OFDM中認知無線電頻譜檢測
發布時間：2009-4-8 12:46
發布者：李寬
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無線電通信頻譜是一種寶貴的資源，目前采用的是基于頻譜授權的靜態頻帶分配的原則。隨著無線通信技術的高速發展，無線電用戶數量急劇增加，頻譜資源貧乏的問題日趨嚴重。認知無線電基于軟件無線電，是一種用于提高無線電通信頻譜利用率的新的智能技術[1]。具有認知功能的無線通信設備可以感知周圍的環境，并能根據輸入激勵的變化實時地調整其傳輸參數，在有限信號空間中以最優的方式有效地傳送信息，以實現無論何時何地都能保證通信的高可靠性和無線頻譜利用的高效性。認知無線電的一個認知周期要經歷3個基本過程：感知頻譜環境、信道識別、功率控制和頻譜管理。認知無線電技術最顯著的特征是能夠感知并分析特定區域的頻段，找出適合通信的“頻譜空穴”，利用某些特定的技術和處理，在不影響已有通信系統的前提下進行工作。因而,認知無線電系統傳輸信號時首先要感知該地無線電頻譜環境，即頻譜檢測和“頻譜空穴”搜尋與判定[2]。 下一代移動通信的鏈路層調制方式主要采用OFDM形式，因此認知無線電與OFDM系統之間的頻譜共享已是必然趨勢。OFDM的多載波調制技術以及自適應型功率分配給認知無線電更帶來了巨大的靈活性。本文采用能量檢測法，將認知無線電頻譜空穴檢測與OFDM相結合，提出了一種多載波檢測方法。 1 認知無線電信號檢測方法 1.1 匹配濾波器檢測法 匹配濾波器是信號檢測中的一種比較常用的方法，它能使接收信號的信噪比最大化。在認知無線電設備中使用匹配濾波器，實際上完成的是解調授權用戶的信號，這樣認知無線電用戶就要知道授權用戶的物理層和媒體控制層的信息：調制方式、時序、脈沖形狀、封裝格式等，利用這些信息來實現與待檢測信號在時域和頻域上的同步，從而解調信號[3]。這些信息可以被存放在認知無線電的存儲器中。匹配濾波器的設計準則是使輸出SNR在某一時刻達到最大，這是對任何信號進行檢測的優化算法。匹配濾波器沖激響應h(t)表示為： 其中,K為常數，S(f)為信號S(t)的頻譜,S*(f)為S(f)的共軛函數。具體檢測方法如圖1所示。 匹配濾波器的設計需要授權信號的先驗信息，如調制類型、脈沖成型、分組格式等，這類信息可預先存儲在認知無線電設備的存儲器中。解調比較麻煩，必須與授權信號進行同步和定時，甚至可能需要進行均衡。不過大部分授權信號具有導引序列、同步碼或擴頻碼，以達到與原信號保持一致的目的。如，電視信號中具有聲音和視頻載波的窄帶導引信號；CDMA系統具有專門的擴頻碼用以同步；OFDM分組具有辨別不同分組的導引信號。 1.2 能量檢測法 能量檢測法是一種非相干的檢測手段，與頻譜分析非常相似，也是通過判決來實現的。該方法依據感知器在信號有無兩種假設情況下按接收信號功率大小的不同對信號進行檢測。這種方法是一種對未知參數的確定性信號及其存在性檢測的有效方法。由于能量檢測對信號類型不作限制，因此不需要授權信號的先驗信息。能量檢測的主要思想是：將授權信號S(t)的功率在一個時間段(N個采樣點)內取平均： 接著與預設門限進行比較，判定該頻段是否存在授權信號。整個檢測如圖2所示�！� 能量檢測法在技術上已經比較成熟，應用起來可靠性較高。但是，能量探測器的門限比較容易受到噪聲功率變化的影響。為了解決這個問題，人們提出利用授權用戶發射機的導頻音(Pilot Tone)來提高認知無線電能量探測器的準確性。另外，即使能夠適應性地設定門限位，帶內干擾的出現也會擾亂能量探測器，能量探測的另外一個缺點是它只能探測到有信號出現，而不能區分信號的類型，即它不能區分已調制信號、噪聲及干擾。因此，能量探測器容易被不明信號誤導而產生誤判決，不適合極弱信號，例如擴頻信號的檢測。 2 認知OFDM系統檢測 在認知OFDM傳輸系統里，頻譜感知可以采用類似上述能量檢測的方法，以很低的復雜度完成對各子載波狀態的判斷。感知器接收連續d個OFDM符號周期的信號，并得到這d個符號在頻域的N點FFT結果。因為各子載波之間的狀態相互獨立，所以可以分別針對各個子載波上的感知信號，判斷某個子載波上是否存在授權用戶信號[4]。下面討論判斷的方法和標準。由于有d個符號周期的檢測時間，每個子載波都可以得到d個復數測量值，即2d個實數測量值。當信道處于空閑即無授權信號時，感知器得到的僅僅是信道中的噪聲信號，假設此時系統服從H0假設；而當授權用戶處于活躍狀態，感知器接收到的是噪聲與授權用戶疊加的信號，此時系統服從H1假設[5]： 由此可見，能量感知只需求取對應子載波的實數測量值的平方和，并與一門限值比較。當該測量值超過門限時，認為存在授權用戶信號，否則認為不存在授權用戶信號[6]。由于2d個測量值是與獨立無關的高斯變量，故它們的平方和Y服從χ2分布。在純高斯白噪聲的情況下，由于均量為零，Y服從中心分布；當授權用戶出現時，感知信號是噪聲與一確定信號的疊加，均值非零，因此服從非中心χ2分布： 因此在兩種假設下檢驗統計量Y的概率密度函數分別是： 設檢測概率PD為將不可用(存在授權用戶信號)信道正確判為不可用的概率，則它是檢驗統計量Y在H1假設下超過所設定門限值的概率。 SNR為認知OFDM系統信噪比，且對應的誤檢概率PMD=1-PD，為將不可用信道誤判為可用信道的概率： 系統總的錯誤檢測概率為誤檢概率與虛警概率之和： 3 感知時間優化 頻譜感知的靈敏度和準確性隨著檢測時間的增加而增加，有利于數據的正確傳輸，但檢測時間的增加將直接導致有效數據傳輸時間的減少和傳輸效率的降低[7]。因此，在頻譜感知時間與有效數據傳輸時間之間，存在一個最優的分配方案。下面，討論求取使信道效率達到最大的感知時間長度的方法。這里認為感知器將不可用信道判為可用的部分會由于授權用戶干擾不能正確傳輸數據。則信道效率可以表示為： 其中,L為頻譜感知和有效數據傳輸階段OFDM符號數之和，為固定值; d為上節討論的頻譜感知所使用的符號周期數。注意到PFA是d的函數，故該優化問題為： 可以通過遍歷d來求得最佳的d*和最高頻譜效率η*。 4 仿真結果 圖3、圖4給出了在信噪比為10dB情況下的仿真結果�？梢钥闯�，在相同感知符號周期的情況下，隨著門限的增加，誤檢概率逐漸增加而虛警概率逐漸減小，因此好的門限選擇應在誤檢概率(PMD)和虛警概率(PFA)間取一個折衷，換句話說，應使系統總的誤檢概率Pe=PFA+PMD達到最小。圖5給出了總的誤檢概率Pe隨門限和感知符號數d的變化曲線�？梢钥闯�，適當地選取門限可以使Pe達到最�。ó攄=3時，選擇15），并且隨著感知符號數d的增加Pe的最小值急劇減小。這說明增加感知符號數可以有效地提高認知OFDM系統的檢測概率。感知符號數的增加會帶來感知時間的相對增加，信道傳輸時間會減少，從而降低認知OFDM的信道效率，因此需要利用式(13)來確定最佳的感知符號數d，使檢測概率與信道效率間也產生個折衷。 認知無線電對于OFDM系統的檢測是針對每個子載波進行的，通過感知的OFDM符號FFT結果，利用能量檢測法來判斷頻譜空穴。本方法通過設定適當的門限可以使總的誤檢概率達到最小，經過感知時間的優化，在保證誤檢概率的前提下，可以使信道傳輸效率達到最大。 |
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