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(nèi)感知頻譜(如數(shù)百兆赫),其空閑頻譜可能是非連續(xù)、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(shù)十兆赫)[1]。這與跳頻系統(tǒng)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(jié)合可兼?zhèn)涠邇?yōu)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(xiàn)全數(shù)字化和重新配置參數(shù)[5]。文獻[6]提出全數(shù)字基帶跳頻OFDM(BB-FH-OFDM)可在基帶完成跳頻,其參數(shù)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(tǒng),把RF-FHOFDM與BB-FH-OFDM相結(jié)合,根據(jù)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(xiàn)的認知無線電物理層機制。

1 系統(tǒng)模型

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

式中,Xk為調(diào)制到第k個子載波上的發(fā)送數(shù)據(jù)。

設跳頻持續(xù)時間為Th,為分析方便,假定在一個跳頻持續(xù)時間內(nèi)只傳輸一個OFDM符號,即Th=Ts,經(jīng)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(tǒng)的傳輸效率。則經(jīng)過發(fā)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(fā)信機的跳頻圖案決定。

在理想傳輸?shù)那闆r下,假設接收機與發(fā)射機實現(xiàn)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(tǒng)模型詳見文獻[6]。

2 系統(tǒng)設計原則

假定射頻跳頻總帶寬為WR,是射頻可調(diào)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(guī)則1 當某一頻譜空穴寬度大于基帶跳頻帶寬,或連續(xù)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(guī)則2 當連續(xù)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(tǒng)開銷和頻譜利用率達到局部最優(yōu)。

若存在頻譜空穴寬度大于現(xiàn)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(jù)系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)的工作帶寬為:

規(guī)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(tǒng)傳輸吞吐率。

規(guī)則5 在一個基帶跳頻帶寬范圍內(nèi),若有窄帶干擾存在,可以通過調(diào)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(guī)則下,可以實現(xiàn)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(nèi),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(tǒng)實現(xiàn)流程

自適應雙模跳頻OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3 自適應雙模跳頻OFDM實現(xiàn)流程

系統(tǒng)實現(xiàn)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(xù)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(xù)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(jù)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(nèi)的占用或干擾,則可以通過基帶跳頻圖案在其相應位置數(shù)據(jù)置零來處理;

⑥進入下一輪頻譜感知和測量分析。

4 結(jié)束語

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

[1]周賢偉.認知無線電[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[2]梅文華.跳頻通信[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

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