無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下GFDM信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究

任文成

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)通過檢測(cè)“頻譜空穴”和機(jī)會(huì)頻譜接入方法充分利用頻譜，解決了WSN頻譜資源有限和固定頻譜分配而導(dǎo)致頻譜使用效率低的問題[1-2]。廣義多載波傳輸技術(shù)(GFDM)采用低旁瓣的非矩形信號(hào)作為成形脈沖，降低了帶外功率泄露，GFDM只需對(duì)一幀符號(hào)添加循環(huán)前綴，不必在每一個(gè)符號(hào)前面添加循環(huán)前綴，在避免了幀間干擾的同時(shí)提高了頻譜利用率[3]，而且GFDM調(diào)制可有效利用離散頻域資源，以上特點(diǎn)使GFDM調(diào)制可用作認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層傳輸技術(shù)。

然而GFDM調(diào)制各子載波不再保持正交性，將會(huì)引入子載波間干擾(ICI)[4]，增加接收端算法的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[5]提出了干擾抵消類算法，在加性白高斯噪聲信道(AWGN)下誤碼率與OFDM系統(tǒng)相似。本文研究在認(rèn)知無線電傳感器網(wǎng)絡(luò)頻率選擇性信道環(huán)境下的GFDM信號(hào)檢測(cè)算法，并比較了迫零、匹配接收以及雙邊干擾抵消算法的性能。

1 GFDM信號(hào)的產(chǎn)生

圖1 GFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)框圖

原型脈沖g(n)對(duì)于GFDM系統(tǒng)的抗符號(hào)間干擾和抗子載波間干擾性能至關(guān)重要。在GFDM系統(tǒng)中，第m個(gè)時(shí)隙的成形脈沖波形gm(n)由原型脈沖經(jīng)過循環(huán)移位mN個(gè)數(shù)據(jù)形成，即：gm(n)=g(MN-1)，<>N為模N運(yùn)算。

圖2給出了連續(xù)三個(gè)時(shí)隙內(nèi)的時(shí)域脈沖波形，N=24，采用升降因子為0.5的根升余弦脈沖。圖3為相鄰三個(gè)信道的子載波頻譜，相對(duì)于矩形脈沖高達(dá)-13 dB的旁瓣功率，此時(shí)脈沖旁瓣功率僅為-40 dB，意味著傳輸波形對(duì)多普勒頻移和頻偏更具魯棒性，但不足之處在于子載波間的頻譜喪失了正交性，自身引入了ICI干擾，增加了算法的復(fù)雜度。

圖2 連續(xù)三個(gè)時(shí)隙時(shí)域脈沖波形

圖3 相鄰子載波信號(hào)頻譜

為了便于敘述，將發(fā)射信號(hào)改寫為矩陣形式：x=AS，其中矩陣A∈CKM×NM包含了一幀中所有發(fā)送符號(hào)對(duì)應(yīng)的循環(huán)移位脈沖波形。

2 GFDM信號(hào)的3種檢測(cè)算法

2.1 迫零檢測(cè)算法

2.2 匹配濾波檢測(cè)算法

圖4 匹配濾波算法框圖

與迫零檢測(cè)算法相反，匹配濾波檢測(cè)算法假設(shè)接收信號(hào)中只存在加性白高斯噪聲，忽視信道引入的多徑干擾。匹配濾波算法力圖使檢測(cè)后的輸出信號(hào)中的信噪比(SNR)最大化。由于該算法完全忽視了信道多徑干擾信號(hào)的存在，致使該算法對(duì)干擾信號(hào)非常敏感，惡化了信干噪比(SINR)指標(biāo)，進(jìn)而惡化誤碼率(BER)。

2.3 雙邊干擾抵消(DS-SIC)算法

圖5 雙邊干擾抵消算法框圖

雙邊干擾抵消算法結(jié)合了串行干擾抵消和匹配濾波算法，在克服了匹配濾波算法中不能消除信道噪聲的缺點(diǎn)的同時(shí)，利用串行干擾抵消的策略最大化了檢測(cè)后的信噪比。

3 仿真結(jié)果及分析

仿真采用64路子載波，每幀包括3個(gè)時(shí)隙，上采樣因子64，時(shí)隙長(zhǎng)度256 μs，子載波間隔3 906 Hz，QPSK調(diào)制形式，脈沖成形波形為升降因子為0.5的根升余弦脈沖。采用兩種六徑信道模型，信道A相干帶寬為11.97 kHz，時(shí)延為0、2 μs、3 μs、4 μs、7 μs、11 μs，增益為0 dB、-7 dB、-6 dB、-22 dB、-16 dB、-20 dB；信道B相干帶寬為7.23 kHz，時(shí)延為0、3 μs、8 μs、11 μs、13 μs、21 μs，增益為0 dB、-7 dB、-15 dB、-22 dB、-24 dB、-19 dB。

圖6～圖8顯示了3種GFDM信號(hào)檢測(cè)在3種不同信道環(huán)境下的誤符號(hào)率。其中OFDM檢測(cè)采用最小均方誤差檢測(cè)算法。在3種信道環(huán)境中，匹配濾波算法忽視了干擾信號(hào)，其性能都是最差的。迫零算法的性能和雙邊干擾抵消算法的性能近似，但是迫零算法由于需要求矩陣偽逆，復(fù)雜度遠(yuǎn)高于雙邊干擾抵消算法，但是后者的計(jì)算時(shí)延要比迫零算法大。同時(shí)還應(yīng)注意到，在3種信道環(huán)境下，基于雙邊干擾檢測(cè)算法的GFDM系統(tǒng)性能非常接近于沒有子載波間干擾存在情況下的OFDM系統(tǒng)性能，但是GFDM系統(tǒng)的頻譜效率，帶外功率泄露遠(yuǎn)優(yōu)于OFDM系統(tǒng)。

圖6 AWGN信道下GFDM和OFDM性能

圖7 信道A下的GFDM和OFDM性能

圖8 信道B下的GFDM和OFDM性能

4 結(jié)束語(yǔ)

廣義頻分復(fù)用(GFDM)調(diào)制解調(diào)技術(shù)由于具有較小的帶外功率泄露，能夠適用于離散的可用頻譜環(huán)境中，較OFDM系統(tǒng)更加適合于認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在未來無線通信網(wǎng)絡(luò)中會(huì)占有一席之地。對(duì)于頻率選擇性衰落信道環(huán)境下GFDM信號(hào)的檢測(cè)方案，基于雙邊干擾抵消的GFDM檢測(cè)算法在保留GFDM帶外功率泄漏小、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，誤碼率性能優(yōu)于迫零算法和匹配濾波檢測(cè)算法，接近于OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能，而且算法的復(fù)雜度較低，利于后期工程實(shí)現(xiàn)。

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