基于認(rèn)知無線電的NC-OFDM系統(tǒng)HPA非線性的研究＊

朱春華 ,楊守義穆曉敏齊 林

(1.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院, 鄭州450001;2.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001)

1 引 言

近年來,基于OFDM調(diào)制的多載波調(diào)制技術(shù)備受研究者關(guān)注。相對(duì)于單載波系統(tǒng)而言, OFDM發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)的瞬時(shí)值有較大的動(dòng)態(tài)范圍,這就要求系統(tǒng)內(nèi)的功率放大器有很大的線性動(dòng)態(tài)范圍;反之,功率放大器的非線性也會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍較大的信號(hào)產(chǎn)生非線性失真,產(chǎn)生諧波,造成較明顯的頻譜擴(kuò)展干擾以及帶內(nèi)信號(hào)畸變,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能下降和鄰信道干擾。在基于NC-OFDM[1～4]的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中,認(rèn)知用戶(Cognitive Radio User, CU)的發(fā)射信號(hào)既要滿足嚴(yán)格的帶外發(fā)射標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也要保證自身的性能要求。與OFDM信號(hào)相比, NCOFDM信號(hào)的峰均比問題更為嚴(yán)重[5]。由于高功率放大器(HPA)的非線性加大了NC-OFDM系統(tǒng)中CU的旁瓣泄漏,這將增加主用戶(PrimaryUser,PU)頻帶的干擾溫度,若其超過PU的干擾容限,將導(dǎo)致CU不能共享PU的空閑頻率資源,從而降低頻率資源利用率,所以分析基于NC-OFDM的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中CU旁瓣泄漏對(duì)PU頻帶干擾溫度的影響及其與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的關(guān)系是非常重要的。與OFDM系統(tǒng)HPA非線性失真的分析不同[6～8], NCOFDM系統(tǒng)HPA非線性的分析不僅要考慮HPA參數(shù)對(duì)旁瓣泄漏功率的影響,還要考慮PU頻帶占用率、CR子信道大小以及保護(hù)載波數(shù)量等系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置對(duì)其的影響。本文首先給出基于NC-OFDM的認(rèn)知無線電系統(tǒng)模型、HPA模型及信號(hào)形式,在此基礎(chǔ)上,通過仿真分析CU子信道間隔、保護(hù)載波數(shù)量、PU頻帶占用率等參數(shù)變化對(duì)PU頻帶干擾溫度的影響,給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。

2 系統(tǒng)模型

2.1 NC-OFDM原理

NC-OFDM技術(shù)是在傳統(tǒng)OFDM技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了頻譜感知功能,所使用的子載波不再是連續(xù)的子載波,而是PU當(dāng)前未占用的頻率資源。由于PU的信道使用不是固定不變的,所以需要采用靈活的子載波修剪算法保護(hù)PU用戶的正常通信,常用矢量分配方式完成子載波的修剪,如圖1所示。圖1中, PU占用的子載波和保護(hù)子載波被分配矢量零,而CU使用的子載波被分配矢量1。對(duì)應(yīng)的NC-OFDM調(diào)制原理如圖2所示。圖2中,輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換和星座映射后,采用矢量分配方式對(duì)子載波進(jìn)行組合或剪裁,然后進(jìn)行離散傅里葉逆變換(IDFT)得到時(shí)域信號(hào),并增加循環(huán)前綴得到NC-OFDM信號(hào),最后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和功率放大器形成發(fā)射信號(hào)。

圖1 基于認(rèn)知無線電的NC-OFDM系統(tǒng)傳輸模式Fig.1 ThetransmissionmodeofNC-OFDMbased oncognitiveradio

圖2 NC-OFDM發(fā)射機(jī)原理Fig.2 TheNC-OFDMtransmittingprinciple

由圖2,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的NC-OFDM信號(hào)可表達(dá)為

式中, i～j子載波是PU占用的頻帶,被分配矢量零;r(t)、φ(t)分別為NC-OFDM信號(hào)的包絡(luò)和相位。經(jīng)過HPA后,其包絡(luò)和相位會(huì)產(chǎn)生不同程度的非線性失真。

2.2 HPA的非線性特性

HPA的非線性體現(xiàn)在兩個(gè)方面:幅度非線性(AM/AM)和相位非線性(AM/PM)。對(duì)式(1)的輸入,系統(tǒng)輸出可表示為

式中, G(r(t))、ψ(r(t))分別為系統(tǒng)的AM/AM和AM/PM特性函數(shù)。

行波管放大器(TravelingWaveTubeAmplifier,WTA)是目前比較常用的一種HPA[9],其典型的模型為

式中, r(t)為輸入信號(hào)的幅度, G(r(t))、ψ(r(t))為輸出信號(hào)的幅度和相位, Asat為輸入信號(hào)飽和電壓, φ0取60°。輸入、輸出幅度都已歸一化, 特性曲線如圖3所示。定義輸入回退(IBO):

在輸入幅度r(t)為Asat時(shí),輸出幅度G(r(t))達(dá)到飽和值0.5 Asat。當(dāng)輸入繼續(xù)增大時(shí)輸出反而減小,這是TWTA特有的一種特性。并且從圖3中可看出,隨著HPAIBO的減小,輸出信號(hào)的幅度衰減和相位失真增大。

圖3 TWTA模型的AM/AM和AM/PM曲線Fig.3 AM/AMandAM/PMcharacteristicsofTWTAmodel

由上面分析可知, NC-OFDM信號(hào)經(jīng)過HPA后, HPA的非線性將使其幅度和相位產(chǎn)生非線性失真,輸出信號(hào)形式如式(2)所示。本文第三部分將比較HPA前后NC-OFDM信號(hào)旁瓣泄漏引起的PU頻帶的平均干擾功率,并分析PU頻帶占用率、CR子信道間隔、保護(hù)頻帶數(shù)量等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)PU頻帶平均干擾功率的影響。

3 仿真與分析

仿真中采用的子載波修剪方案如圖4所示。圖4中, CR用戶可使用子信道1 和子信道2 進(jìn)行通信,子信道1和子信道2與PU1和PU2之間預(yù)留的置零子載波是保護(hù)載波。設(shè)保護(hù)載波數(shù)目是b,可用頻率資源為M個(gè)子載波,其中PU占用載波數(shù)為a,其頻帶占用率為r=a/M。

圖4 NC-OFDM系統(tǒng)子載波修剪方案示意圖Fig.4 IllustrationofsubcarrierclippinginNC-OFDM

仿真中,輸入數(shù)據(jù)首先經(jīng)過64QAM調(diào)制,然后采用矢量分配法進(jìn)行子載波修剪,最后經(jīng)過IFFT操作形成NC-OFDM時(shí)域信號(hào)。為了避免混疊效應(yīng),仿真中采用4倍過采樣。采用M=256路子載波的OFDM信號(hào),經(jīng)過子載波修剪后的功率譜如圖5所示。

圖5 NC-OFDM信號(hào)經(jīng)HPA前后的功率譜密度Fig.5 ThePSDofNC-OFDM signalsbeforeandafterHPA

由圖 5(a)可見, HPA的非線性引起 NCOFDM信號(hào)的帶外泄漏增加了15 dB,而且?guī)庑孤┕β蕩缀醪浑SPU頻帶占用率變化。圖5(b)給出了NC-OFDM信號(hào)的旁瓣泄漏對(duì)帶內(nèi)PU的干擾。隨著HPA非線性的增強(qiáng), CU對(duì)PU的干擾增大,且與PU頻帶占用率有關(guān)?？梢灶A(yù)見, PU頻帶上的干擾不僅與HPA參數(shù)有關(guān),而且與PU頻帶占用率、保護(hù)載波數(shù)目、PU頻帶位置等有關(guān)。所以,本文將詳細(xì)分析上述因素變化對(duì)PU頻帶干擾溫度的影響,從而設(shè)計(jì)合理的共存方案。

3.1 CU子載波間隔對(duì)PU頻帶干擾溫度的影響

圖6給出了不同子載波數(shù)的NC-OFDM信號(hào)HPA前后的功率譜密度,其中PU頻帶占用率為r=0.4。 CU可用的頻帶寬度不變。 CU所用的子載波數(shù)目越多,則子載波頻率間隔越小。由圖6可見,在未經(jīng)HPA時(shí),子載波數(shù)目越多, PU頻帶干擾功率越低。這是因?yàn)?NC-OFDM信號(hào)的頻譜是 N個(gè)sinc(x)的和,其旁瓣按1/Nx2衰減[10], N越大,則其旁瓣衰減越大。但當(dāng)HPA非線性較強(qiáng)時(shí),由于存在非線性失真,子載波數(shù)越多,產(chǎn)生的諧波較多,引起更為嚴(yán)重的子信道間的干擾。可見,在存在HPA時(shí),通過單純?cè)黾幼虞d波數(shù)目來降低PU頻帶干擾溫度是不可行的。在以后的仿真中,為了簡(jiǎn)化,直接選擇M=64。

圖6 不同子載波數(shù)的NC-OFDM信號(hào)經(jīng)HPA前后的功率譜密度Fig.6 ThePSDofNC-OFDMsignalswithdifferentsubcarriers beforeandafterHPA

3.2 HPA的IBO對(duì)PU頻帶干擾溫度的影響

圖7 不同IBO參數(shù)下的PU頻帶平均干擾溫度Fig.7 ThePUinterferencetemperaturewithdifferentIBOs

以IBO參數(shù)為自變量, HPA前后PU頻帶的平均干擾功率曲線如圖7所示。圖7表明:IBO越小,HPA非線性越強(qiáng), PU頻帶干擾功率越大。當(dāng)IBO=0 dB、b=0時(shí), HPA的非線性引起PU頻帶平均干擾功率增加了6.802 1 dB。圖7(a)還表明,適當(dāng)增加保護(hù)載波可以大幅降低對(duì)PU頻帶的干擾,增加兩個(gè)保護(hù)載波,可使PU頻帶的平均干擾功率降低5 dB以上。但繼續(xù)增加保護(hù)載波對(duì)降低PU頻帶干擾功率貢獻(xiàn)不大。從圖7(b)還可看出, PU頻帶占用率r越大,其帶內(nèi)干擾功率越低, 且?guī)?nèi)干擾對(duì)IBO因子變化越不敏感。

3.3 PU頻帶占用率對(duì)PU頻帶干擾溫度的影響

圖8給出了PU頻帶占用率r變化時(shí)PU頻帶的平均干擾功率曲線,其中IBO=0 dB。圖8表明,隨著PU頻帶占用率的增大,其帶內(nèi)的平均干擾功率呈線性遞減趨勢(shì),因?yàn)榇藭r(shí)CU可用的頻率資源越來越少,當(dāng)然干擾就減少了。另外,圖8還表明,增加保護(hù)子載波,的確可以降低CU對(duì)PU頻帶的干擾,但增加保護(hù)載波對(duì)PU頻帶干擾溫度的改善是有限的。當(dāng)r=0.1時(shí),保護(hù)載波數(shù)每增加2個(gè),則HPA后 PU頻帶干擾量依次降低了 4.457 4 dB、1.958 8 dB、0.705 2 dB。r=0.7 時(shí),依次降低了2.158 3 dB、0.870 5 dB、0.237 7 dB?？梢?當(dāng)r較大時(shí),保護(hù)載波的作用并不明顯,而且會(huì)造成頻率資源的浪費(fèi)。

圖8 保護(hù)子載波對(duì)PU頻帶干擾溫度的影響Fig.8 TheeffectsofguardsubcarriersonPUinterference temperature

4 結(jié) 論

本文研究了基于OFDM的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中CU對(duì)PU的干擾問題。通過仿真分析了CU子載波間隔、保護(hù)載波數(shù)量、PU頻帶占用率等參數(shù)變化對(duì)PU頻帶干擾溫度的影響。結(jié)果表明, HPA的IBO參數(shù)和PU頻帶占用率r是影響PU頻帶干擾溫度的決定因素,當(dāng)IBO=0 dB、r=0.1時(shí), HPA的非線性使PU頻帶干擾溫度增加了6.8 dB;當(dāng)r=0.4時(shí),其帶內(nèi)干擾溫度降低了6 dB。增加1 ～2個(gè)保護(hù)載波可使PU頻帶干擾溫度得到有效降低,這也說明與PU頻帶相鄰的子載波對(duì)PU的干擾最大,該結(jié)論對(duì)進(jìn)一步的干擾抑制措施和干擾受限的功率分配方案有重要作用。此外,如何設(shè)計(jì)最佳的保護(hù)載波數(shù)量和子載波間隔以同時(shí)保證頻譜的高利用率和PU通信的可靠性還有待進(jìn)一步研究。

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