基于OFDM的認(rèn)知無線電系統(tǒng)

假設(shè)在一個帶寬為16 MHz的頻段范圍內(nèi),將此頻段范圍劃分為8個頻段,即每個子頻帶的帶寬為2MHz,選擇其中信道特性較好的幾個頻段,并在其頻段上發(fā)送數(shù)據(jù)。將此16 MHz的頻段范圍采用OFDM方式進(jìn)行通信,即可劃分為1 024個子載波,每個子頻帶占據(jù)128個子載波,這樣可以整個頻段范圍看成一個整體,且只在可用子頻帶所占據(jù)的子載波上發(fā)送數(shù)據(jù),這樣就相當(dāng)于將一些不連續(xù)的可用子載波聚合在一起同時進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,如圖2所示。

圖2 頻帶劃分示意圖

2 頻譜選擇與功率分配

2.1 頻帶選擇

頻帶的選擇是依據(jù)頻譜檢測的結(jié)果,根據(jù)頻譜檢測的結(jié)果以及信道狀態(tài)信息,獲知頻段資源信息,然后選擇可用頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對信道的選擇,可假定一信干比門限值 γ0,

式中,p0為設(shè)定的發(fā)射功率值;Hii為用戶信道增益;σ2為平均噪聲水平;Pj為干擾功率;Hij為干擾增益。若 γi≥γ0,即第i頻帶上信干噪比超過假定的信干噪比門限值,則此頻帶可用。

由于空間中可用的頻譜資源并不一定是連續(xù)的,所以選擇可用的頻譜并將其“聚合”在一起進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是一個很重要的問題。

根據(jù)信道估計結(jié)果,結(jié)合式(1)可以獲知可用頻段,根據(jù)OFDM的基本原理,數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制后進(jìn)行IFFT變換 ,即

式中,0≤k≤N-1,N為子載波個數(shù)。由式(2)可知,若某頻段不可用,則相應(yīng)的di=0,對應(yīng)子載波發(fā)送數(shù)據(jù)為0,可看作未使用該頻帶發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 功率分配

注水算法主要是用來解決功率受限情況下的吞吐量優(yōu)化問題,最終達(dá)到合理利用子信道的目的。

在加性高斯白噪聲(AGWN)信道中,當(dāng)發(fā)射功率一定時,可以通過合理的選擇載波及其對應(yīng)的發(fā)射功率來使傳輸速率最大化。假設(shè)信道帶寬為W,并且可以劃分為m個子載波,這樣每個載波的帶寬可以表示為Δf=W/m。設(shè)用戶的最大發(fā)射功率為P,且采用x-QAM調(diào)制方式和理想的相位檢測技術(shù),則其在載波j上可以獲得的傳輸速率可以表示為誤碼率要求和信噪比的函數(shù):

式中 ,j∈M,且為信噪比,和σ2j分別為載波j的信道增益和噪聲水平;K為用戶的誤碼率要求BER,是x-QAM調(diào)制方式與香農(nóng)容量之間的信噪比差異,可以表示為:

對于瑞利(Raleigh)信道,K可以表示為:

式中,向量p=[p1,…,pm],表示各個載波上分配的功率。引入拉格朗日(Lagrange)乘數(shù)法,可以得到下面的函數(shù):

式中,λ為拉格朗日因子。將拉格朗日函數(shù)對pj求偏導(dǎo),由可得:

在認(rèn)知無線電技術(shù)中,根據(jù)注水功率算法進(jìn)行功率分配時需要考慮2個方面:首先是認(rèn)知用戶發(fā)射總功率一定,其次認(rèn)知用戶在各信道上的發(fā)射功率不超出授權(quán)用戶的干擾容限,即

式中,Pr為干擾門限功率。在上述2個方面的前提下實現(xiàn)認(rèn)知用戶最佳通信性能即吞吐量最大化。

2.3 調(diào)制方式選擇

在給定誤碼率要求下,根據(jù)4種不同調(diào)制方式對應(yīng)的4個門限值,其計算式為:根據(jù)信道估計結(jié)果Hi和注水分配算法得到的功率pi,相應(yīng)頻段該式的計算結(jié)果達(dá)到各種調(diào)制方式相應(yīng)的門限值,則可在該信噪比下選擇相應(yīng)的調(diào)制方式,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)吞吐量的最佳。

3 仿真分析

根據(jù)頻譜感知的結(jié)果,對可用頻段通過注水算法進(jìn)行功率分配。在不同信噪比(SNR)下,對單用戶功率分配注水算法進(jìn)行仿真,其結(jié)果如圖3所示。

圖3 2種功率分配算法下通信吞吐量

假設(shè)將授權(quán)用戶工頻段劃分為8個子載波段,且將每段看成一個平坦信道。認(rèn)知用戶的發(fā)射功率歸一化為1,仿真得到其吞吐量性能曲線。其中另外一種方法是采用平均功率分配方法得到的系統(tǒng)吞吐量性能曲線。

從上面仿真結(jié)果可知,通過注水算法進(jìn)行功率分配所獲得的通信吞吐量更好。故在系統(tǒng)中通過注水算法對發(fā)射端功率分配,會獲得更佳的通信性能。在工程應(yīng)用方面,采用注水算法對發(fā)射功率進(jìn)行分配是很好的選擇。

在實際工程應(yīng)用方面,吞吐量的改變需要改變數(shù)據(jù)的調(diào)制方式來實現(xiàn),該文基于OFDM技術(shù),采用BPSK、QPSK、8 PSk和16 QAM 四種不同的調(diào)制方式,在滿足給定的誤碼率要求下,利用注水算法進(jìn)行功率分配,通過改變不同頻段的調(diào)制方式,分析平均分配功率和注水算法分配功率2種方式下的通信速率。利用注水算法分配進(jìn)行了2次仿真,分別將頻段劃分為8段和12段,FFT運算點數(shù)為1 024,采用固定10徑信道,接收端的誤碼率水平為BER=10-3,發(fā)射功率歸一化為1。仿真結(jié)果如圖4所示。

在SNR=16 dB處,由于調(diào)制方式的限制,信道狀態(tài)很好的頻帶可以選擇更高階的調(diào)制方式,仿真過程中選擇的最高調(diào)制方式為16 QAM,限制了頻譜利用率,故該處稍低于平均功率分配,若可以不受選取的調(diào)制方式限制,則某些信道狀態(tài)很好的子載波段可以采用更高階的調(diào)制方式,獲得更佳的通信性能。同時可以看出,當(dāng)分段數(shù)較多時,頻譜利用率更好,但也會帶來算法復(fù)雜度的提高,故需要在復(fù)雜度和性能2個方面進(jìn)行考慮,結(jié)合頻譜實際情況,選擇最合適的頻段劃分方式。

圖4 各種功率分配方式下頻譜利用率

通過仿真分析可以看出,在給定的誤碼率要求下,平均分配功率頻譜利用率較低,而在注水功率分配算法過程中,對不同頻段采用不同的調(diào)制方式,由于各段的信道狀態(tài)不同,信道質(zhì)量差的頻段采用低階調(diào)制方式,信道狀態(tài)好的情況下,采用的調(diào)制方式可以選擇更高階的,從而提高了頻譜利用率。

4 結(jié)束語

對基于OFDM技術(shù)的認(rèn)知無線電中發(fā)射端的功率分配算法以及各頻段的調(diào)制方式的選擇進(jìn)行了研究,由仿真結(jié)果可以看出在功率受限的情況下,注水算法能夠得到更優(yōu)的通信性能,且將頻譜分段,大大降低了算法的復(fù)雜度,實現(xiàn)了性能和復(fù)雜度的折中,提高系統(tǒng)的頻譜利用率。

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