基于注水原理的TDCS功率分配算法*

(空軍工程大學 電訊工程學院，西安 710077)

1 引 言

基于認知無線電(Cognitive Radio, CR)思想的變換域通信系統(tǒng)(Transform Domain Communication System, TDCS)具有對環(huán)境感知的能力，它采用了擴頻通信中的偽隨機序列生成技術(shù)和變換域信號處理技術(shù)，使收發(fā)雙方同時避免使用被污染的頻譜(包括對方實施干擾的頻譜以及己方正使用的頻譜)進行信號的傳輸[1]。這樣就相當于在復雜的電磁環(huán)境中找到了一個干凈頻段進行通信，接收的信噪比不會因為干擾信號的存在而下降，從而實現(xiàn)了抗干擾，提高了通信的可靠性和有效性。

2 經(jīng)典TDCS的功率分配

TDCS實現(xiàn)干擾躲避的關(guān)鍵在于精確捕獲干擾的頻率位置，在頻域合成與干擾正交的信號。一般來說，整個空閑頻譜標記過程如下[2]：

(1)采樣電磁環(huán)境并作頻譜估計，確定合適的干擾門限;

(2)執(zhí)行頻譜剔除算法。大于門限的頻譜置0，小于門限的置1，以形成與強干擾正交的信號的頻譜幅度波形(頻譜罩)。

圖1表示存在兩個窄帶單音干擾的電磁環(huán)境下的頻譜估計，圖2則是根據(jù)硬判決門限所得到的相應的頻譜幅度使用狀況。

圖1 環(huán)境頻譜估計(幅度譜)，干擾門限設置

圖2 可用頻譜變換域合成(幅度譜)

經(jīng)過頻譜幅度變換域合成后，所有的存在強干擾的頻點(頻段)被完全濾除。這樣，發(fā)射端的所有功率就平均地分配給加權(quán)系數(shù)為1的頻點(頻段)。雖然可用的頻點(頻段)都被置為1，但實際上這些頻段的信道質(zhì)量肯定是有差別的，而傳統(tǒng)的TDCS采用的頻譜干擾抑制濾波未能體現(xiàn)出這種差別，所以在此基礎上應用的等功率分配技術(shù)也就不能體現(xiàn)出這種信道質(zhì)量上的差別。

文獻[3]提出一種新的自適應多門限估計與干擾檢測算法，理論分析和數(shù)字仿真結(jié)果表明，該算法可有效抑制直擴通信系統(tǒng)中的窄帶干擾。并且相對于傳統(tǒng)的門限檢測算法，有自適應強、門限設計簡單等優(yōu)點。應用該算法生成的基函數(shù)舍棄了傳統(tǒng)的二元模式，改以多元結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了信道的質(zhì)量差別，如圖3所示。

圖3 TDCS自適應多門限基函數(shù)幅值

從圖3可以看出，新的基函數(shù)不僅將存在強干擾的頻點(頻段)完全濾除，而且對理論上可用的頻段也進行了進一步的分級量化，體現(xiàn)出了信道質(zhì)量的差別。在此基函數(shù)上，傳統(tǒng)的等功率分配技術(shù)就不能滿足要求，需要尋找新的功率分配算法以充分利用這種信道質(zhì)量的差別。

3 基于注水原理的功率分配優(yōu)化算法

“注水”(Water-Filling, WF)算法原理是依據(jù)某種準則，并根據(jù)信道狀況對發(fā)送功率進行自適應分配，通常是信道狀況好的頻段多分配功率，信道差的頻段少分配功率，從而最大化傳輸速率[4,5]。要實現(xiàn)功率的“注水”，發(fā)送端必須知道信道狀態(tài)信息(CSI)。

圖4顯示了注水原理的分配過程。其中的干擾能量用信噪比的倒數(shù)Γ/SNRn來表示，SNRn代表信噪比，Γ表示信噪比差額。顯然，在圖4中，信噪比SNRn大的子信道，其倒數(shù)Γ/SNRn較小，因此可以注入較多的能量；反之，只能注入較少的能量。對于信道3，由于信噪比SNR3太小，即Γ/SNR3太大，因此在這個子信道中就不注入能量。

圖4 AWGN信道的“注水算法”Fig.4 Water-Filling algorithm of AWGN channel

“注水”原理的結(jié)果表明，對信道增益大的特征子信道分配較大的功率，讓其容量變得更大；反之，對信道增益小的特征子信道分配較小的功率，保持一定的容量，以保證信道條件好的特征子信道能傳輸更多的信息。當某特征子信道條件差到一定程度，有可能此信道得不到分配的發(fā)送功率，此時這個特征子信道不發(fā)送任何數(shù)據(jù)。注水原理充分利用了好的信道條件，舍棄較差的信道，這樣可以避免系統(tǒng)用大多數(shù)的發(fā)送功率來彌補惡劣的信道條件[6]。

4 仿真結(jié)果與分析

我們對采用“注水”算法進行功率分配和采用平均功率分配的TDCS信道容量做了仿真,結(jié)果如圖5所示。

圖5 注水算法和平均功率分配算法信道容量的比較Fig.5 Compare of channel capability between WF and average power distribution algorithms

從圖5可以看出，無論信噪比(SNR)為多少，采用注水算法的系統(tǒng)容量都要大于平均分配的系統(tǒng)容量，即通過使用注水算法都可以改善系統(tǒng)的容量。而且從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著平均信噪比(SNR)的提高，兩者的差別越來越小，即表明，在高SNR時，注水算法對信道容量的改善非常小;在低SNR，通過使用注水算法可以顯著改善信道容量，即在信道惡劣的環(huán)境中，使用注水算法可以更有效地提高系統(tǒng)容量。

同時，本文對采用“注水”算法的TDCS系統(tǒng)的功率分配進行了仿真，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 基于“注水”原理的TDCS的功率分配Fig.6 Power distribution of TDCS basedon WF principle

從圖6中可以看出，在低SNR情況下，采用“注水”原理的功率分配算法與傳統(tǒng)的等功率分配算法有很大差別：雖然理論上都是可用頻段，但系統(tǒng)在分配功率時，對一些頻段仍然不分配功率，亦即不使用該頻段。隨著信噪比的提高，采用注水原理的功率分配算法與傳統(tǒng)的等功率分配算法之間的差別越來越小，也就是說，等功率分配只是“注水”算法在高信噪比情況下的一種近似。

5 結(jié)論

本文深入研究了變換域通信系統(tǒng)中的功率分配問題，在自適應多門限思想的基礎上，摒棄了傳統(tǒng)的二元結(jié)構(gòu)，改以多元結(jié)構(gòu)，在原有基礎上對信道作進一步細化，更加準確地反映信道質(zhì)量。并引入MIMO-OFDM中應用較多的注水算法，對TDCS基函數(shù)的功率譜進行優(yōu)化分配，充分利用了好的信道條件，舍棄較差的信道，這樣可以避免系統(tǒng)用大多數(shù)的發(fā)送功率來彌補惡劣的信道條件。理論分析表明，本文提出的算法能明顯提高系統(tǒng)容量，具有很好的系統(tǒng)性能。

參考文獻：

[1] Chakravarthy V, Nunez A S, Stephens J P, et al. TDCS, OFDM, and MC-CDMA: a brief tutorial[J]. IEEE Radio Communications, 2005, 43 (9): S11-S16.

[2] 李正剛. 復雜電磁環(huán)境下的遠距離航空型變換域通信系統(tǒng)研究[D]. 西安: 空軍工程大學, 2008.

LI Zheng-gang. Research of Long-Distance Aero Transform Domain Communication System under Complex Electromagnetic Environment[D]. Xi′an:Air Force Engineering University, 2008.(in Chinese)

[3] 張春海, 薛麗君, 張爾揚. 基于自適應多門限算法的變換域窄帶干擾抑制[J]. 電子與信息學報, 2006, 28(3): 461-465.

ZHANG Chun-hai,XUE Li-jun, ZHANG Er-yang. Narrow-Band Interference Suppression in Transform Domain Based on Adaptive Multi-threshold Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2006, 28(3): 461-465.(in Chinese)

[4] 李曉輝, 易克初, 劉乃安, 等. 一種MIMO系統(tǒng)中的新型資源分配算法[J]. 電路與系統(tǒng)學報, 2006, 11(5): 84-87.

LI Xiao-hui, YI Ke-chu,LIU Nai-an,et al.A novel resource allocation algorithm for MIMO systems[J]. Journal of Circuits and Systems, 2006, 11(5): 84-87.(in Chinese)

[5] 丁樂, 殷勤業(yè), 鄧科,等.一種無線OFDM系統(tǒng)中的高效功率和比特分配算法[J]. 電子與信息學報, 2007, 29(7): 1537-1541.

DING Le, YIN Qin-ye, DENG Ke,et al.A Computationally Efficient Transmit Power and Bit Allocations Algorithm for Wireless OFDM Systems[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2007, 29(7): 1537-1541.(in Chinese)

[6] 高俊磊. OFDM系統(tǒng)中自適應比特和功率分配研究[D].南京: 南京郵電大學, 2007.

GAO Jun-lei. Research of adaptive bit and power allocation in Orthogonal Frequency Division Multiplexing[D]. Nanjing: Nanjing University of Posts and Telecommunications, 2007.(in Chinese)