图2 一种基于 OFDM 技术的认知无线电系统设计
示:
况排序 ,找到频谱空穴 ,并使用无线电知识描述语言 ( R KRL : Radio Knowledge Language ) [ 9 ] 通知发端使 用这些空闲的子信道进行传输 。在发端 , 综合通信 质量的数据率要求和误码率要求以及各个信道的情 况分配这些子信道 ,已期达到最佳的通信效果 。 这里发端的主要工作可以归结为 : ( 1) 定期发送训练序列 , ( 2) 接收来自收端的频谱空穴检测报告 , ( 3) 综合通信质量的需求和各个信道的情况分 配子信道 。 收端的主要工作可以归结为 : (1) 检测序列 , 计算各个子信道的干扰温度大 小 ,识别频谱空穴 , ( 2) 按信道的优劣排序 , ( 3) 使用无线电知识描述语言将上述报告通知 发端 。 这种基于 OFDM 技术的认知无线电系统的工 作流程如图 3 所示 :
[2 ]
认知无线电系统可以感知周围的环境 , 并根据 环境情况分配无线资源 。在认知无线电理论中 , 将 环境因素综合地用干扰温度表示 。OFDM 技术是 目前认为比较容易用于认知无线电的传输技术 , 可 以较灵活地对无线资源进行分配 。因此 ,OFDM 技 术和认知无线电技术可以很好地结合 ,相得益彰 。
OFDM 技术与认知无线电技术的结合可以优势互
补 ,相得益彰 。
图3 基于 OFDM 技术的认知无线电系统的工作流程 参 考 文 献
[1 ] Lei Ding , Zhou G. T. , Morgan D. R. . A Roust Digital
上述基于 OFDM 技术的认知无线电系统可以
前言
认知无线电技术是近来无线通信中的新热点 。 它可以感知到周围的环境 , 智能地改变和调整通信 机制 ,高效地使用频谱资源 ,缓解目前频谱短缺的现 状 。正 交 频 分 复 用 ( OFDM : Ort hogonal Frequency
Division Multiplexing) 技术是一种比较成熟的无线
随着无线通信技术的飞速发展 , 频谱资源变得 越来越紧张 。实现认知无线电系统是解决频谱资源 短缺的重要途径 。OFDM 技术以其优良的性能和 易于实现频谱管理的机制 , 成为认知无线电系统中 “衬于底层” 的技术 。本文提出的基于 OFDM 技术 的认知无线电系统设计 , 经参考 IEEE802. 15. 3a 标 准的 MB - OFDM 系统平台上进行仿真 ,结果显示 , 在引入认知功能后系统性能明显改善 , 研究表明 ,
2007 年 9 月 西 安 邮 电 学 院 学 报 第 12 卷 第 5 期 J OU RNAL OF XI’ AN UN IV ERSIT Y OF POST AND TEL ECOMMUN ICA TIONS
Sep 12007 Vol112 No 15
O FDM 技术在认知无线电中应用的研究
案是静态 ( 固定) 的 。少数需要受到良好保护的通信 业务占用了大量的授权频段 , 而大部分通信业务使 用的是非授权的频段 ,通信业务频段十分紧张 ,频谱 资源相对短缺 ,相当数量的授权频谱资源的利用率 非常低 [ 1 ] 。在这样的频谱现状下 , 认知无线电技术 ( CR :cognitive radio ) 应运而生 。认知无线电的核心 思想就是使无线通信设备发现 “频谱空穴” 并合理利 用它 ,从而实现频谱的高利用率和通信的高可靠 性 [ 2 ] 。认知无线电主要包括认知和重构两个过程 , 其工作流程如图 1 :
OFDM 技术中频率分配是所有无线资源分配
的核心 ,以往已有的分配算法主要是基于在功率限 制条件之下最大化系统容量或者在用户数据速率 (Data Rate , DR ) 限 制 条 件 下 最 小 化 总 的 发 射 功 率 [ 6 ,7 ,8 ] 。引入认知无线电的概念后 ,这个优化问题 可以转化成在通信质量需求约束条件下求干扰温度 最小的最优化解的问题 。可以从认知无线电系统的 特点上分析得到 : 认知无线电系统可以深刻地了解 周围的环境 ,那么可以在满足通信质量需求的情况 下 ,如果干扰温度最小 , 发射功率的损耗也就最小 , 也就最节约无线资源 ,成为最优的方案 。 假设存在 L 个子信道 , 通信业务可以在其中一 些通信质量比较好的子信道上传输 。 引入离散变量
第5期
包路平等 :OFDM 技术在认知无线电中应用的研究
IEEE J SAC. 1999 ,17 ( 10) :1747 - 1758.
・5 7 ・
Base - band Predistorter Constructed Using Memory Polynomials [ J ] . Communications , IEEE Transactions on ,2004 ,52 ( 1) :159 - 165. [2 ] 李波 ,刘勤 ,李维英 . 认知无线电技术 [J ] . 中兴通讯技
[ 1 ,5 ]
1 占用子信道 …L
( 1)
每个子信道上的干扰大小是不同的 , 在每个子 信道上的干扰温度用 I T 1 来表示 。 通信质量需求的 约束包括总数据率要求 R 和总误码率要求 Pe , 这个 最优化模型 [ 9 ] 可以描述为 :
L
min
l =1
传输技术 , 具有抗多径 、 频率利用率高等优越的性 能 ,同时 ,它支持灵活的选频方案 , 是目前公认的比 较容易实现频谱资源控制的方法 ,因此 OFDM 技术 可以成为实现认知无线电系统的良好平台 。 本文 概 要 介 绍 了 认 知 无 线 电 技 术 , 阐 述 了
OFDM 技术应用于认知无线电系统中的可行性 , 提
图4 基于 OFDM 技术的认知无线电系统性能仿真图
从图 4 中可以看出认知功能对 MB - OFDM 系 统性能的影响 : 未加认知功能的性能曲线比理论曲 线约有 1dB 的功率损失 ,主要是由于仿真平台中加 入了保护间隔所致 。同时 ,引入认知功能后 ,系统的 性能有非常明显的改善 。
3 结语
图1 认知循环模型
认知无线电中的关键技术有 :
作者简介 : 包路平 ( 1983 - ) ,女 ,江苏南京人 ,南京邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生 。 张 元 ( 1984 - ) ,男 ,江苏南京人 ,南京邮电大学通信网络技术研究所硕士研究生 。
第5期
包路平等 :OFDM 技术在认知无线电中应用的研究
∑I T
L l =1
l
・r l
l
s. t . :
L
∑r
・cl = R
( 2)
l =1
∑r
l
・B ER l = Pe
其中 cl 和 B ER l 分别表示每个子信道上可以传 送的数据率和误码率 。 根据上述优化模型可以得到 一个优化的分配方案向量 r l , 用这个分配算法设计 认知无线电系统 , 可以更好的使用无线资源 。 这里提供了一种基于 OFDM 技术的认知无线 电系统设计的方案 。系统框图如图 2 所示 : 发送端定期的在各子信道上平行的传送训练序 列 ,接收端收到这些训练序列头后 , 进行性能检测 , 计算各个子信道的干扰温度大小 , 按信道的优劣情
包路平1 ,张 元2
( 1. 南京邮电大学 通信与信息工程学院 江苏 南京 210003 ;2. 南京邮电大学 信息网络技术研究所 江苏 南京 210003)
摘要 : 随着无线通信技术的迅速发展 ,频谱资源变得越来越紧张 ,如何充分利用频谱资源成为热点问题 。认知无线 电技术是解决这一问题的新方法 ,而 OFDM 技术灵活的选频方案为实现认知无线电系统提供了良好的平台 。本文 在阐述了两种技术各自优势和融合的可行性的基础上 ,提出了一种基于 OFDM 技术的认知无线电系统设计方案 , 包括系统的频率分配算法 ,系统框图和工作流程 。在此基础上 ,仿真实现了基于 OFDM 技术的认知无线电系统 ,该 系统在达到用户通信要求的同时 ,可以更加合理地分配和利用频谱资源 ,使系统的性能有显著的改善 。 关键词 : 认知无线电 ; 正交频分复用 ; 频谱管理 中图分类号 : TN915 文献标识码 :A 文章编号 :1007 - 3264 ( 2007) 05 - 0054 - 04
r l , 表示子信道 l 被占用的情况 : rl =
2 基于 O FDM 技术的认知无线电系
统设计
2. 1 OFDM 技术在认知无线电中应用的可行性 OFDM 是一种多载波数字调制技术 , 其基本原
理是将信道分成多个相互正交的窄的子信道 , 再在 每个子信道上采用传统的调制技术进行信息传输 。 OFDM 技术可以有效地消除或减少由于多径时延 引起的码间干扰 ( ISI) , 有很好的抵抗多径衰落能 力 。目前 , 已广泛应用于高速 WLAN 、 蜂窝通信系 统网络和广播网络等 。 OFDM 可以灵活的进行频率选择 , 方便的实现 频谱管理 。正是由于 OFDM 技术具有这个优点 ,是 目前公认的比较容易实现频谱资源控制的方法 , 可 以通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利 用 ,可以灵活控制和分配频谱 、 时间 、 功率 、 空间等资 源 。这也促使了 OFDM 技术在认知无线电中得到 应用 ,成为 “衬于底层” 的技术 ,实现认知无线电系统 的自适应频谱资源分配和频谱检测两大关键技术 。 基于认知无线电的分配方案中 , 子信道组基于 环境状况进行分配 ,尽可能多的使用 “频谱空穴” ,避 免使用信道状况很差的子信道 , 使得整个系统受到 的干扰达到最小 ,大大的提高系统性能 。 综上所述 ,OFDM 技术的抗多径 、 频率利用率 高使其自身具有优越的性能 ,同时 ,它可以支持灵活 的选频方案 ,可以很好的实现认知无线电中的自适 应频谱资源分配 ,同时 OFDM 技术中将信道划分成 多个窄的子信道也为认知无线电中的频谱检测提供 了很好的实现基础 。基于以上分析 , 本文提出了实
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( 1) 频谱检测技术