（信号与信息处理专业论文）基于ofdm的认知无线电时域加窗技术研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信的飞速发展，所需要的频谱资源越来越多，当前频谱资源已 显得越来越缺乏。认知无线电提供了一种按伺机的方式共享和利用频谱的手段， 可以有效地解决这一问题。n c - o f d m 是认知无线电主要的数据传输方式，它在传 统o f d m 基础上进行改进，关闭处于激活状态的授权用户所对应的子载波，感知 用户利用非连续的空闲子载波进行通信。 在n c - o f d m 系统中，每个子载波上传输的信号可以看作是一个非归零矩形 信号，其在频域内存在大量的旁瓣功率泄漏，将会对相邻子载波上的信号产生 干扰。这一点违背了认知无线电系统存在的前提，即感知用户的通信不能对授 权用户的通信产生任何有害的干扰，且授权用户不需要做任何技术或设备上的 修改来支持这一功能。因此，在n c - - o f d m 系统中，除了要考虑系统的自身性能 要求外，还要尽可能降低感知用户对带内授权用户的相对干扰功率。 本文针对n c o f d m 系统中感知用户对授权用户的干扰问题展开了研究。首 先简要地介绍了认知无线电的研究背景、研究意义以及n c - o f d m 系统中干扰抑 制方法的国内外研究状况。然后概述了基于o f d m 的认知无线电系统，给出了o f d m 系统的原理框图以及将o f d m 技术应用于认知无线电的可行性和技术挑战的分 析。文章第三部分给出了时域加窗法在抑制传统o f d m 带外功率泄漏方面的仿真 分析。在窗函数的选择中，提出了使用具有更小第一旁瓣的优于升余弦窗 ( b t r c ) 、二阶连续窗( s o c w ) 、f r a n k s 窗、d o u b l e - j u m p 窗来代替原来的升序弦 窗( r c ) 。第四部分着重研究了将上述五种窗函数应用于n c o f d m 系统时域加窗 时，对感知用户的旁瓣泄漏的抑制效果，并给出了详细的仿真与结果分析。最 后，对全文的工作进行了总结，并提出了下一步的研究方向。 关键词：认知无线电；n c - o f d m ；加窗技术；旁瓣泄漏 a b s t r a c t ab s t r a c t w i t l lt 1 1 e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m o r es p e c t r u m r e s o u r c e sa r en e e d e da n dt h ec u r r e n tb a n d w i d t hs e e m sm o r ea n dm o r e s c a r c e c o g n i t i v er a d i o ( c g ) p r o v i d e sa no p p o r t u n i s t sw a yo fs h a r i n ga n du t i l i z i n gt h e s p e c t r u mw h i c h c a l l e f f e c t i v e l y s o l v et h i s p r o b l e m n o n c o n t i g u o u so f d m ( n c - o f d m ) i sac a n d i d a t ed a t at r a n s m i s s i o nm e t h o do fc r i ti sa ni m p r o v e ds y s t e m b a s e do nt h et r a d i t i o n a lo f d m i nn c o f d m s y s t e m ，t h er e n t a lu s e r st r a n s m i tt h e i r d a t at h r o u g ht h en o n - c o n t i g u o u su n u s e ds u b c a r r i e r sb yc l o s i n gt h es u b c a r r i e r sw h i c h a r eo c c u p i e db yt h el i c e n s e du s e r s i nn c - o f d ms y s t e m ，t h e s i g n a l t r a n s m i t t e do ne a c hs u b c a r r i e rc a nb e c o n s i d e r e da san o n 。r e t u r n - t o - z e r or e c t a n g u l a r s i g n a l i tc a np r o d u c es e r i o u ss i d e l o b e p o w e rl e a k a g ei nf r e q u e n c yd o m a i nw h i c hw i l li n t e r f e r et h ea d j a c e n ts u b c a r r i e r s b e s i d e s ，t h i sv i o l a t e st h ep r e m i s eo ft h ee x i s t e n c eo f l ec rs y s t e mt h a tt h er e n t a l u s e r s c o m m u n i c a t i o nc a n tp r o d u c ea n yh a r m f u li n t e r f e r e n c et ot h el i c e n s e du s e r s m o r e o v e r ，t h el i c e n s e du s e r sn e e dn o tt od o a n ym o d i f i c a t i o n so nt e c h n i c a lo r e q u i p m e n tt os u p p o rt h i sf u n c t i o n a t a 1 1 t h e r e f o r e ，n o to n l yt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n tf o rt h es y s t e mi t s e l f , b u ta l s ot h ec o r r e s p o n d i n gi n t e r f e r e n c ep o w e ro ft h e r e n t a lu s e r st ot h e1 i c e n s e du s e r ss h o u l db ec o n s i d e r e di nn c o f d m s y s t e m i nt h i sp a p e r , i ta i m e da tt h ei n t e r f e r e n c ep o w e rf r o mt h er e n t a lu s e r st ot h e l i c e n s e du s e r s n l ep a p e ri si n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gc o n t e n t s f i r s t l y , i tg i v e sab r i e f i n t r o d u c t i o nt ot h ee m e r g e n c eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hm e a n i n go fc 1 lt h e nt h e s t u d i e ss t a t u so ft h es i d e l o b es u p p r e s s i o n si nn c o f d m s y s t e ma th o m ea n da b r o a d s e c o n d l y ，i tm a i n l ys u m m a r i z e st h ec rs y s t e mb a s e do no f d m a n dt h eo f d m s y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a mi sg i v e n n ef e a s i b i l i t ya n dt e c h n i c a l c h a l l e n g e s i s a n a l y z e dw h e nt h eo f d ms y s t e mi sa p p l i e dt om ec r t h es i m u l a t i o na n a l y s i so f u s i n gt h et i m e d o m a i nw i n d o w i n gt or e d u c et h eo u t o f - b a n dp o w e rl e a k a g eo f t r a d i t i o n a lo f d mi sg i v e ni nt h et h i r dp a r t t h i st h e s i sp r e s e n t st oa p p l yt h ew i n d o w s w i t hs m a l l e rf i r s ts i d e l o b e ，s u c ha sb t r cw i n d o w 、s o c w w i n d o w 、f r a n k sw i n d o w a n dd o u b l e - j u m pw i n d o wi n s t e a do ft h er cw i n d o wi nt h ew i n d o w ，sc h o o s i n g t h e i i a b s t r a c t f o u r t hp a r to ft h i st h e s i sf o c u s e so nt h es i d e l o b es u p p r e s s i o nr e s u l t so ft h er e n t a lu s e r s i nn c - o f d ms y s t e mb ya p p l y i n gt h e s ef i v ew i n d o w s m o r e o v e r , t h ed e t a i l e d s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h er e s u l t sa r eg i v e ni n t h i sp a r t i nt h ee n d ，i ta l s o s u m m a r i z e st h ew o r ko f t h i sf u l lt h e s i sa n dp o i n t so u tt h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ；n o n - c o n t i g u o u so f d m ；w i n d o w i n gt e c h n o l o g y ； s i d e l o b es u p p r e s s i o n i i i 1 绪论 1绪论 1 1 认知无线电的研究背景及意义 在当代，网络通信己渗透到人民生活和社会发展的方方面面，为人们的日 常生活提供着便捷。随着信息时代的到来，无线设备被广泛使用，使得无线频 谱成为现代社会不可或缺的甚至是比土地和矿藏更宝贵的资源【l 】。与此同时，人 们对无线移动通信也提出了更高的要求，除自由通话外还希望可以随时随地的 获取信息。而作为支撑电信语音和移动宽带服务发展的最核心因素，无线频谱 资源往往是有限的。 另一方面，目前的频谱资源分配政策是由专门的无线电法规部门按照固定 的频谱分配原则统一管理和分配的。得到授权的用户可长期独占其授权频段， 而对于非授权的频段，用户则采用竞争方式接入使用。这样的频谱分配政策造 成了某些授权频段在大部分时间内很少或基本没有使用，某些频段有时被使用， 而剩余的非授权频段则被过度使用。图1 1 为4 7 0 1 肚i z 8 0 6 m h z 模拟数字电视广 播频段使用情况【2 1 ，图1 2 为各类地区按时间占用比率计算的频段占用度情况。 从图1 1 和图1 2 中均可看出在目前已分配的频谱资源中，频谱的利用率非常 的低。 5 0 05 5 0 6 0 0 6 5 07 0 07 5 08 阳 f m h z 4 - m a yt os - m a y 5 5 ：5 06 玎6 5 07 0 07 5 0鲫 f ，m h z | _ mjm 引 6 5 07 7 5 08 f m h z ( a ) 北京某热点地区实际频谱占用情况 频谱圈 瀑布图 占用度 加加加 ， m o j 7 1 5 3 7 g ，d 2 ， 五j!ulnd l 绪论 6 5 07 7 5 0 0 f m h z 4 - m a yt os - m a y 5 0 d 5 5 0咖5 d7 0 07 5 08 0 0 f ，m h 2 ：l 卜_l 似 卜 il 6 6 07 7 5 08 0 0 f ，m h z ( b ) 北京某郊区实际频谱占用情况 频谱囝 瀑布图 占用度 图1 14 7 0 m h z 8 0 6 m h z 模拟数字电视广播频段使用情况 l 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 o ( 瑚 杓0 0 0 0 越6 0 0 0 0 0 譬5 0 o o o o 蟊4 0 0 0 0 0 艨3 0 0 0 0 0 2 0 0 o 1 0 , 0 0 0 0 o o o 日熟点地区 密集城区 口一殷地遥 口妻g 逸 时司占用比率 图1 2按时间占用比率计算的各类地区频段占用度情况 目前，频谱资源的匮乏已成为制约无线通信发展的瓶颈问题。因此，为了 解决固定分配方案频谱利用率低下的问题以及有效地利用空闲频谱资源，j o s e p h m i t o l a 在软件无线电的基础上提出了认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念。 认知无线电提供了一种按伺机的方式共享和利用频谱的手段，感知用户( 也称租 赁用户，r e n t a lu s e r s 。r u ) 在不对授权主用户( l i c e n s e du s e r s ，l u ) 的通信造成干 扰的前提下利用其处于空闲状态的频谱资源进行通信，从而大大改善频谱利用 率。 2 扣帕扣 ， m o t r a 0 、 仃力仃 a i u ji。参：。 i 绪论 1 9 9 9 年，瑞典j o s e p hm i t o l a 博士首次提出了认知无线电的概念，并将其定 义为一种采用基于模式的推理达到特定无线相关要求的无线电【3 】。m i t o l a 提出的 感知无线电系统中，在作出改变运行参数的结构的时候，无线节点和网络观察 到的每一个可能参数都被考虑到，因此这种认知无线电被称为“全感知无线电”， 即“认知无线电”。该系统的出发点就是，使具有认知能力的未授权用户通过调 整自身系统的参数以适应周围无线环境的变化，在不影响授权频段上授权用户 的正常通信的情况下，动态的接入到空闲的授权频段进行通信。从而从根本上 解决目前固定频谱分配政策所造成的频谱资源在空间和时间上的利用不尽合理 的现状。 图1 3 给出了m i t o l a 在其博士论文【4 】中描述的以通信环境为基础的感知周期 的模型。该模型详细描述了认知无线电系统是如何与周围的环境进行信息交互， 并利用感知到的新状态和先验信息进行响应的一个认知无线电的观察、自身定 位、制定计划、学习、决策并执行的整个过程。 预先建立的 策 资源 图1 3 认知无线电的认知周期 o f d m 技术 5 - 8 】是美国军方2 0 世纪5 0 年代中期根据军事高频通信系统中的 频分复用( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f d m ) 首次提出来的。它作为新一 代移动通信的核心技术，是目前公认的比较容易实现频谱资源控制和有效利用 的传输方式。将o f d m 技术应用于认知无线电系统，通过动态的关闭被授权用 户占用的子载波，可以实现感知用户与授权用户的完美共存，从而最大限度的 利用频谱资源。因此，o f d m 技术被认为是认知无线电系统中首选的复用和调 制技术。 在基于o f d m 的认知无线电中，感知用户利用不连续的子载波进行数据传 3 1 绪论 输，因此又被称为非连续的o f d m ( n c o f d m ) 9 , 1 0 】。然而，由于n c - o f d m 系统 中的子载波的频域波形为s i n c 函数，存在较严重的旁瓣功率泄漏，不能够在频 谱空洞处形成足够深度的频谱凹槽。当感知用户接入n c - o f d m 系统时，大量的 旁瓣能量泄漏到授权频段，将会对授权用户的正常工作产生很大的干扰。这就 违背了认知无线电系统存在的前提感知用户在利用认知无线电进行通信 时，必须保障授权用户的正常通信不受干扰，并且授权用户不需要做任何技术 及设备上的修改来支持此功能。因此，我们必须采取一定的措施来尽可能地降 低n c - - o f d m 系统中感知用户的旁瓣功率泄漏。 1 2 基于o f d m 的认知无线电旁瓣抑制技术研究现状。 尽管目前还没有完全成熟的法规和政策的支持，但无线业界普遍认为认知 无线电将会为无线通信领域带来新的历史性的变革，是无线电发展的一个新里 程碑。因此，世界各地的研究机构和行业联盟也纷纷掀起了研究认知无线电的 热潮。鉴于旁瓣功率泄漏在n c - o f d m 系统研究中的重要性，国内外的一些研究 人员提出了许多方法。在此，我们对这些方法进行简单的总结概括，主要可以 分为三个方向。 1 ) 干扰抵消方法 y a m a g u c h ih 提出利用主动干扰消除( a c t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ， a i c ) 的方法【1 l 】来抑制感知用户的旁瓣功率泄漏。这种方法不需要完全关闭与授 权频带重叠的那些子载波，而是在这些子载波上主动发送一些干扰抵消信号， 从而消除感知用户使用的子载波在授权频段上的干扰。这种方法可以通过增加 发送a i c 信号的子载波数来获取更好的抑制旁瓣功率泄漏效果。 b r a n d es 等人提出了抵消子载波( c a n c e l l a t i o nc a r r i e r ，c c ) 的方法【1 2 1 。 该方法是通过在授权频带两边插入c c 来获取更深的频谱凹槽，但这种方法同a i c 方法一样，对o f d m 系统的循环前缀的长度比较敏感。 c o s o v i ci 等人提出了子载波加权( s u b c a r r i e rw e i g h t i n g ，s w ) 算、法【1 3 , 1 4 1 ， 通过分别对感知用户占用的子载波乘以相应的权值来抑制感知用户的功率泄 漏。这种算法不需要再额外消耗子载波来发送抵消信号，但遗憾的是s w 算法需 要成组的改变子载波的权值，因此不能与q a m 调制技术相兼容。另外，c o s o v i c i 等人还提出了在原o f d m 符号上叠加一个特定的信号序号( a d d i t i v es i g n a l s 4 1 绪论 m e t h o d ，a s m ) 来抑制感知用户的旁瓣功率泄漏。 m a h m o u dh a 等人提出了自适应符号转移( a d a p t i v es i g n a l st r a n s i t i o n ， a t s ) 算法【1 5 】，该算法是通过在o f d m 符号间插入a t s 信号来降低感知用户的旁瓣 功率泄漏。 此外，还有华中科技大学的屈代明教授及其团队提出了的扩展的主动干扰 消除( e a i c e a i c - h ) 算法 1 6 , 1 7 】，c o s o v i ci 等人提出的叠加特定信号序列 ( h d d t i v es i g n a l sm e t h o d ，a s m ) 算法【1 8 】等等都属于利用干扰抵消法来降低感知 用户的旁瓣功率泄漏。 2 ) 编码类方法 s h e l b yk a 等人提出了改良的相邻子载波编码方案 1 9 】。该方案可用于多 频带0 f d m ( 船_ 0 f d m ) 系统，且可以形成大约2 2 d b 的频谱凹槽。 c h u n gc d 等人提出了频谱预编码( s p e c t r a l l yp r e c o d e d ，s p ) 方案【2 0 】。 通过预编码，大大降低了o f d m 系统子载波的旁瓣功率泄漏，但是该方案不仅增 加了系统发射端和接收端设备的复杂度，而且文中也没有提到s p 方案在非连续 的o f d m 系统中的性能。 3 ) 时域加窗方法 w e i s st 博士等人从理论上分析了n c o f d m 系统中的感知用户对授权用户 的干扰模型以及干扰大小的计算公式【2 ，并提出了可以通过利用升余弦窗来代 替矩形窗的方法来降低n c - o f d m 系统中感知用户对授权用户的干扰。 s e y e d ia 采用d o l p h c h e b y s h e v 窗 2 2 】可以进一步地降低感知用户对授权用 户的干扰，但d o l p h c h e b y s h e v 窗的缺点是牺牲了一定的子载波正交性。尽管 文中采用了预处理可以改善这种现象，却增加了系统的复杂度，同时也降低了 系统的频谱效率。这一点与采用认知无线电技术的初衷相违背。 另外，山东大学的袁东风教授及其团队采用s o c w 窗来抑制感知用户对授权 用户的干扰 2 3 翔】。但是仅针对了固定的授权用户频谱位置和占用率进行了研究。 而在实际的认知无线电系统中，处于激活状态的授权用户所出现的位置是随机 的，且其频谱占用率可能是随时间变化的，因此本文将在此基础上展开研究， 分析不同的授权用户频谱位置及频谱占用率下的加窗技术干扰抑制性能。 5 1 绪论 1 3 本论文的研究内容及章节安排 本文主要围绕着n c o f d m 系统中感知用户对授权用户的干扰问题展开了 工作。为了降低n c o f d m 系统中感知用户对授权用户的干扰，实现感知用户 与授权用户的完美共存。本文结合n c o f d m 系统的特点，着重讨论了利用时 域加窗技术来抑制感知用户的旁瓣功率泄漏，并对五种n y q u i s t 窗函数的性能进 行了仿真分析。本文的主要内容安排如下： 第一章首先简要阐述了基于o f d m 的认知无线电的选题背景及意义。并对 现有的n c o f d m 系统的旁瓣抑制技术进行了分析和总结，最后简要概括了本 文的研究方向及主要工作安排。 第二章概述了基于0 f d m 的认知无线电系统的基本原理及系统结构。首先 介绍了传统o f d m 系统的基本原理，并分析了其系统模型。然后对o f d m 系统 中保护间隔和循环前缀在消除符号间干扰( i s i ) 和子载波间干扰( i c i ) 的重要作用 进行了分析。最后分析了将o f d m 技术应用于认知无线电系统的可行性、系统 模型以及由此所带来的挑战。 第三章为时域加窗法抑制传统o f d m 系统带外功率泄漏的仿真分析。首先 概述了时域加窗方法的原理。然后给出了o f d m 符号的时域加窗模型，分析了 五种n y q u i s t 窗的时域表达式及其特性。最后给出了时域加窗法抑制传统0 f d m 系统带外辐射的系统性能仿真及结果分析。 第四章为时域加窗法抑制n c o f d m 系统感知用户旁瓣干扰的仿真分析。 首先给出了n c 0 f d m 系统中感知用户的干扰模型及理论分析。然后给出了 n c o f d m 符号的加窗模型。最后结合n c o f d m 系统的特点，给出了时域加窗 法抑制n c o f d m 系统中感知用户旁瓣干扰的仿真分析。并研究了窗函数参数、 授权用户频谱位置及频谱占用率等系统参数对加窗技术抑制干扰性能的影响， 给出了n c 0 f d m 系统中的最优窗函数类型。 第五章总结与展望。总结了本文取得的相关研究进展和工作成果，并针对 有进一步研究价值的课题方向进行了讨论。 6 2 基于o f d m 的认知无线电系统原理分析 2 基于o f d m 的认知无线电系统原理分析 2 1o f d m 系统的基本原理 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术早 在上世纪五十年代中期就已经被提出。但在之后的很长一段时间里，由于当时 各种技术条件的限制，其实现复杂度高而且设备价格昂贵，因此o f d m 系统并 没有引起学者们的广泛关注。到了八十年代，随着现代数字信号处理技术的发 展和大规模集成电路的使用，大大降低了o f d m 系统的复杂度。从此，o f d m 技术登上了通信行业的历史舞台，并被广泛应用于数字音频广播 2 习( d a b ) 、数字 视频广播【2 6 i ( d v b ) 、无线城域网【2 7 】等领域。 o f d m 技术是实现多载波调制的一种具体方式【2 引。其主要思想是：将信道 在频域上划分为若干个正交的子信道，把串行的高速数据信号转换为并行的低 速数据信号，然后调制到每个子信道上进行传输。当子信道的数目很多时，每 个子信道的信号衰落都可以看成平坦性衰落，因此接收端不需要再采取复杂的 信号处理技术就可以实现各个子信道间的无符号间干扰传输。此外，在o f d m 系统中，允许各子载波的频谱部分重叠，只要各子载波间满足相互正交条件就 ( a ) 传统多载波调制信号中的载波频谱 7 2 基于0 f d m 的认知无线电系统原理分析 ( b ) 0 f d m 信号中的载波频谱 图2 1 传统多载波调制与0 f d m 调制的载波频谱 可以从混叠的子载波信号中分离出数据信息，因此具有更高的频谱利用效率。 图2 1 为传统多载波调制的载波频谱和o f d m 调制的载波频谱，从图中可以看 出，o f d m 拥有比传统多载波调制更高的频谱效率。 2 1 10 f d m 系统的调制解调原理 o f d m 系统的调制和解调原理框图如图2 2 所示。在系统发送端，经过调制 的高速串行数据流通过串并变换被分别调制到频域内若干个正交的子载波上， 静 串并 兮 + e j 2 矾。 龄 遗 辞 竺甜丢丑 并串 g - j 粕 巫芦 图2 20 f d m 系统的调制和解调原理框图 8 2 基于o f d m 的认知无线电系统原理分析 然后对这些子载波信号进行累加，最后送入信道进行传输。在系统接收端，利 用子载波的正交性就可以对接收到的信号直接进行解调，最后通过并串变换 恢复出原始数据流。 在发送端，每一个o f d m 符号都是多个经过各种调制方式调制后的子载波 信号之和。这些调制方式都是子载波根据不同的通信环境进行选择的包括相移 键控( p h a s es h i mk e y i n g ，p s k ) 或者正交幅度调制( q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ，q a m ) 。 假设系统频域分成的子载波个数用表示，一个o f d m 符号的持续时间宽 度为t ，4 ( f = o ，1 ，n - 1 ) 代表了分配在每个正交子载波上的低速数据符号，z 是子载波的中心频率，矩形窗函数r e c t ( t ) = 1 ，i t i t 2 。从时间f = 开始的o f d m 输出符号可以表示为： m ，：i r e 胁i = 0 鲥( 一吾) 唧m 正吼叫鲻亿， 【0， f 丁+ 分配到各子载波上的数据信息，按照其特定的调制方式被映射为各个子载 波的幅度和相位信息。因此，o f d m 系统的输出信号又可以用其等效的基带信 号来表示： s o ，：f 善z 阳c ，( r 一一吾) e x p - ，2 万事( r 一) ，t ，+ 丁。2 2 ， 10 ，t t + r 。 式中，j ( f ) 的实部对应o f d m 符号的同相分量，虚部对应o f d m 符号的正交分 量。分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，即为实际系统中最终的子信 道信号和合成的o f d m 符号。 图2 3 为一个包含4 个子载波的o f d m 符号的时域波形。在这个实例中，4 个子载波拥有相同的幅度和相位信息。当然在实际系统中，各个子载波由于所 采用的调制方式可能不同，因此其幅值和相位信息也可能是不同的。另外从图 2 3 中也可以看出，在一个o f d m 符号内每个子载波都包含整数倍个周期，且相 邻的子载波之间都相差1 个周期。根据这一特性可得： 手f e 嘶叫e 嘶叫以= 三 9 聊= 刀 ( 2 3 ) 所以 2 基于0 f d m 的认知无线电系统原理分析 即各子载波之间满足相互正交条件。 图2 3 包含4 个子载波的0 f d m 符号的时域波形 从频域角度来看，o f d m 系统的各子载波也满足其正交性。根据式( 2 1 ) ， 每个o f d m 符号在其周期丁内包含多个非零的子载波，每个子载波上传输的信 号又可以看作是一个非归零矩形信号。因此，每个o f d m 符号的频谱可以看作 是周期为丁的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的万函数的卷积。在 每个子载波频率的最大值处，所有其他子载波的频谱在此处的值恰好为零，从 而满足o f d m 信号在频域内的正交性。 在接收端，对式( 2 2 ) 中第- ，个子载波进行解调。其过程为：将接收端收 到的信号与第个子载波的解调载波e x p 一，2 刀手) 相乘，然后对其在一个符号周 期r 内进行积分，即可获得相应的发送信号嘭，即： 匆= ；卜即( 啦万弘) 崖n - 1 巧e 冲( 伽扣) 声 = 亍1 缶n - i 谚砷( 伽孚( ) 卜= 哆 ( 2 4 ) 1 0 2 基于o f d m 的认知无线电系统原理分析 从上式可以看出，对各个子载波进行解调的结果即为其子载波上相应的发 送信号。对其它子载波而言，频率差( f 一_ ，) 卢为整数，因此在积分区间t 内的积 分结果是零。 为了简化计算，在实际系统中通常采用离散傅里叶逆变换来实现式( 2 2 ) e p 的 o f d m 复等效基带信号。令= 0 ，t = k y n ( k = o ，1 ，n - 1 ) ，同时忽略矩形窗 函数r e c t ( t ) 。式( 2 2 ) 可以改写为： & = s ( k r ) _ 萎n - i zexp(j百2nktxpz,rk1) ( oak n - 1 ) ( 2 5 )& = s ) = z e 百i () ( 2 5 即为谚的i d f t 运算。在接收端，对& 再进行d f t 运算就可以恢复出原始数 据信号4 ，即： 岔= 芝& 唧( 一百2 # k i )o _ i ( 2 7 ) 其中是无线信道的最大多径时延扩展。图2 6 ( a ) ( b ) 分别是无循环前缀和加入 循环前缀的o f d m 符号实例。 在o f d m 系统中，加入循环前缀的系统框图如图2 7 所示。在发送端，输 入的二进制比特流d ( 1 ( ) 经过串并变换( s p ) 被分配在n 路并行的子载波上。然后， 各子载波上携带的信息比特按照各自的调制方式进行星座映射，得到复数形式 的信息数据f 以l 。再依次经过i f f t ，加循环前缀，并串变换( p s ) 和数模转换 ( d a ) ，将信号变成适合信道传输的数据格式s f f ) 。最后，将信号送入信道进行 传送。在接收端，信号的处理过程与发送端正好相反。首先，对信号依次进行 模数转换( 加) 、串并变换( s p ) 和去循环前缀。然后经过f f t 变换，得到每个子 i k j 一： j l ! | | l 。- 一 一一一一 粼 ：l 0 2 0 柏80 1 0 01 2 01 4 0 ( a ) 无循环前缀的0 f d m 符号 1 3 5 2 5 1 5 0 2 1 o 2 基于o f d m 的认知无线电系统原理分析 ( b ) 加入循环前缀后的0 f d m 符号 图2 6 加入循环前缀的0 f d m 符号实例 图2 7 加入循环前缀的o f d m 系统框图 载波上的接收信号( 儿) 。最后，经过星座逆映射和并串转换( s p ) ，得到最后的 接收比特流，( 后) 。 由图2 7 所示的系统框图可以看到，在o f d m 系统接收端，先要将循环前 缀去除，然后再对信号进行解调。因此，o f d m 系统中在加入循环前缀后，对 接收端来说没有传输任何有用的数据信息。这样就造成了系统功率和信息传输 1 4 2 基于o f d m 的认知无线电系统原理分析 速率的损失。其中，功率损失表示为： k 枷t 。( 砉 圳。( 砉+ ) 信息传输速率的损失定义为： 寺土t e + t p 玎 ( 2 9 ) 由式( 2 8 ) ( 2 9 ) 可得，当循环前缀巧占o f d m 符号长度五的2 0 时，系 统的功率损失不到l d b ，但信息传输速率的效率却降低2 0 。虽然循环前缀的 插入造成了系统效率的降低，但是它能够有效地消除多径衰落引起的i s i 和i c i ， 这种代价是值得的。 2 2 基于o f d m 的认知无线电系统概述 2 2 1o f d m 技术在认知无线电中应用的可行性 由前一节的分析可知，o f d m 技术可以有效地消除或减少由于多径时延引起 的i s i 和i c i ，在多径环境和衰落信道下的高速数据传输中优势非常明显。在o f d m 系统中，需要传输的信息被分配在各个子信道中，从而将高速的数据符号转换 为并行的低速数据流。当多径信道呈现频率选择性衰落时，仅有处在频带凹陷 处的少数子信道性能被损坏，而其它的子信道则不受影响。因此系统总的误码 性w l k 单载波系统好很多。目前，已被广泛应用于数字音频广播( d a b ) 、数字视 频广播( d v b ) 、i e e e 8 0 2 1 1 a 无线局域网、i e e e 8 0 2 1 6 a 无线城域网和下一代无线 蜂窝移动通信系统等。表2 1 2 3 分别为d a b 、d v b t 、i e e e 9 0 2 1 l a 中的o f d m 主要参数。 表2 1d a b q b 的o f d m 参数 参数模式1模式2模式3模式4 予载波个数 1 5 3 63 8 4 1 9 27 6 8 子载波间隔1 k h z4 k h z8 k h z2 k h z 符号时间长度 1 2 4 6 m s 3 1 1 5 p s 1 5 5 8 p s6 2 3 p s 保护间隔 2 4 6 p s 6 1 5l l s 3 0 8 p s1 2 3 p s 载波频率 3 7 5 z 1 5 g h z 3 g h z 1 5 g h z 发射机距离 9 6 k i n 2 4 k i n 1 2 k m 4 8 k i n 1 5 2 基于0 f d m 的认知无线电系统原理分析 表2 2d v b - t 中的0 f d m 参数 参数2 k 模式8 k 模式 子载波个数 1 7 0 56 8 1 7 子载波间隔( h z ) 4 4 6 41 1 1 6 有效符号长度( g s ) 2 2 48 9 6 保护间隔( u s ) 7 、1 4 、2 8 、5 62 8 、5 6 、1 1 2 、2 2 4 调制方式 q p s k 、16 q a m 、6 4 q a mq p s k 、16 q a m 、6 4 q a m 编码效率l 2 、2 3 、3 4 、5 6 、7 81 2 、2 3 、3 4 、5 6 、7 8 表2 3i e e e 8 0 2 1 l a 中的0 f d m 主要参数 数据速率( m b i f f s ) 6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 调制方式 b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 编码效率 1 2 、2 3 、3 4 子载波数量 5 2 导频数量 4 o f d m 符号长度 4 9 s 保护间隔8 0 0 n s 子载波间隔31 2 5 k h z 3 d b 带宽1 6 5 6 胁 信道间隔 2 0 z 另外，o f d m 系统拥有比传统多载波调制更高的频谱利用效率【3 1 1 ，这一点 在频谱资源日益紧张的今天显得尤为重要。由于o f d m 系统的各子载波间相互正 交，从而减少了子载波间的相互干扰，使得相邻子载波可以相互重叠。因此当 o f d m 系统的子载波数目很大时，其频谱效率理论上可以接近n y q u i s t 极限，比 单载波系统提高了近一倍。 同时，o f d m 还具有随时加载和卸载单个子载波的能力，可以根据信道的状 况和噪音背景的不同灵活地选择适合的子载波来传输信号。从而实现动态的频 谱资源分配，以获得最佳的系统性能。因此，o f d m 是目前公认的比较容易实现 频谱资源控制和有效利用的传输方式。正是基于以上几点原因，o f d m 技术被 看作是实现认知无线电数据传输的候选技术之一。表2 4 具体阐述了o f d m 技术 适用于认知无线电系统的各方面的优势。 根据以上分析，o f d m 是适合认知无线电系统的传输方式。但是由于传统的 o f d m 的频谱是连续的，若直接用于认知无线电系统则可能造成感知用户对授权 用户的干扰。于是人们提出了非连续的o f d m ( n o n c o n t i g u o u so f d m ， n c o f d m ) p 】系统。它在传统o f d m 基础上进行改进，关闭处于激活状态的授权 1 6 2 基于o f d m 的认知无线电系统原理分析 表2 40 f d m 技术和认知无线电系统 认知无线电o f d m 优势 要求 频谱感知 o f d m 技术自带的f f t 运算是认知无线电系统进行频谱感知所必需的， 不需再增加额外的硬件开销和计算量 频谱成形o f d m 可以通过在授权用户存在的频谱位置上简单的关闭一些子载波来 修剪波形 适应性o f d m 系统可以适应不同的传输环境和可用资源；拥有可以自适应修改 可扩展性 的参数：f f t 的大小，子载波间距，循环前缀长度，调制、编码方式， 子载波功率 先进的m i m o 和o f d m 技术的结合能够减少均衡器的复杂度，并且o f d m 技 天线技术术也支持其他的智能天线 协同工作的随着无线局域网( i e e e 8 0 2 1 1 ) 、无线城域网( 正e e 8 0 2 1 6 ) 、无线区域 能力 网( 正e e 8 0 2 2 2 ) 、无线个域网( i e e e 8 0 2 1 5 3 a ) 都可以作为o f d m 技 术的物理层使用，使得它和其他技术的协同工作性更加方便 多重接入和支持多用户接入就是在系统中分配不同的子载波组给不同的用户( 即 频谱分配o f d m a 技术) 窄带干扰消窄带干扰对o f d m 系统的影响只有部分子载波，可以将这些子载波简单 除的关闭 用户所对应的子载波，感知用户利用非连续的空闲子载波进行通信。 2 2 2n c - 0 f d m 系统的基本原理 n c o f d m 是基于o f d m 的频谱池技术，其核心是频谱池 3 2 , 3 3 】。1 9 9 9 年， m i t o l a 博士在其文章 3 4 中首次提出了频谱池的概念，其主要思想是将横跨多种 不同授权用户业务的频谱资源整合为一个通用资源，当授权用户处于空闲状态 时，感知用户可以暂时使用其频谱资源进行业务传输。频谱池技术为现在频谱 资源紧张的地区提供了新的频谱接入机会，是现存无线网络的一种有效补充。 n c o f d m 的基本思想就是将频谱池规划成一个o f d m 系统，把授权用户 的频谱按照o f d m 系统的子载波间隔整数倍匹配，由此就可以根据o f d m 系统 本身所具有的优势来灵活地使用和控制频谱池。对于感知用户来说，其进行数 据传输所利用的子载波是随机的，且是不连续的。这样既提高了频谱利用率， 又避免了在频谱空洞上对授权用户造成干扰。图2 8 是n c o f d m 系统的示意图。 图2 8 中，实线表示授权用户暂时占用的频段，虚线表示处于空闲状态的授 权用户频段，也即认知用户可以临时使用的频段。由图中可以看出，在一个频 谱池内，授权用户的种类、个数以及位置都是不固定的。因此感知用户在利用 1 7 2 基于0 f d m 的认知无线电系统原理分析 f f 1 频率 n c - o f d m 系统进行通信时，首先要获得整个频谱池中频谱的使用状态信息，即 频谱池中各子载波上的授权用户的忙闲状态，一般用向量i 0 来