專利名稱：：基于主動干擾消除的認知多用戶正交頻分復用傳輸方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及無線數字通信
技術領域：
，具體涉及一種基于主動干擾消除的認知多用戶正交頻分復用傳輸方法。
背景技術：
：隨著無線應用的日益增多，可用的頻譜資源越來越少，頻譜資源貧乏的問題日益嚴重。然而，人們研究發(fā)現授權頻段并非被授權用戶(主用戶)始終占用，而是在時間/頻率維度上存在很多空隙，即頻譜空洞(spectrumhole)，頻譜利用率很低。非授權用戶(認知用戶)如果可以伺機占用這些頻譜空洞，則頻譜效率便可以得到極大程度的提升。認知無線電技術以其靈活的頻譜使用方式，成為解決無線頻譜供應與需求之間矛盾的一種極具潛力的解決方案，該種技術利用頻譜認知技術獲得某一頻帶內主用戶的頻譜使用信息，然后利用頻譜空洞進行通信，等到主用戶要重新占用時，則馬上歸還該段頻譜。正交頻分復用(OFDM)傳輸方式由于其靈活的頻譜裁剪方式、高效的頻譜利用效率，尤其是非相鄰正交頻分復用(NC-0FDM)技術，通過關閉或者打開子載波，可以在完成自己數據傳輸任務的同時，方便地實現對主用戶的干擾避免，有效滿足認知無線電系統(tǒng)對頻譜靈活使用的需求，因而在認知無線網絡中得到了越來越廣泛的應用。然而由于0F匿每個子載波的頻譜呈現Sine函數特性，旁瓣振蕩衰減緩慢，導致OF匿符號的整個功率譜帶外輻射功率巨大，僅僅通過簡單的關閉/打開子載波，并不能起到有效的帶外功率輻射抑制作用，因此設計抑制OF匿信號帶外輻射的有效方法，對于認知無線電系統(tǒng)的可靠實現顯得尤為重要。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基于主動干擾消除的認知多用戶正交頻分復用傳輸方法?；谥鲃痈蓴_消除的認知多用戶正交頻分復用傳輸方法是系統(tǒng)當中的每個認知用戶發(fā)送端都具有一個主動干擾消除器，接收端具有一個消除子載波移除器，具體按如下步驟進行傳輸(1)將原始待發(fā)送的數據比特流信息，經過編碼映射，形成待發(fā)送的調制信號；(2)將調制信號通過主動干擾消除器，不同認知用戶根據自身的數據信息，獨立計算干擾對消子載波的權值，并將各自的干擾對消子載波，重疊放置在緊鄰主用戶頻段兩側位置；(3)在步驟(2)中，每個認知用戶通過主動干擾消除器放置的干擾對消子載波數目，是根據主用戶信號能量強弱而確定的，認知用戶檢測主用戶信號能量強弱，只要認知用戶產生的干擾滿足主用戶所要求的信干比條件即可；(4)將插入干擾對消子載波之后的信號，進行正交頻分復用調制，并加入循環(huán)段前綴，經過DA變換之后發(fā)送出去，直至當前信號發(fā)送完畢；(5)將接收下來的信號經過AD變換，去掉循環(huán)段前綴，然后進行正交頻分復用解調；(6)將正交解調之后的信號通過干擾對消子載波移除器，在認知用戶發(fā)送端插入的干擾對消子載波將被移除掉；(7)將去掉消除子載波之后的數據，進行解調與解碼，直至當前數據信號接收完畢。所述的步驟(2)為當多個認知用戶接入系統(tǒng)，每個認知用戶都需要對主用戶進行主動干擾消除；以Ws(i)表示認知用戶i使用的所有子載波組成的集合，由D(i)和c(i)兩部分組成，其中0。a)表示認知用戶i調制發(fā)送數據信息的子載波組成的集合，e^a)表示認知用戶i的干擾對消子載波集合，它們滿足如下關系Ws(i)=c(i)UD(i)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>Qc表示一個恒定的子載波集合；每個認知用戶統(tǒng)一將整個頻段劃分為N點子載波的正交頻分復用系統(tǒng)，不同認知用戶調制發(fā)送數據信息的子載波相互不重疊，而干擾對消子載波相互重疊；不同認知用戶根據自身發(fā)送的數據信息，獨立計算干擾對消子載波的權值；若主用戶使用[vl:v2]處的子載波，認知用戶使用[v3:v4]處子載波調制發(fā)送的數據信息，并在[vl:v2]兩側各插入c個干擾對消子載波，即[vl-c:vl-l，v2+l:v2+c]處子載波作為干擾對消子載波；認知用戶計算調制發(fā)送數據信息的子載波[v3:v4]，在主用戶頻段[vl:v2]處產生的干擾；然后，認知用戶計算[vl-c:vl-l，v2+l:v2+c]處的干擾對消子載波的加權因子，使得調制發(fā)送數據信息的子載波與干擾對消子載波在主用戶頻段產生的干擾互相抵消；干擾對消子載波Xc的權值通過最小均方算法估計得到%C=-(^U)—'^込^其中&為發(fā)送的數據信息，込=0=廣2]，Or=忠=^2+1:^，上標表示Q的行，下標表示Q的列，2=^^w^F二w'FNXN為傅里葉變化矩陣，u為頻域升采樣因子。所述的步驟(3)為當多個認知用戶接入系統(tǒng)，每個認知用戶根據檢測到的主用戶信號能量強弱，確定放置的干擾對消子載波數目；認知用戶首先不使用干擾對消子載波，直接發(fā)送數據信息，如果產生的干擾滿足主用戶信干比條件，則進行后續(xù)的發(fā)送流程；如果不能滿足該信干比要求，則依次增加在主用戶頻段兩側插入的干擾對消子載波數目，使得產生的干擾值逐漸降低，直至滿足要求為止，即滿足下式其中S為檢測到的主用戶信號能量，IiQJe+Q工Xj|2為認知用戶在主用戶頻段產生的干擾值，SIR。為主用戶所要求的信干比條件。本發(fā)明所提供的傳輸方法，不同認知用戶在緊鄰主用戶頻段兩側，重疊放置干擾對消子載波，并獨立計算干擾對消子載波權值，可以使得在保護主用戶，降低誤碼率的同5時，使得有限的子載波資源得到充分利用，提高頻譜效率；認知用戶根據檢測到的主用戶信號能量，進行主動干擾消除，依次增加使用的干擾對消子載波數目，使得產生的干擾值逐漸降低即開槽逐漸加深，直至滿足主用戶信干比要求為止，從而以最低的能量代價，保證主用戶的正常通信。通過計算機仿真表明，本發(fā)明所提供的傳輸方法能夠在復雜無線移動通信環(huán)境中穩(wěn)定工作，顯著地提高認知用戶對主用戶的保護能力，有效實現認知用戶與主用戶的頻譜共享。圖1是本發(fā)明所提供的發(fā)送機構成框圖；圖2是本發(fā)明所提供的接收機構成框圖；圖3是認知用戶1發(fā)送端的頻譜圖；圖4是認知用戶2發(fā)送端的頻譜圖；圖5是在主用戶接收端觀察到的認知用戶1與2的頻譜疊加圖；圖6是使用主動干擾消除器前后主用戶的誤碼率曲線具體實施例方式基于主動干擾消除的認知多用戶正交頻分復用傳輸方法是系統(tǒng)當中的每個認知用戶發(fā)送端都具有一個主動干擾消除器，接收端具有一個消除子載波移除器，具體按如下步驟進行傳輸(1)將原始待發(fā)送的數據比特流信息，經過編碼映射，形成待發(fā)送的調制信號；(2)將調制信號通過主動干擾消除器，不同認知用戶根據自身的數據信息，獨立計算干擾對消子載波的權值，并將各自的干擾對消子載波，重疊放置在緊鄰主用戶頻段兩側位置；(3)在步驟(2)中，每個認知用戶通過主動干擾消除器放置的干擾對消子載波數目，是根據主用戶信號能量強弱而確定的，認知用戶檢測主用戶信號能量強弱，只要認知用戶產生的干擾滿足主用戶所要求的信干比條件即可；(4)將插入干擾對消子載波之后的信號，進行正交頻分復用調制，并加入循環(huán)段前綴，經過DA變換之后發(fā)送出去，直至當前信號發(fā)送完畢；(5)將接收下來的信號經過AD變換，去掉循環(huán)段前綴，然后進行正交頻分復用解調；(6)將正交解調之后的信號通過干擾對消子載波移除器，在認知用戶發(fā)送端插入的干擾對消子載波將被移除掉；(7)將去掉消除子載波之后的數據，進行解調與解碼，直至當前數據信號接收完畢。所述的步驟(2)為當多個認知用戶接入系統(tǒng)，每個認知用戶都需要對主用戶進行主動干擾消除；以Ws(i)表示認知用戶i使用的所有子載波組成的集合，由D(i)和c(i)兩部分組成，其中0。a)表示認知用戶i調制發(fā)送數據信息的子載波組成的集合，e^a)表示認知用戶i的干擾對消子載波集合，它們滿足如下關系Ws(i)=c(i)UD(i)c(i)=ce表示一個恒定的子載波集合；每個認知用戶統(tǒng)一將整個頻段劃分為N點子載波的正交頻分復用系統(tǒng)，不同認知用戶調制發(fā)送數據信息的子載波相互不重疊，而干擾對消子載波相互重疊；不同認知用戶根據自身發(fā)送的數據信息，獨立計算干擾對消子載波的權值；若主用戶使用[vl:v2]處的子載波，認知用戶使用[v3:v4]處子載波調制發(fā)送的數據信息，并在[vl:v2]兩側各插入c個干擾對消子載波，即[vl-c:vl-l，v2+l:v2+c]處子載波作為干擾對消子載波；認知用戶計算調制發(fā)送數據信息的子載波[v3:v4]，在主用戶頻段[vl:v2]處產生的干擾；然后，認知用戶計算[vl-c:vl-l，v2+l:v2+c]處的干擾對消子載波的加權因子，使得調制發(fā)送數據信息的子載波與干擾對消子載波在主用戶頻段產生的干擾互相抵消；干擾對消子載波Xc的權值通過最小均方算法估計得到'ec"込A其中&為發(fā)送的數據信息，a=《=廣2)，a="=:ivg2+1..v2+cl，上標表示q的行，下標表示Q的列，G=，FNXN為傅里葉變化矩陣，u為頻域升采樣因子。所述的步驟(3)為當多個認知用戶接入系統(tǒng)，每個認知用戶根據檢測到的主用戶信號能量強弱，確定放置的干擾對消子載波數目；認知用戶首先不使用干擾對消子載波，直接發(fā)送數據信息，如果產生的干擾滿足主用戶信干比條件，則進行后續(xù)的發(fā)送流程；如果不能滿足該信干比要求，則依次增加在主用戶頻段兩側插入的干擾對消子載波數目，使得產生的干擾值逐漸降低，直至滿足要求為止，即滿足下式其中S為檢測到的主用戶信號能量，IiQJe+Q工XjI2為認知用戶在主用戶頻段產生的干擾值，SIR。為主用戶所要求的信干比條件。實施例現有一個系統(tǒng)，存在一對主用戶，兩對認知用戶，主用戶采取IEEE802.16e方式進行通信，而兩對認知用戶使用本發(fā)明所提供的收發(fā)機結構進行通信，以構建一個認知多用戶通信網絡。兩個認知用戶的發(fā)送機框圖如圖1所示，接收機框圖如圖2所示。發(fā)送端的主動干擾消除器根據頻譜感知器提供的主用戶頻譜活動信息，針對不同的發(fā)送數據信息，利用最小均方算法估計干擾對消子載波的權值，并插入到主用戶頻段兩側位置；接收端的干擾對消子載波移除器根據頻譜感知器提供的當前頻譜活動信息，把在發(fā)送端主動干擾消除器插入的干擾對消子載波移除掉；發(fā)送端與接收端的頻譜感知器功能結構完全相同，其目的是獲取當前主用戶的頻譜活動信息。整個OFDMA系統(tǒng)采用的帶寬是20MHz，不同認知用戶統(tǒng)一在整個帶寬上劃分256個的子載波。主用戶占據兩段連續(xù)的子載波塊，分別為[92:118]與[135:148]處的子載波；兩個認知用戶也占據兩段連續(xù)的子載波塊，認知用戶1占據[159:173]和[219:248]處的子載波，認知用戶2占據[43:79]和[188:201]處的子載波。按照本發(fā)明的設計要求，不同認知用戶將各自的干擾對消子載波重疊插入在緊鄰主用戶頻段兩側位置，并按照自身發(fā)送的數據信息，獨立計算干擾對消子載波的權值。主用戶頻段[92:118]兩側與[135:148]兩側的若干數目子載波，將被認知用戶作為干擾對消子載波使用，且會被認知用戶1、2重疊使用，至于使用多少個干擾對消子載波，則需要根據檢測到的主用戶信號能量的強弱做出判決。認知用戶1在主用戶頻段兩側各插入c個干擾對消子載波，它所使用的所有子載波組成的集合為{[159:173]，[219:248]，[92_c:91，119:119+c，135_c:134，149:148+c]}其中調制發(fā)送數據信息的子載波組成的集合為{[159:173]，[219:248]}，干擾對消子載波集合為{[92-c:91，119:119+c，135_c:134，149:148+c]};干擾對消子載波集合上的待計算的加權因子X^)的解可以通過下式計算，其目的是使得產生的干擾最最小<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中LUimU」<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>,入I(l)疋1周市U僅達效據信息的子載波組成的集合上的數據信息，根據最小均方算法，可以得到除子載波的加權因子為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>認知用戶2同樣在主用戶頻段兩側各插入c個干擾對消子載波，它所使用的所有子載波組成的集合為{[43:79]，[188:201]，[92_c:91，119:119+c，135_c:134，149:148+c]}其中調制發(fā)送數據信息的子載波組成的集合為{[43:79]，[188:201]}，干擾對消子載波集合為{[92-c:91，119:119+c，135_c:134，149:148+c]};按照同樣的方法，干擾對消子載波集合上的待計算的加權因子X②)的解可以通過下式計算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>X工(2)是調制發(fā)送數據信息的子載波組成的集合上的數據信息。兩個認知用戶與主用戶都采取16QAM作為調制方式，每個子載波上的數據以單位能量進行發(fā)送，并且規(guī)定主用戶所要求滿足的信干比SIR為25dB。認知用戶可以檢測到主用戶頻段的信號能量，為了滿足主用戶的SIR要求，需要產生深度大于25dB的凹槽。認知用戶首先不使用干擾對消子載波，直接發(fā)送數據信息，如果滿足主用戶信干比要求，則進行后續(xù)的發(fā)送流程；如果不能滿足，則依次增加在主用戶頻段兩側插入的干擾對消子載波數目，使得產生的干擾值逐漸降低即開槽逐漸加深，直至滿足主用戶信干比要求為止，從而以最低的能量代價，保證主用戶的正常通信。下表1為認知用戶所使用的干擾對消子載波數目、形成的開槽深度以及消耗的能量比代價，仿真計算到3對干擾對消子載波的情況表1:認知用戶所使用的干擾對消子載波數目、形成的開槽深度以及消耗的能量比代價關系<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>當認知用戶不使用干擾對消子載波時，在主用戶頻段形成的開槽深度為20dB;當認知用戶使用l對干擾對消子載波時，即[91，119，134，149]處子載波當干擾對消子載波使用，可以形成25dB左右的開槽深度；當認知用戶使用2對干擾對消子載波時，S卩[90,91，119,200，133，134，149，150]處子載波當干擾對消子載波使用，在主用戶頻段形成的開槽深度為40dB，此時可以保證主用戶的信干比要求，于是認知用戶使用2對干擾對消子載波進行主動干擾消除。圖3是認知用戶1發(fā)送端的頻譜示意圖，圖4是認知用戶2發(fā)送端的頻譜示意圖，認知用戶1、2發(fā)送端都在緊鄰主用戶頻段兩側插入2對干擾對消子載波，都在主用戶頻段位置產生了大約40dB左右深度的凹槽。在主用戶的接收端，除去主用戶信號外，接收到的是兩個認知用戶頻譜的疊加，如圖5所示，可見認知用戶采用本發(fā)明所提供的方法，其疊加效果是在主用戶對應的兩段連續(xù)子載波處，產生了40dB左右深度的開槽。認知用戶采取本發(fā)明所提供的收發(fā)機結構，可以使得主用戶能夠在很大程度上降低誤碼率BER。下面對比認知用戶不使用干擾對消子載波情況下的主用戶BER，與使用2對干擾對消子載波情況下的主用戶BER。整個系統(tǒng)采用OFDMA作為通信方式，我們考慮認知用戶與主用戶之間相對頻偏值的大小，對主用戶BER產生的影響進行仿真分析。仿真設置認知用戶1與主用戶之間存在0.1相對頻偏，認知用戶2與主用戶之間存在0.2相對頻偏，認知用戶之間存在0.1相對頻偏，經過AWGN信道加入噪聲之后，主用戶按照IEEE802.16e通信方式對接收到的信號進行處理，得到如圖6所示的誤碼率曲線?？梢钥闯?，在SNR比較低時，小于lOdB，是否使用主動干擾消除對主用戶BER并沒有顯著影響；在SNR比較高時，使用主動干擾消除之后，主用戶的BER得到顯著降低。在不使用主動干擾消除時，圖中的藍線，無論SNR多高，總會存在一個誤碼平臺(errorfloor)，這是由于主從用戶之間相對頻偏的存在引入ICI而導致的。而使用主動干擾消除之后，可以將該干擾抑制到很低的水平，但不可能抑制為O，所以該誤碼平臺仍然存在，但已經下降到很低的水平。同時，本發(fā)明所提供的傳輸方法在改善BER性能的同時，干擾對消子載波消耗能量僅僅占總發(fā)送能量的3.7%，從而實現了以極低的能量代價，換取了BER性能的很大改善。權利要求一種基于主動干擾消除的認知多用戶正交頻分復用傳輸方法，其特征在于系統(tǒng)當中的每個認知用戶發(fā)送端都具有一個主動干擾消除器，接收端具有一個消除子載波移除器，具體按如下步驟進行傳輸(1)將原始待發(fā)送的數據比特流信息，經過編碼映射，形成待發(fā)送的調制信號；(2)將調制信號通過主動干擾消除器，不同認知用戶根據自身的數據信息，獨立計算干擾對消子載波的權值，并將各自的干擾對消子載波，重疊放置在緊鄰主用戶頻段兩側位置；(3)在步驟(2)中，每個認知用戶通過主動干擾消除器放置的干擾對消子載波數目，是根據主用戶信號能量強弱而確定的，認知用戶檢測主用戶信號能量強弱，只要認知用戶產生的干擾滿足主用戶所要求的信干比條件即可；(4)將插入干擾對消子載波之后的信號，進行正交頻分復用調制，并加入循環(huán)段前綴，經過DA變換之后發(fā)送出去，直至當前信號發(fā)送完畢；(5)將接收下來的信號經過AD變換，去掉循環(huán)段前綴，然后進行正交頻分復用解調；(6)將正交解調之后的信號通過干擾對消子載波移除器，在認知用戶發(fā)送端插入的干擾對消子載波將被移除掉；(7)將去掉消除子載波之后的數據，進行解調與解碼，直至當前數據信號接收完畢。2.根據權利要求1所述的一種基于主動干擾消除的認知多用戶正交頻分復用傳輸方法，其特征在于所述的步驟(2)為當多個認知用戶接入系統(tǒng)，每個認知用戶都需要對主用戶進行主動干擾消除；以Ws(i)表示認知用戶i使用的所有子載波組成的集合，由D(i)和Oca)兩部分組成，其中OD(i)表示認知用戶i調制發(fā)送數據信息的子載波組成的集合，c(i)表示認知用戶i的干擾對消子載波集合，它們滿足如下關系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>Oc表示一個恒定的子載波集合；每個認知用戶統(tǒng)一將整個頻段劃分為N點子載波的正交頻分復用系統(tǒng)，不同認知用戶調制發(fā)送數據信息的子載波相互不重疊，而干擾對消子載波相互重疊；不同認知用戶根據自身發(fā)送的數據信息，獨立計算干擾對消子載波的權值；若主用戶使用[vl:v2]處的子載波，認知用戶使用[v3:v4]處子載波調制發(fā)送的數據信息，并在[vl:v2]兩側各插入c個干擾對消子載波，即[vl-c:vl-l，v2+l:v2+c]處子載波作為干擾對消子載波；認知用戶計算調制發(fā)送數據信息的子載波[v3:v4]，在主用戶頻段[vl:v2]處產生的干擾；然后，認知用戶計算[vl-c:vl-l，v2+l:v2+c]處的干擾對消子載波的加權因子，使得調制發(fā)送數據信息的子載波與干擾對消子載波在主用戶頻段產生的干擾互相抵消；干擾對消子載波^的權值通過最小均方算法估計得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中&為發(fā)送的數據信息，&=Qf^r1A:="im+wwi，上標表示q的行，下標表示Q的列，e=^r&wwWw'FNXN為傅里葉變化矩陣，u為頻域升采樣因子。3.根據權利要求1所述的一種基于主動干擾消除的認知多用戶正交頻分復用傳輸方法，其特征在于所述的步驟(3)為當多個認知用戶接入系統(tǒng)，每個認知用戶根據檢測到的主用戶信號能量強弱，確定放置的干擾對消子載波數目；認知用戶首先不使用干擾對消子載波，直接發(fā)送數據信息，如果產生的干擾滿足主用戶信干比條件，則進行后續(xù)的發(fā)送流程；如果不能滿足該信干比要求，則依次增加在主用戶頻段兩側插入的干擾對消子載波數目，使得產生的干擾值逐漸降低，直至滿足要求為止，即滿足下式其中S為檢測到的主用戶信號能量，IiQJe+Q工X」|2為認知用戶在主用戶頻段產生的干擾值，SIR。為主用戶所要求的信干比條件。全文摘要本發(fā)明公開了一種能夠實現主動干擾消除的認知多用戶正交頻分復用傳輸方法。其關鍵在于認知用戶在保護頻段即主用戶兩側插入一些調制特殊權值的子載波，稱之為干擾對消子載波，其權值由認知用戶發(fā)送數據確定，使得發(fā)送數據與干擾對消子載波旁瓣相互抵消，從而降低在保護頻段產生的干擾；插入的干擾對消子載波數目越多，干擾抑制越明顯，付出的能量代價越大，認知用戶根據檢測到的主用戶信號能量強弱，依次遞增使用的干擾對消子載波數目，使得以最低的能量代價保護主用戶；干擾對消子載波在認知用戶接收端會被移除，不同認知用戶將各自的干擾對消子載波重疊插入在緊鄰保護頻段兩側位置，由此引入的相互干擾不會影響系統(tǒng)性能，從而提高系統(tǒng)頻譜效率。文檔編號H04L1/00GK101719806SQ20091015526公開日2010年6月2日申請日期2009年12月10日優(yōu)先權日2009年12月10日發(fā)明者劉經澤,姜松,張朝陽,林澤,王培雅,陳少磊,陳曉明申請人:浙江大學