CN101583141B

CN101583141B - 一种基于周期图检测和频谱池改进WiMAX性能的方法

Info

Publication number: CN101583141B
Application number: CN200910104153XA
Authority: CN
Inventors: 谢显中; 黄秋宴
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: CN101583141A

Abstract

本发明请求保护一种WiMAX性能改进方案，涉及无线通信系统。为了充分利用频率资源，本发明利用周期图检测技术对某频段上所有子载波进行检测，判断在该频段上是否仅数据子载波被占用以及空闲数据子载波数；如果空闲数据子载波数大于每次传送数据时所需的最小空闲数据子载波数，利用频谱池技术，根据WiMAX物理层OFDM结构与系统吞吐量，在该频段空闲数据子载波上传输二级用户数据，在非空闲数据子载波上传输数据0。本发明提出的利用周期图检测技术和频谱池技术改进WiMAX性能的方案，尽量利用现有可用的空闲数据子载波，提高了频谱资源的利用率，同时避免了一级用户与二级用户之间的干扰，提高了WiMAX性能。

Description

一种基于周期图检测和频谱池改进WiMAX性能的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及WiMAX性能改进。

背景技术

由于频谱资源紧缺，WiMAX系统应具有灵活接入频谱空洞并进行通信的能力。这里的频谱空洞可以在授权频段，也可以在非授权频段。因此，WiMAX系统应具有空闲频谱检测能力，不可避免地存在干扰与共存问题。感知无线电(CR，Cognitive Radio)被认为是提高频谱利用率和解决干扰共存的最佳方案。空闲频谱检测技术是感知无线电的关键技术之一。有文献提出利用感知无线电改进WiMAX性能的方案[T.Yucek and H.Arslan，“SpectrumCharacterization for Opportunistic Cognitive Radio Systems”，MilitaryCommunications Conference，2006.MILCOM 2006，23-25 Oct.2006 Page(s)：1-6]。该方案要求移动台在不改变子载波间隔的条件下能调整FFT长度，支持不同的信道带宽。在动态检测信道带宽和FFT长度时，该方案使用的空闲频谱检测技术将所检测的频段视为一个整体。如果被检测频段的某几个子载波上有一级用户数据(称先接入给定频段的为一级用户，后接入的为二级用户)，则该方案认为此频段已被占用，而跳到下一频段进行检测。因此，该方案虽然能提高频谱利用率和提高WiMAX性能，但还是不能充分利用频率资源。即在该方案中，当给定频段上某些数据子载波被使用时，剩余的子载波不能被使用，而造成频率资源浪费。

发明内容

本发明针对现有改进WiMAX性能的技术中存在的上述缺陷，结合WiMAX物理层OFDM结构，二级用户需要对OFDM结构中所有子载波进行检测，判断是否仅数据子载波被占用，并得知哪些数据子载波处于空闲状态；然后，在空闲数据子载波上传二级用户数据，在非空闲数据子载波上传0。

实现本发明所采用的技术方案是：第一步，二级用户利用周期图检测技术对某感兴趣频段上所有子载波进行检测，判断在该频段上是否仅数据子载波被占用以及哪些数据子载波处于空闲状态；第二步，将空闲数据子载波标为1，非空闲数据子载波标为0，统计空闲数据子载波数k1，根据系统所要求的吞吐量，得到每次传送数据时所需的最小空闲数据子载波数k2；第三步，如果k1＞k2，则进入第四步，否则跳到下一感兴趣频段进行频谱检测；第四步，利用频谱池技术，结合WiMAX物理层OFDM结构，在空闲数据子载波上传输二级用户数据，在非空闲数据子载波上传0。

本发明采用的周期图检测技术的具体步骤为：第一步，将接收信号进行带通滤波，得到某个频段的信号；第二步，对该信号进行模数转换得到相应的数字信号；第三步，对数字信号进行N点FFT变换，得到频域数据；第四步，对频域数据取模、平方及求平均，得到检验统计量T(y)；第五步，将检验统计量与门限进行比较，从而判断每个子载波上是否存在一级用户信号。

本发明采用的频谱池技术为：将检测出的空闲数据子载波总数与系统设定值进行比较，决定是否在该频段上传输数据；如果空闲数据子载波总数小于系统设定值，则跳到下一频段进行空闲频谱检测；如果空闲数据子载波总数大于系统设定值，则决定在该频段空闲数据子载波上传输二级用户数据，在非空闲数据子载波上传0。

采用本发明提出的利用周期图检测技术和频谱池技术改进WiMAX性能的方法，尽量利用现有可用的空闲数据子载波，进一步提高了频谱资源的利用率，同时避免了一级用户与二级用户之间的干扰，提高了WiMAX性能。

附图说明

图1利用周期图频谱检测技术和频谱池技术改进WiMAX性能框图

图2周期图频谱检测框图

图3多径瑞利衰落正弦信号的检测性能

图4频段是否被使用判断示意图

图5频谱空洞标记示意图

图6WiMAX物理层OFDM结构示意图

图7利用频谱池技术传输二级用户数据示意图

具体实施方式

利用周期图检测技术和频谱池技术改进WiMAX性能的原理图如图1所示。二级用户利用周期图检测技术对某频段上所有子载波进行检测，以得到该频段上的空闲子载波；然后根据频谱检测结果进行频谱标记，并决定是否在该频段传送数据，统计空闲子载波总数；若该总数大于系统设定值，二级用户就决定在该频段空闲子载波上传送数据，结合WiMAX物理层OFDM结构，利用频谱池技术实现基带数据传送。

当二级用户希望在某频段传输数据时，二级用户首先要检测该频段上是否存在一级用户(先接入给定频段的用户称为一级用户，后接入的称为二级用户)。其过程是：将接收信号y(t)进行带通滤波，模数转换，N点FFT变换，取模平方平均，最后与门限比较判决，如图2所示。图中H₀表示该子载波上不存在一级用户信号，H₁表示该子载波上存在一级用户信号。

利用周期图频谱检测技术对频段上每个子载波进行检测。如果检验统计量大于门限，就判为存在一级用户信号，否则不存在一级用户信号。当周期图检测的FFT点数N1与WiMAX物理层OFDM结构中的FFT点数N2相等时，利用周期图检测技术所得到的空闲子载波就是WiMAX物理层OFDM结构所对应的子载波。当N1＞N2时，需要根据WiMAX物理层OFDM结构，对周期图检测时的子载波进行抽取，然后得到与WiMAX物理层OFDM结构所对应的空闲子载波，由此确定在该频段上是否仅WiMAX物理层OFDM结构中的数据子载波被占用，否则跳到一个感兴趣频段进行频谱检测。

1、利用周期图检测技术对某频段上所有子载波进行检测

在接收端，FFT频率谱线可以看成多路径下的瑞利衰落正弦信号，通过先验信息可以获得不同系统主用户的均值方差，即

E (A) = \sqrt{\frac{π}{2}} σ_{s}^{2},

E (A^{2}) = {2 σ}_{s}^{2}

其中，A是瑞利衰落正弦信号幅值。

周期图检测框图如图2所示，利用周期图检测技术进行检查的步骤具体包括，第一步，将接收信号y(t)通过带通滤波器BPF进行带通滤波，得到某个频段的信号；第二步，模数转换器对对该信号进行模数转换得到相应的数字信号；第三步，对数字信号进行N点FFT变换，得到频域数据；第四步，对频域数据取模、平方和求平均，得到检验统计量T(y)，检验统计量为：

T (y) = \frac{1}{N} {| Σ_{n = 0}^{N - 1} y [n] \exp (- j 2 πfn) |}^{2},

其中，N表示FFT点数。第五步，将检验统计量与门限进行比较，从而判断每个子载波上是否存在一级用户信号。由此确定哪些数据子载波处于空闲状态。

根据噪声方差σ²与虚警概率P_fa确定门限。门限、检测概率P_d、虚警概率P_fa分别满足以下公式：

λ = σ^{2} \ln \frac{1}{P_{fa}},

P_{d} = P_{fa}^{\frac{1}{1 + η / 2}}

其中，平均信号能量噪声比为：

η = NE (A^{2} / 2) / σ^{2} = N σ_{s}^{2} / σ^{2}

采用功率谱(PSD)估计器进行周期图检测。每个瑞利衰落正弦信号的检测性能如图3所示，由平均信号能量噪声比、虚警概率Pfa根据图3的性能确定检测概率。

2、空闲数据子载波标记及判断是否跳到下一频段

第一步已经确定在该频段上仅数据子载波被占用。所以，检测出空闲数据子载波之后，首先对该检测频段所有子载波进行标记，将空闲数据子载波标为0，非空闲数据子载波标为1，统计空闲数据子载波数，记为k1。然后，根据系统所要求的吞吐量，得到每次传送数据时所需的最小空闲数据子载波数，称之为系统设定值，记为k2。当k1＞k2时，二级用户则决定在该频段上传输数据，否则跳到下一感兴趣频段进行频谱检测，如图4所示。当周期图检测的FFT点数为2048，而WiMAX物理层OFDM结构的FFT点数为256时，需对周期图检测时的子载波进行抽取，其抽取间隔为8，取虚警概率为0.01，此时频谱空洞标记示意图如图5所示。

3、利用频谱池技术按照WiMAX物理层OFDM结构传送二级用户数据

WiMAX物理层OFDM结构示意图如图6所示。在频域中，一个OFDM符号共有256个子载波，子载波从-128～+127编号，0号是直流子载波，-128～-101和101～127是保护子载波，-100～-1和1～100共200个是选用子载波。选用子载波中的-88、-63、-38、-13、13、38、63、88的8个子载波(即导频数目Np＝8)为导频子载波，其余的192个是用来传送MAC数据的数据子载波。8个导频子载波等间隔均匀分布在192个数据子载波中，每个导频子载波两侧各有12个数据子载波。

频谱池技术最基本的问题是二级用户使用频谱池资源的时候不能对一级用户造成任何有害影响，一级用户也不需要做任何软件和硬件上的修改来支持此功能，对它来说就像在它的频带上没有存在任何其它系统一样。这样，二级用户得到了可以使用的频谱资源。基于OFDM的频谱池将频段分成若干个子载波，用当前、当地可利用的频谱空洞所对应的子载波传输二级用户的数据，而将正在活动的一级用户频段所对应的子载波设置为关闭状态，即二级用户在这些存在一级用户数据的子载波上传输0。根据WiMAX物理层OFDM结构，二级用户需要对OFDM结构中所有子载波进行检测，以得知是否仅数据子载波被占用和哪些数据子载波处于空闲状态。然后在空闲数据子载波上传二级用户数据，在非空闲数据子载波上传0，如图7所示为利用频谱池技术传输二级用户数据示意图。

采用本发明的改进WiMAX性能的方法，能充分利用给定频段上每一个空闲数据子载波，进一步提高了频谱利用率，并且避免了一级用户与二级用户之间的干扰，提高了WiMAX性能。

以上所述，仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可以轻易想到的变换和替换，都应包含在本发明的保护范畴内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种利用周期图检测和频谱池技术改进WiMAX性能的方法，其特征在于，二级用户利用周期图检测技术对某频段上所有子载波进行检测，当周期图检测的FFT点数N1与WiMAX物理层OFDM结构中的FFT点数N2相等时，所得到的空闲子载波就是WiMAX物理层OFDM结构所对应的子载波，当N1＞N2时，对子载波进行抽取，得到与WiMAX物理层OFDM结构所对应的空闲子载波，统计空闲子载波总数，若该总数大于系统设定值，二级用户就在该频段空闲子载波上传送数据；二级用户将接收信号进行带通滤波，转换得到数字信号，对数字信号进行FFT变换，得到频域数据，对频域数据取模、平方及求平均，得到检验统计量T(y)，将检验统计量与门限进行比较，判断每个子载波上是否存在一级用户信号；基于OFDM的频谱池将频段分成若干个子载波，用当前、当地可利用的频谱空洞所对应的子载波传输二级用户的数据，而将正在活动的一级用户频段所对应的子载波设置为关闭状态。

2.根据权利要求1所述改进WiMAX性能的方法，其特征在于，根据噪声方差σ²、虚警概率P_fa，根据公式：

确定门限。