（通信与信息系统专业论文）滤波多音频调制在感知无线电系统中应用研究.pdf

独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 盏i 要 日期 2 竺丛三 五 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定 1 1 1 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以 公布学位论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇 编学位论文 保密的学位论文在解密后遵守此规定 非保密论文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 本人签名 乏 l 叁 日期 2 坌也 兰 导师签名 辱 垒l 一霹一 一 日期 盈出吗 二一 i 北京邮电大学硕士学位论文 本论文由下列项目资助 国家自然科学基金 认知无线电系统中多用户协作分集理论及关键技术研究 编号 6 0 8 7 2 0 4 9 时间 2 0 0 9 1 2 0 11 1 2 l l p c 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 滤波多音频调制在感知无线电系统中应用研究 摘要 无线频谱是一种珍贵的自然资源 当前无线通信系统基于静态的 频段分配方式是造成频谱资源日趋缺乏的一个主要原因 为了提高频 谱利用率 人们开始考虑允许没有使用许可的感知用户在对授权用户 不产生任何干扰的情况下来使用已分配的空闲许可频段 目的是提高 频谱资源利用率 这样一种频谱感知的无线通信技术叫做感知无线 电 这种技术已成为未来无线通信领域的新研究热点 目前i e e e8 0 2 2 2 是负责制定感知无线电的标准 草案里提到上 下行链路采用o f d m 调制技术 o f d m 技术要求各子载波频谱互相 交叠 保持正交 但正是基于此 系统对频率同步非常敏感 极小的 频偏都会对相邻感知用户和授权用户造成极强的干扰 为了减小子载 波间的干扰 o f d m 通过引入虚子载波 这必然会降低频谱利用率 违背了感知无线电提高频谱利用率的宗旨 针对o f d m 在感知无线电里应用暴露的缺点 论文提出了另一 种多载波技术滤波多音频调制 f m t 作为感知无线电的物理层技术 f m t 所有子载波互不重叠 这种子载波排列方式 大大减少了子载 波间的干扰 即使有些频偏 子载波间的干扰也是很小 从而减小了 感知无线电里感知用户对授权用户的干扰 并且f m t 几乎不需要虚 子载波 大大提高了频谱利用率 目前研究f m t 在感知无线电里应用的相关文献较少 论文主要 工作是在感知无线电的背景下 分析f m t 在载波频偏和多普勒频偏 信道下感知用户对授权用户的干扰程度 并在同样情况下与采用 o f d m 时进行性能对比 通过仿真发现 f m t 比o f d m 能减小用户 间的干扰 同时f m t 不需要虚子载波和循环前缀 极大提高了频谱 利用率 因此f m t 更适合做感知无线电的物理层技术 关键词 感知无线电滤波多音频 f m t o f d m 频谱利用率 舜l j 1 工 北京邮电人学硕士学位论文a b s t r a c t a p p l i c a t l 0 nr e s e a r c ha b o u t f i i j e r e dm u i j i t o n et e c h n o l o g y i nc o g n i t er a d l 0 a b s t r a c t w i r e l e s ss p e c t r u mi sap r e c i o u sn a t u r a lr e s o u r c e t h ec u r r e n tw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb a s e do ns t a t i cs p e c t r u ma l l o c a t i o nr e s u l ti nt h e l a c ko fs p e c t r u mr e s o u r c e s t h es t u d yf o u n dt h a ts o m e s p e c t r u mb a n d si n t h ev a s tp e r i o do ft i m ea r en o to c c u p i e d i no r d e rt oi m p r o v es p e c t r a l e f f i c i e n c y p e o p l eb e g a nt oc o n s i d e ra l l o w i n gc o g n i t i v eu s e r su s i n gt h e f r e ep e r m i t sa l l o c a t e db a n d w i t h o u tp r o d u c i n ga n yi n t e r f e r e n c et ot h e a u t h o r i z e du s e r s t h ep u r p o s ei st oi m p r o v et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o n t h i s c o g n i t i v es p e c t r u mo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yi s c a l l e d c o g n i t i v er a d i o n o wt h et e c h n o l o g yh a sb e c o m en e wr e s e a r c hd i r e c t i o n s i nt h ef u t u r eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s n o w a d a y si e e e8 0 2 2 2 s t a n d a r d si sr e s p o n s i b l ef o rt h ed e v e l o p m e n t o fc o g n i t i v er a d i o w h i c hs u g g e s t su s i n go f d mm o d u l a t i o ni nu p l i n ka n d d o w n l i n ki nt h ed r a f t o f d mr e q u i r e ss p e c t r u mo v e r l a pw i t he a c ho t h e r w i t hah i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y b u ti ti sb a s e do nt h i s t h es y s t e m f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni sv e r ys e n s i t i v et oo n es m a l lo f f s e t w h i c h w i l lc a u s e ss t r o n gi n t e r f e r e n c eb e t w e e nc o g n i t i v eu s e r sa n da u t h o r i z e d u s e r s i no r d e rt or e d u c ei n t e r f e r e n c eb e t w e e ns u b c a r r i e r s o f d mu s e s v i r t u a ls u b c a r r i e r s w h i c hi n e v i t a b l yr e d u c e st h es p e c t r u me f f i c i e n c y c o n t r a r y t o c o g n i t i v e r a d i o i m p r o v i n g t h e p u r p o s e s o f s p e c t r u m e f f i c i e n c y 1 1 北京邮电大学硕十学位论文a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es h o r t c o m i n gw h i c h0 f d mc a u s e si nc o g n i t i v er a d i o a p p l i c a t i o n s t h ep a p e rp r o p o s e s a na l t e r n a t i v em u l t i c a r d e r f i l t e r e d m u l t i t o n em o d u l a t i o n f m t a so n ek i n do fc o g n i t i v er a d i op h y s i c a l l a y e rt e c h n o l o g y a l ls u b c a r r i e r sa r en o tm u t u a l l ys u p e r p o s e d b u ts i d e b ys i d ew i t he a c ho t h e r t h i sa r r a n g e m e n to fs u b c a r r i e r sg r e a t l yr e d u c e s t h ec a r r i e r s i n t e r f e r e n c e e v e ni fs o m ef r e q u e n c yo f f s e t i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c ei sv e r ys m a l l t h u sr e d u c i n gt h ei n t e r f e r e n c ep e r c e p t i o no ft h e c o g n i t i v er a d i ou s e r sa n da u t h o r i z e du s e r s a n df m td o e sn o tr e q u i r e v i r t u a ls u b c a r r i e r s g r e a t l yi m p r o v i n gt h es p e c t r a le f f i c i e n c y t h e r ei sal i t t l e a p p l i c a t i o nr e s e a r c ha b o u tf m to ft h ec o g n i t i v e r a d i oi nl i t e r a t u r ec u r r e n t l y t h e s i sa n a l y s e st h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e n a u t h o r i z e du s e r sa n dc o g n i t i v eu s e r si nt h ec a r d e rf r e q u e n c yo f f s e ta n d d o p p l e rf r e q u e n c yo f f s e tc h a n n e lw i t hf m t a n du n d e rt h es a m e c o n d i t i o n sc o m p a r e dw i t ho f d m t h es i m u l a t i o nf o u n dt h a t f m tc a n m o r er e d u c et h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nu s e r st h a no f d m w h i l ef m t w i t h o u tv i r t u a ls u b c a r d e r sa n dc y c l i cp r e f i x w h i c hg r e a t l yi n c r e a s e s s p e c t r u me f f i c i e n c y t h e r e f o r e f m ti sm o r es u i t a b l ea sac o g n i t i v er a d i o p h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g y k e yw o r d s c o g n i t i v er a d i of i l t e r e dm u l t i t o n e f m t o f d m s p e c t r u me f f i c i e n c y i i i i 奠 北京邮电大学硕士学位论文目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 目勇乏 i 第一章绪论 1 1 1 论文研究的背景和意义 1 1 2 论文的主要工作和章节安排 3 第二章感知无线电与多载波技术 5 2 1 感知无线电概述 一5 2 2o f d m 技术原理及应用 6 2 2 1o f d m 调制技术 7 2 2 2o f d m 系统的实现 9 2 2 3 频率偏差对o f d m 系统的影响 1 0 2 3 本章小结 1 0 第三章滤波多音频技术 f m t 原理及设计 1 3 3 1 采用滤波器组的f m t 的基本原理 1 3 3 1 1f m t 的发送原理 1 3 3 1 2f m t 的接收原理 18 3 2f m t 系统的设计 2 l 3 2 1f m t 系统中滤波器的设计 2 1 3 2 2f m t 系统中均衡器的设计 2 3 3 2 3f m t 系统实现 2 6 3 3 感知无线电系统中o f d m 与f m t 的比较 2 9 3 3 1 频谱利用率 2 9 3 3 2 系统实现的复杂度 3 0 3 3 3 感知环境中抗干扰能力 3 0 3 4 本章小结 3 l 第四章基于感知无线电下的多载波系统的仿真 3 3 4 1 无线信道衰落特征及建模 3 3 4 1 1 无线信道衰落特征 3 3 4 1 2 无线信道建模j a k e s 模型 3 4 4 2 非感知背景下频偏衰落信道f m t 与o f d m 系统的仿真对比 3 6 l 北京邮电大学硕士学位论文日录 4 2 1 瑞利平坦衰落信道下载波频偏的影响和分析 3 6 4 2 2j a k e s 信道下多普勒频偏的影响和分析 4 0 4 3 感知无线电背景下频偏衰落信道下f m t 与o f d m 系统的仿真对比 4 3 4 3 1 感知无线电瑞利平坦衰落信道下载波频偏的影响和分析 4 3 4 3 2 感知无线电j a k e s 信道下多普勒频偏的影响和分析 4 5 4 4 基于f m t 的c r 系统结构 4 7 4 5 本章小结 4 9 第五章本文结论及展望 5 l 致 射 5 3 参考文献 5 4 攻读学位期间发表的学术论文目录 5 7 i l 苫 f 0 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早殖下匕 1 1 论文研究的背景和意义 目前 无线业务的蓬勃发展使人们更加清楚地认识到无线频谱的重要性 而 从另一方面 当今的无线网络采用的是固定频谱分配政策 即无线频谱资源的规 划和使用是由政府部门制定的 收发机对它的使用需要得到政府或某种组织的许 可 经过大量观察研究 各国的无线电法规部门发现无线频谱资源并没有得到充 分利用 目前分配出的频谱的利用率是从1 5 8 5 不等 l 某些频带如移动手机 网络的频带是超负荷的 但是诸如业余无线电等相当多频段并没有得到充分使 用 并且 频谱利用率在不同的空间和时间段也是不一样的 如不同频段的频谱 利用率不同 白天和晚上的频谱利用率也不同 然而 纵然拥有频谱使用标准的 法定授权用户很少使用分配给他们的频段 法规也限制了那些潜在的 但不具备 使用许可的用户的准入 尽管固定频谱分配政策在过去很有效 但在最近几年无 线业务急剧增长 对有限的频谱的需求也随之剧增 因此有限的可利用频谱资源 较低的频谱利用率问题使得一种全新的 优化使用频谱的无线通信模式变的十分 重要f 2 1 美国联邦通信委员会 f c c 很自然的采取了下一步行动 在2 0 0 4 年5 月颁 布了t v 电视频段的n p r m 它规定 只要不对频段内授权业务产生严重的干扰 无1 v 频段授权的用户也可以工作在这个频段上 而技术可以通过感知无线电 c o g n i t i v er a d i o c r 来实现 感知无线电被看作是解决目前频谱利用率低的适 合方案 它通过改变它的运行参数与实时无线环境相匹配 从而更加灵活 有效 的利用频谱资源 授权用户和感知用户间的干扰可以通过先进的无线通信技术来 消除 基于此 i e e e 成立了一个新的工作组 i e e e 8 0 2 2 2 工作组的任务为 没有电视频段使用许可的设备制定基于感知无线电的p h y 和m a c 层空中接口 标准 它从真正意义上把感知无线电技术由概念变成了现樊 未来的通信是宽带通信 因此感知无线电必须是一个宽带的技术 如果采用 单载波调制的话 即使是采用先进的干扰抑制和空时信号处理技术 也需要抽头 数很长的时域均衡器 训练时间长 相对而言 使用长符号间隔的多载波调制技 术在理论上可以较好地解决这一问题 另一方面 多载波调制技术将多用户的接 入与子载波的自适应分配相关联 5 如在图1 1 的o f d m a 接入方式中 所有频 谱被分为两类 被授权用户占用的子载波和空闲子载波 这样 只需从空闲子载 北京邮电大学硕上学位论文 第一章绪论 波中选择若干分配给感知用户即可完成多用户的接入 再辅之以i d f t d f t 极易 实现 因此 多载波调制技术在感知无线电系统中具有一定的优势 且已得到广 泛应用研究 在i e e e 8 0 2 2 2 的草案中 上下行链路采用了o f d m a 调制技术 图卜1 用户接入与子载波分配相关联 o f d m a 方式 值得注意的是 o f d m 多载波技术虽然抗多径干扰 消除了符号间干扰 但是由于子载波间相互叠加 一旦由于载波频偏或者信道引入的多普勒频偏 就 会破坏子载波间的正交关系 引起子载波间干扰 这个干扰就有可能让感知用户 影响授权用户的性能 而使用感知无线电的前提是尽量不引入用户间的干扰 两 者的方向是相互矛盾的 并且o f d m 为了减小子载波间干扰 引入了虚子载波 v c 虚子载波上不传数据 使频谱的利用率降低 同时为了消除多径造成的 符号间干扰 在时域上加入了循环前缀 c p 但是从频域看 也是降低了频谱 利用率 而感知无线电的目的就是为了提高频率的利用率 两者的宗旨相违背 尽管i e e e 8 0 2 2 2 草案里提到用o f d m 做为感知无线电 c r 的物理层技术 但是基于感知无线电物理层技术的研究依然是个热点 目前所有研究感知系统几 乎均是基于多载波调制技术的 基于o f d m 的c r o f d mc r 系统 如t i m o a w e i s s 等提出的s p e c t r u mp o o l i n g 系统 6 乔治亚理工大学的o c r a 系统 加 州大学的c o r v u s 系统和n a u f i l u s 系统 维吉尼亚理工大学的c r 系统等 另 外 还有p e i m a n 等人提出的基于余弦多音调制 c m t 的c r c m tc r 系 统 j 刀 不管是o f d m 还是c m t 子载波都是有交叠的排列在一起 无法消除载 波间的干扰 并没有从实质上解决这个问题 s 在这种情况下 论文提出了应用另外一种多载波技术 滤波多音频 f m t f m t 技术是采用滤波器组的一种多载波调制方式 由于滤波器良好的截止特性 使得各子载波在频域不会发生混叠 f m t 系统的带外泄漏可低至一6 0 d b 几乎能 够忽略不计 正是由于这种特性 即使在频偏稍微偏大的情况下 子载波问的 干扰还是可以忽略 授权用户和感知用户问的干扰也很小 并且 f m t 实现不 需要虚子载波 不需要循环前缀 既克服了子载波间的干扰 又提高了频谱利用 率 因此f m t 比o f d m 在感知无线电里面有着很大的优势 研究感知环境下 f m t 的实现具有很大的现实意义和应用前景 2 享 秘 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 论文的主要工作和章节安排 本论文的研究得到国家自然科学基金项目 6 0 8 7 2 0 4 9 感知无线电系统中 多用户协作分集理论及关键技术研究 2 0 0 9 卜2 0 1 1 1 2 的资助 论文的主要工 作是在感知无线电背景下 f m t 技术的实现及性能仿真 着重在载波频偏和多 普勒频偏下的仿真性能 为了说明f m t 更适合感知环境 论文与o f d m 做了仿 真对比 仿真结果证明了相比于o f d m f m t 更适合做感知无线电的物理层技 术 而且 f m t 比o f d m 另一个优势就是频谱利用率高 这点也会在论文里着 重进行分析 另外 f m t 实现的关键技术是滤波器组设计和均衡器的实现 两者从很大 程度上决定了f m t 的性能和实现复杂度 论文中会对这两种关键技术的实现进 行详细的介绍 基于上面提到的工作 论文的章节安排如下 第一章引言 首先介绍了论文研究的背景和意义 内容包括论文选题的原 因 应用的背景 以及当前该领域的研究阶段和出现的问题 其次介绍了论文的 主要工作 包括需要做的仿真对比和性能分析 这是论文的重点部分 最后是对 论文章节安排进行了说明 第二章分两部分 一部分是感知无线电的介绍 感知无线电是继多天线 m i m o 之后 无线通信领域新的研究热点 论文会对感知无线电进行概念介绍 主要重点放在物理层技术上面 第二部分是多载波技术的介绍 目前i e e e 8 0 2 2 2 的草案里提到感知无线电的空口技术是o f d m 因此论文会介绍o f d m 的技术 原理 本章小结最后阐述o f d m 在感知环境里应用暴露的缺点 分析这些缺点 产生的原因 引出新的多载波技术f m t 能够解决这些问题 第三章着重介绍滤波多音频技术 f m t 的原理及设计 原理部分分析了 f m t 发送和接收的过程 这里涉及了数字信号里面滤波器组的知识 论文会对 这部分进行公式推导论证 f m t 的设计主要集中在滤波器组的设计和均衡器的 设计 滤波器的选取不同和均衡器的设计方法会极大影响系统的性能和实现的复 杂度 论文里介绍了几种适合f m t 的滤波器的实现方法 由于u m t 的子载波是不 重叠的 不满足奈奎斯特准则 不管滤波器怎样设计 都会引入符号间的干扰 因此在接收端要加入均衡器消除符号间的干扰 i g n a c i ob e r e n g u e r 在他的一篇的 综述文献附录里面介绍了均衡器在f m t 里面的设计过程 l o 采用的是判决反馈 均衡器 d f e 和m m s e 准则设计抽头系数值 论文将会对这个过程进行详细 的推导 并仿真验证其性能 第四章是论文的主要工作 基于感知无线电下的多载波系统的仿真 首先是 北京邮电大学硕士学位论义第一章绪论 无线信道的分析 论文仿真信道主要是j a k e s 模型 因此会对j a k e s 建模进行 说明 然后分析非感知环境下f m t 系统和o f d m 系统在无线信道星的性能仿真 主要分析两种情况 一种是在载波频偏下的性能仿真 一种是在多普勒频偏下的 性能仿真 之后再扩展到感知无线电环境下 授权用户占用固定的子载波 感知 用户接入前和接入后 在频偏信道下对授权用户干扰的干扰情况 最后在感知背 景下整体上对f m t 和o f d m 两种多载波方式做一个性能对比 第五章是论文的总结和展望 讨论f m t 在感知环境里未来的研究方向 4 尊 r 北京邮电大学硕士学位论文 第二章感知无线电与多载波技术 第二章感知无线电与多载波技术 最近几年 随着无线业务的急剧增长 对有限的频谱需求也随之剧增 这 种状况对传统频谱政策的有效性提出了挑战 有限的可利用频谱及频谱利用效 率的低下等问题使得一种全新的 优化使用频谱的无线通信模式变得十分必要 于是人们把感知无线电技术推到无线通信领域的前沿 感知无线电技术允许不同机制的用户可以共享相同的频带资源 由于不同 用户有不同的流量要求 下行传输数据要具备灵活性 并且上行方向也必须支 持多用户的接入 为了克服这个问题提高系统效率 基站必须能够针对每个用 户终端调整带宽和调制编码方式 因此多载波系统适合应用于这种场合 本章首先对感知无线电进行介绍 然后介绍目前感知无线电里草案提到的 多载波技术o f d m 最后总结分析两者结合面临的问题 2 i 感知无线电概述 感知无线电 c o g n i t i v er a d i o c r 的概念起源于1 9 9 9 年j o s e p hm i t o l a 博士 的奠基性工作 9 其核心思想是c r 具有学习能力 能与周围环境交互信息 以 感知和利用在该空间的可用频谱 并限制和降低冲突的发生 随着许多c r 相 关研究的展开 对c r 技术存在多种不同的认识 最典型的一类是围绕m i t o l a 博士提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开研究 他们强调软 件定义无线电 s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s d r 是c r 实现的理想平台 针对c r 研究中存在的多种描述 美国f c c 提出了c r 的一个简化的版本 他们在f c c 一0 3 3 2 2 中建议任何具有自适应频谱意识的无线电都应该被称为感知 无线电c r c r 是一种新型无线电 它能够在宽频带上可靠地感知频谱环境 探测合法的授权用户的出现 能自适应地占用即时可用的本地频谱 同时在整 个通信过程中不给授权用户带来有害干扰 当今对c r 的研究绝大多数主要集 中在频谱感知无线电领域 s p e c t r u ms e n s i n gc o g n i t i v er a d i o 其最终的目标是 通过感知和重新配置获得最好的可用频谱 一个实际的感知无线电系统如下 假设在一个无线传输系统中 不同的频 段被划分给了不同的授权用户 当授权用户未使用所分配频段进行通信时 在信 道中将会出现空闲的频谱 s p e c t r u mh o l e s 图2 1 感知用户通过频谱检测 技术检测到未被使用的频段 1 1 1 在这段空闲的频谱资源上进行通信 如果这一 频段随后又被授权用户使用了 那么感知用户就会探测其他有无可用的频段 5 北京邮电人学硕士学位论文第二章感知无线电与多载波技术 如果有 就转移到另外一个空闲的频段 如果没有 就退出 直到检测到可用 空闲频段再占用 通过这样的操作 c r 系统保证所有的频段几乎都是在占用的 状态 大大提高了频谱资源的利用率 因此这样的通信方式要求c r 系统具备 一定的能力 总体来讲 c r 能够与其他的频谱用户进行协商 从而有效地共享 频谱资源 其次 系统能够感知频谱在特定的时间和空间的空白段 并利用这 部分频谱进行传输同时还要避免对其他用户的干扰 再者 c r 系统能够使工作 在不同频率 采用不同传输模式的通信系统之间相互合作 例如 c r 系统可以 能够选择合适的工作频率和传输模式从而成为两个通信系统的 桥梁 接收一 个频段上的一种模式的信号 同时以另一种模式在不同的频段上进行传输 1 2 1 np a c k e t s 一 个个7 p 卜 一 l i ii ill l i c e n s e du s e r s s p e c t r u mh o l e s s p e c t r u m c 尺 图2 1 感知无线电中的频谱示意图 感知无线电技术要求基站和用户终端在提高性能的同时降低复杂性 而且 需要有效的对可用频段进行实时探测来提供满足用户业务性能 范围和速率要 求的服务 由于不同用户有不同的流量要求 下行传输数据要具备灵活性 并 且上行方向也必须支持多用户的接入 同时由于用户端设备距离基站的距离各 不相同 因此其信噪比也不一样 为了克服这个问题提高系统效率 基站必须 能够针对每个用户终端调整带宽和调制编码方式 从现有的通信技术来看 多 载波系统更适合应用于这种场合 当前 i e e e 8 0 2 2 0 草案里规定感知无线电的空口技术选o f d m 下面将对 多载波系统里的o f d m 技术进行介绍 2 20 f d m 技术原理及应用 多载波调制本质上是一种频分复用技术 它把可用带宽分成若干相互隔离 的子频带 同时分别传送一路低速信号 从而达到信号复用的目的 各子载波 6 搴 0 北京邮电大学硕士学位论文第二章感知无线电与多载波技术 上的被调制数据可以来自同一个信号源 也可以来自不同的信号源 这种传统 的多载波传输方式复杂性比较高 因为各个子载波都需要自己的模拟前端模块 同时为了使得接收机可以区分各子频带 各子频带之间必须有足够的间隔 从 而避免经过信道后发生频谱混叠 所以频谱效率通常很低 但是在这种并行传 输机制下 因为各子载波上的数据速率较低 相应的信号的码元符号周期较长 并远大于信道的最大时延扩展 从而可以有效地减小由于信道单位时延扩展引 起的符号间干扰问题 早期的多载波系统中的子载波频谱没有经过滤波 各子载波频谱的形状均 为s i n e 函数形式 为了限制系统的频谱 r w c h a n g 等分析了多载波通信系统 中如何是经过滤波 带限的子载波保持正交 1 3 15 1 随着数字信号处理技术的发 展和硬件水平的提高 s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 提出了使用离散傅立叶变换 d f t 实现多载波的基带调制和解调 1 6 1 这样便不再对每个子载波都是用模 拟前端 从而大大地降低了多载波系统的复杂度 为o f d m 的实现做出了巨大 的贡献 另外w c i n s t e i n 等人提出了通过插入一段空白区作为保护间隔来消除符 号间干扰 但这种办法不能保证信号经过色散信道后各个子载波仍然保持正交 为此 a p e l e d 和a r u i z 提出了采用循环前缀 c p 的方法保证信号经过色散 信道后仍然保持各个子载波间的正交性 1 7 从数字信号角度来看 把经过信道 的线性卷积过程变成了循环卷积 从而i f f t 和f f t 转换完全对应起来 至此 形成了正交频分复用 o f d m 的概念 o f d m 技术具有良好的抗多径能力 从而受到大量的关注 目前的o f d m 已经得到了广泛的应用 如a d s l i e e e 8 0 2 1 l a h i p e r l a n 2 无线局域网 欧洲数字音频广播和数字视频广播d v b 等 大部分研究感知无线电系统也是基于o f d m 的 2 2 10 f d m 调制技术 在o f d m 系统中 将系统带宽分为n 个窄带的信道 输入数据分配在n 个子信道上传输 因而 o f d m 信号的符号长度z 是单载波系统的n 倍 o f d m 信道由n 个子载波组成 子载波的间隔v a f l r 所有的子载波在z 内是 相互正交的 在z 内 第k 个子载波可以用g k t 来表示 k 0 1 n 1 c d 舌口撑耄 三篙篡j 蔷 c 2 山 为了消除码间干扰 i s l 通常要引入保护间隔 通常露的选取应大于 无线信道中最大多径的时延的长度 这样可以保证前后码元之间不会产生干扰 在保护间隔内 可以不传输任何信息 但此时可能会产生载波间的干扰 i c i 7 北京邮电大学硕士学位论文第二二章感知无线电与多载波技术 即子载波之问的正交性会被破坏 为了解决i c i 可将子载波延拓一个保护间隔 经过延拓后的子载波信号为 g o 舌口鸩厅差 e 萑 一r o r 马s ji 尊 c 2 2 其对应的子载波的频谱函数为 g 厂 t s i n c z t f k a f 2 3 图2 2 是子载波数m 8 的o f d m 系统的频率响应示意图 图2 20 f d m 频率响应 加入保护时间后的o f d m 的信号码元长度为t 五 砭 假定各子载波上 的调制符号可以用最 来表示 刀表示o f d m 符号区间的编号 k 表示第七个子 载波 则第 1 个o f d m 符号区间内的信号可以表示为 f 2 古毛 溉 t n t 2 4 总的时间连续的o f d m 信号可以表示为 s f 寺 最 g k t n t 2 5 vn 0k 0 根据式 2 3 和 2 4 可知 尽管o f d m 信号的子载波的频谱是相互重叠的 但是 在区间正内是相互j 下交的 利用正交性 在接收端就可以恢复发送数据 1 8 在实际运用中 信号的产生和解调都是采用数字信号处理的方法来实现的 此时要对信号进行抽样 形成离散时间信号 由于o f d m 信号的带宽为 b a f 信号必须以a t l b no a f 的时间间隔进行采样 采样后的信号 用 表示 i 0 1 n 一1 则有 亨 0 膏 北京邮电大学硕士学位论文 第二章感知无线电与多载波技术 2 古邑i v s n k e j 2 j r i k 3 1 i 1 1 2 6 从该式可以看出 它是一个严格的离散反傅立叶变换 i d f t 的表达式 i d f t 可以采用快速反傅立叶变换 i f f t 来实现 与发端相类似 上述相关运算可 以通过快速傅立叶变换 f f t 来实现 2 2 2o f d m 系统的实现 在2 2 1 节中讲到 能够将离散 逆 傅立叶变换应用到o f d m 的调制和 解调中去 而离散傅立叶变换可以用高效的快速傅立叶变换 f f t 来实现 这样就得到了图2 3 中的o f d m 系统 其工作过程为 输入二进制信息比特首 先经过串 并变换 s p 变为m 路并行的比特流 各个支路上的信息比特数可 以根据各子信道的频谱特性进行优化 然后各支路上的信息比特根据各自的调 制方式 b p s k 或q a m 等等 进行星座映射 得到信号空间中的复数坐标 即 后 然后经过快速逆傅立叶变换 i f f t 加入循环前缀 c p 再经过并 串变换 p s 和数 模变换 d a 最后经低通滤波器和射频发送到信道中进 行传输 在接收端 进行的是一个相反的过程 信号首先经过模 数 a d 变 换 去除循环前缀 经过快速傅立叶变换 得到每个支路上的接收信号 此时 需要一个单抽头的均衡器来校正信道所带来的畸变 抽头系数可以通过信道信 息来计算 均衡后的信号经星座逆映射 得到每个子信道的接收比特 再经过 并 串 p s 变换 得到串行的接收比特流 最后经过译码器来纠正个别子信 道带来的比特错误 凹 一 l 凹 m j 耻 一 r o 七 口1 1 s p f t p ss p f f t 爿叫 耻 严 图2 3o f d m 系统框图 9 p s 北京邮电大学硕 b 学位论文 第二章感知无线电与多载波技术 2 2 3 频率偏差对o f d m 系统的影响 在o f d m 系统中 只有发送和接收的子载波完全一致 才能保证子载波间 的正交性 从而可以正确接收和解调信号 任何频率偏移必然导致i c i 实际系 统中 由于本地时钟源 如晶体震荡器 不能精确地产生载波频率 总要附着 一些随机相位调制信号 结果使接收机产生的频率不可能与发送端的频率完全 一致 对于单载波系统 相位噪声和频率偏移只是导致信噪比损失 不会引入 干扰 但是对于多载波系统 却会造成i c i 图2 4 因此 o f d m 系统对于 载波偏移比单载波系统要敏感 必须采取措施消除频率偏移 采样点末发生频偏 i 舷 1 0 8 蜊 差o 6 毽 霉o 4 姗 臻o 2 采样点发生频偏 铽庐 图2 4 频率误差造成o f d m 系统产生i c i 同样无线信道里面会由于终端移动带来多普勒效应 而多普勒带来的频偏 会破坏子载波的正交性 更困难的是这种频偏并不能单纯的靠信道估计就能克 服掉 如果想提高系统性能 接收端还需要额外做多普勒频偏估计 增加系统 接收端的复杂度 在感知无线电系统里 频偏会恶化感知用户对授权用户的干扰 因此o f d m 在感知环境里应用时需要考虑载波频偏和多普勒频偏的影响 一种方法是开发 新的频偏估计算法 使o f d m 得性能改善 另外一种方法是引入更好的多载波 技术 比如f m t 等等 2 3 本章小结 本章首先介绍了感知无线电技术 这种技术目的就是提高频谱的利用率 因此成为当前的研究热点 其次介绍了多载波技术o f d m 它能够有效对抗感 知无线电中的多径无线信道 并且在实际的感知系统中 授权用户和感知用户 可能是不同的物理层调制技术 因此多载波很适合这种场景 但是 o f d m 依 1 0 窄 1 8 6 4 2 o 2 o o o o o 憾罂g氆蜃将爨 北京邮电大学硕士学位论文第二章感知无线电与多载波技术 然还有很多的关键问题 影响了o f d m 在感知中的应用 首先为了抑制子信道之间的频谱泄漏 0 f d m 需要采用虚子载波技术 虚 子载波的引入使得某些载波资源被浪费掉 必然会降低频谱利用率 这个会在 第三章3 3 节里详细分析 其次与单载波系统相比 o f d m 对频偏的大小很敏感 这种偏差会在0 f d m 系统中引起i s i 和i c i 而频偏误差估计的好坏 对o f d m 系统的性能的影响 很大 在基于o f d m 的感知无线电系统中 任何频率偏差都会导致感知用户与 授权用户之间的干扰 而f m t 技术可以较好的容忍频偏 更适合应用于感知环 境里 第三章将会对这种技术进行介绍 北京邮电大学硕 卜学位论文 第二章感知无线电与多载波技术 1 2 雩 北京邮电大学硕士学位论文第二三章滤波多音频技术 f m t 原理及设计 第三章滤波多音频技术 f m t 原理及设计 滤波多音频技术 f m t 是一种与o f d m 类似的多载波调制技术 它的提出 首先是基于双绞线电话信道设计的 其研究的开始可以追溯到1 9 9 9 年 由 c h e r u b i n i 和e l e f t h e r i o u 等人提出 19 2 0 初始研究主要应用在v d s l 等有线系统 经后续的研究表明 f m t 系统也可以有效的应用到无线系统中 2 i g n a c i ob e r e n g u e r 的一篇综述对f m t 无线环境的应用进行了详细介绍 l o l 下面的很多理论公式推导基本上都是基于这篇综述的 3 1 采用滤波器组的f m t 的基本原理 本节主要介绍f m t 的发送和接收原理 通过原型滤波器组的引入 使得 f m t 向数字形式的实现复杂度简化了很多 3 1 1f m t 的发送原理 滤波多音调制 f m t 是采用滤波器组将整个信道划分为若干个带限且近似 互不相交的子信道 在每个子信道上用相应的子载波进行信息的传输 滤波器 组中的每个滤波器都是由同一个低通滤波器经过等间隔的频谱搬移得到的限带 滤波器 这个低通滤波器称为原型滤波器 p r o t o t y p ef i l t e r 2 2 原型滤波器的选 择应该使其具有良好的频谱约束能力 使得信道间的干扰相比系统内的其他噪 声还要低 完全可以被忽略 在文献 2 2 中指出 原型滤波器的设计可以不必 满足理想重建 p e r f e c tr e c o n s t r u c t i o n p r 条件 适当引入一些幅度和相位畸 变 会比较容易达到良好的频谱约束能力 当然付出的代价就是需要在接收端 对每个子信道进行均衡处理 以消除i s i 原型低通滤波器的构造可以采用一些经典的方法 如窗函数法 r e m e z 法 等等 这样构造出的有限脉冲响应 f i r 滤波器全部为实系数 并且可以逼近 理想低通滤波器的频率响应 l j 如图3 1 所示 图里的m 值是f m t 系统里 的子载波个数 在o f d m 系统中 各个子载波的频谱为相互混叠的s i n c 厂 函数 子载波 间隔保证它们之间是相互正交的 而在f m t 中 系统通过非重叠的频谱划分来 保证子载波之间的正交性 由于传输信道可以看作是线性的 传输过程中不会 破坏f m t 的这种正交性 因此不需要插入循环前缀 当然良好的频谱约束能力 北京邮电大学硕士学位论文第三章滤波多音频技术 f m t 原理及设计 必定要求滤波器的边缘十分锐利 这就使得滤波器的计算复杂度大大的提高了 i h 门i m 图3 1 理想低通原型滤波器的频率响应 当滤波器组为严格抽样的时候 m 个子载波的频率间隔为1 t t 为每个 子载波上的符号长度 每个子载波上的发送带通滤波器都是对原型低通滤波器 进行频移得到的 如图3 2 所示 e j 2 鼍n 1 m 广 丫 叫办 刀 卜 圆 弋 j h c y n 图3 2 原型滤波器的频谱搬移 原型滤波器的长度为子信道数m 与另一个参数7 的乘积m y 其中参数7 称为重叠因子 它代表了原型滤波器在m 的基础上的扩展程度 通常f m t 系统 中的y 取值范围是8 到2 0 t 2 2 1 图3 3 所示的是子载波数为4 重叠因子y 为1 6 的f m t 系统的频率响应 每个子信道泄漏到带外相邻子信道的功率约一6 0 d b 相隔较远的子信道就更低了 相比系统内其他的噪声干扰 可以认为i c i 为零 厂 i f f f l r n n f i 陬 n 0 一i删 川 f 棚 l 删f f f ri 4 f慨 北京邮电大学硕士学位论文第三章滤波多音频技术 f m t 原理及设计 f m t 滤波器组的直接发送方案如图3 4 所示 a o n t 囵 彳丝l 囵 y i 飞 2 7 五妇f k j 后了t l 刀 点一j r1 a l t j 一2 擘一i 删 一医而 点 b 图3 5f m t 发送系统上采样频谱示意图 为