CN101719806A - 基于主动干扰消除的认知多用户正交频分复用传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够实现主动干扰消除的认知多用户正交频分复用传输方法。其关键在于认知用户在保护频段即主用户两侧插入一些调制特殊权值的子载波，称之为干扰对消子载波，其权值由认知用户发送数据确定，使得发送数据与干扰对消子载波旁瓣相互抵消，从而降低在保护频段产生的干扰；插入的干扰对消子载波数目越多，干扰抑制越明显，付出的能量代价越大，认知用户根据检测到的主用户信号能量强弱，依次递增使用的干扰对消子载波数目，使得以最低的能量代价保护主用户；干扰对消子载波在认知用户接收端会被移除，不同认知用户将各自的干扰对消子载波重叠插入在紧邻保护频段两侧位置，由此引入的相互干扰不会影响系统性能，从而提高系统频谱效率。

Description

基于主动干扰消除的认知多用户正交频分复用传输方法

技术领域

本发明涉及无线数字通信技术领域，具体涉及一种基于主动干扰消除的认知多用户正交频分复用传输方法。

背景技术

随着无线应用的日益增多，可用的频谱资源越来越少，频谱资源贫乏的问题日益严重。然而，人们研究发现授权频段并非被授权用户(主用户)始终占用，而是在时间/频率维度上存在很多空隙，即频谱空洞(spectrum hole)，频谱利用率很低。非授权用户(认知用户)如果可以伺机占用这些频谱空洞，则频谱效率便可以得到极大程度的提升。认知无线电技术以其灵活的频谱使用方式，成为解决无线频谱供应与需求之间矛盾的一种极具潜力的解决方案，该种技术利用频谱认知技术获得某一频带内主用户的频谱使用信息，然后利用频谱空洞进行通信，等到主用户要重新占用时，则马上归还该段频谱。

正交频分复用(OFDM)传输方式由于其灵活的频谱裁剪方式、高效的频谱利用效率，尤其是非相邻正交频分复用(NC-OFDM)技术，通过关闭或者打开子载波，可以在完成自己数据传输任务的同时，方便地实现对主用户的干扰避免，有效满足认知无线电系统对频谱灵活使用的需求，因而在认知无线网络中得到了越来越广泛的应用。

然而由于OFDM每个子载波的频谱呈现Sinc函数特性，旁瓣振荡衰减缓慢，导致OFDM符号的整个功率谱带外辐射功率巨大，仅仅通过简单的关闭/打开子载波，并不能起到有效的带外功率辐射抑制作用，因此设计抑制OFDM信号带外辐射的有效方法，对于认知无线电系统的可靠实现显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于主动干扰消除的认知多用户正交频分复用传输方法。

基于主动干扰消除的认知多用户正交频分复用传输方法是：系统当中的每个认知用户发送端都具有一个主动干扰消除器，接收端具有一个消除子载波移除器，具体按如下步骤进行传输：

(1)将原始待发送的数据比特流信息，经过编码映射，形成待发送的调制信号；

(2)将调制信号通过主动干扰消除器，不同认知用户根据自身的数据信息，独立计算干扰对消子载波的权值，并将各自的干扰对消子载波，重叠放置在紧邻主用户频段两侧位置；

(3)在步骤(2)中，每个认知用户通过主动干扰消除器放置的干扰对消子载波数目，是根据主用户信号能量强弱而确定的，认知用户检测主用户信号能量强弱，只要认知用户产生的干扰满足主用户所要求的信干比条件即可；

(4)将插入干扰对消子载波之后的信号，进行正交频分复用调制，并加入循环段前缀，经过DA变换之后发送出去，直至当前信号发送完毕；

(5)将接收下来的信号经过AD变换，去掉循环段前缀，然后进行正交频分复用解调；

(6)将正交解调之后的信号通过干扰对消子载波移除器，在认知用户发送端插入的干扰对消子载波将被移除掉；

(7)将去掉消除子载波之后的数据，进行解调与解码，直至当前数据信号接收完毕。

所述的步骤(2)为：当多个认知用户接入系统，每个认知用户都需要对主用户进行主动干扰消除；以Ψ_S(i)表示认知用户i使用的所有子载波组成的集合，由Θ_D(i)和Θ_C(i)两部分组成，其中Θ_D(i)表示认知用户i调制发送数据信息的子载波组成的集合，Θ_C(i)表示认知用户i的干扰对消子载波集合，它们满足如下关系：

Ψ_S(i)＝Θ_C(i)∪Θ_D(i)

Θ_C(i)＝Θ_C

Θ_C表示一个恒定的子载波集合；

每个认知用户统一将整个频段划分为N点子载波的正交频分复用系统，不同认知用户调制发送数据信息的子载波相互不重叠，而干扰对消子载波相互重叠；不同认知用户根据自身发送的数据信息，独立计算干扰对消子载波的权值；若主用户使用[v1:v2]处的子载波，认知用户使用[v3:v4]处子载波调制发送的数据信息，并在[v1:v2]两侧各插入c个干扰对消子载波，即[v1-c:v1-1，v2+1:v2+c]处子载波作为干扰对消子载波；认知用户计算调制发送数据信息的子载波[v3:v4]，在主用户频段[v1:v2]处产生的干扰；然后，认知用户计算[v1-c:v1-1，v2+1:v2+c]处的干扰对消子载波的加权因子，使得调制发送数据信息的子载波与干扰对消子载波在主用户频段产生的干扰互相抵消；干扰对消子载波X_C的权值通过最小均方算法估计得到：

$X_C=-{\left(Q_C^H{Q}_C\right)}^{-1}{Q}_C^H{Q}_I{X}_I$

其中X_I为发送的数据信息， $Q_I=Q_{[v3:v4]}^{[u*v1:u*v2]},$ $Q_C=Q_{[v1-c:v1-1,v2+1:v2+c]}^{[u*v1:u*v2]},$ 上标表示Q的行，下标表示Q的列， $Q=\frac{1}{N}{F}_{\mathrm{uN}\×N}{F}_{N\×N}^{*},$ F_N×N为傅里叶变化矩阵，u为频域升采样因子。

所述的步骤(3)为：当多个认知用户接入系统，每个认知用户根据检测到的主用户信号能量强弱，确定放置的干扰对消子载波数目；认知用户首先不使用干扰对消子载波，直接发送数据信息，如果产生的干扰满足主用户信干比条件，则进行后续的发送流程；如果不能满足该信干比要求，则依次增加在主用户频段两侧插入的干扰对消子载波数目，使得产生的干扰值逐渐降低，直至满足要求为止，即满足下式：

$\frac{S}{{|Q_C{X}_C+Q_I{X}_I||}^2}\≥\mathrm{SI}{R}_0$

其中S为检测到的主用户信号能量，||Q_CX_C+Q_IX_I||²为认知用户在主用户频段产生的干扰值，SIR₀为主用户所要求的信干比条件。

本发明所提供的传输方法，不同认知用户在紧邻主用户频段两侧，重叠放置干扰对消子载波，并独立计算干扰对消子载波权值，可以使得在保护主用户，降低误码率的同时，使得有限的子载波资源得到充分利用，提高频谱效率；认知用户根据检测到的主用户信号能量，进行主动干扰消除，依次增加使用的干扰对消子载波数目，使得产生的干扰值逐渐降低即开槽逐渐加深，直至满足主用户信干比要求为止，从而以最低的能量代价，保证主用户的正常通信。

通过计算机仿真表明，本发明所提供的传输方法能够在复杂无线移动通信环境中稳定工作，显著地提高认知用户对主用户的保护能力，有效实现认知用户与主用户的频谱共享。

附图说明

图1是本发明所提供的发送机构成框图；

图2是本发明所提供的接收机构成框图；

图3是认知用户1发送端的频谱图；

图4是认知用户2发送端的频谱图；

图5是在主用户接收端观察到的认知用户1与2的频谱叠加图；

图6是使用主动干扰消除器前后主用户的误码率曲线图；

具体实施方式

基于主动干扰消除的认知多用户正交频分复用传输方法是：系统当中的每个认知用户发送端都具有一个主动干扰消除器，接收端具有一个消除子载波移除器，具体按如下步骤进行传输：

(1)将原始待发送的数据比特流信息，经过编码映射，形成待发送的调制信号；

(2)将调制信号通过主动干扰消除器，不同认知用户根据自身的数据信息，独立计算干扰对消子载波的权值，并将各自的干扰对消子载波，重叠放置在紧邻主用户频段两侧位置；

(3)在步骤(2)中，每个认知用户通过主动干扰消除器放置的干扰对消子载波数目，是根据主用户信号能量强弱而确定的，认知用户检测主用户信号能量强弱，只要认知用户产生的干扰满足主用户所要求的信干比条件即可；

(4)将插入干扰对消子载波之后的信号，进行正交频分复用调制，并加入循环段前缀，经过DA变换之后发送出去，直至当前信号发送完毕；

(5)将接收下来的信号经过AD变换，去掉循环段前缀，然后进行正交频分复用解调；

(6)将正交解调之后的信号通过干扰对消子载波移除器，在认知用户发送端插入的干扰对消子载波将被移除掉；

(7)将去掉消除子载波之后的数据，进行解调与解码，直至当前数据信号接收完毕。

所述的步骤(2)为：当多个认知用户接入系统，每个认知用户都需要对主用户进行主动干扰消除；以Ψ_S(i)表示认知用户i使用的所有子载波组成的集合，由Θ_D(i)和Θ_C(i)两部分组成，其中Θ_D(i)表示认知用户i调制发送数据信息的子载波组成的集合，Θ_C(i)表示认知用户i的干扰对消子载波集合，它们满足如下关系：

Ψ_S(i)＝Θ_C(i)∪Θ_D(i)

Θ_C(i)＝Θ_C

Θ_C表示一个恒定的子载波集合；

每个认知用户统一将整个频段划分为N点子载波的正交频分复用系统，不同认知用户调制发送数据信息的子载波相互不重叠，而干扰对消子载波相互重叠；不同认知用户根据自身发送的数据信息，独立计算干扰对消子载波的权值；若主用户使用[v1:v2]处的子载波，认知用户使用[v3:v4]处子载波调制发送的数据信息，并在[v1:v2]两侧各插入c个干扰对消子载波，即[v1-c:v1-1，v2+1:v2+c]处子载波作为干扰对消子载波；认知用户计算调制发送数据信息的子载波[v3:v4]，在主用户频段[v1:v2]处产生的干扰；然后，认知用户计算[v1-c:v1-1，v2+1:v2+c]处的干扰对消子载波的加权因子，使得调制发送数据信息的子载波与干扰对消子载波在主用户频段产生的干扰互相抵消；干扰对消子载波X_C的权值通过最小均方算法估计得到：

$X_C=-{\left(Q_C^H{Q}_C\right)}^{-1}{Q}_C^H{Q}_I{X}_I$

其中X_I为发送的数据信息， $Q_I=Q_{[v3:v4]}^{[u*v1:u*v2]},$ $Q_C=Q_{[v1-c:v1-1,v2+1:v2+c]}^{[u*v1:u*v2]},$ 上标表示Q的行，下标表示Q的列， $Q=\frac{1}{N}{F}_{\mathrm{uN}\×N}{F}_{N\×N}^{*},$ F_N×N为傅里叶变化矩阵，u为频域升采样因子。

所述的步骤(3)为：当多个认知用户接入系统，每个认知用户根据检测到的主用户信号能量强弱，确定放置的干扰对消子载波数目；认知用户首先不使用干扰对消子载波，直接发送数据信息，如果产生的干扰满足主用户信干比条件，则进行后续的发送流程；如果不能满足该信干比要求，则依次增加在主用户频段两侧插入的干扰对消子载波数目，使得产生的干扰值逐渐降低，直至满足要求为止，即满足下式：

$\frac{S}{{|Q_C{X}_C+Q_I{X}_I||}^2}\≥\mathrm{SI}{R}_0$

其中S为检测到的主用户信号能量，||Q_CX_C+Q_IX_I||²为认知用户在主用户频段产生的干扰值，SIR₀为主用户所要求的信干比条件。

实施例

现有一个系统，存在一对主用户，两对认知用户，主用户采取IEEE802.16e方式进行通信，而两对认知用户使用本发明所提供的收发机结构进行通信，以构建一个认知多用户通信网络。

两个认知用户的发送机框图如图1所示，接收机框图如图2所示。发送端的主动干扰消除器根据频谱感知器提供的主用户频谱活动信息，针对不同的发送数据信息，利用最小均方算法估计干扰对消子载波的权值，并插入到主用户频段两侧位置；接收端的干扰对消子载波移除器根据频谱感知器提供的当前频谱活动信息，把在发送端主动干扰消除器插入的干扰对消子载波移除掉；发送端与接收端的频谱感知器功能结构完全相同，其目的是获取当前主用户的频谱活动信息。

整个OFDMA系统采用的带宽是20MHz，不同认知用户统一在整个带宽上划分256个的子载波。主用户占据两段连续的子载波块，分别为[92:118]与[135:148]处的子载波；两个认知用户也占据两段连续的子载波块，认知用户1占据[159:173]和[219:248]处的子载波，认知用户2占据[43:79]和[188:201]处的子载波。

按照本发明的设计要求，不同认知用户将各自的干扰对消子载波重叠插入在紧邻主用户频段两侧位置，并按照自身发送的数据信息，独立计算干扰对消子载波的权值。主用户频段[92:118]两侧与[135:148]两侧的若干数目子载波，将被认知用户作为干扰对消子载波使用，且会被认知用户1、2重叠使用，至于使用多少个干扰对消子载波，则需要根据检测到的主用户信号能量的强弱做出判决。

认知用户1在主用户频段两侧各插入c个干扰对消子载波，它所使用的所有子载波组成的集合为：

{[159:173]，[219:248]，[92-c:91，119:119+c，135-c:134，149:148+c]}

其中调制发送数据信息的子载波组成的集合为{[159:173]，[219:248]}，干扰对消子载波集合为{[92-c:91，119:119+c，135-c:134，149:148+c]}；干扰对消子载波集合上的待计算的加权因子X_C(1)的解可以通过下式计算，其目的是使得产生的干扰最最小：

$X_C=\arg \underset{X_C}{\min }{\left|\right|Q_C{X}_C+Q_I{X}_I\left|\right|}^2$

其中 $Q_{I\left(1\right)}=Q_{[159:\mathrm{173,219}:248]}^{[u*92:u*118,u*135:u*148]},$ $Q_{C\left(1\right)}=Q_{[92-c:\mathrm{91,119}:119+c,135-c:\mathrm{134,149}:148+c]}^{[u*92:u*118,u*135:u*148]},$ X_I(1)是调制发送数据信息的子载波组成的集合上的数据信息，根据最小均方算法，可以得到除子载波的加权因子为：

$X_{C\left(1\right)}=-{\left(Q_{C\left(1\right)}^H{Q}_{C\left(1\right)}\right)}^{-1}{Q}_{C\left(1\right)}^H{Q}_{I\left(1\right)}{X}_{I\left(1\right)}$

认知用户2同样在主用户频段两侧各插入c个干扰对消子载波，它所使用的所有子载波组成的集合为：

{[43:79]，[188:201]，[92-c:91，119:119+c，135-c:134，149:148+c]}其中调制发送数据信息的子载波组成的集合为{[43:79]，[188:201]}，干扰对消子载波集合为{[92-c:91，119:119+c，135-c:134，149:148+c]}；按照同样的方法，干扰对消子载波集合上的待计算的加权因子X_C(2)的解可以通过下式计算：

$X_{C\left(2\right)}=-{\left(Q_{C\left(2\right)}^H{Q}_{C\left(2\right)}\right)}^{-1}{Q}_{C\left(2\right)}^H{Q}_{I\left(2\right)}{X}_{I\left(2\right)}$

其中 $Q_{I\left(2\right)}=Q_{[159:\mathrm{173,219}:248]}^{[u*92;u*118,u*135:u*148]},$ $Q_{C\left(2\right)}=Q_{\left[\right[\mathrm{90,91,119,200,133,134,149,150}\left]\right]}^{u*92:u*118,u*135:u*148]},$ X_I(2)是调制发送数据信息的子载波组成的集合上的数据信息。

两个认知用户与主用户都采取16QAM作为调制方式，每个子载波上的数据以单位能量进行发送，并且规定主用户所要求满足的信干比SIR为25dB。认知用户可以检测到主用户频段的信号能量，为了满足主用户的SIR要求，需要产生深度大于25dB的凹槽。认知用户首先不使用干扰对消子载波，直接发送数据信息，如果满足主用户信干比要求，则进行后续的发送流程；如果不能满足，则依次增加在主用户频段两侧插入的干扰对消子载波数目，使得产生的干扰值逐渐降低即开槽逐渐加深，直至满足主用户信干比要求为止，从而以最低的能量代价，保证主用户的正常通信。下表1为认知用户所使用的干扰对消子载波数目、形成的开槽深度以及消耗的能量比代价，仿真计算到3对干扰对消子载波的情况：

表1：认知用户所使用的干扰对消子载波数目、形成的开槽深度以及消耗的能量比代价关系

干扰对消子载波数目	开槽深度dB	消耗的能量/总能量
			0对	15～20	0
1对	20～25	0.58％
			2对	35～40	3.73％
3对	45～50	28.96％

当认知用户不使用干扰对消子载波时，在主用户频段形成的开槽深度为20dB；当认知用户使用1对干扰对消子载波时，即[91，119，134，149]处子载波当干扰对消子载波使用，可以形成25dB左右的开槽深度；当认知用户使用2对干扰对消子载波时，即[90，91，119，200，133，134，149，150]处子载波当干扰对消子载波使用，在主用户频段形成的开槽深度为40dB，此时可以保证主用户的信干比要求，于是认知用户使用2对干扰对消子载波进行主动干扰消除。

图3是认知用户1发送端的频谱示意图，图4是认知用户2发送端的频谱示意图，认知用户1、2发送端都在紧邻主用户频段两侧插入2对干扰对消子载波，都在主用户频段位置产生了大约40dB左右深度的凹槽。在主用户的接收端，除去主用户信号外，接收到的是两个认知用户频谱的叠加，如图5所示，可见认知用户采用本发明所提供的方法，其叠加效果是在主用户对应的两段连续子载波处，产生了40dB左右深度的开槽。

认知用户采取本发明所提供的收发机结构，可以使得主用户能够在很大程度上降低误码率BER。下面对比认知用户不使用干扰对消子载波情况下的主用户BER，与使用2对干扰对消子载波情况下的主用户BER。整个系统采用OFDMA作为通信方式，我们考虑认知用户与主用户之间相对频偏值的大小，对主用户BER产生的影响进行仿真分析。仿真设置认知用户1与主用户之间存在0.1相对频偏，认知用户2与主用户之间存在0.2相对频偏，认知用户之间存在0.1相对频偏，经过AWGN信道加入噪声之后，主用户按照IEEE802.16e通信方式对接收到的信号进行处理，得到如图6所示的误码率曲线。

可以看出，在SNR比较低时，小于10dB，是否使用主动干扰消除对主用户BER并没有显著影响；在SNR比较高时，使用主动干扰消除之后，主用户的BER得到显著降低。在不使用主动干扰消除时，图中的蓝线，无论SNR多高，总会存在一个误码平台(error floor)，这是由于主从用户之间相对频偏的存在引入ICI而导致的。而使用主动干扰消除之后，可以将该干扰抑制到很低的水平，但不可能抑制为0，所以该误码平台仍然存在，但已经下降到很低的水平。同时，本发明所提供的传输方法在改善BER性能的同时，干扰对消子载波消耗能量仅仅占总发送能量的3.7％，从而实现了以极低的能量代价，换取了BER性能的很大改善。

Claims (3)

1.一种基于主动干扰消除的认知多用户正交频分复用传输方法，其特征在于系统当中的每个认知用户发送端都具有一个主动干扰消除器，接收端具有一个消除子载波移除器，具体按如下步骤进行传输：

(1)将原始待发送的数据比特流信息，经过编码映射，形成待发送的调制信号；

(2)将调制信号通过主动干扰消除器，不同认知用户根据自身的数据信息，独立计算干扰对消子载波的权值，并将各自的干扰对消子载波，重叠放置在紧邻主用户频段两侧位置；

(3)在步骤(2)中，每个认知用户通过主动干扰消除器放置的干扰对消子载波数目，是根据主用户信号能量强弱而确定的，认知用户检测主用户信号能量强弱，只要认知用户产生的干扰满足主用户所要求的信干比条件即可；

(4)将插入干扰对消子载波之后的信号，进行正交频分复用调制，并加入循环段前缀，经过DA变换之后发送出去，直至当前信号发送完毕；

(5)将接收下来的信号经过AD变换，去掉循环段前缀，然后进行正交频分复用解调；

(6)将正交解调之后的信号通过干扰对消子载波移除器，在认知用户发送端插入的干扰对消子载波将被移除掉；

(7)将去掉消除子载波之后的数据，进行解调与解码，直至当前数据信号接收完毕。

2.根据权利要求1所述的一种基于主动干扰消除的认知多用户正交频分复用传输方法，其特征在于所述的步骤(2)为：当多个认知用户接入系统，每个认知用户都需要对主用户进行主动干扰消除；以Ψ_S(i)表示认知用户i使用的所有子载波组成的集合，由Θ_D(i)和Θ_C(i)两部分组成，其中Θ_D(i)表示认知用户i调制发送数据信息的子载波组成的集合，Θ_C(i)表示认知用户i的干扰对消子载波集合，它们满足如下关系：

Ψ_S(i)＝Θ_C(i)∪Θ_D(i)

Θ_C(i)＝Θ_C

Θ_C表示一个恒定的子载波集合；

每个认知用户统一将整个频段划分为N点子载波的正交频分复用系统，不同认知用户调制发送数据信息的子载波相互不重叠，而干扰对消子载波相互重叠；不同认知用户根据自身发送的数据信息，独立计算干扰对消子载波的权值；若主用户使用[v1:v2]处的子载波，认知用户使用[v3:v4]处子载波调制发送的数据信息，并在[v1:v2]两侧各插入c个干扰对消子载波，即[v1-c:v1-1，v2+1:v2+c]处子载波作为干扰对消子载波；认知用户计算调制发送数据信息的子载波[v3:v4]，在主用户频段[v1:v2]处产生的干扰；然后，认知用户计算[v1-c:v1-1，v2+1:v2+c]处的干扰对消子载波的加权因子，使得调制发送数据信息的子载波与干扰对消子载波在主用户频段产生的干扰互相抵消；干扰对消子载波X_C的权值通过最小均方算法估计得到：

$X_C=-{\left(Q_C^H{Q}_C\right)}^{-1}{Q}_C^H{Q}_I{Z}_I$

其中X_I为发送的数据信息， $Q_I=Q_{[v3:v4]}^{[u*v1:u*v2]},$ $Q_C=Q_{[v1-c:v1-1,v2+1:v2+c]}^{[u*v1:u*v2]},$ 上标表示Q的行，下标表示Q的列， $Q=\frac{1}{N}{F}_{\mathrm{uN}\×N}{F}_{N\×N}^{*},$ F_N×N为傅里叶变化矩阵，u为频域升采样因子。

3.根据权利要求1所述的一种基于主动干扰消除的认知多用户正交频分复用传输方法，其特征在于所述的步骤(3)为：当多个认知用户接入系统，每个认知用户根据检测到的主用户信号能量强弱，确定放置的干扰对消子载波数目；认知用户首先不使用干扰对消子载波，直接发送数据信息，如果产生的干扰满足主用户信干比条件，则进行后续的发送流程；如果不能满足该信干比要求，则依次增加在主用户频段两侧插入的干扰对消子载波数目，使得产生的干扰值逐渐降低，直至满足要求为止，即满足下式：

$\frac{S}{{\left|\right|Q_C{X}_C+Q_I{X}_I\left|\right|}^2}\≥{\mathrm{SIR}}_0$

其中S为检测到的主用户信号能量，||Q_CX_C+Q_IX_I||²为认知用户在主用户频段产生的干扰值，SIR₀为主用户所要求的信干比条件。

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