NC-OFDM系统旁瓣抑制中的可变干扰抵消基函数设计

代光发,王　勤，王高峰，陈少平

(1.武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430074; 2.中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室,湖北武汉 430074)



NC-OFDM系统旁瓣抑制中的可变干扰抵消基函数设计

代光发1，2,王勤2，王高峰1，陈少平2

(1.武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430074; 2.中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室,湖北武汉 430074)

在抑制非连续载波正交频分复用(Non-contiguous Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,NC-OFDM)系统旁瓣的方法中，使用固定长度和矩形形状干扰抵消子载波的主动干扰抵消方法(Active Interference Cancellation,AIC)抑制深度不够，而其改进方法扩展AIC (Extended AIC)对数据子载波干扰又太大.本文发现插入在不同频段的干扰抵消子载波对旁瓣抑制的效果不同，并在此基础上提出对干扰抵消子载波按频率分组，不同组的干扰抵消子载波使用不同的长度与波形，从而提高对NC-OFDM信号旁瓣的抑制效果，同时减小了所引入的载波间干扰.仿真结果表明：采用本文提出的可变基函数方案，在达到-60dB的旁瓣抑制深度时，即使采用高阶的64-QAM符号映射(实验条件是误符号率为10-5)，干扰抵消信号对数据子载波造成的载波间干扰也几乎可以忽略.

认知无线电;非连续载波正交频分复用;旁瓣抑制;主动干扰抵消

1　研究背景

认知无线电(Cognitive Radio,CR)因为能够高效地感知和利用空闲频谱空洞，缓解当前无线频谱资源紧张的问题，受到了广泛关注[1].认知无线电物理层最佳的调制方式之一是使用非连续载波正交频分复用(NC-OFDM)技术，因为它特别适合利用随时可能出现的未被授权用户(Primary User,PU)占用的频谱.但是NC-OFDM存在载波频谱旁瓣过大干扰授权用户的问题[2]，研究人员因此提出了各种解决办法.

其中，因为简单而被广泛采用的时域加窗法，需要较多的额外时间与保护频带，频谱利用率低[3].自适应符号过渡[4]与加窗法相似，但针对每个符号计算最优的波形过渡区(相当于自适应窗)，提高了旁瓣抑制效果，但计算量太大.星座图扩展法[5]与谱预编码方法[6]也存在恶化认知用户误码率或降低谱效的问题.主动干扰抑制[7]方法(Active Interference Cancellation,AIC)通过在发送端产生一个干扰抵消信号来抵消NC-OFDM的旁瓣，提高了谱效，但旁瓣抑制深度还有待提高.优化干扰子载波选择法[8](Optimized Cancellation Carriers Selection,OCCS)虽然优化了干扰抵消子载波(Cancellation Carriers,CC)的频率位置，但需要保留大量的(多达19个子载波)频带用于插入CC，频谱利用率降低太多，且旁瓣抑制深度有限(只有-43dB)；并且计算量更大.EAIC-CP[2](Extended Active Interference Cancellation with Cyclic Prefix)与EAIC-IC[9](Extended Active Interference Cancellation with Self-Interferences Constraint)方法增加了CC的长度与密度，因此提高了旁瓣抑制效果，却引入了对NC-OFDM信号较大的子载波间干扰(Inter-subcarrier Interference,ICI).另外，文献[10]联合应用加窗和干扰抵消的方法来提高旁瓣抑制效果，其主要问题是不能应用于不加窗的NC-OFDM系统.

本文的研究发现，在主动干扰抑制方法中，插入在不同频率位置的CC对NC-OFDM的旁瓣抵消起的效果并不完全相同.已有的主动干扰方法均没有考虑到这一特点，使用的是相等长度和矩形形状的基函数.而本文将CC按频率位置分成两组，它们的波形与长度不同，能够更好的抑制NC-OFDM的旁瓣，且引入的ICI更小.仿真结果显示，本文提出的可变干扰抵消基函数设计，在将NC-OFDM信号的旁瓣降低到-60dB时，所造成信噪比损失几乎可以忽略(实验条件为高斯白噪声信道，64QAM(Quadratic-Amplitude Modulation)调制，误符号率10-5).

2　系统模型

基于NC-OFDM调制方式的认知无线电系统调制单元的等效基带模型如图1所示.与传统OFDM调制不同的是，认知用户(Second User,SU)要关闭与主用户(PU)频段重叠的子载波，以避免干扰PU，所以其频谱是非连续的,即对于待发送的频域符号x有x(l)=0,其中l=[lmin∶1∶lmax]是关闭子载波的索引.于是，发送数据x经过IFFT调制，并串变换，和插入长度为Lcp的循环前缀(CyclicPrefix,CP)，得到的OFDM时域符号可写为:

d=Fdx

(1)

(2)

(3)

c=Bcw

(4)

3　干扰抵消基函数新方案

3.1可变干扰抵消基函数设计

图2展示了NC-OFDM信号的频谱与旁瓣，以及CC频谱的特点，这一结果是通过对EAIC-IC(或EAIC-CP)方法仿真得到.通过观察可知，插入的CC可按频率位置及能量大小分为两组，即分别处于保护频带(GU)和处于PU频带，如图3所示.插入在保护频带的CC的主瓣离待抑制NC-OFDM的旁瓣较远，不能直接用其主瓣抵消NC-OFDM的旁瓣，而只能靠其旁瓣来间接抵消NC-OFDM的旁瓣，所以我们观察到保护频带的CC能量更大，但其能量效率更低.插入在PU频带的CC的频谱主瓣与NC-OFDM的频谱旁瓣重叠或相距更近，能用其主瓣直接的抵消NC-OFDM的旁瓣，所以能量效率更高，能量反而更小.

另一方面，保护频带的CC比PU频带的CC离NC-OFDM数据子载波更近，能量也更大，所以更容易造成ICI干扰.特别是当CC的长度长于NC-OFDM数据符号时间，如EAIC-IC，保护频带的CC会造成较大的符号间干扰(ISI).因此，如何减小保护频带的CC造成的ISI与ICI，同时又尽量不降低干扰低消信号的旁瓣抑制能力，是解决问题的有效有段.最优的干扰抵消基函数由NC-OFDM旁瓣的频谱的统计特征确定，受到保护带宽的大小、CP长度等因素的影响，直接求解存在困难.本文提出一种次优的干扰抵消基函数设计方案，重新定义干扰抵消基矩阵Bv，其元素为：

(5)

(6)

(7)

从式(6)和式(7)可以看出，两种CC的长度与波形不同.首先rpu(n)长于一个OFDM符号时间，且有光滑的滚降曲线，见图4.这样设计的理由是:保证了PU频段的CC较长，因此具有较好的旁瓣抵消能力;同时因为PU组的CC能量小，且远离NC-OFDM数据子载波，所以引入的ICI不会太大；rpu(n)头尾为缓慢升降，可以进一步减小对前后相邻符号的干扰；rpu(n)的滚降因子随Lcp变化而变化，是因为主动干扰抑制方法的性能均受到CP长度的影响，随Lcp动态变化的滚降因子可以改善这一问题.

rgu(n)是长度为N+Lcp的矩形窗.这是因为插入在保护频段的CC离NC-OFDM数据子载波更近且能量更大，长度为N+Lcp可避免造成对前后符号的干扰.另外，保护频段的CC依赖其旁瓣而不是主瓣作为有效的干扰抵消能量，所以具有更大旁瓣的矩形窗更合适.

因为窗函数只作用于CC，而不改变数据子载波的波形，所以不破坏OFDM的数据子载波的正交性，不引入新的干扰.当采用了新的基函数来设计干扰抵消信号时，因为该基函数是对NC-OFDM旁瓣抑制优化设计的，所以其旁瓣抑制效果更好，且所引入的对数据子载波的ICI也将较小.下一节将在约束CC信号对数据子载波的干扰的条件下求解干扰抵消信号.

3.2约束干扰抵消信号造成的ICI与ISI

从Bv的定义可以看出,部分CC的归一化频率不为整数，即与NC-OFDM的数据子载波不正交，对认知用户数据子载波造成干扰(ICI).甚至，超出一个OFDM符号时间长度的CC还会造成符号间干扰(Inter-Symbol Interference,ISI).主动干扰抵消方法的旁瓣抑制的效果要受限于认知用户所能容忍的ICI与ISI，下面对此进行分析.

(8)

(9)

4　实验结果与分析

本节用数值仿真实验评估新的干扰抵消基函数的性能，并与EAIC-CP，EAIC-IC方法比较.OCCS方法虽然不引入对数据子载波的自干扰，但却需要多得多的保留频段，因为与本文的代价不同，所以不便于在这里直接比较.本节还仿真了Lcp对干扰抵消性能的影响，Lcp分别取8，16,32,64.假设NC-OFDM系统的子载波总数N=256，采用64QAM符号映射和高斯白噪声信道;PU处在NC-OFDM的[84∶90]个子载波位置，SU关闭的子载波位置为[83∶91]，b=1，即总共使用了2个子载波作为保护带宽.为了对比旁瓣抑制效果，所有的频谱都对数据子载波功率归一化，且DFT谱分析的过采样因子取v=16.

表1　ICI=-30dB时旁瓣抑制性能对比

表2　ICI=-40dB时旁瓣抑制性能对比

表1、表2对比了在引入的ICI分别为-30dB和-40dB的条件下，采用了不同基函数的干扰抵消方法所达到的旁瓣抑制深度.仿真结果表明:(1)不管CP长度如何(Lcp=8,16,32,64)，在引入的ICI大小相同时，可变基函数方案比EAIC-CP和EAIC-IC的旁瓣抑制明显更好；(2)3种方案的旁瓣抑制性能都受限于所引入ICI的大小，当所引入的ICI变小时，3种方法的性能都会变差.但在达到相同的旁瓣抑制深度时(如-60dB)，新方案所引入的ICI要小得多;(3)3种方案的性能都受Lcp的影响，但程度不同.EAIC-CP方法性能随着Lcp减小会明显变差，这是因为当CP变短时，EAIC-CP的全部CC都要明显变短.特别是当Lcp=0，干扰抵消信号长度为N，与数据子载波长度相同，尽管CC的频率间隔设置为1/2，但实际的效果等同于传统AIC方法，此时更密集的基函数只会造成多余，丝毫不能提高旁瓣抑制效果.EAIC-IC在ICI=-30dB时，CP越短旁瓣抑制能力越强；而在ICI=-40dB时，较长的CP效果更好，所以EAIC-IC对Lcp不稳定.而新方案受CP长度的影响更小，这是可变基函数的可变滚降因子平衡的结果.

图5对比了NC-OFDM系统在达到相同的旁瓣抑制深度(-60dB,比LTE标准-59dB深1dB)时，采用不同的干扰抑制基函数时的系统误符号率(Symbol Error rate,SER).采用高阶64QAM符号映射和加性高斯白噪声信道可以突出新的基函数方案ICI非常小的特点.对于低阶的符号调制，或者更恶劣的无线衰落信道环境，插入CC引起的ICI就不成为恶化SER的主要因素了，可以忽略.图5显示在达到相同的旁瓣抑制深度时(-60dB)，采用新方案的误码性能明显优于另外两种方案.虽然新方案的SER性能也受到了CP长度的影响，但所引入的ICI在4种情况下都非常小，即使和没有ICI的白噪声信道相比(SER=10-5)也几乎可以忽略.

5　结论

本文针对NC-OFDM旁瓣较大的问题提出了一种新的干扰抵消基函数.新的基函数按频率分为两组，它们的长度与波形可变，能够更有效的抑制NC-OFDM的旁瓣，同时又尽量减小引入的ICI.仿真实验验证了该结论，旁瓣抑制性能明显优于已有的EAIC-IC与EAIC-CP方法.使用新的干扰抵消基函数后，旁瓣抑制深度达到-60dB时，对NC-OFDM系统所造成的ICI也几乎可以忽略.

[1]MA J,LI G Y,JUANG B H.Signal processing in cognitive radio[J].Proceedings of the IEEE,2009,97(5):805-823.

[2]QU D,WANG Z,JIANG T.Extended active interference cancellation for sidelobe suppression in cognitive radio OFDM systems with cyclic prefix[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2010,59(4):1689-1695.

[3]MAHMOUD H A,ARSLAN H.Spectrum shaping of OFDM-based cognitive radio signals[A].Proc.IEEE Radio and Wireless Symp[C].Florida,USA:2008.113-116.

[4]MAHMOUD H A,ARSLAN H.Sidelobe suppression in OFDM-based spectrum sharing systems using adaptive symbol transition[J].IEEE Communications Letters,2008,12(2):133-135.

[5]PAGADARAI S,RAJBANSHI R,WYGLINSKI A M.Sidelobe suppression for OFDM-based cognitive radios using constellation expansion[A].Wireless Communications and Networking Conference,IEEE[C].Las Vegas,NV,USA:2008.888-893.

[6]TOM A,SAHIN A,ARSLAN H.Mask compliant precoder for OFDM spectrum shaping[J].Communications Letters,IEEE,2013,17(3):447-450.

[7]YAMAGUCHI H.Active interference cancellation technique for MB-OFDM cognitive radio[A].Proc.34th European Microwave Conf[C].Amsterdam,The Netherlands:2004.1105-1108.

[8]KRYSZKIEWICZ P,BOGUCKA H.Out-of-band power reduction in NC-OFDM with optimized cancellation carriers selection[J].Communications Letters,IEEE,2013,17(10):1901-1904.

[9]WANG Z,QU D,JIANG T.Sidelobe suppression using extended active interference cancellation with self-interferences constraint for cognitive OFDM systems[J].Mobile Networks and Applications,2011,16(5):544-552.

[10]代光发，陈少平，王高峰.OFDM认知无线电系统中的非正交主动旁瓣抑制方法[J].电子学报,2013,41(10):2061-2066.

Dai Guang-fa,Chen Shao-ping,Wang,Gao-feng.Non-orthogonal activel interference cancellation for sidelobe supression in OFDM based cognitive radios[J].Acta Electrronica Sinica,2013,41(10):2061-2066.(in Chinese)

代光发男,1979年出生于湖北洪湖,武汉大学电子信息学院在读博士.现任职于中南民族大学，讲师.主要研究方向为OFDM、认知无线电.

E-mail:daiguangfa@scuec.edu.cn

陈少平男,1965年出生于湖北公安,博士.中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室,教授.研究方向为通信理论与通信技术.

E-mail:spchen@scuec.edu.cn

王高峰男,1965年出生于湖北英山.留美双博士,武汉大学电子信息学院教授.主要研究领域包括微纳集成电路设计、电子设计自动化(EDA)软件、微机电系统器件研究、微纳光电集成电路研究、电磁场理论和通讯工程、信号处理和人工智能、小波分析等.

Variable Cancellation Basis for Side-Lobe Suppression in Non-contiguous OFDM Systems

DAI Guang-fa1,2,WANG Qin2,WANG Gao-feng1，CHEN Shao-ping2

(1.CollegeofElectronicsandInformation,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430074,China; 2.HubeiKeyLaboratoryofIntelligentWirelessCommunications,SouthCentralUniversityforNationalities,Wuhan,Hubei430074,China)

In non-contiguous orthogonal frequency-division multiplexing (NC-OFDM) based cognitive radio systems,conventional active interference cancellation (AIC) and extended AIC (EAIC) schemes use the same rectangular waveform of the same length for all canceling carriers (CCs),leading to the limitation of performance improvement of side-lobe suppression or inter-carrier interference (ICI) reduction.In this paper,a novel variable cancellation basis was proposed for side-lobe suppression in NC-OFDM cognitive radio systems based on the observation that CCs in different frequency have non-uniform attribution for sidelobe suppression.So,CCs are grouped by frequency locations and shaped with different waveforms of different lengths to satisfy good side-lobe suppression performance while reducing ICI at the same time.Numerical results show that,with the proposed CC scheme,NC-OFDM signal’s side-lobe can be suppressed to -60 dB with negligible signal-to-noise ratio loss at a symbol error rate of 10-5with 64 quadratic-amplitude modulation symbol.

cognitive radio;non-contiguous orthogonal frequency-division multiplexing;side-lobe suppression;active interference cancellation

2014-10-10；

2015-09-06；责任编辑：马兰英

国家自然科学基金(No.61302117,No.61201267,No.61179007)

TN393

A

0372-2112 (2016)05-1156-06

电子学报URL:http://www.ejournal.org.cn10.3969/j.issn.0372-2112.2016.05.020