基于多目標(biāo)優(yōu)化認(rèn)知無(wú)線電干擾抑制算法

劉 苗, 孫振興,2

(1. 東北石油大學(xué) 秦皇島校區(qū), 河北 秦皇島 066004； 2. 東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110006)

0 引 言

傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通常由一個(gè)固定頻譜分配策略把頻譜長(zhǎng)期分配給持有許可證的用戶。這種固定頻譜分配可能導(dǎo)致效率低下。認(rèn)知無(wú)線電和動(dòng)態(tài)頻譜接入是適合解決這些頻譜低效問(wèn)題的技術(shù)[1,2]。認(rèn)知無(wú)線電通過(guò)機(jī)會(huì)訪問(wèn)使用現(xiàn)有頻譜持牌頻段而不妨礙持牌用戶。它能確定未被持牌用戶占用的頻譜部分, 被稱為頻譜空穴或白空間, 并分配通信的最佳可用信道給租借用戶[3]。頻譜池的概念代表來(lái)自不同持證用戶的頻譜合并到公共池中, 允許二級(jí)無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)接入已經(jīng)許可的頻帶。在頻譜匯集的基礎(chǔ)上, 基于主網(wǎng)絡(luò)不需要改變的要求, 應(yīng)該設(shè)計(jì)二級(jí)網(wǎng)絡(luò)以靈活地訪問(wèn)許可的頻帶。將動(dòng)態(tài)頻譜共享的頻譜池概念擴(kuò)展到“網(wǎng)絡(luò)間頻譜共享”, 用于解決多個(gè)次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的頻譜帶分配問(wèn)題[4,5]。傳統(tǒng)的基于正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM： Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的頻譜池中OFDM信號(hào)的旁瓣干擾是一個(gè)重要缺陷[6,7]?；谛〔ò{(diào)制(WPM： Wavelet Packet Modulation)的頻譜池不僅能獲得與基于OFDM的頻譜池同樣的性能, 而且還能靈活配置子載波, 更有效的抑制符號(hào)內(nèi)干擾、 脈沖干擾和窄帶干擾[8]。此外, 基于WPM的頻譜池還能實(shí)現(xiàn)多速率信號(hào)傳輸, 更方便的滿足不同業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)質(zhì)量的需求。由于不需要保護(hù)間隔和導(dǎo)頻, 基于WPM的頻譜池?fù)碛懈玫膸捰行远覜](méi)有旁瓣干擾[9,10]。在多徑環(huán)境中, WPM信號(hào)的正交性被破壞導(dǎo)致符號(hào)內(nèi)干擾和載波間干擾(ICI: Inter-Carrier Interference)[11], 基于WPM的頻譜池性能被干擾破壞。屏蔽一個(gè)或者多個(gè)認(rèn)知用戶子載波可以減少I(mǎi)CI, 但是這會(huì)損失認(rèn)知用戶的帶寬。因此, 需要研究既能減少I(mǎi)CI又能保障認(rèn)知用戶通信質(zhì)量的方法。筆者分析了基于頻譜池的WPM的ICI能量, 提出了在多徑信道中減少認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶引起的ICI的多目標(biāo)優(yōu)化算法。實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化要考慮決策者的偏好。偏好是關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)空間中各點(diǎn)的意見(jiàn), 通過(guò)涉及到偏好的后驗(yàn)性表達(dá)的方法, 決策者將偏好直接強(qiáng)加于一組可能的解點(diǎn)。理論上最終的解決方案能準(zhǔn)確地反映決策者的偏好。通過(guò)對(duì)偏好的先驗(yàn)表達(dá), 必須在實(shí)際查看點(diǎn)之前對(duì)觀點(diǎn)進(jìn)行量化。筆者提出多目標(biāo)優(yōu)化算法不僅可減少授權(quán)用戶的ICI功率, 還能改善授權(quán)用戶的誤碼率性能。

1 基于WPM的頻譜池ICI能量分析

在基于小波包調(diào)制的頻譜池中, 采用小波變換完成載波信號(hào)調(diào)制。小波基函數(shù)在時(shí)間(或空間)和頻率上是局部化的, 并且在這些域中具有不同的分辨率。小波變換大致分為連續(xù)小波變換和離散小波變換。離散小波變換通過(guò)將信號(hào)分解成包含粗略和詳細(xì)信息的近似分析具有不同分辨率和頻帶的信號(hào), 采用為尺度函數(shù)和小波函數(shù), 它們與低通和高通濾波器相關(guān)。通過(guò)時(shí)域信號(hào)的連續(xù)高通和低通濾波, 簡(jiǎn)單地將信號(hào)分解成不同的頻帶。小波包變換分解了在小波變換中保持完好的高頻帶, 從而獲得更豐富的分辨率。小波變換通過(guò)靈活的時(shí)頻分辨率, 可以最小化噪聲和干擾對(duì)信號(hào)的影響。基于小波的系統(tǒng)能夠避免在發(fā)射機(jī)上已知的信道干擾, 而不是在接收機(jī)上取消它們。多載波系統(tǒng)的性能取決于載波使用的波形集。小波包調(diào)制降低了系統(tǒng)對(duì)符號(hào)間干擾和載波間干擾等有損信道效應(yīng)的敏感性。

認(rèn)知無(wú)線電是可以使用的一種自適應(yīng)通信方案, 為了避免干擾其附近的主用戶, 將其傳輸限制為沒(méi)有被信號(hào)占用的時(shí)頻時(shí)隙。通過(guò)檢測(cè)主無(wú)線電的空閑頻譜和利用, 這種很據(jù)機(jī)會(huì)概率正交通信是導(dǎo)致認(rèn)知無(wú)線電概念誕生的原因。然而, 這種協(xié)議的缺點(diǎn)是認(rèn)知無(wú)線電很可能會(huì)對(duì)其他用戶造成干擾。雖然基于WPM的頻譜池能在一定程度上避免信道干擾, 但依然會(huì)由于在多徑信道中授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶信號(hào)的正交性遭到破壞, 從而產(chǎn)生授權(quán)用戶信號(hào)與認(rèn)知用戶信號(hào)間的互擾。下面對(duì)基于WPM的頻譜池中的ICI能量進(jìn)行分析推導(dǎo)。

在WPM系統(tǒng)中, 第j個(gè)子載波的ICI可定義為

其中m、k、r和n的范圍由濾波器的長(zhǎng)度決定,p是信道的額外延遲,nj和nk分別是第j和第k個(gè)子載波的下采樣系數(shù),M是子載波數(shù),hk和hj分別是調(diào)制第k和第j個(gè)子載波使用的小波濾波器函數(shù)。

授權(quán)用戶的第j個(gè)子載波的ICI能量可定義為

其中Nl是授權(quán)用戶的子載波數(shù),Nr是認(rèn)知用戶的子載波數(shù)。將式(3)進(jìn)一步推導(dǎo)得

式(4)包括兩個(gè)部分, 第一部分是授權(quán)用戶的子載波中除第j個(gè)子載波外的所有子載波對(duì)第j個(gè)子載波產(chǎn)生的ICI能量, 第二部分是認(rèn)知用戶子載波對(duì)授權(quán)用戶第j個(gè)子載波產(chǎn)生的ICI能量。則影響認(rèn)知用戶的第j個(gè)子載波的ICI能量可定義為

定義調(diào)制所用的小波濾波器為

為實(shí)現(xiàn)頻譜池, 必須確保頻譜池中子載波間間隔Δf是相等的。所以在基于WPM的頻譜池中, 正交小波包基必須從小波包樹(shù)的相同層選擇, 從而保證授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶的子載波帶寬是相同的, 都為信道帶寬的1/2Di。由于正交小波包基是從濾波器的同一級(jí)產(chǎn)生的, 所以所有子載波的采樣系數(shù)是相同的, 為2Di。則授權(quán)用戶的第j個(gè)子載波的ICI能量可定義為

在頻譜池中, 抑制授權(quán)用戶的ICI能量問(wèn)題是研究的重點(diǎn)。所以推導(dǎo)出基于WPM的頻譜池中影響授權(quán)用戶的平均ICI能量為

2 基于多目標(biāo)的干擾抑制優(yōu)化算法

WPM的主要優(yōu)點(diǎn)是具有很高的靈活性, 使其非常適合應(yīng)用于通信系統(tǒng)。目前隨著對(duì)增強(qiáng)性能的需求不斷增加, 通信系統(tǒng)不能在假設(shè)信道條件的情況下設(shè)計(jì)成平均性能, 并且新一代系統(tǒng)必須旨在動(dòng)態(tài)地利用瞬時(shí)傳播條件。這種情況導(dǎo)致了靈活和可重構(gòu)的研究, 能優(yōu)化系統(tǒng)性能適應(yīng)當(dāng)前信道響應(yīng), 目前許多學(xué)者正在進(jìn)行這方面研究工作。通信物理層要求系統(tǒng)： 復(fù)雜均衡方案, 動(dòng)態(tài)比特加載以及可以動(dòng)態(tài)地使用的功率控制提高系統(tǒng)性能。WPM可以利用這些先進(jìn)的功能設(shè)計(jì)用于多載波系統(tǒng)。

在基于WPM的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中, 由于小波變換的特性, 調(diào)制信號(hào)采用的小波包基各不相同, 所以每個(gè)被不同小波包基調(diào)制的認(rèn)知用戶子載波對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生的平均ICI能量大小也不相同。如果能分析定位出對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生最大干擾能量的認(rèn)知用戶子載波序列, 就能通過(guò)屏蔽認(rèn)知用戶子載波實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)性能優(yōu)化。

假設(shè)調(diào)制授權(quán)用戶子載波所用的濾波器為hl,hl=[hl1,hl2,…,hlNl], 調(diào)制認(rèn)知用戶子載波所用的濾波器為hr,hr=[hr1,hr2,…,hrNr], 則認(rèn)知用戶第j個(gè)子載波對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生的平均ICI能量為

圖1 基于多目標(biāo)優(yōu)化的干擾抑制算法流程圖Fig.1 The flow chart of interference suppression algorithm based on multi-objective optimization

定義認(rèn)知用戶的數(shù)據(jù)傳輸率

(bit/WPM符號(hào))

(12)

其中Nr是認(rèn)知用戶的子載波數(shù),bi是分配給第i個(gè)子載波的比特?cái)?shù)。失效Nd個(gè)最優(yōu)子載波后, 認(rèn)知用戶子載波對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生的平均ICI能量為

其中k1的取值是認(rèn)知用戶的Nr個(gè)子載波中失效Nd個(gè)最優(yōu)失效子載波后剩余的所有子載波。基于多目標(biāo)優(yōu)化的干擾抑制算法流程如圖1所示。

3 算法仿真與分析

采用Matlab作為仿真工具, 仿真參數(shù)選取如下： 在32子載波的頻譜池中進(jìn)行試驗(yàn), 頻譜池分成多個(gè)子帶, 每個(gè)子帶匹配4個(gè)子載波。采用基于Daubechies-4(Db(4))小波的WPM, 星座映射為QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin), 授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶使用相同的傳輸能量。采用兩徑無(wú)線信道模型, 信道沖激響應(yīng)函數(shù)定義為[12]

hch(n)=δ(n)+δ(n-p)ejθ1

(14)

其中p是正整數(shù), 代表信道的額外延遲, 規(guī)范化為被調(diào)制數(shù)據(jù)的符號(hào)周期。θ1代表第2徑的隨機(jī)相位, 在[0,2π]范圍內(nèi)取值。仿真中假設(shè)精確的信道信息, 通過(guò)對(duì)10 000次信道實(shí)現(xiàn)平均得到試驗(yàn)結(jié)果。

圖2分別給出了授權(quán)用戶占用頻譜池中分散的第1、4、6、7、8子帶, 1、3、5、7子帶及3、5子帶的場(chǎng)景中的仿真結(jié)果?？梢钥闯? 隨著最優(yōu)失效子載波數(shù)的增加, 認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生最大干擾的子載波被屏蔽了, 所以認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生的ICI能量隨之減少。在失效子載波數(shù)目相同的條件下, 認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的ICI能量隨著授權(quán)用戶占用頻譜池中子載波數(shù)的增加而減少, 這是因?yàn)檎J(rèn)知用戶占用頻譜池的子載波數(shù)越少, 則對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生的干擾越小。

圖3描述了信道參數(shù)p=2,θ1=2π/5失效不同數(shù)目的最優(yōu)失效子載波對(duì)授權(quán)用戶比特誤碼率(BER: Bit Error Rate)性能的影響, 給出了授權(quán)用戶信號(hào)占用頻譜池2,3,4,5子帶場(chǎng)景中的仿真結(jié)果?？梢钥闯? 在既有時(shí)延擴(kuò)展又有多徑影響的信道中, 隨著最優(yōu)失效子載波數(shù)的增加, 影響授權(quán)用戶的干擾能量隨之減少, 所以授權(quán)用戶的BER性能得到了改善。

圖2 Db(4), 32子載波頻譜池, 失效 圖3 Db(4), 32子載波頻譜池, p=2, 子載波數(shù)與ICI能量的關(guān)系 θ1=2π/5, 主用戶BER性能 Fig.2 Db(4), 32 sub-carriers spectrum Fig.3 Db(4), 32 sub-carriers spectrum pooling, the relation between the ICI energy pooling, p=2, θ1=2π/5, and the number of masked sub-carriers the BER performance of licensed user

上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果描述了采用筆者提出的基于多目標(biāo)的干擾抑制算法的頻譜池中授權(quán)用戶的ICI性能和誤碼率性能。結(jié)果表明該算法在滿足認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)傳輸率目標(biāo)需求的條件下, 能有效抑制頻譜池中授權(quán)用戶的ICI能量, 并且能改善頻譜池系統(tǒng)的誤碼率性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

WPM的主要特點(diǎn)在于其能滿足無(wú)線通信的廣泛需求。因此, WPM具有作為通用調(diào)制方案的強(qiáng)大優(yōu)點(diǎn), 其實(shí)際特性可以被廣泛定制以滿足高級(jí)移動(dòng)通信的各種要求。這種通用調(diào)制有可能成為具有各種約束的設(shè)備所使用的唯一多載波通信方案。因此, WPM適合支持智能環(huán)境與資源感知的無(wú)線系統(tǒng)。基于WPM的頻譜池雖然具有靈活特性能滿足認(rèn)知無(wú)線電的需求, 但是認(rèn)知用戶子載波對(duì)授權(quán)用戶子載波產(chǎn)生的干擾, 影響了授權(quán)用戶的通信質(zhì)量。為了保障認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中授權(quán)用戶的質(zhì)量, 筆者提出了基于多目標(biāo)優(yōu)化的頻譜池干擾抑制算法。該算法在滿足認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)傳輸率目標(biāo)的前提下, 通過(guò)定位認(rèn)知用戶中對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生最大干擾的子載波, 并屏蔽這些子載波達(dá)到抑制干擾的目的。仿真結(jié)果表明, 該算法不僅能有效抑制認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)載波間干擾, 還能改善系統(tǒng)的誤碼率性能。