基于認知無線電的NC-OFDM系統HPA非線性的研究＊

朱春華 ,楊守義穆曉敏齊 林

(1.鄭州大學 信息工程學院, 鄭州450001;2.河南工業大學 信息科學與工程學院,鄭州 450001)

1 引 言

近年來,基于OFDM調制的多載波調制技術備受研究者關注。相對于單載波系統而言, OFDM發射機的輸出信號的瞬時值有較大的動態范圍,這就要求系統內的功率放大器有很大的線性動態范圍;反之,功率放大器的非線性也會對動態范圍較大的信號產生非線性失真,產生諧波,造成較明顯的頻譜擴展干擾以及帶內信號畸變,導致整個系統性能下降和鄰信道干擾。在基于NC-OFDM[1～4]的認知無線電系統中,認知用戶(Cognitive Radio User, CU)的發射信號既要滿足嚴格的帶外發射標準,同時也要保證自身的性能要求。與OFDM信號相比, NCOFDM信號的峰均比問題更為嚴重[5]。由于高功率放大器(HPA)的非線性加大了NC-OFDM系統中CU的旁瓣泄漏,這將增加主用戶(PrimaryUser,PU)頻帶的干擾溫度,若其超過PU的干擾容限,將導致CU不能共享PU的空閑頻率資源,從而降低頻率資源利用率,所以分析基于NC-OFDM的認知無線電系統中CU旁瓣泄漏對PU頻帶干擾溫度的影響及其與系統參數設置的關系是非常重要的。與OFDM系統HPA非線性失真的分析不同[6～8], NCOFDM系統HPA非線性的分析不僅要考慮HPA參數對旁瓣泄漏功率的影響,還要考慮PU頻帶占用率、CR子信道大小以及保護載波數量等系統參數的設置對其的影響。本文首先給出基于NC-OFDM的認知無線電系統模型、HPA模型及信號形式,在此基礎上,通過仿真分析CU子信道間隔、保護載波數量、PU頻帶占用率等參數變化對PU頻帶干擾溫度的影響,給出了相應的仿真結果。

2 系統模型

2.1 NC-OFDM原理

NC-OFDM技術是在傳統OFDM技術的基礎上增加了頻譜感知功能,所使用的子載波不再是連續的子載波,而是PU當前未占用的頻率資源。由于PU的信道使用不是固定不變的,所以需要采用靈活的子載波修剪算法保護PU用戶的正常通信,常用矢量分配方式完成子載波的修剪,如圖1所示。圖1中, PU占用的子載波和保護子載波被分配矢量零,而CU使用的子載波被分配矢量1。對應的NC-OFDM調制原理如圖2所示。圖2中,輸入數據經過串并變換和星座映射后,采用矢量分配方式對子載波進行組合或剪裁,然后進行離散傅里葉逆變換(IDFT)得到時域信號,并增加循環前綴得到NC-OFDM信號,最后經數模轉換和功率放大器形成發射信號。

圖1 基于認知無線電的NC-OFDM系統傳輸模式Fig.1 ThetransmissionmodeofNC-OFDMbased oncognitiveradio

圖2 NC-OFDM發射機原理Fig.2 TheNC-OFDMtransmittingprinciple

由圖2,經D/A轉換后的NC-OFDM信號可表達為

式中, i～j子載波是PU占用的頻帶,被分配矢量零;r(t)、φ(t)分別為NC-OFDM信號的包絡和相位。經過HPA后,其包絡和相位會產生不同程度的非線性失真。

2.2 HPA的非線性特性

HPA的非線性體現在兩個方面:幅度非線性(AM/AM)和相位非線性(AM/PM)。對式(1)的輸入,系統輸出可表示為

式中, G(r(t))、ψ(r(t))分別為系統的AM/AM和AM/PM特性函數。

行波管放大器(TravelingWaveTubeAmplifier,WTA)是目前比較常用的一種HPA[9],其典型的模型為

式中, r(t)為輸入信號的幅度, G(r(t))、ψ(r(t))為輸出信號的幅度和相位, Asat為輸入信號飽和電壓, φ0取60°。輸入、輸出幅度都已歸一化, 特性曲線如圖3所示。定義輸入回退(IBO):

在輸入幅度r(t)為Asat時,輸出幅度G(r(t))達到飽和值0.5 Asat。當輸入繼續增大時輸出反而減小,這是TWTA特有的一種特性。并且從圖3中可看出,隨著HPAIBO的減小,輸出信號的幅度衰減和相位失真增大。

圖3 TWTA模型的AM/AM和AM/PM曲線Fig.3 AM/AMandAM/PMcharacteristicsofTWTAmodel

由上面分析可知, NC-OFDM信號經過HPA后, HPA的非線性將使其幅度和相位產生非線性失真,輸出信號形式如式(2)所示。本文第三部分將比較HPA前后NC-OFDM信號旁瓣泄漏引起的PU頻帶的平均干擾功率,并分析PU頻帶占用率、CR子信道間隔、保護頻帶數量等系統參數對PU頻帶平均干擾功率的影響。

3 仿真與分析

仿真中采用的子載波修剪方案如圖4所示。圖4中, CR用戶可使用子信道1 和子信道2 進行通信,子信道1和子信道2與PU1和PU2之間預留的置零子載波是保護載波。設保護載波數目是b,可用頻率資源為M個子載波,其中PU占用載波數為a,其頻帶占用率為r=a/M。

圖4 NC-OFDM系統子載波修剪方案示意圖Fig.4 IllustrationofsubcarrierclippinginNC-OFDM

仿真中,輸入數據首先經過64QAM調制,然后采用矢量分配法進行子載波修剪,最后經過IFFT操作形成NC-OFDM時域信號。為了避免混疊效應,仿真中采用4倍過采樣。采用M=256路子載波的OFDM信號,經過子載波修剪后的功率譜如圖5所示。

圖5 NC-OFDM信號經HPA前后的功率譜密度Fig.5 ThePSDofNC-OFDM signalsbeforeandafterHPA

由圖 5(a)可見, HPA的非線性引起 NCOFDM信號的帶外泄漏增加了15 dB,而且帶外泄漏功率幾乎不隨PU頻帶占用率變化。圖5(b)給出了NC-OFDM信號的旁瓣泄漏對帶內PU的干擾。隨著HPA非線性的增強, CU對PU的干擾增大,且與PU頻帶占用率有關。可以預見, PU頻帶上的干擾不僅與HPA參數有關,而且與PU頻帶占用率、保護載波數目、PU頻帶位置等有關。所以,本文將詳細分析上述因素變化對PU頻帶干擾溫度的影響,從而設計合理的共存方案。

3.1 CU子載波間隔對PU頻帶干擾溫度的影響

圖6給出了不同子載波數的NC-OFDM信號HPA前后的功率譜密度,其中PU頻帶占用率為r=0.4。 CU可用的頻帶寬度不變。 CU所用的子載波數目越多,則子載波頻率間隔越小。由圖6可見,在未經HPA時,子載波數目越多, PU頻帶干擾功率越低。這是因為 NC-OFDM信號的頻譜是 N個sinc(x)的和,其旁瓣按1/Nx2衰減[10], N越大,則其旁瓣衰減越大。但當HPA非線性較強時,由于存在非線性失真,子載波數越多,產生的諧波較多,引起更為嚴重的子信道間的干擾。可見,在存在HPA時,通過單純增加子載波數目來降低PU頻帶干擾溫度是不可行的。在以后的仿真中,為了簡化,直接選擇M=64。

圖6 不同子載波數的NC-OFDM信號經HPA前后的功率譜密度Fig.6 ThePSDofNC-OFDMsignalswithdifferentsubcarriers beforeandafterHPA

3.2 HPA的IBO對PU頻帶干擾溫度的影響

圖7 不同IBO參數下的PU頻帶平均干擾溫度Fig.7 ThePUinterferencetemperaturewithdifferentIBOs

以IBO參數為自變量, HPA前后PU頻帶的平均干擾功率曲線如圖7所示。圖7表明:IBO越小,HPA非線性越強, PU頻帶干擾功率越大。當IBO=0 dB、b=0時, HPA的非線性引起PU頻帶平均干擾功率增加了6.802 1 dB。圖7(a)還表明,適當增加保護載波可以大幅降低對PU頻帶的干擾,增加兩個保護載波,可使PU頻帶的平均干擾功率降低5 dB以上。但繼續增加保護載波對降低PU頻帶干擾功率貢獻不大。從圖7(b)還可看出, PU頻帶占用率r越大,其帶內干擾功率越低, 且帶內干擾對IBO因子變化越不敏感。

3.3 PU頻帶占用率對PU頻帶干擾溫度的影響

圖8給出了PU頻帶占用率r變化時PU頻帶的平均干擾功率曲線,其中IBO=0 dB。圖8表明,隨著PU頻帶占用率的增大,其帶內的平均干擾功率呈線性遞減趨勢,因為此時CU可用的頻率資源越來越少,當然干擾就減少了。另外,圖8還表明,增加保護子載波,的確可以降低CU對PU頻帶的干擾,但增加保護載波對PU頻帶干擾溫度的改善是有限的。當r=0.1時,保護載波數每增加2個,則HPA后 PU頻帶干擾量依次降低了 4.457 4 dB、1.958 8 dB、0.705 2 dB。r=0.7 時,依次降低了2.158 3 dB、0.870 5 dB、0.237 7 dB。可見,當r較大時,保護載波的作用并不明顯,而且會造成頻率資源的浪費。

圖8 保護子載波對PU頻帶干擾溫度的影響Fig.8 TheeffectsofguardsubcarriersonPUinterference temperature

4 結 論

本文研究了基于OFDM的認知無線電系統中CU對PU的干擾問題。通過仿真分析了CU子載波間隔、保護載波數量、PU頻帶占用率等參數變化對PU頻帶干擾溫度的影響。結果表明, HPA的IBO參數和PU頻帶占用率r是影響PU頻帶干擾溫度的決定因素,當IBO=0 dB、r=0.1時, HPA的非線性使PU頻帶干擾溫度增加了6.8 dB;當r=0.4時,其帶內干擾溫度降低了6 dB。增加1 ～2個保護載波可使PU頻帶干擾溫度得到有效降低,這也說明與PU頻帶相鄰的子載波對PU的干擾最大,該結論對進一步的干擾抑制措施和干擾受限的功率分配方案有重要作用。此外,如何設計最佳的保護載波數量和子載波間隔以同時保證頻譜的高利用率和PU通信的可靠性還有待進一步研究。

[ 1] Poston JD, Horne W D.Dis-contiguous OFDM considerations for dynam ic spectrum access in idle TV channels[ C] //Proceedings of the First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks.[S.l.] :IEEE, 2005:607-610.

[ 2] Tang H.Some physical layer issues ofwide-band cognitive radio systems[ C] //Proceedings of the First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks.[S.l.]:IEEE, 2005:151 -159.

[ 3] Rajbanshi R, Wyglinski A M, Minden G J.An efficient implementation of NC-OFDM transceivers for cognitive radios[ C] //Proceedings of the 1st International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communication.[S.l.] :IEEE, 2006:1-5.

[ 4] Won JY, Kang H G, Kim Y H, etal.Fractional bandwidth mode detection and synchronization for OFDM-based cognitive radio systems[C] //Proceedings of IEEE Vehicu lar Technology Conference(VTC 2008).[ S.l.]:IEEE,2008:1599-1603.

[ 5] Rajbanshi R, Wyglinski A M, Minden G J.Peak-to-average power ratio Analysis for NC-OFDM Transmissions[ C] //Proceedings of IEEE 66th Vehicular Technology Conference(VTC2007).[ S.l.]:IEEE, 2007:1351 -1355.

[ 6] Liu C M, Xiao H, Wu Q, et al.Non linear distortion analysis of RF power amp lifiers for wireless signals[ C] //Proceedings of the 6th International Conference on Signal Processing.[S.l.] :IEEE, 2002:1282-1285.

[ 7] Santella G, Mazzenga F.A model for performance evaluation in M-QAM-OFDM schemes in presence ofnonlinear distortions[C] //Proceedings of IEEE 45th Vehicular Technology Con ference(VTC1995).[ S.l.] :IEEE,1995:830-834.

[ 8] Aloisio M, Angeletti P, CasiniE, etal.Accurate characterization of TWTA distortion in multicarrier operation by means ofa correlation-basedmethod[ J] .IEEE Transactions on Electron Devices, 2009, 56(5):951-958.

[ 9] Saleh A A M.Frequency-independent and frequencyindependent nonlinear models for TWT amplifiers[ J].IEEE translations on Communication, 1981(29):1715 -1720.

[ 10] Panta K, Armstrong J.Spectral analysis of OFDM signals and its improvement by polynomial cancellation coding[ J] .IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2003,49(4):939-943.