史其存,杨知行,彭克武

(清华大学,北京100084)

0 引言

认知无线电用户一般可在很宽的频带范围内感知频谱(如数百兆赫),其空闲频谱可能是非连续、非均匀的,而在某一确定时刻只能在相对较窄的空闲信道上进行通信(如数十兆赫)[1]。这与跳频系统的工作模式有些类似,即较宽的跳频工作带宽和较窄的瞬时传输带宽[2]。跳频与正交频分复用(OFDM)结合可兼备二者优势,如较强的抗多径能力和频率分集作用[2-4]。射频跳频OFDM(RF-FH-OFDM)难以实现全数字化和重新配置参数[5]。文献[6]提出全数字基带跳频OFDM(BB-FH-OFDM)可在基带完成跳频,其参数可重配置,但工作频带范围有限。这里提出一种自适应双模跳频OFDM系统,把RF-FHOFDM与BB-FH-OFDM相结合,根据频谱感知信息和基带处理能力自适应地在2种模式间切换,可提高空闲频谱的利用率,是一种可实现的认知无线电物理层机制。

1 系统模型

这里首先给出射频跳频OFDM的系统模型。在发射端,假定一个OFDM的符号周期为Ts,子载波数目为N,则OFDM调制器(IFFT)输出一个符号周期内的信号x(t)可表示为:

式中,Xk为调制到第k个子载波上的发送数据。

设跳频持续时间为Th,为分析方便,假定在一个跳频持续时间内只传输一个OFDM符号,即Th=Ts,经过合理设计,可以用跳频的切换时间Tsw充当OFDM的保护间隔,即Tsw=TGI(TGI为保护间隔长度),从而最大限度提高系统的传输效率。则经过发射机前端输出的一个跳频信号可表示为:

式中,fh,k为跳频频率集中第k个频率,由收发信机的跳频图案决定。

在理想传输的情况下,假设接收机与发射机实现准确的跳频同步,则接收机下变频输出信号为:

式中,w(t)为加性高斯白噪声,其功率谱密度为N0。

基带跳频OFDM系统模型详见文献[6]。

2 系统设计原则

假定射频跳频总带宽为WR,是射频可调谐带宽,也是认知无线电可感知的频谱带宽,射频跳频瞬时带宽为RR;基带跳频总带宽为WB,是基带可处理的最大工作带宽,基带跳频瞬时带宽为RB。

首先对于频谱感知所获得的频谱进行测量分析。

设频谱感知到的频谱空穴共有N个,各个空穴带宽分别为Hi(i=1,2,…,N),且第i个与第j个频谱空穴之间的间隔为Di,j(i≠j)。

规则1 当某一频谱空穴宽度大于基带跳频带宽,或连续n个频谱空穴占用的频带宽度大于基带跳频带宽时,启动射频跳频切换中心频率。即满足

式中,Hi,Hi+n分别为第i个和第(i+n)个频谱空穴的宽度;Di,i+n为第i个与第(i+n)个频谱空穴之间的间隔。

规则2 当连续n个频谱空穴占用的频带宽度小于或等于基带跳频总带宽时,在其中选出最小的频谱空穴宽度Hmin,

选取基带瞬时带宽小于或等于该最小频谱空穴宽度 ,即

式中,当RB=Hmin时,刚好可以填充利用最小的频谱空穴,系统开销和频谱利用率达到局部最优。

若存在频谱空穴宽度大于现有基带总带宽,如可能要尽量使基带总带宽达到或接近最大空穴带宽,并依据系统要求的传输速率确定基带跳频瞬时带宽,瞬时带宽最大为基带跳频总带宽。

规则3 射频跳频的总带宽决定处理频谱空穴占用的总带宽范围,即认知无线电系统的工作带宽为:

规则4 基带跳频OFDM可以支持多通道传输,即某一时刻传输多个基带瞬时带宽的信息,以提高系统传输吞吐率。

规则5 在一个基带跳频带宽范围内,若有窄带干扰存在,可以通过调整跳频图案使得被干扰占用频带剔除而不影响其他频带正常工作。

在以上规则下,可以实现对感知频谱空穴的有效利用,如图1和图2所示。图中未充分利用是指基带瞬时带宽大于最小空穴宽度,充分利用是指基带瞬时带宽小于或等于最小空穴宽度。

图1 感知的频谱空穴利用情况一

图2 感知的频谱空穴利用情况二

在图1(a)中,空穴1和空穴2相邻较近,可以在一个基带跳频带宽内,空穴3相隔较远,与空穴1和空穴2距离超出一个基带跳频带宽,因而需采用射频跳频切换中心频率。图1(b)所示为空穴未充分利用情况,可见空穴1中有一部分尚未利用,而空穴2由于其宽度小于基带瞬时带宽而未能利用,图1(c)所示为空穴充分利用情况,可见基带瞬时带宽小于最小空穴宽度,因此所有空穴都得以充分利用。图2给出更多频谱空穴的情况,其中空穴利用情况更加清晰显著。图1和图2中的(b)由于基带瞬时带宽大于最小空穴宽度,因而有些空穴未得到充分利用,造成频谱资源的浪费;图1和图2中的的(c)由于基带瞬时带宽小于最小空穴宽度,因此所有空穴都得到充分利用,从认知无线电物理层保证了可以最大限度提高频谱利用率,为MAC层的频谱共享和管理奠定了基础。

3 系统实现流程

自适应双模跳频OFDM系统实现流程图如图3所示。

图3 自适应双模跳频OFDM实现流程

系统实现步骤如下:

①首先对实时感知的频谱进行测量和分析,获得频谱空穴的分布情况,包括频谱空穴中心频率、带宽以及相应的空穴间隔;

②比较单个频谱空穴宽度与基带跳频带宽,若频谱空穴宽度大于基带跳频带宽,则启动射频跳频切换中心频率;

③比较连续n个频谱空穴占用带宽与基带跳频带宽,若超出基带跳频带宽范围则启动射频跳频切换中心频率;

④在连续n个频谱空穴中选出最小宽度的频谱空穴,并令基带跳频带宽小于或等于最小频谱空穴带宽;

⑤根据MAC层要求的传输速率,自适应选择单信道或多信道传输,而在一个基带带宽内的占用或干扰,则可以通过基带跳频图案在其相应位置数据置零来处理;

⑥进入下一轮频谱感知和测量分析。

4 结束语

针对认知无线电中感知频谱的非均匀、非连续特性,提出一种自适应双模跳频OFDM系统,通过系统分析,可知其对于非均匀、非连续频谱的利用率得以提高,并增加了系统的灵活性,是一种低复杂度、可实现的认知无线电物理层实现机制。

[1]周贤伟.认知无线电[M].北京:国防工业出版社,2008.

[2]梅文华.跳频通信[M].北京:国防工业出版社,2005.

[3]佟学检,罗 涛.OFD M移动通信技术原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,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.