一种OFDM 认知无线电系统及非正交主动旁瓣抑制方法

摘要

本发明涉及OFDM认知无线电系统及非正交主动旁瓣抑制方法，OFDM认知无线电系统为认知用户待发送外部数据分别输入到映射电路和干扰抵消信号发生器，映射电路输出端依次与OFDM调制器、并串变换电路、插入循环前缀电路及加窗电路相连，加窗电路输出端与干扰抵消信号发生器输出端连接到减法器，减法器输出送到外部信道耦合器或上变频电路。方法为认知用户待发送数据经过映射电路映射为复矢量，并关闭认知用户处于主用户频段及保护频段的部分子载波；映射电路输出分别送给OFDM调制器和干扰抵消信号发生器，经OFDM调制器、串并变换电路、插入循环前缀电路、加窗电路后，与干扰抵消信号发生器产生的干扰抵消信号一并送入到减法器相减，从而抑制OFDM调制信号的旁瓣干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及一种OFDM系统及主动旁瓣抑制方法，尤其涉及一种OFDM认 知无线电(OFDM-CR)系统及非正交主动旁瓣抑制方法，属于宽带无线通 信领域。

背景技术

正交频分复用（OFDM）调制方法一个重要的问题是它会造成较大的旁 瓣，从而干扰到附近频段的主用户。目前大量的研究针对如何减小OF DM-CR的旁瓣对主用户造成干扰的问题。 

其中在2004年报道的Yamaguchi报道主动干扰消除(AIC)方法(H Yama guchi, Active interference cancellation technique for  MB-OFDM cognitive radio[A]. Proc. 34th European Microw ave Conf[C].Amsterdam, The Netherlands, Feb 2004. 1105 –1108.)频谱效率高，抑制效果明显。AIC方法中，感知用户除了关断 处于主用户及其附近频段的子载波之外，关键是在该区域插入主动干 扰抵消子载波(CC)用于抑制OFDM系统的旁瓣，如图2所示，其优点是使 用相对较少的保护带宽得到较大的旁瓣抑制深度，存在的问题是对OF DM符号的循环前缀（CP）长度敏感，且其抑制深度还需进一步提高。 D Qu 和T Jiang等人在2010年报道了( D Qu, Z Wang, T J iang. Extended active interference cancellation for si delobe suppression in cognitive radio OFDM systems wi th cyclic prefix[J]. IEEE Transactions on Vehicular T echnology, 2010, 59(4):1689–1695.)一种称为适用于CP-OFDM系 统的扩展的主动干扰消除方法（EAIC-CP）。通过插入更密集的加权子 载波作为干扰抵消信号，如图3所示，EAIC-CP的确增加了抑制深度， 但带来一些新的问题：（1）使用更多的加权子载波，增加了计算量;  （2）所设计的CC对认知用户造成的载波间干扰（ICI）是否可以降 低? (3)其抑制深度是否能进一步提高? （4）如何使得干扰抑制性 能稳定，不对CP长度敏感。

因此有必要设计一种具有更高的旁瓣抑制性能，而造成ICI又较小，且 计算量小，性能稳定的干扰抑制器。

发明内容

本发明的目的是提供一种OFDM认知无线电(OFDM-CR)系统及非正交主动 旁瓣抑制方法，本发明的方法使得旁瓣抑制深度比传统AIC方法增加约 50dB，且性能随着CP增加还会进一步提高, 对加窗及窗参数不敏感.  和EAIC-CP相比，使用了更少的干扰抵消子载波(CC)，降低了计算量 ；可避免EAIC-CP性能在CP长度较小时性能变差的问题；大大提高了抑 制深度的同时，还降低了对感知用户的ICI。

一种OFDM认知无线电系统，包括：映射电路、OFDM调制器、并串变换 电路、插入循环前缀电路、加窗电路、干扰抵消信号发生器和减法器 ，其特征在于：认知用户待发送的外部数据分别输入到映射电路和干 扰抵消信号发生器，映射电路输出端依次与OFDM调制器、并串变换电 路、插入循环前缀电路及加窗电路相连，加窗电路输出端与干扰抵消 信号发生器输出端连接到减法器，减法器的输出送到外部信道耦合器 或上变频电路。

所述的干扰抵消信号发生器的干扰抵消子载波均设置在非正交频率位 置。

所述的映射电路、OFDM调制器、并串变换电路、插入循环前缀电路、 加窗电路、减法器均为现有的，从市场购买得到。

一种OFDM 认知无线电系统的非正交主动旁瓣抑制方法，其特征在于 按以下步骤进行： 认知用户待发送的数据经过映射电路映射为复矢 量，并关闭认知用户处于主用户频段及保护频段的部分子载波；映射 器的输出分别送给OFDM调制器和干扰抵消信号发生器，OFDM调制器的 输出经过串并变换电路、插入循环前缀电路、加窗电路后，与干扰抵 消信号发生器产生的干扰抵消信号一并送入到减法器相减，从而抑制 OFDM调制信号的旁瓣干扰。

使用主动干扰抵消信号，抑制OFDM系统的旁瓣干扰。其中干扰抵消信 号发生器与现有的设计的主要不同在于：除保护频段外，干扰抵消子 载波(CC)均设置在非正交频率位置，使得在CC数量及计算量较小的前 提下，旁瓣干扰抑制性能优于已有方法。且使用加窗法抑制CC的旁瓣 对认知用户数据子载波造成的干扰，使其几乎可忽略。

本发明的有益效果是： 

本发明可使的旁瓣抑制深度比传统AIC方法增加约50dB，且性能随着C P增加还会进一步提高, 对加窗及窗参数不敏感. 和EAIC-CP相比， 使用了更少的干扰抵消子载波CC，降低了计算量；可避免EAIC-CP性能 在CP长度较小时性能变差的问题；大大提高了抑制深度的同时，还降 低了对感知用户的ICI。 

附图说明

图1是使用主动干扰消除器的OFDM认知无线电系统结构原理图。

图2是传统AIC所插入的CC及其频点位置图。

图3 是EAIC-CP所插入的CC及其频点位置图。

图4 是本发明插入的CC及其频点位置图。

图5 是本发明与传统AIC及EAIC-CP的误符号率比较图。

具体实施方式

以下结合附图和实施对本发明做进一步的详细说明。本发明中各矩阵 的定义及算法均采用现有技术。

如图1所示，本发明提供的一种OFDM认知无线电系统，包括：映射电路 、OFDM调制器、并串变换电路、插入循环前缀电路、加窗电路、干扰 抵消信号发生器和减法器，其特征在于：认知用户待发送的外部数据 分别输入到映射电路和干扰抵消信号发生器，映射电路输出端依次与 OFDM调制器、并串变换电路、插入循环前缀电路及加窗电路相连，加 窗电路输出端与干扰抵消信号发生器输出端连接到减法器，减法器的 输出送到外部信道耦合器或上变频电路。

所述的干扰抵消信号发生器的干扰抵消子载波均设置在非正交频率位 置。

所述的映射电路、OFDM调制器、并串变换电路、插入循环前缀电路、 加窗电路、减法器均为现有的，从市场购买得到。

本发明除保护频段外，干扰抵消子载波(CC)均只设置在非正交频率位 置，如图4所示，使得在保持CC数量及计算量较小的前提下，旁瓣干扰 抑制性能优于已有方法。且使用加窗法抑制CC的旁瓣对认知用户数据 子载波造成的干扰。

本发明的一种OFDM 认知无线电系统的非正交主动旁瓣抑制方法，其 特征在于按以下步骤进行： 认知用户待发送的数据经过映射电路映 射为复矢量，并关闭认知用户处于主用户频段及保护频段的部分子载 波；映射器的输出分别送给OFDM调制器和干扰抵消信号发生器，OFDM 调制器的输出经过串并变换电路、插入循环前缀电路、加窗电路后， 与干扰抵消信号发生器产生的干扰抵消信号一并送入到减法器相减， 从而抑制OFDM调制信号的旁瓣干扰。

假设认知用户使用N个子载波的OFDM系统发送符号矢量x。为了减小对 主用户的干扰，关闭认知用户的部分子载波，即x(l)=0, l∈{l_min:1: l_max}，其中l为子载波索引值，l_min与l_max为关闭的子载波区间边界索引值 ，区间包括主用户及其两端保护频段处在的子载波范围；经OFDM调制 器调制、并串变换电路变换，插入循环前缀，然后经加窗电路加窗,  得 到的信号的频谱为：

$s_d=F_{K\times P}{R}_c{F}_{P\times N}^{*}x$

其中K=υN，P=(1+β)N_T，υ为过采样因子，β为升余弦窗的滚降因子 ,OFDM符号等效长度N_T=(N+L_CP)/(1-β)，L_CP为OFDM系统循环前缀长度； 通常选用升余弦窗；付里叶分析矩阵F_K×P元素定义为，0≤k≤K-1,-β N_T≤p≤N_T;付里叶基矩阵元素定义为,-βN_T≤p≤N_T, 0≤n≤N-1。

计算发现s_d处在主用户（PU）频段内的能量较高，一般远大于主用户 所能容忍的干扰，因此需要抑制。

干扰抵消信号发生器产生的干扰抵消信号具体方法为：

（1）定义以下符号：OFDM系统子载波数为N, OFDM系统循环前缀长度 L_CP,升余弦窗的滚降因子β,OFDM符号等效长度N_T=(N+L_CP)/(1-β)，窗 的总长度为P=(1-β)N_T;干扰抑制区各端保护子载波数量B，插入的CC 的总数量L;标准付里叶变换矩阵F_N×N,其元素,;付里叶分析矩阵F_K×P，其 元素定义为，0≤k≤K-1,-βN_T≤p≤N_T,其中K=υN，υ为过采样因子 ;付里叶基矩阵，其元素定义为,-βN_T≤p≤N_T,0≤n≤N-1;付里基矩 阵，其中的元素定义为: ,-βN_T≤p≤N_T,l_min-1≤l≤l_max,的元素定 义为: ，-βN_T≤p≤N_T,l∈[l_min:1:l_min+B]∪[l_max-B:l_max]。矩阵的列由 插入的CC的离散时间取样函数组成，其中2B个基位于正交频率位置， L-2B个基函数位于非正交频率位置，比正交频率位置偏移1/2个子载波 间隔宽度；一般情况下L＞＞2B，所以所述方法插入的CC数量约等于L , 略多于AIC方法, 约等于 EAIC-CP方法的一半； R_c为P×P的对角矩阵，对角元素由窗函数确定 ; μ为干扰抑制深度与符号间干扰间的折中因子，由误码率实验发现 其合适的取值为0.01≤μ≤0.1； []⁺为矩阵的伪逆运算；

（2）计算矩阵$P={\left(\begin{array}{c}{P}_c^{\mathrm{PU}}\\ {\mathrm{\mu P}}_i^{\mathrm{SU}}\end{array}\right)}^{+}\left(\begin{array}{c}{P}_d^{\mathrm{SU}}\\ 0\end{array}\right)$并保存，其中：(a), ; (b) $P_i^{\mathrm{SU}}=\left(\begin{array}{c}{P}_i(0:1:l_{\min },l_{\min }:1:l_{\max })\\ P_i(l_{\max }:1:N-1,l_{\min }:1:l_{\max })\end{array}\right)$, ;(c) , ，其中l为子载波索引，即：l=[υ·(l_min+B):1:υ·(l_min-B)]^T;

（3）对第i个待发送的OFDM符号矢量xⁱ计算主动干扰抑制子载波的权 重wⁱ=Pxⁱ，则时域的干扰低消信号为；

（4）对于下一个待发送的OFDM符号矢量xⁱ⁺¹，当主用户所处的频段不变 时，回到第(3)步计算干扰抵消信号;否则回到第(2)步计算干扰抵消信 号。

本发明的特点：已有的主动干扰抑制器的干扰抵消信号（CC）频点要 么只设置在正交频率位置，要么在干扰抑制区设置更密集的抵消子载 波。而本发明的CC在除保护频段外，均只设置在非正交频率位置，使 得在保持CC数量及计算量较小的前提下，旁瓣干扰抑制性能优于已有 方法。且使用加窗法抑制CC的旁瓣对认知用户数据子载波造成的干扰 ，使其几乎可忽略。

实验结果

表1、表2 及图5 给出了本发明(记为NAIC-win)的干扰抑制器与现有 技术各方面性能比较。

OFDM-CR使用N=256个子载波，采用64QAM调制。假设PU处于OFDM-CR系 统的[84:90]个子载波频段，两端关掉的保护子载波数量均为1, 过采 样因子υ=16。 OFDM系统旁瓣幅度与ICI均对数据子载波功率谱归一 化。

表1比较在不同的CP长度条件下的干扰抑制深度，其它补充实验条件 有：L_CP=[0,4,8,16,32,64,128]; 对于EAIC-CP和NAIC-win有μ=0.1, (μ的影响见表2)。加窗操作均取βN_T=32，所造成的频谱效率下降11 .1%， β取其它值时有相似的结论。

表 1 CP长度对旁瓣抑制性能影响

表1的实验结果表明：（1）不管L_CP大小，NAIC-win具有最深的旁瓣抑 制能力，在L_CP较小时，其优势最明显；（2）EAIC-CP在L_CP较小时的抑 制性能会明显下降，这说明EAIC-CP方法需要较长的CP，该条件在实际 系统中不一定总能满足；而NAIC-win受CP长度影响很小。（3）AIC加 窗后得到的AIC-win方法性能反而降低，表明其对加窗敏度，不适合在 实际系统中使用，NAIC-win没有此问题。

表2比较了在不同的μ值条件NAIC-win及EAIC-CP的性能。其它补充实 验条件有：EAIC-CP的L_CP设置为64,为标准(H A Mahmoud, H Arsl an. Spectrum shaping of OFDM- based cognitive radio  signals[A]. Proc. IEEE Radio and Wireless Symp[C]. Fl orida,USA, April, 2008. 113-116.)允许最大值（否则其符号效 率下降严重），此时其性能最好。对 NAIC-win设置了βN_T=64，L_CP= 0，与EAIC-CP具有相同的符号效率;且当L_CP＞0时，NAIC-win的旁瓣干 扰更小。

表 2 折中因子μ的影响

表2说明在相同的μ值条件下，NAIC-win比EAIC-CP的旁瓣抑制能力更 强，而ICI更小。对于NAIC-win，合适的μ值取值范围是0.0.1＜μ＜ 0.1，如在μ=0.03时抑制后的OFDM旁瓣小于-85dB，而所引入的ICI低 于-50dB，对OFDM-CR系统的误符号率(SER)影响很小，具体误码率比较 如图5。 而传统AIC不引入ICI, 但剩余旁瓣干扰也最大，约-30dB( 见表 1)，对主用户的干扰不可忽略。

图5比较了采用不同干扰抑制方法的CR-OFDM系统在加性高斯白噪声条 件下误符号率(SER)。

实验结果表明： AIC因为不引入ICI，所以其SER性能最好，但其旁瓣 抑制能力最差；NAIC-win与EAIC-CP因为引入了ICI造成了SER增加，但 在相同的μ值条件下，NAIC-win引起的SER增加要小得多；NAIC-win在 0.0.1≤μ≤0.1时抑制深度达到约-85dB， ICI造成信噪比损失在SE R=10^-6条件下不到0.5dB，完全可以忽略。

综合以上实验结果，表明本发明使用更少的CC，在计算量保持在和AI C方法相近的条件下，大大提高了旁瓣抑制效果，且减小了ICI, 旁瓣 干扰消除性能稳定，不对CP长度及加窗敏感。因此，本发明更适合用 于认知无线电的OFDM系统的主动旁瓣抑制。

本发明的主要优点如下：本发明比AIC方法的旁瓣抑制深度增加约50d B，且性能随着CP增加还会进一步提高。 和EAIC-CP相比，使用了更 少的CC子载波，降低了计算量；同时，NAIC-win方法可以避免EAIC-C P性能随着CP长度的减小导致性能变差的问题；在大大提高了抑制深度 的同时，还降低了对感知用户的ICI，是一种更适合OFDM-CR系统的旁 瓣抑制方法。