用于認知無線電的自適應雙模跳頻OFDM系統

史其存,楊知行,彭克武

(清華大學,北京100084)

0 引言

認知無線電用戶一般可在很寬的頻帶范圍內感知頻譜(如數百兆赫),其空閑頻譜可能是非連續、非均勻的,而在某一確定時刻只能在相對較窄的空閑信道上進行通信(如數十兆赫)[1]。這與跳頻系統的工作模式有些類似,即較寬的跳頻工作帶寬和較窄的瞬時傳輸帶寬[2]。跳頻與正交頻分復用(OFDM)結合可兼備二者優勢,如較強的抗多徑能力和頻率分集作用[2-4]。射頻跳頻OFDM(RF-FH-OFDM)難以實現全數字化和重新配置參數[5]。文獻[6]提出全數字基帶跳頻OFDM(BB-FH-OFDM)可在基帶完成跳頻,其參數可重配置,但工作頻帶范圍有限。這里提出一種自適應雙模跳頻OFDM系統,把RF-FHOFDM與BB-FH-OFDM相結合,根據頻譜感知信息和基帶處理能力自適應地在2種模式間切換,可提高空閑頻譜的利用率,是一種可實現的認知無線電物理層機制。

1 系統模型

這里首先給出射頻跳頻OFDM的系統模型。在發射端,假定一個OFDM的符號周期為Ts,子載波數目為N,則OFDM調制器(IFFT)輸出一個符號周期內的信號x(t)可表示為:

式中,Xk為調制到第k個子載波上的發送數據。

設跳頻持續時間為Th,為分析方便,假定在一個跳頻持續時間內只傳輸一個OFDM符號,即Th=Ts,經過合理設計,可以用跳頻的切換時間Tsw充當OFDM的保護間隔,即Tsw=TGI(TGI為保護間隔長度),從而最大限度提高系統的傳輸效率。則經過發射機前端輸出的一個跳頻信號可表示為:

式中,fh,k為跳頻頻率集中第k個頻率,由收發信機的跳頻圖案決定。

在理想傳輸的情況下,假設接收機與發射機實現準確的跳頻同步,則接收機下變頻輸出信號為:

式中,w(t)為加性高斯白噪聲,其功率譜密度為N0。

基帶跳頻OFDM系統模型詳見文獻[6]。

2 系統設計原則

假定射頻跳頻總帶寬為WR,是射頻可調諧帶寬,也是認知無線電可感知的頻譜帶寬,射頻跳頻瞬時帶寬為RR;基帶跳頻總帶寬為WB,是基帶可處理的最大工作帶寬,基帶跳頻瞬時帶寬為RB。

首先對于頻譜感知所獲得的頻譜進行測量分析。

設頻譜感知到的頻譜空穴共有N個,各個空穴帶寬分別為Hi(i=1,2,…,N),且第i個與第j個頻譜空穴之間的間隔為Di,j(i≠j)。

規則1 當某一頻譜空穴寬度大于基帶跳頻帶寬,或連續n個頻譜空穴占用的頻帶寬度大于基帶跳頻帶寬時,啟動射頻跳頻切換中心頻率。即滿足

式中,Hi,Hi+n分別為第i個和第(i+n)個頻譜空穴的寬度;Di,i+n為第i個與第(i+n)個頻譜空穴之間的間隔。

規則2 當連續n個頻譜空穴占用的頻帶寬度小于或等于基帶跳頻總帶寬時,在其中選出最小的頻譜空穴寬度Hmin,

選取基帶瞬時帶寬小于或等于該最小頻譜空穴寬度 ,即

式中,當RB=Hmin時,剛好可以填充利用最小的頻譜空穴,系統開銷和頻譜利用率達到局部最優。

若存在頻譜空穴寬度大于現有基帶總帶寬,如可能要盡量使基帶總帶寬達到或接近最大空穴帶寬,并依據系統要求的傳輸速率確定基帶跳頻瞬時帶寬,瞬時帶寬最大為基帶跳頻總帶寬。

規則3 射頻跳頻的總帶寬決定處理頻譜空穴占用的總帶寬范圍,即認知無線電系統的工作帶寬為:

規則4 基帶跳頻OFDM可以支持多通道傳輸,即某一時刻傳輸多個基帶瞬時帶寬的信息,以提高系統傳輸吞吐率。

規則5 在一個基帶跳頻帶寬范圍內,若有窄帶干擾存在,可以通過調整跳頻圖案使得被干擾占用頻帶剔除而不影響其他頻帶正常工作。

在以上規則下,可以實現對感知頻譜空穴的有效利用,如圖1和圖2所示。圖中未充分利用是指基帶瞬時帶寬大于最小空穴寬度,充分利用是指基帶瞬時帶寬小于或等于最小空穴寬度。

圖1 感知的頻譜空穴利用情況一

圖2 感知的頻譜空穴利用情況二

在圖1(a)中,空穴1和空穴2相鄰較近,可以在一個基帶跳頻帶寬內,空穴3相隔較遠,與空穴1和空穴2距離超出一個基帶跳頻帶寬,因而需采用射頻跳頻切換中心頻率。圖1(b)所示為空穴未充分利用情況,可見空穴1中有一部分尚未利用,而空穴2由于其寬度小于基帶瞬時帶寬而未能利用,圖1(c)所示為空穴充分利用情況,可見基帶瞬時帶寬小于最小空穴寬度,因此所有空穴都得以充分利用。圖2給出更多頻譜空穴的情況,其中空穴利用情況更加清晰顯著。圖1和圖2中的(b)由于基帶瞬時帶寬大于最小空穴寬度,因而有些空穴未得到充分利用,造成頻譜資源的浪費;圖1和圖2中的的(c)由于基帶瞬時帶寬小于最小空穴寬度,因此所有空穴都得到充分利用,從認知無線電物理層保證了可以最大限度提高頻譜利用率,為MAC層的頻譜共享和管理奠定了基礎。

3 系統實現流程

自適應雙模跳頻OFDM系統實現流程圖如圖3所示。

圖3 自適應雙模跳頻OFDM實現流程

系統實現步驟如下:

①首先對實時感知的頻譜進行測量和分析,獲得頻譜空穴的分布情況,包括頻譜空穴中心頻率、帶寬以及相應的空穴間隔;

②比較單個頻譜空穴寬度與基帶跳頻帶寬,若頻譜空穴寬度大于基帶跳頻帶寬,則啟動射頻跳頻切換中心頻率;

③比較連續n個頻譜空穴占用帶寬與基帶跳頻帶寬,若超出基帶跳頻帶寬范圍則啟動射頻跳頻切換中心頻率;

④在連續n個頻譜空穴中選出最小寬度的頻譜空穴,并令基帶跳頻帶寬小于或等于最小頻譜空穴帶寬;

⑤根據MAC層要求的傳輸速率,自適應選擇單信道或多信道傳輸,而在一個基帶帶寬內的占用或干擾,則可以通過基帶跳頻圖案在其相應位置數據置零來處理;

⑥進入下一輪頻譜感知和測量分析。

4 結束語

針對認知無線電中感知頻譜的非均勻、非連續特性,提出一種自適應雙模跳頻OFDM系統,通過系統分析,可知其對于非均勻、非連續頻譜的利用率得以提高,并增加了系統的靈活性,是一種低復雜度、可實現的認知無線電物理層實現機制。

[1]周賢偉.認知無線電[M].北京:國防工業出版社,2008.

[2]梅文華.跳頻通信[M].北京:國防工業出版社,2005.

[3]佟學檢,羅 濤.OFD M移動通信技術原理與應用[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[4]KLEIDERJE,GIFFORD S,MAALOULIG,etal.Synchronization for RF Carrier Frequency Hopped OFDM:Analysis and Simulation[J].In Proc.of IEEE MILCOM 2003,2003,2(10):1237-1242.

[5]KLEIDER J E,MAALOULI G,GIFFORD S,et al.Preamble and Embedded Synchronization for RF Carrier Frequency-Hopped OFDM[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005,23(5):920-931.

[6]SHI Qicun,YANG Zhixing,HE Lifeng,et al.All Digital Baseband Frequency Hopping OFDM System[C].In Proc.of 11th IEEE Singapore International Conference on Communication Systems,2008(ICCS 2008),2008:661-665.