基于OFDM-IM的認(rèn)知無(wú)線電協(xié)作中繼性能分析

馬千里 李志明 楊 平 肖 悅②

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基于OFDM-IM的認(rèn)知無(wú)線電協(xié)作中繼性能分析

馬千里①李志明①楊 平*①肖 悅①②

①(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 611731)②(東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210096)

該文針對(duì)協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，提出一種基于索引調(diào)制正交頻分復(fù)用(OFDM-IM)的新型協(xié)作中繼設(shè)計(jì)方法。該方法將OFDM-IM技術(shù)應(yīng)用于從用戶發(fā)送端，將從用戶的傳輸空間劃分為信號(hào)空間和索引空間。從用戶在其信號(hào)空間上轉(zhuǎn)發(fā)主用戶的信息，同時(shí)在索引空間傳輸從用戶信息。通過(guò)這種方式，主、從用戶之間不存在相互干擾。針對(duì)此模型，該文分析了主、從用戶的誤碼率，理論推導(dǎo)了相關(guān)表達(dá)式，并討論了從用戶的位置對(duì)主、從用戶性能的影響。仿真結(jié)果表明，該文所提設(shè)計(jì)方法能夠同時(shí)提升主、從用戶的誤碼率性能，且均優(yōu)于傳統(tǒng)的基于OFDM的協(xié)作中繼方式。

認(rèn)知無(wú)線電；協(xié)作中繼；正交頻分復(fù)用；索引調(diào)制

1 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，頻譜資源稀缺和頻譜使用率低的矛盾日益突出，如何提高頻譜利用率始終是一個(gè)亟待解決的核心問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線電作為一種能夠提高頻譜利用率的技術(shù)[1,2]，被認(rèn)為是下一代無(wú)線通信(5G)的核心技術(shù)之一[3]。然而，在傳統(tǒng)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，主用戶(Primary Users, PUs)的通信質(zhì)量具有最高優(yōu)先級(jí)，使得從用戶(Secondary Users, SUs)的發(fā)送功率受到了嚴(yán)格的限制，導(dǎo)致從用戶的傳輸性能并不理想。近年來(lái)，認(rèn)知無(wú)線電與協(xié)作通信相結(jié)合的協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(Cooperative Cognitive Radio Network, CCRN)[7,8]，使得認(rèn)知技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展。在這一技術(shù)中，從用戶為了得到通信機(jī)會(huì)，消耗一部分資源幫助主用戶轉(zhuǎn)發(fā)信息，以此獲得主用戶給予的一部分資源，可用于從用戶自身進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)，作為一種關(guān)鍵的物理層技術(shù)，因其具有高傳輸速率及良好的抗多徑性能，而被廣泛應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中。例如，文獻(xiàn)[9]提出了一種基于OFDM的協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)傳輸方案。該文獻(xiàn)將從用戶的部分子載波用于主用戶的信息傳輸，作為交換，從用戶在其剩余的子載波上可以進(jìn)行自身的信息傳輸。從用戶可以通過(guò)資源分配技術(shù)靈活地分配子載波給主用戶或者從用戶，從而按照系統(tǒng)要求分別達(dá)到主用戶或從用戶對(duì)性能的不同要求。此外，文獻(xiàn)[10]還進(jìn)一步分析了該設(shè)計(jì)方法的中斷概率，并得到該方法的中斷概率低于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的結(jié)論。然而，這種基于OFDM的協(xié)作方案均需要使得主、從用戶使用的子載波正交，來(lái)使得它們之間不存在干擾。為了達(dá)到這一要求，需要犧牲一定的系統(tǒng)性能，如系統(tǒng)的傳輸速率等。

基于索引調(diào)制的OFDM(OFDM-Index Modulation, OFDM-IM)是一種新型的多載波傳輸技術(shù)，它將空間調(diào)制的思想應(yīng)用到多載波系統(tǒng)中來(lái)。OFDM-IM技術(shù)選擇一部分激活的子載波攜帶數(shù)字調(diào)制信息，而激活子載波索引同樣攜帶信息。這種設(shè)計(jì)方法能夠比傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)獲得更高的可達(dá)速率和更好的誤碼率性能。然而，OFDM-IM的優(yōu)勢(shì)并未被用于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中。

綜合以上文獻(xiàn)特點(diǎn)，本文提出了一種基于OFDM-IM技術(shù)的協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電傳輸方案。本文將OFDM-IM技術(shù)應(yīng)用于從用戶的傳輸端，利用激活子載波索引來(lái)攜帶從用戶需要傳輸?shù)男畔ⅲ瑫r(shí)，利用激活的子載波來(lái)傳輸主用戶信息，通過(guò)這樣的傳輸方案，可以在不引起主從用戶干擾的情況下，提升主用戶和從用戶的性能。在此基礎(chǔ)上，本文給出了瑞利信道下主、從用戶的誤碼率分析，并討論了從用戶的位置對(duì)主、從用戶性能的影響。

2 系統(tǒng)模型

如圖1所示，本文研究的模型由一個(gè)主用戶發(fā)送機(jī)(Primary Transmitter, PT)，一個(gè)主用戶接收機(jī)(Primary Receiver, PR)，一個(gè)從用戶發(fā)送機(jī)(Secondary Transmitter, ST)和一個(gè)從用戶接收機(jī)(Secondary Transmitter, SR)構(gòu)成的兩時(shí)隙協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)。在第1個(gè)時(shí)隙(實(shí)線連接部分)，PT將主用戶信息通過(guò)OFDM符號(hào)傳送給PR和ST，我們可以用和簡(jiǎn)化表示。在第二個(gè)時(shí)隙(虛線連接部分)，ST將主用戶信息解調(diào)并重新調(diào)制為星座點(diǎn)符號(hào)，形成OFDM-IM符號(hào)進(jìn)行發(fā)送，PR和SR均將接收到ST發(fā)送的信息, 這里同樣可以用和來(lái)簡(jiǎn)化表示這一過(guò)程。為了后續(xù)討論方便，這里使用,,,分別表示,,和之間的信道系數(shù)向量。信道系數(shù)向量中每個(gè)元素均服從零均值、單位方差的復(fù)高斯分布，方差滿足，其中是路徑損耗。為路徑的歸一化距離，即將最長(zhǎng)的路徑歸一化距離為1，即，其他路徑的歸一化距離為該路徑的實(shí)際距離與最長(zhǎng)路徑的比值。

圖1 基于OFDM-IM的協(xié)作中繼設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)模型

(2)

在第2個(gè)時(shí)隙，ST使用OFDM-IM的方式來(lái)傳輸主用戶信息和從用戶自身的信息，如圖2所示。OFDM-IM的具體流程如下所示。

圖2 第2個(gè)時(shí)隙從用戶OFDM-IM處理過(guò)程

步驟4 根據(jù)從用戶信息提供的子載波激活位置，將步驟2中產(chǎn)生的每個(gè)子塊的星座信息根據(jù)預(yù)先決定好的查找表(look-up table)映射表格放置到每個(gè)OFDM-IM子塊相應(yīng)的子載波上，具體映射方式可以參考文獻(xiàn)[11]。

步驟5 在完成每個(gè)子塊的子載波映射之后，將每個(gè)子塊的子載波交織放置到個(gè)子載波中。如圖2所示，這樣做是為了使得系統(tǒng)獲得更高的編碼增益[12]。

以一個(gè)OFDM-IM子塊為一個(gè)傳輸單元，則第2個(gè)時(shí)隙的主用戶和從用戶接的收信號(hào)可以表示為

(6)

為了方便后面的討論，我們也將主用戶所發(fā)送的信息表示為子塊的形式，即每個(gè)主用戶的子塊與從用戶的一個(gè)OFDM-IM子塊攜帶相同的主用戶信息。因此，一個(gè)主用戶子塊可以表示為

(8)

那么，式(1)可以重新表示為

而在SR端，由于從用戶信息僅僅由子載波索引狀態(tài)所攜帶，從用戶接收機(jī)的最大似然檢測(cè)可以表示為

3 誤碼率分析

本節(jié)分別給出了主用戶和從用戶的平均誤碼概率(Average Bit Error Probability, ABEP)的閉合表達(dá)式。與上一節(jié)相類似，由于不同子塊之間是相互獨(dú)立的，因此每個(gè)子塊的成對(duì)出錯(cuò)概率(Pairwise Error Probability, PEP)和其他子塊并不相關(guān)。因此我們可以僅僅分析任意一個(gè)子塊的誤碼情況。

3.1從用戶發(fā)送機(jī)的誤判概率分析

根據(jù)第2個(gè)時(shí)隙的從用戶發(fā)射機(jī)處理過(guò)程可知，在第2個(gè)時(shí)隙，ST首先需要對(duì)PT發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，然后將解調(diào)后的比特和從用戶需待發(fā)射的數(shù)據(jù)共同形成OFDM-IM符號(hào)。在這一過(guò)程中，即使ST端已知的信道信息，但由于高斯噪聲的影響，ST也不能完全正確地解調(diào)所有的PT信息。而ST端使用錯(cuò)誤檢測(cè)的比特形成新的星座符號(hào)也會(huì)對(duì)PR的檢測(cè)產(chǎn)生影響。因此，我們首先需要計(jì)算從用戶發(fā)射機(jī)的誤碼情況。而的過(guò)程是傳統(tǒng)OFDM信號(hào)傳輸過(guò)程，因此，類似于文獻(xiàn)[15]對(duì)于傳統(tǒng)OFDM檢測(cè)錯(cuò)誤概率的分析，我們可得的誤比特率為

其中，

(13)

(14)

3.2 主用戶的誤碼率分析

根據(jù)式(10)可知，主用戶接收端需要將兩個(gè)時(shí)隙的接收信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)以獲得MRC增益。需要注意的是，由于從用戶在轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信息時(shí)，會(huì)出現(xiàn)誤判情況，而當(dāng)誤判存在時(shí)，會(huì)使得重新調(diào)制后的星座符號(hào)所攜帶的信息與主用戶發(fā)送的信息不相同。這會(huì)使得該塊所攜帶的主用戶信息誤判概率大大增加。因此，由全概率公式可知，主用戶的ABEP可以近似為

(16)

(18)

(20)

將式(19)代入式(17)，式(17)可以用Q函數(shù)表示為

(22)

然后，使用矩量母函數(shù)(Moment Generating Function, MGF)對(duì)式(22)求其期望，可得到的表達(dá)式為

(24)

式(23)很容易由數(shù)值積分得到。

(26)

將式(23)與式(27)分別代入到式(16)，則可以得到和。進(jìn)一步將式(14)與式(16)代入到式(15)中，即可以得到主用戶的ABEP。

3.3從用戶的誤碼率分析

根據(jù)式(11)可知，從用戶接收機(jī)SR通過(guò)對(duì)第2時(shí)隙的接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而獲得OFDM-IM的索引信息最終獲得從用戶的發(fā)送比特。在這一節(jié)，我們只需要解調(diào)子載波的激活位置而并不關(guān)心子載波上攜帶的星座符號(hào)是否解調(diào)正確，因?yàn)樾亲?hào)是否判錯(cuò)不會(huì)對(duì)子載波激活判斷造成影響。這里，我們可以直接假設(shè)從用戶發(fā)送向量的子載波索引狀態(tài)與錯(cuò)誤判決情況下的子載波索引狀態(tài)不同的星座點(diǎn)所在的子載波位置索引為。此種情況下的錯(cuò)誤概率類似于傳統(tǒng)OFDM-IM的子載波判錯(cuò)情況。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，我們可以得到判錯(cuò)成的CPEP為

(29)

因此，從用戶的ABEP可以表示為

(31)

4 仿真結(jié)果

本節(jié)采用MATLAB仿真對(duì)所提設(shè)計(jì)方法的性能進(jìn)行評(píng)估，并驗(yàn)證所得誤碼率表達(dá)式的正確性。我們選取的仿真參數(shù)如下，，子載波間隔為, CP長(zhǎng)度為64。路徑衰弱為，我們假設(shè)PT到PR之間的距離為歸一化單位距離，即，而從用戶作為一個(gè)在PT到PR之間可移動(dòng)的點(diǎn)，類似于文獻(xiàn)[17]中的假設(shè)，可設(shè)ST到PT和PR的總距離保持不變，即,。此外，假設(shè)主從用戶接收端完全已知信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)，而發(fā)送端未知CSI信息。

由于從用戶的位置是移動(dòng)的，我們分別選取了兩組ST和PT、PR的距離值，在圖3中給出了主用戶和從用戶仿真結(jié)果和理論分析公式的對(duì)比。首先，可以看到理論分析的曲線較為準(zhǔn)確，特別是在高信噪比區(qū)間與仿真結(jié)果是非常吻合的。其次，可以看到當(dāng)不同時(shí)，會(huì)給主用戶和從用戶帶來(lái)不同的性能。從圖3中可以看出，對(duì)于主用戶而言，性能優(yōu)于，而對(duì)于從用戶而言，性能優(yōu)于。這是由于影響，的信道的特性，從而影響ST對(duì)PT的判錯(cuò)概率和最終接收的誤碼率，因此對(duì)主用戶的影響較為復(fù)雜。對(duì)于從用戶而言，只影響的信道的特性，而從用戶性能與的判錯(cuò)概率無(wú)關(guān)。

圖4進(jìn)一步比較了該方法基于OFDM-IM的誤碼率性能和傳統(tǒng)基于OFDM的協(xié)作方法的誤碼率性能。在這個(gè)仿真中，沒(méi)有考慮文獻(xiàn)[9]所提及的自適應(yīng)技術(shù)，即資源分配方法，因?yàn)檫@種方法需要額外的反饋鏈路。因此，本文考慮文獻(xiàn)[9]中的算法2作為公平的對(duì)比算法，即主用戶的子載波與從用戶的子載波隨機(jī)地進(jìn)行配對(duì)。此外，在文獻(xiàn)[9]中，從用戶用于協(xié)助主用戶傳輸信息的子載波個(gè)數(shù)，是靈活變化的，以此來(lái)滿足主用戶或是從用戶的不同需求。例如，當(dāng)增加時(shí)，從用戶更多的子載波用于幫助主用戶傳輸信息，從而使得主用戶獲得更好的性能。但是同時(shí)，當(dāng)增加時(shí)，也意味著更少的從用戶子載波用于傳輸從用戶信息，這會(huì)使得從用戶的傳輸信息量下降或者誤碼率性能降低。為了公平地對(duì)比兩種方法，我們對(duì)文獻(xiàn)[9]算法2使用兩組特別的配置(1)，這種配置能使得在設(shè)置調(diào)制階數(shù)不大于256情況下，主用戶能取得最好性能；(2)，這是調(diào)制階數(shù)不小于2(即BPSK)情況下，從用戶能取得最好性能。圖4(a)給出了主用戶的性能對(duì)比。這里采用文獻(xiàn)[9]算法2的配置，即最優(yōu)主用戶性能進(jìn)行比較。可以看到本文方法當(dāng)主用戶在采用QPSK調(diào)制時(shí)在處能夠取得5 dB的增益。正如前文所分析，與傳統(tǒng)方法相比，該方法能獲得更高的MRC增益，因?yàn)橹饔脩舻乃行畔⒕趶挠脩籼庍M(jìn)行了轉(zhuǎn)發(fā)，并且并未對(duì)主從用戶產(chǎn)生額外的干擾。

圖3 基于OFDM-IM的協(xié)作中繼方法的誤碼率性能，

圖4 基于OFDM-IM的協(xié)作中繼方法與傳統(tǒng)方法的誤碼率性能比較，

圖4(b)則給出了從用戶的性能對(duì)比。本文方法的仿真參數(shù)與圖4(a)相同。而文獻(xiàn)[9]算法2使用的參數(shù)為配置(2),。可以看到的是，該方法的從用戶性能依然優(yōu)于文獻(xiàn)[9]算法2可達(dá)的從用戶最優(yōu)性能。例如主用戶使用QPSK調(diào)制時(shí)，該方法的從用戶在在處能夠取得15 dB的增益。可見(jiàn)本文方法的主從用戶性能均優(yōu)于傳統(tǒng)方法。根據(jù)文獻(xiàn)[12]的分析可知，從用戶的性能增益主要來(lái)源于索引技術(shù)所帶來(lái)的編碼增益。需要指出的是，由于OFDM-IM的ML檢測(cè)是基于OFDM-IM子塊的，因此其檢測(cè)復(fù)雜度會(huì)略高于傳統(tǒng)OFDM的ML檢測(cè)復(fù)雜度。

此外，為了進(jìn)一步觀察從用戶的相對(duì)位置對(duì)性能的影響，圖5(a), 5(b)分別給出了對(duì)主、從用戶誤碼率性能的變化趨勢(shì)影響。從圖5(a)中可以看出，對(duì)主用戶的性能影響是非一致的，且存在一個(gè)最佳的使得主用戶性能最優(yōu)。這是假設(shè)ST到PT和PR的總距離保持不變，即。當(dāng)變小，即ST靠近PT時(shí)，的路徑損耗變低而信道條件變好，因此根據(jù)式(12)和式(14)可知與變小。但是同時(shí)，變小也會(huì)造成變大，即的路徑損耗變高。根據(jù)式(16)，式(21)和式(26)，我們可知與增大。根據(jù)式(15)可知主用戶的總誤碼率是距離的凹函數(shù)，因此會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最佳距離使得主用戶的總誤碼率最優(yōu)。在不同的信噪比條件下，獲得最優(yōu)性能所對(duì)應(yīng)的相對(duì)的不同。例如當(dāng)時(shí)，可以獲得最優(yōu)的主用戶性能，而當(dāng)時(shí)，可以獲得最優(yōu)的主用戶性能。這是由于主用戶的誤碼率與信噪比之間也非單純的線性關(guān)系，而是誤碼率是信噪比的凸函數(shù)。而從圖5(b)中可以看出，對(duì)從用戶的性能影響是一致的，即ST越靠近PR，從用戶的性能越好。這是由于從用戶的誤碼率性能與的概率大小無(wú)關(guān)，從用戶的信息只攜帶于子載波激活信息中，根據(jù)式(28)可知，只要的路徑損耗降低，從用戶性能就會(huì)更好。由于此處假設(shè)了，因此ST越靠近PR，的路徑損耗越低，從而有更好的從用戶性能。

圖5 從用戶的相對(duì)位置對(duì)主、從用戶性能影響，

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型的基于OFDM-IM的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中繼方法。該方法將OFDM-IM技術(shù)應(yīng)用于從用戶的發(fā)射機(jī)中，將主用戶的信息放置于數(shù)字調(diào)制域進(jìn)行傳輸，將從用戶的信息放置在子載波索引域進(jìn)行傳輸。通過(guò)這種方式，主用戶信息可以獲得MRC增益，而從用戶信息可以獲得編碼增益。在此基礎(chǔ)上，本文還給出了該方法的主、從用戶的誤碼率表達(dá)式，并討論了從用戶的相對(duì)位置對(duì)性能的影響。仿真也證明了該方法比傳統(tǒng)基于OFDM方法可以獲得更好的主、從用戶性能。在下一步工作中，將進(jìn)一步考慮本系統(tǒng)的低復(fù)雜度檢測(cè)算法，以及考慮OFDM-IM在認(rèn)知無(wú)線電全雙工模型下的應(yīng)用。

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Performance Analysis of OFDM-IM-based Cooperative Relaying Protocol for Cognitive Radio Networks

MA Qianli①LI Zhiming①YANG Ping①XIAO Yue①②

①(,,611731,)②(,,210096,)

A novel two time slots Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Index Modulation (OFDM-IM)- aided cooperative relaying protocol is proposed for Cooperative Cognitive Radio Networks (CCRN). In the proposed scheme, OFDM-IM technique is used at the Secondary User (SU) to split the transmission space into the signal constellation domain and the index domain. Specifically, the Secondary Transmitter (ST) of SU acts as a Decode-and-Forward (DF) relay to transmit the information of the Primary User (PU) in the signal constellation domain, while the information bits of SU are carried by the index domain. Through this design concept, the mutual interference between the PU and SU can be avoided. Upper bounds on the Bit Error Probabilities (BEPs) of the PU and SU are analytically derived. The influence of ST’s location to the BER performance of PU and SU is also analysed. Several numerical results and discussions are provided to substantiate the theoretical analysis, and it is shown that the proposed protocol is a viable candidate for OFDM-based CR networks since it can enhance the BER performances of both PU and SU.

Cognitive Radio (CR); Cooperative relaying; Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM); Index Modulation (IM)

TN929.5

A

1009-5896(2017)08-1796-08

10.11999/JEIT161265

2016-11-24；

改回日期：2017-02-26；

2017-05-02

楊平 yang.ping@uestc.edu.cn

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB329001)，國(guó)家自然科學(xué)基金(61501095)

The National Basic Research Program of China (2013CB329001), The National Natural Science Foundation of China (61501095)

馬千里： 男，1991年生，博士生，研究方向?yàn)镺FDM, LTE.

李志明： 男，1993年生，碩士生，研究方向?yàn)镸IMO，空間調(diào)制.

楊 平： 男，1983年生，講師，研究方向?yàn)镸IMO，空間調(diào)制.

肖 悅： 男，1979 年生，教授，研究方向?yàn)镸IMO, OFDM.