CN1889403A - 认知无线电的ofdm帧结构及其副载波分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知无线电的OFDM帧结构及其副载波分配方法。主要解决认知无线电传输系统的传输性能问题。该帧结构包括前导序列和由数据副载波构成的多个子带，每一个子带包含有相对独立的信息域、数据域，该信息域里包含有速率域、校验域、长度域和补充比特。利用该OFDM帧结构进行副载波分配时，首先确定OFDM系统的可用频段，将OFDM系统的副载波划分为若干个子带和固定控制副载波；然后选择位于可用频段内的所有子带和固定控制副载波，根据需要在可用频带中再插入动态控制副载波；最后根据通信系统传输速率的要求对子带可承载的比特速率进行检测，结束分配。本发明具有误帧性能好，频谱利用率高之优点，可有效用于认知无线电通信技术领域。

Description

认知无线电的OFDM帧结构及其副载波分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及认知无线电技术在无线局域网中的应用，具体地说是一种应用于认知无线电的OFDM帧结构，及其应用该认知无线电的OFDM帧结构在无线局域网中进行副载波分配的方法。

背景技术

在现有的无线频谱分配策略下，频谱资源的分配策略为固定分配。一旦某频段已分配给某授权用户，即使该频段的授权用户并未使用所分配频段，该频段也不能被其他非该频段授权的用户使用。事实上，如果对频段进行长时间的监控的话，将会发现一部分频段在多数时间里都是保持空闲的，还有一部分频段仅被部分的占用，而剩下的频段则异常繁忙，如900MHz的GSM频段。参见“Frequency agile spectrum access technologies”，M.McHenry，in FCC Workshop Cogn.Radio，May 19，2003和“The end of spectrum scarcity，”，G.Stapleand K.Werbach，IEEE Spectrum，vol.41，no.3，pp.48-52，Mar.2004.因此随着无线通信应用的发展，有限的频谱资源在固定的分配模式下日渐紧张，然而实际的频谱资源利用率并不高。

认知无线电(Cognitive Radio)是国际上90年代出现的一种新概念。该技术的一个研究重点是对无线环境的感知和利用，实现动态重用已经固定分配给授权用户的频段以及其他空闲频段以提高现有频谱资源的利用率。由于认知无线电工作的频段可以包含已经分配给授权用户的频段，所以在使用该频段时应当尽量降低和避免对通信中的授权用户的干扰，此时认知无线电的用户扮演者非授权用户的角色。参见FCC的Technology AdvisoryCouncil于2002年12月发表的“The Endgame：A Possible Candidate for an Intelligent WirelessDevice Bill of Rights”及其相关文档，可知受时间和空间等因素的影响，授权用户在使用其授权频段过程中可能出现三种无线场景：

1.授权用户停止工作，其授权频段空闲。

2.授权用户距离使用该频段的任何其他非授权用户较远，受传播损耗影响，其他非授权用户对授权用户的干扰较小，不致影响授权用户的通信。

3.授权用户距离任何使用该频段的其他非授权用户较近，但是其他非授权用户使用该频段时采用较小的发射功率，不致影响授权用户的通信。

针对上述三种无线场景情况，非授权用户在使用授权用户的频段时需要采用一定的策略避免对授权用户的通信造成影响。在使用过程中同时需要考虑所使用的授权用户频段的可利用程度，从而达到充分利用的目的。在认知无线电的领域，参见“Cognitive Radio：Brain-Empowered Wireless Communications”，Simon Haykin，IEEE Journal On Selected AreasIn Communications，Vol.23，No.2，February 2005，可以利用“干扰温度”来衡量授权用户频段的可利用程度。同时采用干扰温度上限来表示在不对授权用户的通信造成影响的情况下授权用户处可以容忍的最大干扰温度。通常认为该干扰温度上限和认知无线电用户未工作时的授权用户处的干扰温度的差值越大，则该频段的可利用程度越高。干扰温度和贝尔兹曼常数的乘积即为该频段内的功率谱密度，所以干扰温度和功率谱密度具有对应关系。对于非授权用户而言，可以傲据频段的可利用程度，简单的采用频谱空洞的级别进一步标示认知无线电工作的不同频段。上述三种场景可以分别以白洞，灰洞和黑洞对应表示，其中白洞的可利用度最高，灰洞次之，黑洞可利用度最低，甚至不可以使用。根据工作频段的不同频谱空洞级别，非授权用户需要在保证误码率等要求的前提下，调整在对应频带的发射功率。同时由于认知无线电工作的频段可能由多个分配给不同授权用户的相邻频段组成，每个授权用户的工作状况不一样，因此对于非授权用户而言，该工作频段可能是一个随时间动态变化的白洞，灰洞和黑洞的组合。其一个示例可以如图1所示，其中频带101、104、106为黑洞，102、105、108为灰洞，103、107为白洞。因此认知无线电技术必须具有工作频段内功率动态分配的能力，解决有效利用多个离散的具有不同可用度的频段的问题。解决这个问题可以依赖于当前比较流行的多载波技术，而其中的正交频分复用OFDM技术因为其频谱效率高、实现简单更是得到人们的关注。在应用多载波技术时，首先需要确定一种合理的物理帧结构以提供对数据传输的最基本支持。

在正交频分复用OFDM中，可用载波被划分为多个正交的副载波或通道，每一副载波传输通信数据的一部分。每一个副载波的状况，包括发射功率、比特速率及是否使用，可以分别进行设定。无线局域网国际标准IEEE802.11a标准的物理层采用了OFDM技术，其定义了64个副载波，包括48个数据副载波、4个控制副载波和12个空闲副载波，每个副载波带宽为0.3125MHz。其各副载波分配如图2所示。该系统占用连续的20MHz的带宽，工作在5GHz～6GHz频段，支持最大54Mbps的传输速率。考虑到IEEE802.11a无线局域网工作的频段可能受到其他工作在该频段的设备如雷达的干扰，无线局域网国际标准IEEE802.11h中进一步提出了动态频率选择DFS和传输功率控制TPC技术，从而具有探测干扰和频道切换的能力。但是IEEE802.11a的物理层帧的特征在于必须使用其所定义的所有副载波，而每个数据副载波都采用相同的调制编码方式。因此在采用该帧结构时必须占用连续的20MHz的空闲频段，这就限制了其应用于认知无线电时可能使用的空洞的大小和等级。即使找到了连续的大于20MHz的白洞和灰洞的组合，如图1中的白洞107，灰洞108，也会受到情况最差的空洞，如灰洞108的限制而降低了对空洞的利用率。可见认知无线电技术的无线局域网的物理层如果继续采用IEEE802.11a的物理层帧结构是不合适的，且其他现有的OFDM无线局域网，如Hiperlan/2的物理层帧结构也是不合适的。

综上可知，现有的OFDM无线局域网的物理层帧结构不能满足认知无线电技术的需求。因此，需要设计一种适用于应用认知无线电技术的OFDM无线局域网的物理层帧结构，以有效合理利用工作频段内的多种类型空洞，达到提高频谱利用率的目的。

发明的内容

本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提供一种新的适用于应用认知无线电技术的OFDM帧结构，同时利用该结构进一步提出应用于无线局域网的副载波分配方法，以解决频谱利用率和改善认知无线电传输系统的误帧性能问题。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的认知无线电的OFDM帧结构，包括前导序列和由数据副载波构成的多个子带，其中每一个子带包含有相对独立的信息域、数据域，该信息域里包含有速率域、校验域和长度域。

上述OFDM帧结构，其中所述的每一个子带里的信息域还包含有可变比特数量的补充比特，该补充比特的长度由帧结构中所包含的子带数目和单个子带所包含的数据副载波的数目设定。

本发明利用上述帧结构进行OFDM副载波分配的方法，按如下过程进行：

(1)确定OFDM系统的可用频段；

(2)将OFDM系统的副载波划分为若干个子带和固定控制副载波，使每个子带中包含至少一个数据副载波，且将固定控制副载波位于数据副载波之间或子带之间；

(3)选择位于可用频段内的所有子带和固定控制副载波；

(4)根据需要在可用频带中再插入动态控制副载波；

(5)根据通信系统传输速率的要求对子带可承载的比特速率进行检测，如果满足要求则分配结束，反之重新选择可用频段，重复步骤(2)继续进行副载波分配。

上述OFDM副载波分配的方法，其中步骤(1)确定OFDM系统的可用频段，按如下过程进行：

①将认知无线电系统的工作频段内所包含的不同子频段，划分成至少一个空洞；

②在划分后的空洞集合中按照可利用等级选择可以使用的空洞，该可利用等级通过干扰温度上限和实际干扰温度的差确定；

③将所选可使用空洞所覆盖的频段确定为可用频段。

上述OFDM副载波分配的方法，其中步骤(4)中根据需要插入动态控制副载波的过程如下：

①当子带所包含的数据副载波和与其最近的控制副载波之间的频率间隔大于或等于8个副载波间隔时，在该子带与距离最近的控制副载波相反方向外侧的相邻副载波处插入动态控制副载波；

②如果插入的动态控制副载波偏离所选择空洞集合所覆盖的频段时，取消该动态控制副载波的插入，并停止使用与该动态控制副载波相邻的子带；

③重复步骤①直到所有子带满足要求。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于采用按子带划分的OFDM帧结构，且每个子带都包含有相对独立的信息域，可以有效提高对频谱资源的利用率；同时由于该帧结构支持以子带为单位的任意裁减，可以降低和/或避免对其他授权用户的干扰。

2.本发明由于利用所述的OFDM帧结构进行的副载波分配，可在通常的认知无线电工作环境下保持较好的误帧性能。

附图说明

图1是现有认知无线电工作频段频谱使用状况示意图

图2是现有无线局域网国际标准IEEE802.11a中OFDM帧的副载波分配示意图

图3是本发明的OFDM帧结构框图

图4是本发明依据认知无线电工作频段频谱使用状况确定的子带功率分配示意图

图5是本发明OFDM帧结构中帧信息域的长度域比特填充过程图

图6是本发明OFDM帧结构中数据域填充比特填充过程图

图7是本发明利用所述OFDM帧结构进行无线局域网物理层帧副载波分配流程图

图8是本发明OFDM帧结构的子带大小对帧开销的影响曲线图

图9是本发明利用所述OFDM帧结构进行无线局域网物理层帧副载波分配示意图

图10是本发明在副载波分配中对子带裁减及动态控制副载波插入过程图

图11是本发明的误帧性能仿真结果图

图12是本发明的频谱利用率性能仿真结果图

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述：

一.认知无线电的OFDM帧结构

参照图3，本发明的认知无线电的OFDM帧结构由4个OFDM符号长度的前导序列、可变数量的OFDM符号长度的帧信息域、可变数量的OFDM符号长度的数据域构成。其中前导序列的功能是实现帧检测、帧同步、自动增益控制、频偏估计和信道估计等功能；可变数量的OFDM符号所组成的帧信息域和可变数量的OFDM符号所组成的数据域包含多个由数据副载波构成的子带。本实施例给出了子带A、子带B、子带C、子带D四个子带，每个子带填充有速率域、长度域、校验域、补充比特和数据域。由于OFDM的各副载波的调制方式和功率可单独设置，所以由副载波构成的子带也可以进行单独的设置。每个子带可以使用不同的调制方式、编码速率和发射功率。这种特征恰好满足了认知无线电技术在充分利用工作频段频谱资源时所要求的频段内功率动态分配的能力。在图1所示的工作频段中，对应于白洞所处频段的子带可以分配较大的发射功率及速率，从而提高空闲频段的利用率，而对应于灰洞和黑洞所处频段的子带可以分配较小的发射功率或不分配发射功率，从而减少对该对应频段授权用户的干扰。图4示出了该情况下的一个实施例，图4中分别对应图1中的频段使用状况，在子带404、406、408、409和410分配较大的功率，而子带401、402、403、405、407、411分配较小的功率甚至不分配。

从图3可见，本发明的OFDM帧结构从所包含的域上看与IEEE802.11a中所提出的OFDM帧结构并没有太大区别。但IEEE802.11a的帧仅能够支持所有的副载波采用相同设置，如调制方式、编码速率、发射功率等，而图3的帧结构却可以提供以子带为单位的不同配置方式的支持，这种能力源于以上所述的对帧信息域和帧数据域按子带的分配。

1.帧信息域的子带结构

该帧信息域子带填充的速率域由4个比特组成，根据该4个比特的信息，可以确定该速率域所在子带包含的数据域的调制方式和编码速率。例如表1所示的速率域为1101比特时，其对应的数据域的调制方式为BPSK，编码速率为1/2，相当于每副载波每OFDM符号上的编码比特数为1比特，每副载波每OFDM符号可以传输的数据比特数为1/2比特；当速率域为1111比特时，其对应的数据域的调制方式为BPSK，编码速率为3/4，相当于每副载波每OFDM符号上的编码比特数为1比特，每副载波每OFDM符号可以传输的数据比特数为3/4比特；当速率域为0101比特时，其对应的数据域的调制方式为QPSK，编码速率为1/2，相当于每副载波每OFDM符号上的编码比特数为2比特，每副载波每OFDM符号可以传输的数据比特数为1比特。当速率域为0001比特时，其对应的数据域的调制方式为64-QAM，编码速率为2/3，相当于每副载波每OFDM符号上的编码比特数为6比特，每副载波每OFDM符号可以传输的数据比特数为4比特。

                          表1速率域的内容

速率域	调制	编码速率	每个副载波的编码比特数	每个副载波的数据比特数
					1101	BPSK	1/2	1	1/2
1111	BPSK	3/4	1	3/4
					0101	QPSK	1/2	2	1
0111	QPSK	3/4	2	3/2
					1001	16-QAM	1/2	4	2
1011	16-QAM	3/4	4	3
					0001	64-QAM	2/3	6	4
0011	64-QAM	3/4	6	9/2

该帧信息域子带填充的长度域包含相同数量的比特，但是对于不同的帧，该长度域的比特数目可能不同，其比特数目由该帧中所使用子带的数量、每子带包含的副载波数量和分配时所使用的原则，如最小化信息域的OFDM符号数目或固定分配决定。所有子带的长度域比特数总和应大于等于12个比特，前12个比特用于指示该帧的数据域中所承载的总的有效比特数目，而超过12个比特的多余比特位则在考虑峰平比PAR的基础上产生二进制数填充。图5示出了一个依据最小化信息域的OFDM符号数目原则进行长度域比特分配的实施例。该实施例中包含5个子带，每个子带由4个副载波组成。采用BPSK调制方式和1/2编码速率时每子带每OFDM符号可承载2个比特的有效数据，因此信息域至少需要占用4个OFDM符号。因此每个子带应包含3个比特的长度域比特。图5中前4个子带被顺序填充该帧的数据域长度，而最后1个子带的长度域为多余比特，被没有实际含义的二进制数填充。

该帧信息域子带填充的比特校验域为1个比特，其功能是对所在子带的速率域和长度域进行奇偶校验和错误检错。

该帧信息域子带填充的补充比特由可变数量的比特组成，其功能为当信息域中有效比特不能被速率域、长度域和校验域全部填满时，需要补充比特以保证该帧中的帧信息域能够占用整个完整的OFDM符号。在图5的实施例中，当子带的数量为6时，每个子带所包含的信息域需要再包含1比特的补充比特才能使该帧的帧信息域占用全部4个OFDM符号。

2.帧的数据域的结构

本发明所提出的帧的数据域由帧中所有子带所包含的数据域构成。帧所承载的数据比特按照每符号每子带可以承载的有效数据的比特数目，即该值由子带对应的帧信息域中的速率域决定，首先依照子带的顺序填充单个OFDM符号的所有子带的数据域，然后按照相同方法依次填充其后的OFDM符号。如果最后一个OFDM符号没有填满，则在考虑峰平比PAR的基础上产生二进制数填满。这种按符号填充的方法与按子带进行的填充方法相比更有利于抵抗个别子带的接收信噪比过低所引入的误码。

图6示出了帧的数据域填充过程的一个实施例。在图6中，连续的二进制数据流首先根据每个子带的OFDM符号可承载的有效比特数量进行分组后，按符号逐个填充子带，直到所有数据填充完毕。该数据帧被接收机接收后，每一个子带的帧信息域被接收，根据解析子带的信息域获得其后面对应数据域的参数，进而可以对该子带中数据域进行解调；然后逐个符号的按照上述填充过程的相反过程进行数据拼接，恢复发送数据。

二.副载波分配方法

本发明利用上述OFDM结构进行副载波分配的方法如图7所示。其具体过程如下：

1.确定OFDM系统的可用频段

确定OFDM系统的可用频段首先根据认知无线电系统工作频段内各授权用户频段处的实际干扰温度和干扰温度上限，将该工作频段划分为不同的子频段，进而根据各子频段的可利用等级划分成至少一个空洞，该可利用等级可以由该频段的干扰温度上限和实际干扰温度的差确定；然后在划分后的空洞集合中根据可利用等级的要求，选择使用可以满足该要求的所有空洞，从而得到可用空洞集合；最后将所选可用空洞集合所覆盖的频段确定为可用频段，未覆盖频段确定为不可用频段。

2.将OFDM系统的副载波划分为若干个子带和固定控制副载波

(1)通过如下3个因素确定单个子带包含的副载波的数目

①通信系统的相干带宽

通信系统的相干带宽可以根据最大多径时延差确定。根据经验，若要令子带经历的衰落为平坦衰落，其带宽应小于相干带宽的1/3～1/5。在无线局域网应用中，其典型的最大多径时延差为200ns，可根据如下分式计算相干带宽：

$B_c=\frac{1}{\mathrm{\Δ\τ}}=\frac{1}{200\mathrm{ns}}=5\mathrm{MHz}$

根据计算可知子带带宽应小于1MHz～5/3MHz。

②帧中用于传输帧头的开销；

由于每个子带有独立的帧信息域，所以单个子带包含副载波的数量越少，其信息域所占用的OFDM符号就越多，有效载荷的比例越低，帧头的开销越大。因此单个子带所包含的副载波数量应该满足对帧开销的要求。选用不同子带大小时的效率可以在每个子带采用相同调制方式和编码速率的条件下，按照如下公式通过帧头所占用的OFDM符号数目和最大长度的数据所占用的OFDM符号数目的比值进行衡量，

其中L为子带内包含副载波数目，n为使用的子带数目，Rate表示当前的调制编码速率，即每载波每OFDM符号可承载的比特数，该函数值R越小则效率越高。

图8为数据域采用16-QAM调制方式，1/2编码速率调制时的效率曲线。从图8中可以明显看到，L越大，其效率越高。当L＝4和L＝5时，两条曲线在使用的总副载波数目大于50时曲线基本重合。

③可用空洞频段的大小

在副载波间隔保持不变的条件下，子带内包含的副载波越多，意味着可以利用的空洞就要更大，所以子带的带宽也应该小于能够使用的最小的独立的空洞频段的大小。

通过对以上三个因素分析表明：在最大多径时延差为200ns，每个副载波带宽为0.3125MHz的无线局域网环境下，本发明采用子带在包含4个数据副载波是比较合适，保证了帧的效率的同时降低了子带的带宽。

(2)划分子带和固定控制副载波

本发明中应用于无线局域网的OFDM帧包含256个OFDM副载波，根据需要将该256个副载波编号为[-128～127]。副载波[-128～-122，0，122～127]保持空闲，用于去除IFFT变换后的直流分量和降低带外辐射，其余的副载波为数据副载波和控制副载。根据信道估计的要求，插入的固定控制副载波之间的频率间隔应小于系统的相干带宽。对于200ns最大多径时延差的无线局域网应用而言其相干带宽为5MHz，对应副载波间隔为0.3125MHz时，固定控制副载波的间隔最大为14个副载波间隔。子带和固定控制副载波的位置由表2确定。表2中固定控制副载波以副载波0对称分布在编号为[-119，-105，-91，-77，-63，-49，-35，-21，-7，7，21，35，49，63，77，91，105，119]的副载波上，其他副载波则为数据副载波。由于每个子带包含4个数据副载波，因此该帧的数据副载波可对称划分为56个子带，编号为[-28～-1，1～28]。如编号为[-121，-120，-118，-117]的副载波被划分为子带-28，编号为[-116，-115，-114，-113]的副载波被划分为子带-27，如表2所示。

                           表2子带和固定控制副载波分配表

副载波编号	类型/子带	副载波编号	类型/子带	副载波编号	类型/子带	副载波编号	类型/子带
								-128	空闲	-64	数据/-15	0	空闲	64	数据/15
-127	空闲	-63	控制	1	数据/1	65	数据/15
								-126	空闲	-62	数据/-15	2	数据/1	66	数据/16
-125	空闲	-61	数据/-15	3	数据/1	67	数据/16
								-124	空闲	-60	数据/-14	4	数据/1	68	数据/16
-123	空闲	-59	数据/-14	5	数据/2	69	数据/16
								-122	空闲	-58	数据/-14	6	数据/2	70	数据/17
-121	数据/-28	-57	数据/-14	7	控制	71	数据/17
								-120	数据/-28	-56	数据/-13	8	数据/2	72	数据/17
-119	控制	-55	数据/-13	9	数据/2	73	数据/17
								-118	数据/-28	-54	数据/-13	10	数据/3	74	数据/18
-117	数据/-28	-53	数据/-13	11	数据/3	75	数据/18
								-116	数据/-27	-52	数据/-12	12	数据/3	76	数据/18
-115	数据/-27	-51	数据/-12	13	数据/3	77	控制
								-114	数据/-27	-50	数据/-12	14	数据/4	78	数据/18
-113	数据/-27	-49	控制	15	数据/4	79	数据/19
								-112	数据/-26	-48	数据/-12	16	数据/4	80	数据/19
-111	数据/-26	-47	数据/-11	17	数据/4	81	数据/19
								-110	数据/-26	-46	数据/-11	18	数据/5	82	数据/19
-109	数据/-26	-45	数据/-11	19	数据/5	83	数据/20

-108	数据/-25	-44	数据/-11	20	数据/5	84	数据/20
								-107	数据/-25	-43	数据/-10	21	控制	85	数据/20
-106	数据/-25	-42	数据/-10	22	数据/5	86	数据/20
								-105	控制	-41	数据/-10	23	数据/6	87	数据/21
-104	数据/-25	-40	数据/-10	24	数据/6	88	数据/21
								-103	数据/-24	-39	数据/-9	25	数据/6	89	数据/21
-102	数据/-24	-38	数据/-9	26	数据/6	90	数据/21
								-101	数据/-24	-37	数据/-9	27	数据/7	91	控制
-100	数据/-24	-36	数据/-9	28	数据/7	92	数据/22
								-99	数据/-23	-35	控制	29	数据/7	93	数据/22
-98	数据/-23	-34	数据/-8	30	数据/7	94	数据/22
								-97	数据/-23	-33	数据/-8	31	数据/8	95	数据/22
-96	数据/-23	-32	数据/-8	32	数据/8	96	数据/23
								-95	数据/-22	-31	数据/-8	33	数据/8	97	数据/23
-94	数据/-22	-30	数据/-7	34	数据/8	98	数据/23
								-93	数据/-22	-29	数据/-7	35	控制	99	数据/23
-92	数据/-22	-28	数据/-7	36	数据/9	100	数据/24
								-91	控制	-27	数据/-7	37	数据/9	101	数据/24
-90	数据/-21	-26	数据/-6	38	数据/9	102	数据/24
								-89	数据/-21	-25	数据/-6	39	数据/9	103	数据/24
-88	数据/-21	-24	数据/-6	40	数据/10	104	数据/25
								-87	数据/-21	-23	数据/-6	41	数据/10	105	控制
-86	数据/-20	-22	数据/-5	42	数据/10	106	数据/25
								-85	数据/-20	-21	控制	43	数据/10	107	数据/25
-84	数据/-20	-20	数据/-5	44	数据/11	108	数据/25
								-83	数据/-20	-19	数据/-5	45	数据/11	109	数据/26
-82	数据/-19	-18	数据/-5	46	数据/11	110	数据/26
								-81	数据/-19	-17	数据/-4	47	数据/11	111	数据/26
-80	数据/-19	-16	数据/-4	48	数据/12	112	数据/26

-79	数据/-19	-15	数据/-4	49	控制	113	数据/27
								-78	数据/-18	-14	数据/-4	50	数据/12	114	数据/27
-77	控制	-13	数据/-3	51	数据/12	115	数据/27
								-76	数据/-18	-12	数据/-3	52	数据/12	116	数据/27
-75	数据/-18	-11	数据/-3	53	数据/13	117	数据/28
								-74	数据/-18	-10	数据/-3	54	数据/13	118	数据/28
-73	数据/-17	-9	数据/-2	55	数据/13	119	控制
								-72	数据/-17	-8	数据/-2	56	数据/13	120	数据/28
-71	数据/-17	-7	控制	57	数据/14	121	数据/28
								-70	数据/-17	-6	数据/-2	58	数据/14	122	空闲
-69	数据/-16	-5	数据/-2	59	数据/14	123	空闲
								-68	数据/-16	-4	数据/-1	60	数据/14	124	空闲
-67	数据/-16	-3	数据/-1	61	数据/15	125	空闲
								-66	数据/-16	-2	数据/-1	62	数据/15	126	空闲
-65	数据/-15	-1	数据/-1	63	控制	127	空闲

表2中，固定控制副载波可以位于单个子带所包含的4个数据副载波之间，如固定控制副载波7位于子带2中的数据副载波6和8之间，固定控制副载波105位于子带25中的数据副载波106和107之间，固定控制副载波-77位于子带-18中的数据副载波-78和-76之间；也可以位于两个子带之间，如固定控制副载波-91位于子带-22和-21之间，固定控制副载波35位于子带8和9之间，固定控制副载波91位于子带22和21之间。

图9示出了表2中在使用全部子带时由数据副载波和固定控制副载波分配示意图。在该图9中，在频域方向OFDM的工作频段被划分为256个副载波，使用了编号为[-121～-1，1～121]的副载波，所划分的56个子带和18个固定控制副载波对称分布在编号为0的副载波两侧。在时域方向，该OFDM帧被划分为长度为4个OFDM符号的前导序列、3个OFDM符号的帧信息域和若干OFDM符号的数据域。

3.选择位于可用频段内的所有子带和固定控制副载波

在将OFDM的所有副载波划分为子带和固定控制副载波之后，根据工作的无线环境的频谱使用状况，按照误帧率和/或传输速率等要求以表2中子带为单位在可用频带内以频段可利用程度为顺序选择可用子带，同时选择位于可用频带内的所有固定控制副载波。

4.根据需要在可用频带中插入动态控制副载波；

由于部分固定控制副载波位于不可用频带内而导致对与其相邻的数据副载波的信道估计等不能满足要求，此时需要插入动态控制副载波进行弥补。其插入方法为：当子带所包含的数据副载波和与其最近的控制副载波之间的频率间隔大于或等于8个副载波间隔时，在该子带与距离最近的控制副载波相反方向外侧的相邻副载波处插入动态控制副载波，即将该相邻副载波设为动态控制副载波，如果插入的动态控制副载波偏离所选择可用频段时，则取消该动态控制副载波的插入，并停止使用与该动态控制副载波相邻的子带；重复检测所有的子带的数据副载波和与之最近的控制副载波之间的频率间隔，并根据需要插入动态控制副载波，直到所有子带满足要求。

5.根据通信系统传输速率的要求对以上分配结果进行检测

最终的分配结果可能不能满足通信系统传输速率的要求，需要进一步检测判断。其检测是根据通信系统传输速率的要求对子带可承载的比特速率进行，如果满足要求则分配结束，反之重新选择可用频段，重复步骤2，再进行副载波分配。

图10示出了以上副载波分配的一个实施例。在该例中，首先根据可利用频段和表2中确定的子带和固定控制副载波分配，选择使用子带[-28～-19，-4～15，25～28]及可用频段所包含的所有固定控制副载波。在插入动态控制副载波时，子带-4的左侧根据需要插入一个动态控制副载波并该副载波位于可用频带内。而子带-19右侧也需要插入动态控制副载波，但是该动态控制副载波将位于不可用频带内，因而取消该动态控制副载波的插入，同时取消子带-19的使用，改为在子带-20右侧插入动态控制副载波。

三.仿真结果

为了验证效果，本发明在最小化误帧率的条件下对所述的帧结构和副载波分配方法的性能进行仿真，仿真中采用的无线局域网国际标准IEEE802.11a帧的调制方式分别为QPSK、16QAM、64QAM，编码速率为3/4，仿真图11和图12使用的横坐标为平均信噪比。该平均信噪比定义为，在通常的认知无线电工作的无线环境中，如图1所示的不同等级空洞的组合，所有副载波处可用信号功率谱密度与噪声及干扰功率谱密度的比值的均值，即：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{average}}=10\lg \left(\mathrm{\Σ}\frac{P_{1\mathrm{imit}}\left(i\right)-P_{\mathrm{noise}}\left(i\right)-P_{\mathrm{interference}}\left(i\right)}{P_{\mathrm{noise}}\left(i\right)-P_{\mathrm{interference}}\left(i\right)}\right)$

其中P_limit(i)为副载波信道i处的功率谱密度的上限，P_noise(i)和P_interference(i)分别为副载波信道i处的噪声功率谱密度和干扰功率谱密度。

参照图11，曲线1、曲线2、曲线3是利用本发明OFDM帧结构和副载波分配方法在传输速率分别为18Mbps、36Mbps、54Mbps时仿真出的平均信躁比—误包率曲线，曲线4、曲线5、曲线6是利用无线局域网国际标准IEEE802.11a的帧结构在传输速率分别为18Mbps、36Mbps、54Mbps时仿真出的平均信躁比—误包率曲线。从仿真曲线可见，在误帧率为10^-3的条件下，曲线1比曲线4的性能提高了30dB，而曲线2比曲线5、曲线3比曲线6的性能均提高了30dB以上。由此可见，在通常的认识无线电工作无线环境下，本发明OFDM帧结构和副载波分配方法与已有方法相比，可有效改善传输系统的误帧性能。

参照图12，曲线7、曲线8、曲线9是利用本发明OFDM帧结构和副载波分配方法在传输速率分别为18Mbps、36Mbps、54Mbps时仿真出的平均信躁比—频谱利用率曲线，曲线10、曲线11、曲线12是利用无线局域网国际标准IEEE802.11a的帧结构在传输速率分别为18Mbps、36Mbps、54Mbps时仿真出的平均信躁比—频谱利用率曲线。从仿真曲线可见，在平均信躁比为-15～10dB时，曲线7比曲线10、曲线8比曲线11的频谱利用率性能均提高了1～3b/s/Hz，曲线9比曲线12的频谱利用率性能提高了0.5～3.5b/s/Hz。由此可见，在通常的认识无线电工作无线环境中，尤其是平均信噪比低于10dB的无线环境中，本发明OFDM帧结构和副载波分配方法与已有方法相比，可以有效提高频谱利用率。

本发明的系统不局限于4个子带的实施例，实际中子带的数目选择是由认知无线电系统工作的无线环境决定的，这些不同数目子带的认知无线电OFDM帧结构及其副载波分配的方法均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种认知无线电的OFDM帧结构，包括由数据副载波构成的多个子带和前导序列，其特征在于每一个子带包含有相对独立的信息域、数据域，该信息域里包含有速率域、校验域和长度域。

2.根据权利要求1所述的OFDM帧结构，其特征在于每一个子带里的信息域还包含有可变比特数量的补充比特，该补充比特的长度由帧结构中所包含的子带数目和单个子带所包含的数据副载波的数目设定。

3.一种利用权利要求1所述的帧结构进行OFDM副载波分配的方法，按如下过程进行：

(1)确定OFDM系统的可用频段；

(2)将OFDM系统的副载波划分为若干个子带和固定控制副载波，使每个子带中包含至少一个数据副载波，且将固定控制副载波位于数据副载波之间或子带之间；

(3)选择位于可用频段内的所有子带和固定控制副载波；

(4)根据需要在可用频带中再插入动态控制副载波；

(5)根据通信系统传输速率的要求对子带可承载的比特速率进行检测，如果满足要求则分配结束，反之重新选择可用频段，重复步骤(2)，进行副载波分配。

4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(1)确定OFDM系统的可用频段，按如下过程进行：

①将认知无线电系统的工作频段内所包含的不同子频段，划分成至少一个空洞；

②在划分后的空洞集合中按照可利用等级选择可以使用的空洞，该可利用等级通过干扰温度上限和实际干扰温度的差确定；

③将所选可使用空洞所覆盖的频段确定为可用频段。

5.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(4)中根据需要插入动态控制副载波的过程如下：

①当子带所包含的数据副载波和与其最近的控制副载波之间的频率间隔大于或等于8个副载波间隔时，在该子带与距离最近的控制副载波相反方向外侧的相邻副载波处插入动态控制副载波；

②插入的动态控制副载波偏离所选择空洞集合所覆盖的频段时，取消该动态控制副载波的插入，并停止使用与该动态控制副载波相邻的子带；

③重复步骤①直到所有子带满足要求。

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