CN107018112B - Nc-ofdm认知无线电抗窄带干扰的认知用户同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了NC‑OFDM认知无线电抗窄带干扰的认知用户同步方法，该方法主要是在存在窄带干扰的认知无线电系统中，通过利用认知用户的前导序列估计认知用户信号的同步位置，消除窄带干扰对认知用户信号接收的影响，提高认知用户接收信号同步的准确性，避免产生符号间干扰，从而减小认知用户的误码率。本发明主要包括两个方面的内容：一是针对存在窄带干扰的NC‑OFDM认知无线电系统建立认知用户接收信号模型；二是在Schmidl&Cox(S&C)算法的基础上，提出利用前导序列进行认知用户符号定时同步的改进算法，通过估计和消除窄带干扰对定时测度的影响，从而提高认知用户接收信号定时同步的准确性，避免接收信号受到符号间干扰的影响。

Description

NC-OFDM认知无线电抗窄带干扰的认知用户同步方法

技术领域

本发明是一种针对存在窄带干扰的认知无线电系统的特点，在利用非连续正交频分复用(NC-OFDM：Non-Continuous Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技术的认知无线电系统中，在存在窄带干扰的情况下进行认知用户同步的方法，属于抗干扰信息传输技术领域。

背景技术

由于现代通信系统在频谱资源的利用表现出不均衡性，利用率较低的频段呈现出动态、大小不等以及零散等特点，认知无线电(Cognitive Radio，CR)能够基于自身能力对周围通信环境状态进行检测，寻找这些未被授权用户使用的频谱，并且能够根据频谱状态的改变实现实时通信，从而实现了频谱资源的再利用。认知无线电技术一般通过对通信环境的感知获取频谱资源使用状态，寻找授权用户的空闲频谱并利用其进行通信，这为缓解频谱资源缺乏和无线业务需求的日益增长之间的矛盾提供了新的途径，能够有效提高频谱利用率。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术能够容易实现频谱资源控制，通过频率的组合、裁剪充分频谱资源利用，具有灵活控制和分配频谱的特点。于是，基于频谱池思想的非连续OFDM(Non-Contiguous OFDM，NC-OFDM)技术成为认知无线电最佳的备选方案之一。

随着近年来通信技术的发展，通信服务的多样化，人们对多媒体服务需求的快速增长，也对通信网络提供服务的内容、速度以及质量都提出了新的要求，这使得通信系统的更新换代周期更短，如何提高通信数据传输速率成为研究的热点。

一般认知无线电系统能够应用于数字电视和窄带无线麦克风所使用的超高频带(UHF)，认知无线电系统不能对主用户系统产生干扰，认知用户可以在对主用户通信产生的干扰受限的情况下，利用主用户未占用的子载波进行通信，所以如何提高认知用户的通信能力成为新的研究方向。

发明内容

技术问题：本发明主要是在存在窄带干扰的认知无线电系统中，通过利用认知用户的前导序列估计认知用户信号的同步位置，消除窄带干扰对认知用户信号接收的影响，提高认知用户接收信号同步的准确性，避免产生符号间干扰，从而减小认知用户的误码率。

技术方案：本发明主要包括两个方面的内容：一是针对存在窄带干扰的NC-OFDM认知无线电系统建立认知用户接收信号模型；二是在Schmidl&Cox(S&C)算法的基础上，提出利用前导序列进行认知用户符号定时同步的改进算法，通过估计和消除窄带干扰对定时测度的影响，从而提高认知用户接收信号定时同步的准确性，避免接收信号受到符号间干扰的影响。

首先建立存在窄带干扰的NC-OFDM认知无线电系统建立认知用户接收信号模型，然后分析认知用户接收信号定时测度的统计特性，最后，通过估计和消除窄带干扰对定时测度的影响，确定定时同步位置，从而得到准确的认知用户接收信号；

建立存在窄带干扰的NC-OFDM认知无线电系统建立认知用户接收信号模型方法为：

假设一个N点FFT/IFFT调制和解调的NC-OFDM认知无线电系统，即子载波数目为N，N为正整数，信号以帧结构传输，每帧包含P个NC-OFDM符号，每个符号循环前缀长度为N_cp，在NC-OFDM发送端一个符号只有α个子载波进行调制，α表示认知用户占用的符号总数，认知用户占用的子载波序列下标集合表示为向量且I_j∈{-N/2,...,N/2-1}，其余不属于该集合的子载波都置零以避免对主用户产生干扰，考虑多径信道，每个信道有不同的信道衰减系数h(l)，l表示第l个信道，并考虑存在载波频偏v，加性高斯白噪声w(n)，窄带干扰(NBI)表示为其中B表示幅度，f为归一化频率，是相位，NBI的相位和频率应该是缓慢变化的，NBI模型对用于计算时间测度结果的连续的部分NC-OFDM符号是不变的。

利用前导序列进行认知用户信号定时同步的方法为：

根据接收端S&C算法计算定时测度值，计算每个样值的延迟相关值，即定时测度的分子部分，并估计和消除窄带干扰的部分，得到新的定时测度值，在得到的新的定时测度值中搜索其中的最大值，即为定时同步得到的接收信号起始位置；

有益效果：本发明具有以下优点：

①建立存在窄带干扰的NC-OFDM认知无线电系统建立认知用户接收信号模型；

②提出的定时同步算法对窄带干扰具有较强的鲁棒性；

③提出的定时同步算法计算复杂度较S&C算法基本一样，且不需要知道窄带干扰的先验信息等参数。

具体实施方式

本发明所述的存在窄带干扰的认知无线电系统中认知用户接收信号同步的方法包括以下内容：

①系统模型：考虑一个N点FFT/IFFT调制和解调的NC-OFDM系统，信号以帧结构传输，每帧包含P个NC-OFDM符号，每个符号循环前缀长度为N_cp，离散时间信号表示为：

其中第p个NC-OFDM符号的第n个样值为:

其中是第p个符号第k个子载波发送的数据符号，在NC-OFDM发送端只有α个子载波进行调制，认知用户占用的子载波序列下标集合表示为向量且I_j∈{-N/2,...,N/2-1}，其余不属于该集合的子载波都置零以避免对主用户产生干扰，即当时发送信号经过多径衰减和CFO时，NC-OFDM接收端接收到的信号为：

其中，h(l)是第l条路径的信道系数，v是归一化频偏，w(n)是加性高斯白噪声，第二项表示NBI，其中B表示幅度，f为归一化频率，是相位，NBI的相位和频率应该是缓慢变化的，NBI模型对用于计算时间测度结果的连续的部分NC-OFDM符号是不变的。

②S&C算法使用每帧的第一个NC-OFDM符号作为前导序列，前导序列由相同的两部分组成，每段时域序列都是N/2个样值，其自相关操作为：

其中*表示复共轭，R(n)在没有噪声和干扰的情况下，在n∈{-N_cp+L-1,...,0}中应该有最大值，假设信道时延扩展L≤N_cp，N/2个样值的接收信号能量为：

那么定义定时测度为：

则，由定时测度最大值确定的帧同步起始位置为：

R(n)和P(n)的计算可以利用前后两次计算的迭代关系进行计算，所以能够以很低的复杂度重复计算，可以得到CFO的估计为：

式中arg{}表示复数的幅角。

假设对样值n_s做定时同步，即-N_cp+L-1≤n_s≤0，接收信号为：

其中a(n_s)表示NC-OFDM信号经过信道的输出：

将式(9)代入(4)式，假设w(n)＝0，又当n＝{-N_cp+L-1,...,N/2-1}有a(n)＝a(n+N/2)，整理计算过程得到

因为v与k和f相比很小，所以|k-f|对b有较大影响，在NC-OFDM认知无线电系统中，靠近NBI频率的子载波是关闭的，即再结合(2)式，所以可以忽略后两项，则高信噪比条件下的近似为：

假设接收的有用信号是零均值，方差为的高斯随机变量，则：

根据上式中接收前导序列功率，干扰功率，载波频偏v和NBI频率f，定时测度会衰减，而且，对于突发传输，因为NBI会在NC-OFDM帧发送前就观测到，这样在很高的信干比(SIR)条件下依然可能会引起同步错误。对于R(n)自相关窗口在前导序列前后的样值时，期望的结果是：

E[R(n_s)]≈B²N exp(jπf)/2, (14)

③认知用户抗窄带干扰的定时同步算法：估计出窄带干扰对定时测度分子的影响B²Nexp(jπf)/2，并将其从R(n)中去除，可以得到较好的定时估计。因为L≤N_cp，E[R(n)]在无噪声，无干扰时的非零值会占据N_cp+N个样值，即在最佳同步点(n＝0)的前面有N/2和后面有N_cp+N/2个样值，这意味着n＜-N/2或者n＞N_cp+N/2，E[R(n)]满足(14)式，即对于该范围中的n，R(n)能够当作B²Nexp(jπf)/2的估计，因为实际中NBI的瞬时频率是时变的，B²Nexp(jπf)/2项在采样时刻n的估计能够通过R(n-N/2)和R(n+N/2+N_cp)平均得到，通过以上两个采样时刻能够得到有效的估计，(13)式中最后一项的估计，即NBI对定时测度的影响：

为了提高估计精度，再考虑R(n+N)和R(n+N+N_cp)两项，则

本发明提出的算法步骤如下：

步骤3-1：接收信号样值计算延迟自相关值并缓存R(n)，利用迭代公式计算下一个样值；

步骤3-2：估计接收信号样值的窄带干扰对延迟自相关的影响J(n)；

步骤3-3：更新定时测度值M′(n)，其中，

R′(n)＝R(n)-J(n)

P′(n)＝(P(n)+P(n+N/2+N_cp)+P(n+N+N_cp))/3

M′(n)＝|R′(n)/P′(n)|²

根据寻找新定时测度的最大值确定同步位置。

此算法的基本思路是利用前导序列在S&C算法的基础上通过估计和消除窄带干扰对定时测度的影响，从而得到准确的认知用户接收信号的定时同步。而且在此算法中，不需要提前获得窄带窄带干扰的参数信息，并且与利用CP同步的方式相比，该算法对于可利用的子载波数目要求也有所降低。

Claims (1)

1.NC-OFDM认知无线电抗窄带干扰的认知用户同步方法，首先建立存在窄带干扰的认知无线电系统模型，然后估计窄带干扰对认知用户的定时测度影响，最后，通过消除窄带干扰的影响更新定时测度信息，搜索定时测度的最大值，确定接收信号起始位置，实现认知用户信号的准确接收；具体如下：

1)建立存在窄带干扰的NC-OFDM认知无线电系统建立认知用户接收信号模型方法为：

假设一个N点FFT/IFFT调制和解调的NC-OFDM认知无线电系统，即子载波数目为N，N为正整数，信号以帧结构传输，每帧包含P个NC-OFDM符号，每个符号循环前缀长度为N_cp，在NC-OFDM发送端一个符号只有α个子载波进行调制，α表示认知用户占用的符号总数，认知用户占用的子载波序列下标集合表示为向量且I_j∈{-N/2,...,N/2-1}，其余不属于该集合的子载波都置零以避免对主用户产生干扰，考虑多径信道，每个信道有不同的信道衰减系数h(l)，l表示第l个信道，并考虑存在载波频偏v，加性高斯白噪声w(n)，窄带干扰(NBI)表示为其中B表示幅度，f为归一化频率，是相位，NBI的相位和频率是缓慢变化的，NBI模型对用于计算时间测度结果的连续的部分NC-OFDM符号不变；其特征在于，

2)利用前导序列进行认知用户信号定时同步的方法为：

根据接收端S&C算法计算定时测度值，计算每个样值的延迟相关值，即定时测度的分子部分，并估计和消除窄带干扰的部分，得到新的定时测度值，在得到的新的定时测度值中搜索其中的最大值，即为定时同步得到的接收信号起始位置；具体为：

步骤3-1)接收信号样值计算延迟自相关值并缓存R(n)，利用迭代公式计算下一个样值；

步骤3-2)估计接收信号样值的窄带干扰对延迟自相关的影响J(n)；

步骤3-3)更新定时测度值M′(n)，其中，

R′(n)＝R(n)-J(n)

P′(n)＝(P(n)+P(n+N/2+N_cp)+P(n+N+N_cp))/3

M′(n)＝|R′(n)/P′(n)|²

根据寻找新定时测度的最大值确定同步位置；

S&C算法使用每帧的第一个NC-OFDM符号作为前导序列，前导序列由相同的两部分组成，每段时域序列都是N/2个样值，其自相关操作为：

其中*表示复共轭，R(n)在没有噪声和干扰的情况下，在n∈{-N_cp+L-1,...,0}中有最大值；

其中，R(n)表示接收信号样值的延时自相关值，即定时测度分子部分，J(n)表示估计的窄带干扰对定时测度分子的影响，R′(n)表示去除窄带干扰影响的延迟自相关值，P(n)表示N/2个样值的接收信号能量，P′(n)表示三个位置的N/2个样值的接收信号能量均值，M′(n)表示更新的定时测度值。