基于认知无线电的NC-OFDM系统HPA非线性的研究＊

朱春华 ,杨守义穆晓敏齐 林

(1.郑州大学 信息工程学院, 郑州450001;2.河南工业大学 信息科学与工程学院,郑州 450001)

1 引 言

近年来,基于OFDM调制的多载波调制技术备受研究者关注。相对于单载波系统而言, OFDM发射机的输出信号的瞬时值有较大的动态范围,这就要求系统内的功率放大器有很大的线性动态范围;反之,功率放大器的非线性也会对动态范围较大的信号产生非线性失真,产生谐波,造成较明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变,导致整个系统性能下降和邻信道干扰。在基于NC-OFDM[1～4]的认知无线电系统中,认知用户(Cognitive Radio User, CU)的发射信号既要满足严格的带外发射标准,同时也要保证自身的性能要求。与OFDM信号相比, NCOFDM信号的峰均比问题更为严重[5]。由于高功率放大器(HPA)的非线性加大了NC-OFDM系统中CU的旁瓣泄漏,这将增加主用户(PrimaryUser,PU)频带的干扰温度,若其超过PU的干扰容限,将导致CU不能共享PU的空闲频率资源,从而降低频率资源利用率,所以分析基于NC-OFDM的认知无线电系统中CU旁瓣泄漏对PU频带干扰温度的影响及其与系统参数设置的关系是非常重要的。与OFDM系统HPA非线性失真的分析不同[6～8], NCOFDM系统HPA非线性的分析不仅要考虑HPA参数对旁瓣泄漏功率的影响,还要考虑PU频带占用率、CR子信道大小以及保护载波数量等系统参数的设置对其的影响。本文首先给出基于NC-OFDM的认知无线电系统模型、HPA模型及信号形式,在此基础上,通过仿真分析CU子信道间隔、保护载波数量、PU频带占用率等参数变化对PU频带干扰温度的影响,给出了相应的仿真结果。

2 系统模型

2.1 NC-OFDM原理

NC-OFDM技术是在传统OFDM技术的基础上增加了频谱感知功能,所使用的子载波不再是连续的子载波,而是PU当前未占用的频率资源。由于PU的信道使用不是固定不变的,所以需要采用灵活的子载波修剪算法保护PU用户的正常通信,常用矢量分配方式完成子载波的修剪,如图1所示。图1中, PU占用的子载波和保护子载波被分配矢量零,而CU使用的子载波被分配矢量1。对应的NC-OFDM调制原理如图2所示。图2中,输入数据经过串并变换和星座映射后,采用矢量分配方式对子载波进行组合或剪裁,然后进行离散傅里叶逆变换(IDFT)得到时域信号,并增加循环前缀得到NC-OFDM信号,最后经数模转换和功率放大器形成发射信号。

图1 基于认知无线电的NC-OFDM系统传输模式Fig.1 ThetransmissionmodeofNC-OFDMbased oncognitiveradio

图2 NC-OFDM发射机原理Fig.2 TheNC-OFDMtransmittingprinciple

由图2,经D/A转换后的NC-OFDM信号可表达为

式中, i～j子载波是PU占用的频带,被分配矢量零;r(t)、φ(t)分别为NC-OFDM信号的包络和相位。经过HPA后,其包络和相位会产生不同程度的非线性失真。

2.2 HPA的非线性特性

HPA的非线性体现在两个方面:幅度非线性(AM/AM)和相位非线性(AM/PM)。对式(1)的输入,系统输出可表示为

式中, G(r(t))、ψ(r(t))分别为系统的AM/AM和AM/PM特性函数。

行波管放大器(TravelingWaveTubeAmplifier,WTA)是目前比较常用的一种HPA[9],其典型的模型为

式中, r(t)为输入信号的幅度, G(r(t))、ψ(r(t))为输出信号的幅度和相位, Asat为输入信号饱和电压, φ0取60°。输入、输出幅度都已归一化, 特性曲线如图3所示。定义输入回退(IBO):

在输入幅度r(t)为Asat时,输出幅度G(r(t))达到饱和值0.5 Asat。当输入继续增大时输出反而减小,这是TWTA特有的一种特性。并且从图3中可看出,随着HPAIBO的减小,输出信号的幅度衰减和相位失真增大。

图3 TWTA模型的AM/AM和AM/PM曲线Fig.3 AM/AMandAM/PMcharacteristicsofTWTAmodel

由上面分析可知, NC-OFDM信号经过HPA后, HPA的非线性将使其幅度和相位产生非线性失真,输出信号形式如式(2)所示。本文第三部分将比较HPA前后NC-OFDM信号旁瓣泄漏引起的PU频带的平均干扰功率,并分析PU频带占用率、CR子信道间隔、保护频带数量等系统参数对PU频带平均干扰功率的影响。

3 仿真与分析

仿真中采用的子载波修剪方案如图4所示。图4中, CR用户可使用子信道1 和子信道2 进行通信,子信道1和子信道2与PU1和PU2之间预留的置零子载波是保护载波。设保护载波数目是b,可用频率资源为M个子载波,其中PU占用载波数为a,其频带占用率为r=a/M。

图4 NC-OFDM系统子载波修剪方案示意图Fig.4 IllustrationofsubcarrierclippinginNC-OFDM

仿真中,输入数据首先经过64QAM调制,然后采用矢量分配法进行子载波修剪,最后经过IFFT操作形成NC-OFDM时域信号。为了避免混叠效应,仿真中采用4倍过采样。采用M=256路子载波的OFDM信号,经过子载波修剪后的功率谱如图5所示。

图5 NC-OFDM信号经HPA前后的功率谱密度Fig.5 ThePSDofNC-OFDM signalsbeforeandafterHPA

由图 5(a)可见, HPA的非线性引起 NCOFDM信号的带外泄漏增加了15 dB,而且带外泄漏功率几乎不随PU频带占用率变化。图5(b)给出了NC-OFDM信号的旁瓣泄漏对带内PU的干扰。随着HPA非线性的增强, CU对PU的干扰增大,且与PU频带占用率有关。可以预见, PU频带上的干扰不仅与HPA参数有关,而且与PU频带占用率、保护载波数目、PU频带位置等有关。所以,本文将详细分析上述因素变化对PU频带干扰温度的影响,从而设计合理的共存方案。

3.1 CU子载波间隔对PU频带干扰温度的影响

图6给出了不同子载波数的NC-OFDM信号HPA前后的功率谱密度,其中PU频带占用率为r=0.4。 CU可用的频带宽度不变。 CU所用的子载波数目越多,则子载波频率间隔越小。由图6可见,在未经HPA时,子载波数目越多, PU频带干扰功率越低。这是因为 NC-OFDM信号的频谱是 N个sinc(x)的和,其旁瓣按1/Nx2衰减[10], N越大,则其旁瓣衰减越大。但当HPA非线性较强时,由于存在非线性失真,子载波数越多,产生的谐波较多,引起更为严重的子信道间的干扰。可见,在存在HPA时,通过单纯增加子载波数目来降低PU频带干扰温度是不可行的。在以后的仿真中,为了简化,直接选择M=64。

图6 不同子载波数的NC-OFDM信号经HPA前后的功率谱密度Fig.6 ThePSDofNC-OFDMsignalswithdifferentsubcarriers beforeandafterHPA

3.2 HPA的IBO对PU频带干扰温度的影响

图7 不同IBO参数下的PU频带平均干扰温度Fig.7 ThePUinterferencetemperaturewithdifferentIBOs

以IBO参数为自变量, HPA前后PU频带的平均干扰功率曲线如图7所示。图7表明:IBO越小,HPA非线性越强, PU频带干扰功率越大。当IBO=0 dB、b=0时, HPA的非线性引起PU频带平均干扰功率增加了6.802 1 dB。图7(a)还表明,适当增加保护载波可以大幅降低对PU频带的干扰,增加两个保护载波,可使PU频带的平均干扰功率降低5 dB以上。但继续增加保护载波对降低PU频带干扰功率贡献不大。从图7(b)还可看出, PU频带占用率r越大,其带内干扰功率越低, 且带内干扰对IBO因子变化越不敏感。

3.3 PU频带占用率对PU频带干扰温度的影响

图8给出了PU频带占用率r变化时PU频带的平均干扰功率曲线,其中IBO=0 dB。图8表明,随着PU频带占用率的增大,其带内的平均干扰功率呈线性递减趋势,因为此时CU可用的频率资源越来越少,当然干扰就减少了。另外,图8还表明,增加保护子载波,的确可以降低CU对PU频带的干扰,但增加保护载波对PU频带干扰温度的改善是有限的。当r=0.1时,保护载波数每增加2个,则HPA后 PU频带干扰量依次降低了 4.457 4 dB、1.958 8 dB、0.705 2 dB。r=0.7 时,依次降低了2.158 3 dB、0.870 5 dB、0.237 7 dB。可见,当r较大时,保护载波的作用并不明显,而且会造成频率资源的浪费。

图8 保护子载波对PU频带干扰温度的影响Fig.8 TheeffectsofguardsubcarriersonPUinterference temperature

4 结 论

本文研究了基于OFDM的认知无线电系统中CU对PU的干扰问题。通过仿真分析了CU子载波间隔、保护载波数量、PU频带占用率等参数变化对PU频带干扰温度的影响。结果表明, HPA的IBO参数和PU频带占用率r是影响PU频带干扰温度的决定因素,当IBO=0 dB、r=0.1时, HPA的非线性使PU频带干扰温度增加了6.8 dB;当r=0.4时,其带内干扰温度降低了6 dB。增加1 ～2个保护载波可使PU频带干扰温度得到有效降低,这也说明与PU频带相邻的子载波对PU的干扰最大,该结论对进一步的干扰抑制措施和干扰受限的功率分配方案有重要作用。此外,如何设计最佳的保护载波数量和子载波间隔以同时保证频谱的高利用率和PU通信的可靠性还有待进一步研究。

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