感知无线电改进WiMAX性能研究.doc

第 27卷 第 4期2009年 7月吉 林 大 学 学 报 (信 息 科 学 版 )jou rna l of j ilin u n ive rsity ( info rm a tion sc ience ed ition)vo l. 27 no. 4j u ly 2009文章编号 : 1671 25896 ( 2009 ) 0420341206感知无线电改进 w imax性能研究黄秋宴 , 谢显中(重庆邮电大学 个人通信研究所 /计算机网络与通信信息产业部重点实验室 , 重庆 400065 )摘要 : 为提高 w imax系统频谱利用率 , 减小与其他系统之间的干扰 , 实现共存 , 利用感知无线电的周期图频谱检测和频谱池技术 , 对 w imax性能加以改进 。采用 w imax系统 802116e基带链路 , 信道模型选用 m 11225 中规定的 va 车载信道 。在频谱感知模块中 , 频谱模型在由频点相互独立的 256 个瑞利衰落正弦信号叠加构 成。每帧数据传输开始时 , 二级用户利用周期图频谱检测技术对信道频段进行检测 , 获得频谱空洞 , 然后采 用频谱池技术在频谱空洞上传输数据 。仿真结果表明 , w imax系统中采用感知无线电技术 , 可在减小对二级 用户干扰的同时 , 避免对一级用户的影响 , 从而提高了频谱利用率 , 使系统性能得到很大提高 。关键词 : w imax性能 ; 感知无线电 ; 周期图检测 ; 正交频分复用 ; 频谱池中图分类号 : tn92915文献标识码 : ar e sea rch on pe rfo rm ance imp rovem en t of w imax system by cogn itive r ad iohuan g q iu2yan, x ie x ian2zhong( in stitu te of pe rsona l comm un ica tion /m ii key l ab of comp u te r n e two rk and comm un ication, chongq ing u n ive rsity of po sts and telecomm un ica tion s, chongq ing 400065 , ch ina)a b stra c t: the sp ec trum re sou rce of w imax system is ve ry sca rce. how to imp rove the sp ec trum u tiliza tion andreduce in te rfe rence w ith o the r system s to ach ieve co2existence need s to be re so lved. the p e rfo rm ance and sp ec2 trum u tiliza tion imp rovem en t of w imax system is stud ied by u sing p e riodogram de tec tion and sp ec trum poo l tech2 no logy. w imax system s 802116 e ba seband link is u sed, and channe l mode l is m 11225 va channe l. in the sp ec trum sen sing modu le, sp ec trum mode l is the sum of 256 r ayle igh fad ing signa l sine who se frequency b in s a re indep enden t of each o the r. the sp ace be tween frequency b in s is 8 sub2ca rrie r sp ace s. b efo re the tran sm ission of each da ta fram e, seconda ry u se r u se p e riodogram de tec tion techno logy to de tec t sp ec trum ho le, then tran sm it da2 ta on the sp ec trum ho le by sp ec trum poo l techno logy. the sim u la tion re su lts show tha t u sing cogn itive rad io tech2 no logy reduce s the in te rfe rence to seconda ry u se r and avo id influenc ing on p rim e u se r. the sp ec trum u tiliza tion and p e rfo rm ance of w imax system is a lso grea tly imp roved.key word s: w imax p e rfo rm ance; cogn itive rad io; p e riodogram de tec tion; o rthogona l frequency d ivision m u lti2p lexing (o fdm ) ; sp ec trum poo l引言频率资源以及分配方式直接决定无线系统的容量和规模。按照各国目前对 w imax 系统的频率分配方式 , 每个运营商所获得的频点与大规模的蜂窝组网要求相比都有较大差距。按照 w imax 系统802116 e标准 , 其载频带宽为 1125 20 mh z, 但要达到 12 km 移动速度又获得 15 60 m b it / s的宽带支收稿日期 : 2008 209 221基金项目 :国家自然科技基金资助项目 ( 60872037 ) ;航天十一五预研基金资助项目 ( 60872037 )作者简介 :黄秋宴 ( 1982 ) ,男 ,四川绵阳人 ,重庆邮电大学硕士研究生 ,主要从事宽带无线通信技术研究 , ( te l) 86 223 262487952 ( e2m a il) huangq iuyan1982 1261com; 谢显中 ( 1966 ) ,男 ,四川通江人 ,重庆邮电大学教授 ,硕士生导师 ,主要从事移动通信技术、通信信号处理研究 , ( te l) 86 223 262487952 ( e2m a il) xiexianzhong tom1com。持 , 须选择 20 mh z载频带宽。依据宏蜂窝宽带无线城域网的建设需求 , 最少需要 7 个频点才能实现大规模组网 , 因此一家运营商至少需要 140 mh z频率 , 如果运营商升至 2 3 家 , 则至少需要 280 mh z和420 mh z 频率 。但目前已分配 w imax 频率远远满足不了移动 w imax 大规模组网的需求。因此 ,w imax系统频谱资源非常紧缺 , 必须提高频谱利用率 , 同时要考虑与其他系统之间的干扰共存问题 1 。感知无线电 ( cr: cogn itive r ad io) 被认为是提高频谱利用率的最佳方案。感知无线电最早由 m i2to la等 2 提出。美国 fcc于 2003 年给出了一个狭义的感知无线电定义 , 只要具备环境感知探测 , 并能 调整传输频点和相关传输参数的设备就是感知无线电设备 。感知无线电的最大特点在于智能性 , 也是它与普通软件无线电的最大不同 。感知无线电能自动检测周围的环境并调整通信系统参数 (包括频率、调制方式和发送功率等 ) , 以适应环境的变化 , 在不对主用户 (授权用户 ) 造成干扰的情况下从空间、频率和时间多维地利用频谱资源 , 提高频谱资源的利用率 。如何检测空闲频谱并加以利用是感知无线电的关键技术之一 35 。w imax系统频谱资源紧张 , 不可避免地存在干扰与共存问题。这就要求 w imax 系统应具有检测 频谱空洞的能力、自适应信道选择功能和动态频率选择技术。笔者利用感知无线电的周期图频谱检测和 频谱池技术改善 w imax的性能 。1 周期图频谱检测技术频谱检测技术是感知无线电的关键技术之一。传统的能量检测器先将信号通过一个低通滤波器滤除 带外噪声和邻近信号 , 然后依次经过模数转换器、平方器 、n 个抽样求和得到检测统计量 y , 将其与预 先设定的门限值进行比较 69 。当所得的感兴趣频段上的能量值大于门限值时 , 可以判定该频段上存在 主用户信号 , 感知用户不适合在该频段上工作 ; 小于门限值时 , 可以判定该频段上仅有噪声 , 不存在主 用户信号 。对于给定的信号带宽 , 需要进行与信号带宽相匹配的前滤波 , 但不容易进行改变 , 特别是在窄带信号和正弦波信号中。这时可以考虑周期图检测方法 10 , 11 , 通过选择相应的频率谱线 ,的信号都可以使用该方法进行处理 。这里考虑瑞利衰落正弦信号s ( n ) = a co s ( 2f0 n +) = a co s ( 2f0 n ) + b sin ( 2f0 n )任意带宽( 1 )其中 n = 0, 1, n - 1, a 服从瑞利分布 , 0 f0 0, 将正的常数合并到门限中 , 可得ssn - 1= 1 yt h h t y= 1 h t y 2 =1| y n exp ( - j2f n )| 2t ( y)( 8 )0nnnn = 01 ,1门限 = 2 lnp和 p 分别表示检测概率与虚警概率 , 平均信号能量噪声比 = p1 +/ 2 ,pdfadfapfan e (a2 / 2 ) /2 = n2 /2 。它也可解释为功率谱 ( psd: powe r sp ec tra l d e tec tion) 估计器 , 周期图检测框s图如图 1所示。图 1 周期图检测框图f ig11 pe riodogram de tec tion d iagram2 w imax系统及其改进w imax系统 802116 12 包括两大部分 : 媒体访问控制层和物理层 , 这 里仅阐 述物 理层部 分。w imax系统 o fdm ( o rthogona l f requency d ivision m u ltip lexing) 物理层采用 256 个子载波 , o fdma(o rthogona l f requency d ivision m u ltip le a cce ss) 物理层采用 2 048个子载波 , 信号带宽由 1125 20 mh z 可变。基于 o fdm 的 w imax物理层基带处理主要分为以下几个模块 : 扰码、前向纠错编码与交织、星 座映射和 o fdm 调制。根据感知无线电定义以及 w imax物理层规定 , 可以把具有感知功能的模块添加到 w imax 的基带链路中(见图 2 ) 。其中 cr 感知、频谱管理、频谱移动分享和重构部分是感知无线电部分。图 2 感知无线电改进 w imax的基带框图f ig12 w imax ba seband imp rovem en t d iagram利用感知无线电改进 w imax系统可基于 o fdm 的频谱池技术 1315 , 其核心是频谱池。频谱池的 概念最早是在文献 16 中提出的 , 其主要思想是把横跨多种不同主用户业务 (主用户 , 有时也称为 一级用户 ) 的频谱资源合并成一个通用资源 , 当其中主用户业务处于空闲状态时 , 其他用户 (感知用 户 , 有时也称二级用户 ) 可暂时使用其中的资源。频谱池与现存的无线网络并不是竞争关系 , 反而是 一种补充 , 可在频谱资源紧张的区域内提供新的频谱接入机会。频谱池技术最基本的问题是感知用户使用频谱池资源时 , 不能对主用户造成任何不良影响 , 主用户也不需要做任何软件和硬件修改以支持此功能 。所以一方面感知用户得到了可使用的频谱资源 ; 另一方 面授权主用户可使即得的频谱资源得到更充分的利用 , 在提高了频谱利用率的同时增加新的创收点。笔 者统称先接入给定频段的用户为一级用户 , 后接入的用户为二级用户 。基于 o fdm 的频谱池将频段分成若干个子载波 , 使用当前 、当地可利用频谱空洞所对应的子载波传输二级用户的数据 , 将正在活动的一级用户频段所对应的子载波设置为关闭状态 , 即二级用户在这些 子载波上传输 0。因此 , 将感知无线电模块加入 w imax系统中 , 再根据 o fdm 频谱池思想 , 利用周期图频谱检测技 术不仅能提高频谱利用率 , 还能减小干扰。3 仿真环境及结果分析笔者采用 w imax系统 802116 e基带链路 1719 , 其中信道模型选用 m 11225 20 中规定的 va 车载信 道。利用 m a tlab仿真 , 载波中心频率为 315 gh z, 带宽 315 mh z, 采样频率 4 mh z, 调制为 16 qam , 纠 错码为 r s码和卷积码 , 码率为 1 /2。频谱感知模块中 , 选用 256 个频点相互独立相距 8 个子载波间隔 的瑞利衰落正弦信号叠加构成频谱模型。每个瑞利衰落正弦信号表示一级用户在该频段上的两个子载 波 , 并对应于 w imax系统 802116 e的 o fdm 子载波 。每个瑞利衰落正弦信号的检测性能如图 3 所示 , 图 3 中 pfa表示虚警概率。当在给定频段上未进行频谱空洞检测直接传输二级用户数据时 , 二级用户数据将受到干扰 , 而且会影响到一级用户数据 。随着一级用户平均信号能量噪声比受到的干扰将明显增加 (见图 4 ) 。enr ( enge ry no ise r a tio) 的增大 , 二级用户图 3 瑞利衰落正弦信号的检测性能f ig13 the de tec tion p e rfo rm ance ofr ayle igh fad ing sine signa l图 4 w imax系统性能随平均信号能量噪声比的变化f ig14 the re la tion be tween w imaxsystem p e rfo rm ance and enr频谱检测时 , 笔者选取 n 为 2 048 , 虚警概率为 0101 ,抽取每个瑞利衰落正弦信号对应子载波进行门限判决得到频谱空洞 , 然后在频谱空洞上进行二级用户数据传输 。这里将存在一级用户的子载波记为1 , 不存在的记为 0 , 频谱空洞标记示意图如图 5所示。在给定频段上 , 若先进行频谱检测得到该频段上的频谱空洞 , 然后在频谱空洞上传输二级用户数 据。这样既避免了对自身的干扰 , 又不会影响一级用户数据传输 , 使 w imax 系统性能得到了较大的提高。在 enr 为 3 db , 虚警概率为 0101时 , 将感知无线电技术应用于 w imax 系统前后的性能对比如图6 所示 。由图 6可知 , w imax系统采用感知无线电技术后系统性能有明显提高。第 4期黄秋宴 ,等 :感知无线电改进 w imax性能研究345图 5 频谱空洞标记f ig15 the m a rke r of sp ec trum ho le图 6 利用感知无线电技术改进 w imax系统性能f ig16 u sing cogn itive rad io techno logy to imp rove the p e rfo rm ance of w imax system4 结语由于 w imax系统频谱资源紧缺 , 笔者采用感知无线电技术提高频谱资源利用率。针对 w imax系统 o fdm 结构特点 , 将周期图频谱检测技术应用到基于 o fdm 频谱池技术的 w imax 系统中 , 以改善 w imax系统性能 。仿真结果表明 , 采用感知无线电技术既减小了对二级用户自身的干扰 , 同时也避免 了对一级用户的影响 , 使 w imax系统性能得到很大提高。参考文献 : 1 彭木根 , 王文博. 下一代宽带无线通信系统 o fdm 与 w imax m . 北京 : 机械工业出版社 , 2007: 415 2438.pen g m u2gen, wan g w en2bo. n ext2gene ra tion w ire le ss comm un ica tion s system o fdm and w imax m . b e ijing: ch ina m ach ine p re ss, 2007: 415 2438. 2 m itola j , gerald q. cogn itive r ad io s: m ak ing softwa re r ad io s mo re pe rsona l j . ieee pe rsona l comm un ica tion s,1999, 6 ( 4) : 13218. 3 zhao q ing, br ian m sadl er. a su rvey of d ynam ic sp ec trum a cce ss j . signa l p roce ssing, 2007 , 24 ( 3 ) : 79 289. 4 何丽华 , 谢显中 , 董雪涛 , 等. 感知无线电中的频谱检测技术 j . 通信技术 ,2007 ( 5) : 9211.h e l i2hua, x ie x ian2zhong, don g xue2tao, e t a l. techno logy of sp ec trum sen sing in the cogn itive r ad io j . comm un i2ca tion s techno logy, 2007 ( 5 ) : 9211. 5 王悦 , 冯春燕 , 曾志民 , 等. 认知无线电频谱检测机制研究 j . 吉林大学学报 : 信息科学版 , 2008, 26 ( 3 ) :230 2237.wan g yue, fen g chun2yan, zen g zh i2m in, e t a l. r e sea rch on sp ec trum sen sing m echan ism s of cogn itive r ad io j . jou rna l of j ilin u n ive rsity: info rm a tion sc ience ed ition, 2008 , 26 ( 3) : 230 2237. 6 ur kow itz h. ene rgy d e tec tion of u nknown d e te rm in istic signa ls j . p roceed ings of the ieee, 1967, 55 ( 4 ) : 5232531. 7 r en q ing2chun, l ian g q i2lian. pe rfo rm ance a na lysis of ene rgy d e tec tion fo r cogn itive r ad io w ire le ss n e two rk s c w ire le ss a lgo rithm s, system s and app lica tion s. ch icago, il: ieee p re ss, 2007: 139 2146. 8 youn g m in k im , zh en g guan2bo, sun g hwan sohn , e t a l. a n a lte rna tive ene rgy d e tec tion u sing slid ingw indow fo r cogn itive r ad io system c a dvanced comm un ica tion techno logy. phoen ix pa rk pyeongchang, gangwon2do, sou th ko2 rea: ieee p re ss, 2008: 481 2485. 9 d igham f f, alou in im s, s imon m k. o n the ene rgy d e tec tion of u nknown signa ls ove r fad ing channe ls j . ieee tran sac tion s on comm un ica tion s, 2007 , 55 ( 1 ) : 21 224. 10 sarvan ko h , mu ston en m. coop e ra tive and noncoop e ra tive sp ec trum sen sing techn ique s u sing w e lchs pe riodogram incogn itive r ad io s c cogn itive r ad io and a dvanced sp ec trum m anagem en t. a a lbo rg, d enm a rk: ieee p re ss, 2008: 125. 11 谢显中. 感知无线电技术及其应用 m . 北京 : 电子工业出版社 , 2008: 29 269.x ie x ian2zhong. cogn itive r ad io techno logy and app lica tion m . b e ijing: pub lish ing hou se of e lec tron ic s indu stry,2008: 29269. 12 ieee standa rd 802116 e /d10. a ir in te rface fo r f ixed and mob ile b roadband w ire le ss a cce ss system s s . 13 on er m , jondral f. o n the extrac tion of the channe l a lloca tion info rm a tion in sp ec trum poo ling system s j . ieee jou rna l on se lec ted a rea s in comm un ica tion s, 2007, 25 ( 3) : 558 2565. 14 pandhar ipand e a sh ish , ho ch in keon g. sp ec trum poo l r ea ssignm en t fo r a cogn itive o fdm 2b a sed r e lay system c cogn itive r ad io o rien ted w ire le ss n e two rk s and comm un ica tion s. o rlando f lo rida, u sa: ieee p re ss, 2007: 90294. 15 haddad m , ha yar a , d ebba m. sp ec tra l effic iency of sp ec trum 2poo ling system s j . comm un ica tion s iet, 2008 , 2 ( 6 ) : 7332741. 16 m itola j. cogn itive r ad io fo r f lexib le mob ile m u ltim ed iacomm un ica tion s c mob ile m u ltim ed ia comm un ica tion s. sand iego, ca lifo rn ia, u sa: ieee p re ss, 1999: 3 210. 17 wan g b e i2be i, sen i, ma tola k d w. pe rfo rm ance eva lua tion of 802116 e in v eh ic le to v eh ic le channe ls c v eh ic2u la r techno logy confe rence. b a ltimo r, m a ryland