NC-OFDM系统性能的仿真分析.doc

NC-OFDM系统性能的仿真分析
李佳珉，康桂华
（河海大学 计算机及信息工程学院，江苏 常州 213022）
摘要：研究非连续正交频分复用(NC-OFDM)技术独特的频谱利用方法，对其提高频谱利用率和避免对授权用户造成干扰的特点进行分析。探讨其在认知无线电中的应用。设计NC-OFDM系统的结构，给出系统部分模块的仿真结果，并针对不同的调制方式和不同的多普勒频移对系统的误码性能进行仿真分析。仿真结果表明：在多径衰落信道中，NC-OFDM系统可以有效的克服多径衰落和多普勒频移，具有良好的误码性能，是实现认知无线电的潜在技术之一。
关键词：非连续正交频分复用；认知无线电；多径衰落信道；动态频谱感知
中国分类号： 文献标识码：
Simulate and Analyze the performance of NC-OFDM system
Li Jia-min, Kang Gui-hua
(College of Computer & Information Engineering, Hohai Univ., Changzhou 213022,China)
Abstract: Study the particular means of using spectrum of NC-OFDM, and analyze its characteristic of improving the rate of spectrum utilization and avoiding interference with incumbent user. Discuss the implementation of NC-OFDM for Cognitive Radios. Design the system structure of NC-OFDM. The simulation results of some modules are showed. The BER performance is simulated in terms of modulation methods and Doppler frequency shift. The results indicate that, in multipath fading channels, NC-OFDM can overcome multipath fading and Doppler frequency shift effectively, and has good BER performance. It is one of ways to realize cognitive radios.
Key words: NC-OFDM; cognitive radios; multipath fading channel; dynamic spectrum sensing
1引言
在无线通信领域，一方面，随着新业务和新用户的不断增多，频谱资源变得越来越贫乏；另一方面，频谱资源的使用效率却十分低下。美国联邦通信委员会（FCC）最近的一项调查显示[1]，已分配的频谱资源中只有少数在所有时间内都被使用。认知无线电技术能让非授权用户在适当的时间和地点上自动地接入到上述空闲频谱中，将会大大地提高频谱资源的利用效率。它通过感知无线通信环境，自适应地改变系统工作参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱，大大降低了频谱贫乏对无线技术发展的束缚。OFDM(正交频分复用)技术依靠其设计上的灵活性和计算上的有效性可能成为实现认知无线电的一种自然选择。它可以灵活地控制和分配时间、功率等资源。但是传统的OFDM系统，数据的传输建立在一段连续的频谱上，所有的子载波都要进行数据传送，当系统工作环境中存在授权用户时，这种传送方式将会对授权用户造成干扰。非连续正交频分复用技术(NC-OFDM，Non-contiguous orthogonal frequency division multiplexing) [2]只利用授权用户未使用的频谱进行数据传送，大大降低了这种干扰。NC-OFDM系统利用频谱感知和信道估计技术，能及时发现通信环境中的空闲频谱和授权用户正在使用的频谱。数据传输建立在与空闲频谱相对应的子载波上，而在授权用户正在使用的频谱区域内，相应的子载波不进行数据传送，避免了对授权用户造成干扰。NC-OFDM通过把一些非连续的频谱进行集中使用，在不对授权用户造成干扰的前提下可以达到较高的数据传送速率，因此NC-OFDM将成为实现认知无线电可行的技术手段[3]。本文研究了NC-OFDM系统的技术特点，设计了其系统结构，并对系统的部分功能模块和系统在AWGN信道和瑞利衰落多径信道下的性能进行了仿真分析。
2 NC-OFDM系统
2.1 NC-OFDM系统的发送端
参考文献[4]，设计了NC-OFDM发送端和接收端的原理框图，发送端的框图如图1(a)所示。假设高速数据流x(n)经过QPSK调制，然后进行串并变换，变换成(N－m－p)路较低速率的数据流，其中N是反傅立叶变换的点数，m是关闭(未进行数据传送)子载波的个数，p是导频的个数。通过动态频谱感知和信道估计技术[5]可以确定出系统所处通信环境中的空闲频谱。为了避免对授权用户造成干扰，与空闲频谱相对应的子载波传送数据(子载波开)，而与授权用户所占用频谱相对应的子载波不传送数据(子载波关)。由此可以得到子载波的开/关信息。子载波开/关信息用于控制发送端和接收端进行正确的串并（并串）变换。数据经过串并变换后，插入导频。导频的插入主要有梳状和块状插入法，相应的信道估计有基于梳状导频的LS(最小平方误差)算法和基于块状导频的LMMSE(线性最小均方误差)算法。本文采用的是梳状导频插入和LS信道估计算法。然后再进行反傅立
(a) 发送端 (b) 接收端
图1 NC-OFDM系统的原理框图
叶变换。在发送数据前，给每一个NC-OFDM符号插入保护间隔（循环前缀），保护间隔能有效的降低ISI(信号间干扰)和ICI（载波间干扰），当保护间隔的长度大于信道最大多径时延时，可以忽略ISI和ICI的影响。再经并串变换，恢复成串行的数据流，便得到了NC-OFDM的基带信号s(n)。s(n)经过射频调制，调制到希望的载波频率上发送出去。
2.2 NC-OFDM系统的接收端
接收端的原理框图如图1(b)所示。接收端进行和发送端相反的操作，将接收到的信号解调，得到基带信号r(n)。然后进行串并变换，移除保护间隔，经傅立叶变换后进行信道估计以对抗多径衰落。在进行并串变换前，要根据发送端频谱估计得到的子载波开/关信息进行变换，正确的读取出子载波上发送的数据信息。最后进行QPSK解调，恢复出发送的原始数据。
3 仿真结果及其分析
3.1 系统部分模块仿真
NC-OFDM系统频谱估计的结果直接决定了子载波是否用来传送数据。假设系统的采样频率为1MHz，系统所处的环境中存在三个授权用户，其中心频率分别为0.1MHz、0.4MHz和 0.7MHz。图2(a)是频谱估计的仿真结果，采用的是用Levinson算法实现的自回归(AR)方法。将频谱估计得到的功率谱密度和选定门限进行比较。当功率谱密度大于该门限时置幅度为0，小于该门限时置幅度为1。这个过程也称为开槽，图2(b)是开槽后的仿真结果。由图可见，在以0.1MHz、0.4MHz和0.7MHz为中心频率的相邻一个频段幅度为0，这些频段不用来传送数据(传送的数据始终为0)，避免了对原有用户造成干扰。然后对开槽后产生的幅度向量进行(N－p)点采样，其中N为反傅立叶变换的点数，p为插入导频的个数。采样的结果如图2(c)所示。图中每个采样点对应着一个子载波，采样点的幅度为1，其对应的子载波就进行数据传送，否则不进行数据传送。这样可以得到一个代表子载波状态的向量，也就是图1中的子载波开/关信息。
图2 NC-OFDM系统部分模块仿真
3.2系统误码率仿真
无线信道是一种时变衰落信道，信道状况的变化有慢衰落与快衰落两类。慢衰落主要受终端与基站间距离影响，而快衰落则主要受多径效应影响。无线信道具有两个基本特征：一是多径效应，这是由于接收机接收到的信号是发送信号经过直射、反射、折射等多条路径到达的；二是信道的时变性，这是由于信道的传输函数是随时间而变化的。下面针对部分典型信道模型对NC-OFDM系统的误码性能进行仿真分析。
3.2.1 AWGN信道
在AWGN信道分析中，仿真条件为：信号调制方式分别选用QPSK、16QAM和64QAM。系统的采样频率为1MHz。发送机所处的电磁环境中，存在三个授权用户，中心频率分别为0.1MHz、0.4MHz和0.7MHz。系统误码率和信噪比关系的仿真结果如图3所示。从图中可以看出：在理想AWGN信道中，NC-OFDM系统利用非连续的频谱，在避免对原有授权用户造成干扰的前提下，得到了较好的误码性能。在相同条件下QPSK的误码性能最好，其次是16QAM，最差的是64QAM。但是我们可以发现，在相同条件下
图3 不同调制方式下NC-OFDM系统的误码率的性能曲线 QPSK 和16QAM所占用的带宽分别为64QAM的3倍和1.5倍。也就是说好的误码性能是以牺牲带宽为代价的。因而在系统设计的时候，应该以频谱利用率和误码性能之间的最佳平衡为原则，选择满足一定误码率要求的最佳调制方式来获取最大的频谱利用率。
3.2.2 瑞利衰落信道
仿真过程中多普勒频移分别取100Hz、200Hz、300Hz和400Hz。多普勒频移可以根据公式fd=fc××V÷C求得。其中fc＝2GHz为载波频率，C=3×108m/s为光速，V为移动台速度，不同的移动速度对应不同的多普勒频移，并且在=1时可求得fd的最大值。多径效应产生的频偏会破坏系统子载波间的正交性，造成误码率提高。可以采用信道估计技术，估计出多普勒因子来抵消NC-OFDM帧中的多普勒影响。信道估计技术主要有基于梳状导频插入的LS(最小平方误差)算法和基于块状导频插入的LMMSE(线性最小均方误差)算法[6]。本文采用的是LS算法。从图4可以看出：
图4 不同多普勒频移下NC-OFDM系统误码率的性能曲线 NC-OFDM系统在多径条件下具有良好的误码性能。在fd＝100Hz时系统的误码性能最好，但是随着fd值的增大，系统的误码性能下降较快。这是由于当fd过大时，系统不能进行正确的信道估计，从而对抗信道衰落的有效性下降，造成误码率较高。可以采用多普勒频域分集等方法来改善系统的性能。
4 结束语
认知无线电技术可以提高频谱的利用率，特别是可以让未授权用户在授权用户未工作时使用其所分配的频谱，而NC-OFDM技术可以实现这些功能。当授权用户工作时，系统相应的子载波不进行数据传送，避免对授权用户造成干扰；当授权用户未工作时，系统就可以使用授权用户的频谱进行数据传送，充分利用了非连续的频谱。仿真结果表明，NC-OFDM系统在避免对授权用户造成干扰的前提下，在AWGN和瑞利信道中具有良好的误码性能，是实现认知无线电的理想选择之一。本文暂未对动态频谱接入的情况进行考虑，在下一步工作中，将主要对其进行研究。
参考文献
[1] William Krenik Anuj Batra. Cognitive radio techniques for wide area network[C].Design Automation Conference, 2005:409-412.
[2] Poston J D, Horne W D. Discontiguous OFDM considerations for dynamic spectrum access in idle TV channels[C].IEEE International symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks,2005:607-610.
[3] Mitola J III.Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications[C]. IEEE international Workshop on Mobile Multimedia Communications,1999.1:3-10.
[4] Rajbanshi Rakesh, Wyglinski Alexander M, Minden Gary J. An Efficient Implementation of NC-OFDM Transceivers for Cognitive Radios[C].International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications,2006:1-5.
[5] Etkin R, Parekh A, Tse D.Spectrum sharing for unlicensed bands[J].IEEE Journal on Selected Areas in communications,2007,25(3):517-528.
[6] 蒋琦,刘洋,王家恒.基于导频的OFDM信道估计算法的比较和分析[J].电子工程师,2005,31(8):32-35.

作者简介：李佳珉（1983－），男（汉），河北唐山人，硕士，认知无线电
康桂华（1963－），男（汉），江西吉安人，博士，硕导，副教授，移动通信

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