(空軍工程大學 電訊工程學院,西安 710077)
基于認知無線電(Cognitive Radio, CR)思想的變換域通信系統(tǒng)(Transform Domain Communication System, TDCS)具有對環(huán)境感知的能力,它采用了擴頻通信中的偽隨機序列生成技術(shù)和變換域信號處理技術(shù),使收發(fā)雙方同時避免使用被污染的頻譜(包括對方實施干擾的頻譜以及己方正使用的頻譜)進行信號的傳輸[1]。這樣就相當于在復雜的電磁環(huán)境中找到了一個干凈頻段進行通信,接收的信噪比不會因為干擾信號的存在而下降,從而實現(xiàn)了抗干擾,提高了通信的可靠性和有效性。
TDCS實現(xiàn)干擾躲避的關(guān)鍵在于精確捕獲干擾的頻率位置,在頻域合成與干擾正交的信號。一般來說,整個空閑頻譜標記過程如下[2]:
(1)采樣電磁環(huán)境并作頻譜估計,確定合適的干擾門限;
(2)執(zhí)行頻譜剔除算法。大于門限的頻譜置0,小于門限的置1,以形成與強干擾正交的信號的頻譜幅度波形(頻譜罩)。
圖1表示存在兩個窄帶單音干擾的電磁環(huán)境下的頻譜估計,圖2則是根據(jù)硬判決門限所得到的相應的頻譜幅度使用狀況。
圖1 環(huán)境頻譜估計(幅度譜),干擾門限設(shè)置
圖2 可用頻譜變換域合成(幅度譜)
經(jīng)過頻譜幅度變換域合成后,所有的存在強干擾的頻點(頻段)被完全濾除。這樣,發(fā)射端的所有功率就平均地分配給加權(quán)系數(shù)為1的頻點(頻段)。雖然可用的頻點(頻段)都被置為1,但實際上這些頻段的信道質(zhì)量肯定是有差別的,而傳統(tǒng)的TDCS采用的頻譜干擾抑制濾波未能體現(xiàn)出這種差別,所以在此基礎(chǔ)上應用的等功率分配技術(shù)也就不能體現(xiàn)出這種信道質(zhì)量上的差別。
文獻[3]提出一種新的自適應多門限估計與干擾檢測算法,理論分析和數(shù)字仿真結(jié)果表明,該算法可有效抑制直擴通信系統(tǒng)中的窄帶干擾。并且相對于傳統(tǒng)的門限檢測算法,有自適應強、門限設(shè)計簡單等優(yōu)點。應用該算法生成的基函數(shù)舍棄了傳統(tǒng)的二元模式,改以多元結(jié)構(gòu),體現(xiàn)了信道的質(zhì)量差別,如圖3所示。
圖3 TDCS自適應多門限基函數(shù)幅值
從圖3可以看出,新的基函數(shù)不僅將存在強干擾的頻點(頻段)完全濾除,而且對理論上可用的頻段也進行了進一步的分級量化,體現(xiàn)出了信道質(zhì)量的差別。在此基函數(shù)上,傳統(tǒng)的等功率分配技術(shù)就不能滿足要求,需要尋找新的功率分配算法以充分利用這種信道質(zhì)量的差別。
“注水”(Water-Filling, WF)算法原理是依據(jù)某種準則,并根據(jù)信道狀況對發(fā)送功率進行自適應分配,通常是信道狀況好的頻段多分配功率,信道差的頻段少分配功率,從而最大化傳輸速率[4,5]。要實現(xiàn)功率的“注水”,發(fā)送端必須知道信道狀態(tài)信息(CSI)。
圖4顯示了注水原理的分配過程。其中的干擾能量用信噪比的倒數(shù)Γ/SNRn來表示,SNRn代表信噪比,Γ表示信噪比差額。顯然,在圖4中,信噪比SNRn大的子信道,其倒數(shù)Γ/SNRn較小,因此可以注入較多的能量;反之,只能注入較少的能量。對于信道3,由于信噪比SNR3太小,即Γ/SNR3太大,因此在這個子信道中就不注入能量。
圖4 AWGN信道的“注水算法”Fig.4 Water-Filling algorithm of AWGN channel
“注水”原理的結(jié)果表明,對信道增益大的特征子信道分配較大的功率,讓其容量變得更大;反之,對信道增益小的特征子信道分配較小的功率,保持一定的容量,以保證信道條件好的特征子信道能傳輸更多的信息。當某特征子信道條件差到一定程度,有可能此信道得不到分配的發(fā)送功率,此時這個特征子信道不發(fā)送任何數(shù)據(jù)。注水原理充分利用了好的信道條件,舍棄較差的信道,這樣可以避免系統(tǒng)用大多數(shù)的發(fā)送功率來彌補惡劣的信道條件[6]。
我們對采用“注水”算法進行功率分配和采用平均功率分配的TDCS信道容量做了仿真,結(jié)果如圖5所示。
圖5 注水算法和平均功率分配算法信道容量的比較Fig.5 Compare of channel capability between WF and average power distribution algorithms
從圖5可以看出,無論信噪比(SNR)為多少,采用注水算法的系統(tǒng)容量都要大于平均分配的系統(tǒng)容量,即通過使用注水算法都可以改善系統(tǒng)的容量。而且從圖中還可以發(fā)現(xiàn),隨著平均信噪比(SNR)的提高,兩者的差別越來越小,即表明,在高SNR時,注水算法對信道容量的改善非常小;在低SNR,通過使用注水算法可以顯著改善信道容量,即在信道惡劣的環(huán)境中,使用注水算法可以更有效地提高系統(tǒng)容量。
同時,本文對采用“注水”算法的TDCS系統(tǒng)的功率分配進行了仿真,其結(jié)果如圖6所示。
圖6 基于“注水”原理的TDCS的功率分配Fig.6 Power distribution of TDCS basedon WF principle
從圖6中可以看出,在低SNR情況下,采用“注水”原理的功率分配算法與傳統(tǒng)的等功率分配算法有很大差別:雖然理論上都是可用頻段,但系統(tǒng)在分配功率時,對一些頻段仍然不分配功率,亦即不使用該頻段。隨著信噪比的提高,采用注水原理的功率分配算法與傳統(tǒng)的等功率分配算法之間的差別越來越小,也就是說,等功率分配只是“注水”算法在高信噪比情況下的一種近似。
本文深入研究了變換域通信系統(tǒng)中的功率分配問題,在自適應多門限思想的基礎(chǔ)上,摒棄了傳統(tǒng)的二元結(jié)構(gòu),改以多元結(jié)構(gòu),在原有基礎(chǔ)上對信道作進一步細化,更加準確地反映信道質(zhì)量。并引入MIMO-OFDM中應用較多的注水算法,對TDCS基函數(shù)的功率譜進行優(yōu)化分配,充分利用了好的信道條件,舍棄較差的信道,這樣可以避免系統(tǒng)用大多數(shù)的發(fā)送功率來彌補惡劣的信道條件。理論分析表明,本文提出的算法能明顯提高系統(tǒng)容量,具有很好的系統(tǒng)性能。
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