專利名稱：基于非連續(xù)載波ofdm系統(tǒng)的低復(fù)雜度功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非連續(xù)載波OFDM (正交頻分復(fù)用)系統(tǒng)的自適應(yīng)功率控制方法，屬于無 線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在動態(tài)頻譜接入(Dynamic Spectrum Access)網(wǎng)絡(luò)(亦稱認知無線電網(wǎng)絡(luò))中，次要用 戶在獲得授權(quán)并不對主要用戶產(chǎn)生干擾的情況下，獲得動態(tài)接入的機會，進行通信傳輸。 Timo. A. Weiss等提出的"頻譜池"(Spectrum Pooling)策略能夠有效地提高頻譜的使用效率， 即次要用戶獲得授權(quán)之后可以使用統(tǒng)一頻譜池中未被主耍用戶所占據(jù)的頻段，這樣可以更加 有效地利用整個目標(biāo)頻段。同時，正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)作為典型的多載波調(diào)制技術(shù)之 一，具有潛在的抗多徑能力，頻譜利用率非常高等優(yōu)點，而其自適應(yīng)傳輸能力強的優(yōu)點使其 較其它物理層接入技術(shù)更加適用在"頻譜池"中，利用頻譜"空穴"進行機會通信。
典型的注水功率分配定理可以認為是OFDM在加性高斯白噪聲(AWGN)環(huán)境中的最優(yōu)功率 分配算法，在動態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)中，次要用戶經(jīng)常采用OF匪作為其物理層調(diào)制方式，并將其 所有子載波劃分為不連續(xù)的若干子帶，選取不對主要用戶工作頻段產(chǎn)生嚴重干擾的子帶進行 數(shù)據(jù)收發(fā)通信，這樣的OFDM被稱為非連續(xù)載波0F匿。但是由于0F匿系統(tǒng)的功率譜存在著旁 瓣能量泄漏現(xiàn)象，所以需要對頻譜池中的NC-OFDM系統(tǒng)(非連續(xù)載波OF畫系統(tǒng))各子載波上 的發(fā)送功率進行特殊地控制，以保證在次要用戶對主要用戶的十?dāng)_不超過預(yù)先規(guī)定的門限值 的情況下，進行最大速率通信。
如圖1所示，假設(shè)窄帶主要用戶的工作頻帶位于次要用戶的工作頻帶之間，次要用戶是 包含10個載波的非連續(xù)載波OFDM且各有5個子載波分布在主要用戶兩側(cè)；次要用戶將有一 定的旁瓣能量泄漏進主要用戶工作區(qū)。在這里，暫不考慮電磁波傳播的路徑損耗等問題。
首先給出干擾受限條件下最大化非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)信道容量的數(shù)學(xué)描述
<formula>formula see original document page 3</formula>(公式l)
這里的7決十?dāng)_功率門限，化表示第i個子信道的信道幅度增益，AW'，《)表示NC-0FDM
系統(tǒng)第i子載波的旁瓣能量泄漏對主用戶帶來的干擾項，《表示主次用廣的載頻間隔，S和
^"'。'分別表示第i載波的發(fā)射功率和總發(fā)射功率，同時在此處認為系統(tǒng)噪聲是均值為0方差 為1的高斯加性白噪聲，暫不考慮主要用戶對次要用戶的干擾。當(dāng)約束條件'=1 被滿足后，'=i 將必然成立，所以在這里我們將上述
優(yōu)化問題退化成以下描述
<formula>formula see original document page 4</formula>
U=1 (公式2) 這同樣是是一個嚴格的凸優(yōu)化問題，可以通過梯度搜索的方式來求解。利用拉格郎曰乘
子法，把公式2變形為
,義)=2 log(l + /7, f )-義(￡ /,(《,",)-4 )
義為拉格郎日乘子，將公式4. 14對《求導(dǎo)，可以得到 3丄 ， 3/,.
)#
令公式4等于零，可以得到最優(yōu)功率解向量為
(公式3)
(公式4) (公式5)
<formula>formula see original document page 4</formula>
拉格郎日乘子A可以由以下公式求得，
(公式6)
(公式7)
同時，第i載波由于發(fā)射功率S而對主要用戶產(chǎn)生的干擾值可以表示為^ =《《'表示， 結(jié)合公式6和公式7我們可以得到<formula>formula see original document page 4</formula>
(公式8)
以上就是該優(yōu)化問題的求解過程，當(dāng)?shù)^程中一旦出現(xiàn)了分配負功率的情況將需要增 加若干次迭代后才可以收斂到最優(yōu)點，計算復(fù)雜度相對較高。按照公式6，如果忽略A項后，可以發(fā)現(xiàn)在每個子載波上加載的功率近似與參數(shù)《'成反
比例關(guān)系，而&的大小又取決于主次用戶與當(dāng)前第i個載波的載頻間隔《，所以為了降低次
要用戶對主要用戶的干擾，需要在距主要用戶較近的子載波上加載較少的功率，而在距主要 用戶較遠的子載波上加載較多的功率，直觀地看起來，功率分配比例呈云梯狀，在干擾功率 達到門限值時即停止發(fā)射功率的加載。
由此，介紹以下幾種次優(yōu)的快速功率分配方法
(一) 等步長階梯方法
對于圖1所示的頻譜池系統(tǒng)，此方案采用均勻遞增的功率分配策略。對于次要NC-OFDM 用戶，從頻譜池中央向兩側(cè)依次均勻遞增各子載波上的發(fā)射功率。
根據(jù)以下公式
,二尸* /
"' (公式9)
可以推出算法A的最終解為
廠'—w
'=1 (公式IO)
i^表示功率分配結(jié)果。
(二) 反比例方法
此方案依然采用從頻譜池中央向兩側(cè)依次遞增各子載波上的發(fā)射功率的思想，區(qū)別于第 (一)種的均勻遞增，其遞增步長與參數(shù)《(干擾因子)成反比例關(guān)系，功率分配結(jié)果/f可
表示為
'.—^ (公式n)
但是0FDM系統(tǒng)的各階功率譜旁瓣的幅度衰減并非嚴格滿足等間隔的云梯狀分布。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對應(yīng)用于認知無線電頻譜池環(huán)境中作為次要用戶的非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)現(xiàn)有 的功率控制算法存在的缺點，提供一種在保證把旁瓣干擾功率水平限制在一定門限的前提下 最大化非連續(xù)載波OFDM次要用戶信道容量的基于非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)的低復(fù)雜度功率控制 方法。
本發(fā)明基于非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)的低復(fù)雜度功率控制方法，采用二次拋物線代替一次函 數(shù)來模擬非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)的各階功率譜旁瓣的幅度衰減比例，以一種平方比例進行功率控制，該平方比例方法的數(shù)學(xué)描述為:
尸c二 ,.2*/決
(公式12)
上述公式中的7^表示干擾功率門限，i依然表示子載波的序號，N表示子載波總數(shù)，《, 表示干擾因子，即表示與主要用戶的歸一化頻率間隔為i的子載波對主要用戶產(chǎn)生的干擾， if表示功率分配結(jié)果；具體包括以下步驟
(1) 確定階次，在數(shù)學(xué)描述公式中選取二階；
(2) 確定頻譜池中可用子載波的位置，以主要用戶為中心，在頻域上向主要用戶兩側(cè)依次 遞增地標(biāo)定可用子載波的位置；
(3) 根據(jù)階次擬合次要用戶的帶外輻射干擾信息，并以總功率為限注水分配發(fā)射功率；
(4) 利用計算機仿真計算各可用子載波上的功率消耗和發(fā)送速率情況，并統(tǒng)計NC-0FDM系 統(tǒng)的信道總?cè)萘亢拖目偣β省?br>
本發(fā)明在保證次要用戶對主要用戶的干擾功率受限前提下自適應(yīng)地加載各子載波的發(fā)射 功率，達到了最高的通信速率要求；在保證把旁瓣干擾功率水平限制在一定門限的前提下， 使非連續(xù)載波OFDM次要用戶的信道容量最大化。
圖1是頻譜池中主次用戶頻域分布示意圖。
圖2是矩形加窗非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)中幾種功率分配算法性能比較圖。
具體實施例方式
本發(fā)明采用平方比例控制方法，是背景技術(shù)中等步長階梯方法和反比例方法的折中。等 步長階梯方法太過主觀地認為載波各階旁瓣按線性關(guān)系依次陷落，而反比例方法只依賴旁瓣 干擾信息而忽略了信道的質(zhì)量狀況，實際上通過曲線擬合后發(fā)現(xiàn)，載波的各階旁瓣的陷落成 指數(shù)關(guān)系。本發(fā)明的平方比例方法表示為
pC = 不乂rt
2
'=1 (公式12)
在這里，7"表示干擾功率門限，i依然表示子載波的序號，N表示子載波總數(shù)，《,表
示干擾因子，即表示與主要用戶的歸一化頻率間隔為i的子載波對主要用戶產(chǎn)生的干擾，if
分別表示本專利的功率分配結(jié)果。
圖2給出了矩形加窗非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)中幾種功率分配方法的性能比較。在這里，
通過計算機仿真環(huán)境如下描述
假定NC-0FDM系統(tǒng)有IO個子載波，每個子載波帶寬為5kHz，系統(tǒng)噪聲為均值零，方差
6為1的加性高斯白噪聲，信道模型采用C0ST207 HT山區(qū)模型，其信道增益向量為H=
。
通過比較可知，本發(fā)明在保證把旁瓣干擾功率水平限制在一定門限的前提下，最大化次 要非連續(xù)載波OFDM次要用戶的信道容量，復(fù)雜度較低。
本發(fā)明根據(jù)兩種低復(fù)雜度快速方法提出一種平方比例方法，能夠獲得比以上兩種方法更 優(yōu)的性能。提出的方法并不僅限于使用二次拋物線來擬合NC-OFDM的系統(tǒng)旁瓣能量比例，也 可以使用高階指數(shù)函數(shù)來擬合各階旁瓣的能量比例關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種基于非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)的低復(fù)雜度功率控制方法，其特征是采用二次拋物線代替一次函數(shù)來模擬非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)的各階功率譜旁瓣的幅度衰減比例，以一種平方比例進行功率控制，該平方比例方法的數(shù)學(xué)描述為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>i</mi> <mi>C</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>i</mi> <mn>2</mn></msup><mo>*</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>th</mi></msub> </mrow> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi></msub><mo>*</mo><msup> <mi>i</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math></maths>上述公式中的Ith表示干擾功率門限，i依然表示子載波的序號，N表示子載波總數(shù)，Ki表示干擾因子，即表示與主要用戶的歸一化頻率間隔為i的子載波對主要用戶產(chǎn)生的干擾，PiC表示功率分配結(jié)果；具體包括以下步驟(1)確定階次，在數(shù)學(xué)描述公式中選取二階；(2)確定頻譜池中可用子載波的位置，以主要用戶為中心，在頻域上向主要用戶兩側(cè)依次遞增地標(biāo)定可用子載波的位置；(3)根據(jù)階次擬合次要用戶的帶外輻射干擾信息，并以總功率為限注水分配發(fā)射功率；(4)利用計算機仿真計算各可用子載波上的功率消耗和發(fā)送速率情況，并統(tǒng)計NC-OFDM系統(tǒng)的信道總?cè)萘亢拖目偣β省?br>
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)的低復(fù)雜度功率控制方法，采用二次拋物線代替一次函數(shù)來模擬非連續(xù)載波OFDM系統(tǒng)的各階功率譜旁瓣的幅度衰減比例，以一種平方比例進行功率控制，具體包括以下步驟(1)確定階次；(2)確定頻譜池中可用子載波的位置；(3)根據(jù)階次擬合次要用戶的帶外輻射干擾信息，并以總功率為限注水分配發(fā)射功率；(4)統(tǒng)計NC-OFDM系統(tǒng)的信道容量和消耗功率。本發(fā)明在保證次要用戶對主要用戶的干擾功率受限前提下自適應(yīng)地加載各子載波的發(fā)射功率，達到了最高的通信速率要求，使非連續(xù)載波OFDM次要用戶的信道容量最大化。
文檔編號H04W52/00GK101557640SQ20091001513
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者楊子原, 袁東風(fēng) 申請人:山東大學(xué)