專利名稱：認知無線電的ofdm幀結(jié)構(gòu)及其副載波分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及認知無線電技術(shù)在無線局域網(wǎng)中的應(yīng)用，具體地說是一種應(yīng)用于認知無線電的OFDM幀結(jié)構(gòu)，及其應(yīng)用該認知無線電的OFDM幀結(jié)構(gòu)在無線局域網(wǎng)中進行副載波分配的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的無線頻譜分配策略下，頻譜資源的分配策略為固定分配。一旦某頻段已分配給某授權(quán)用戶，即使該頻段的授權(quán)用戶并未使用所分配頻段，該頻段也不能被其他非該頻段授權(quán)的用戶使用。事實上，如果對頻段進行長時間的監(jiān)控的話，將會發(fā)現(xiàn)一部分頻段在多數(shù)時間里都是保持空閑的，還有一部分頻段僅被部分的占用，而剩下的頻段則異常繁忙，如900MHz的GSM頻段。參見“Frequency agile spectrum access technologies”，M.McHenry，in FCC Workshop Cogn.Radio，May 19，2003和“The end of spectrum scarcity，”，G.Stapleand K.Werbach，IEEE Spectrum，vol.41，no.3，pp.48-52，Mar.2004.因此隨著無線通信應(yīng)用的發(fā)展，有限的頻譜資源在固定的分配模式下日漸緊張，然而實際的頻譜資源利用率并不高。
認知無線電(Cognitive Radio)是國際上90年代出現(xiàn)的一種新概念。該技術(shù)的一個研究重點是對無線環(huán)境的感知和利用，實現(xiàn)動態(tài)重用已經(jīng)固定分配給授權(quán)用戶的頻段以及其他空閑頻段以提高現(xiàn)有頻譜資源的利用率。由于認知無線電工作的頻段可以包含已經(jīng)分配給授權(quán)用戶的頻段，所以在使用該頻段時應(yīng)當盡量降低和避免對通信中的授權(quán)用戶的干擾，此時認知無線電的用戶扮演者非授權(quán)用戶的角色。參見FCC的Technology AdvisoryCouncil于2002年12月發(fā)表的“The EndgameA Possible Candidate for an Intelligent WirelessDevice Bill of Rights”及其相關(guān)文檔，可知受時間和空間等因素的影響，授權(quán)用戶在使用其授權(quán)頻段過程中可能出現(xiàn)三種無線場景1.授權(quán)用戶停止工作，其授權(quán)頻段空閑。
2.授權(quán)用戶距離使用該頻段的任何其他非授權(quán)用戶較遠，受傳播損耗影響，其他非授權(quán)用戶對授權(quán)用戶的干擾較小，不致影響授權(quán)用戶的通信。
3.授權(quán)用戶距離任何使用該頻段的其他非授權(quán)用戶較近，但是其他非授權(quán)用戶使用該頻段時采用較小的發(fā)射功率，不致影響授權(quán)用戶的通信。
針對上述三種無線場景情況，非授權(quán)用戶在使用授權(quán)用戶的頻段時需要采用一定的策略避免對授權(quán)用戶的通信造成影響。在使用過程中同時需要考慮所使用的授權(quán)用戶頻段的可利用程度，從而達到充分利用的目的。在認知無線電的領(lǐng)域，參見“Cognitive RadioBrain-Empowered Wireless Communications”，Simon Haykin，IEEE Journal On Selected AreasIn Communications，Vol.23，No.2，F(xiàn)ebruary 2005，可以利用“干擾溫度”來衡量授權(quán)用戶頻段的可利用程度。同時采用干擾溫度上限來表示在不對授權(quán)用戶的通信造成影響的情況下授權(quán)用戶處可以容忍的最大干擾溫度。通常認為該干擾溫度上限和認知無線電用戶未工作時的授權(quán)用戶處的干擾溫度的差值越大，則該頻段的可利用程度越高。干擾溫度和貝爾茲曼常數(shù)的乘積即為該頻段內(nèi)的功率譜密度，所以干擾溫度和功率譜密度具有對應(yīng)關(guān)系。對于非授權(quán)用戶而言，可以傲據(jù)頻段的可利用程度，簡單的采用頻譜空洞的級別進一步標示認知無線電工作的不同頻段。上述三種場景可以分別以白洞，灰洞和黑洞對應(yīng)表示，其中白洞的可利用度最高，灰洞次之，黑洞可利用度最低，甚至不可以使用。根據(jù)工作頻段的不同頻譜空洞級別，非授權(quán)用戶需要在保證誤碼率等要求的前提下，調(diào)整在對應(yīng)頻帶的發(fā)射功率。同時由于認知無線電工作的頻段可能由多個分配給不同授權(quán)用戶的相鄰頻段組成，每個授權(quán)用戶的工作狀況不一樣，因此對于非授權(quán)用戶而言，該工作頻段可能是一個隨時間動態(tài)變化的白洞，灰洞和黑洞的組合。其一個示例可以如圖1所示，其中頻帶101、104、106為黑洞，102、105、108為灰洞，103、107為白洞。因此認知無線電技術(shù)必須具有工作頻段內(nèi)功率動態(tài)分配的能力，解決有效利用多個離散的具有不同可用度的頻段的問題。解決這個問題可以依賴于當前比較流行的多載波技術(shù)，而其中的正交頻分復用OFDM技術(shù)因為其頻譜效率高、實現(xiàn)簡單更是得到人們的關(guān)注。在應(yīng)用多載波技術(shù)時，首先需要確定一種合理的物理幀結(jié)構(gòu)以提供對數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罨局С帧?br> 在正交頻分復用OFDM中，可用載波被劃分為多個正交的副載波或通道，每一副載波傳輸通信數(shù)據(jù)的一部分。每一個副載波的狀況，包括發(fā)射功率、比特速率及是否使用，可以分別進行設(shè)定。無線局域網(wǎng)國際標準IEEE802.11a標準的物理層采用了OFDM技術(shù)，其定義了64個副載波，包括48個數(shù)據(jù)副載波、4個控制副載波和12個空閑副載波，每個副載波帶寬為0.3125MHz。其各副載波分配如圖2所示。該系統(tǒng)占用連續(xù)的20MHz的帶寬，工作在5GHz～6GHz頻段，支持最大54Mbps的傳輸速率?？紤]到IEEE802.11a無線局域網(wǎng)工作的頻段可能受到其他工作在該頻段的設(shè)備如雷達的干擾，無線局域網(wǎng)國際標準IEEE802.11h中進一步提出了動態(tài)頻率選擇DFS和傳輸功率控制TPC技術(shù)，從而具有探測干擾和頻道切換的能力。但是IEEE802.11a的物理層幀的特征在于必須使用其所定義的所有副載波，而每個數(shù)據(jù)副載波都采用相同的調(diào)制編碼方式。因此在采用該幀結(jié)構(gòu)時必須占用連續(xù)的20MHz的空閑頻段，這就限制了其應(yīng)用于認知無線電時可能使用的空洞的大小和等級。即使找到了連續(xù)的大于20MHz的白洞和灰洞的組合，如圖1中的白洞107，灰洞108，也會受到情況最差的空洞，如灰洞108的限制而降低了對空洞的利用率。可見認知無線電技術(shù)的無線局域網(wǎng)的物理層如果繼續(xù)采用IEEE802.11a的物理層幀結(jié)構(gòu)是不合適的，且其他現(xiàn)有的OFDM無線局域網(wǎng)，如Hiperlan/2的物理層幀結(jié)構(gòu)也是不合適的。
綜上可知，現(xiàn)有的OFDM無線局域網(wǎng)的物理層幀結(jié)構(gòu)不能滿足認知無線電技術(shù)的需求。因此，需要設(shè)計一種適用于應(yīng)用認知無線電技術(shù)的OFDM無線局域網(wǎng)的物理層幀結(jié)構(gòu)，以有效合理利用工作頻段內(nèi)的多種類型空洞，達到提高頻譜利用率的目的。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的在于避免上述已有技術(shù)的不足，提供一種新的適用于應(yīng)用認知無線電技術(shù)的OFDM幀結(jié)構(gòu)，同時利用該結(jié)構(gòu)進一步提出應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的副載波分配方法，以解決頻譜利用率和改善認知無線電傳輸系統(tǒng)的誤幀性能問題。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的認知無線電的OFDM幀結(jié)構(gòu)，包括前導序列和由數(shù)據(jù)副載波構(gòu)成的多個子帶，其中每一個子帶包含有相對獨立的信息域、數(shù)據(jù)域，該信息域里包含有速率域、校驗域和長度域。
上述OFDM幀結(jié)構(gòu)，其中所述的每一個子帶里的信息域還包含有可變比特數(shù)量的補充比特，該補充比特的長度由幀結(jié)構(gòu)中所包含的子帶數(shù)目和單個子帶所包含的數(shù)據(jù)副載波的數(shù)目設(shè)定。
本發(fā)明利用上述幀結(jié)構(gòu)進行OFDM副載波分配的方法，按如下過程進行(1)確定OFDM系統(tǒng)的可用頻段；(2)將OFDM系統(tǒng)的副載波劃分為若干個子帶和固定控制副載波，使每個子帶中包含至少一個數(shù)據(jù)副載波，且將固定控制副載波位于數(shù)據(jù)副載波之間或子帶之間；(3)選擇位于可用頻段內(nèi)的所有子帶和固定控制副載波；(4)根據(jù)需要在可用頻帶中再插入動態(tài)控制副載波；(5)根據(jù)通信系統(tǒng)傳輸速率的要求對子帶可承載的比特速率進行檢測，如果滿足要求則分配結(jié)束，反之重新選擇可用頻段，重復步驟(2)繼續(xù)進行副載波分配。
上述OFDM副載波分配的方法，其中步驟(1)確定OFDM系統(tǒng)的可用頻段，按如下過程進行
①將認知無線電系統(tǒng)的工作頻段內(nèi)所包含的不同子頻段，劃分成至少一個空洞；②在劃分后的空洞集合中按照可利用等級選擇可以使用的空洞，該可利用等級通過干擾溫度上限和實際干擾溫度的差確定；③將所選可使用空洞所覆蓋的頻段確定為可用頻段。
上述OFDM副載波分配的方法，其中步驟(4)中根據(jù)需要插入動態(tài)控制副載波的過程如下①當子帶所包含的數(shù)據(jù)副載波和與其最近的控制副載波之間的頻率間隔大于或等于8個副載波間隔時，在該子帶與距離最近的控制副載波相反方向外側(cè)的相鄰副載波處插入動態(tài)控制副載波；②如果插入的動態(tài)控制副載波偏離所選擇空洞集合所覆蓋的頻段時，取消該動態(tài)控制副載波的插入，并停止使用與該動態(tài)控制副載波相鄰的子帶；③重復步驟①直到所有子帶滿足要求。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點1.本發(fā)明由于采用按子帶劃分的OFDM幀結(jié)構(gòu)，且每個子帶都包含有相對獨立的信息域，可以有效提高對頻譜資源的利用率；同時由于該幀結(jié)構(gòu)支持以子帶為單位的任意裁減，可以降低和/或避免對其他授權(quán)用戶的干擾。
2.本發(fā)明由于利用所述的OFDM幀結(jié)構(gòu)進行的副載波分配，可在通常的認知無線電工作環(huán)境下保持較好的誤幀性能。


圖1是現(xiàn)有認知無線電工作頻段頻譜使用狀況示意2是現(xiàn)有無線局域網(wǎng)國際標準IEEE802.11a中OFDM幀的副載波分配示意3是本發(fā)明的OFDM幀結(jié)構(gòu)框4是本發(fā)明依據(jù)認知無線電工作頻段頻譜使用狀況確定的子帶功率分配示意5是本發(fā)明OFDM幀結(jié)構(gòu)中幀信息域的長度域比特填充過程6是本發(fā)明OFDM幀結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)域填充比特填充過程7是本發(fā)明利用所述OFDM幀結(jié)構(gòu)進行無線局域網(wǎng)物理層幀副載波分配流程8是本發(fā)明OFDM幀結(jié)構(gòu)的子帶大小對幀開銷的影響曲線9是本發(fā)明利用所述OFDM幀結(jié)構(gòu)進行無線局域網(wǎng)物理層幀副載波分配示意10是本發(fā)明在副載波分配中對子帶裁減及動態(tài)控制副載波插入過程11是本發(fā)明的誤幀性能仿真結(jié)果12是本發(fā)明的頻譜利用率性能仿真結(jié)果圖具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述一.認知無線電的OFDM幀結(jié)構(gòu)參照圖3，本發(fā)明的認知無線電的OFDM幀結(jié)構(gòu)由4個OFDM符號長度的前導序列、可變數(shù)量的OFDM符號長度的幀信息域、可變數(shù)量的OFDM符號長度的數(shù)據(jù)域構(gòu)成。其中前導序列的功能是實現(xiàn)幀檢測、幀同步、自動增益控制、頻偏估計和信道估計等功能；可變數(shù)量的OFDM符號所組成的幀信息域和可變數(shù)量的OFDM符號所組成的數(shù)據(jù)域包含多個由數(shù)據(jù)副載波構(gòu)成的子帶。本實施例給出了子帶A、子帶B、子帶C、子帶D四個子帶，每個子帶填充有速率域、長度域、校驗域、補充比特和數(shù)據(jù)域。由于OFDM的各副載波的調(diào)制方式和功率可單獨設(shè)置，所以由副載波構(gòu)成的子帶也可以進行單獨的設(shè)置。每個子帶可以使用不同的調(diào)制方式、編碼速率和發(fā)射功率。這種特征恰好滿足了認知無線電技術(shù)在充分利用工作頻段頻譜資源時所要求的頻段內(nèi)功率動態(tài)分配的能力。在圖1所示的工作頻段中，對應(yīng)于白洞所處頻段的子帶可以分配較大的發(fā)射功率及速率，從而提高空閑頻段的利用率，而對應(yīng)于灰洞和黑洞所處頻段的子帶可以分配較小的發(fā)射功率或不分配發(fā)射功率，從而減少對該對應(yīng)頻段授權(quán)用戶的干擾。圖4示出了該情況下的一個實施例，圖4中分別對應(yīng)圖1中的頻段使用狀況，在子帶404、406、408、409和410分配較大的功率，而子帶401、402、403、405、407、411分配較小的功率甚至不分配。
從圖3可見，本發(fā)明的OFDM幀結(jié)構(gòu)從所包含的域上看與IEEE802.11a中所提出的OFDM幀結(jié)構(gòu)并沒有太大區(qū)別。但IEEE802.11a的幀僅能夠支持所有的副載波采用相同設(shè)置，如調(diào)制方式、編碼速率、發(fā)射功率等，而圖3的幀結(jié)構(gòu)卻可以提供以子帶為單位的不同配置方式的支持，這種能力源于以上所述的對幀信息域和幀數(shù)據(jù)域按子帶的分配。
1.幀信息域的子帶結(jié)構(gòu)該幀信息域子帶填充的速率域由4個比特組成，根據(jù)該4個比特的信息，可以確定該速率域所在子帶包含的數(shù)據(jù)域的調(diào)制方式和編碼速率。例如表1所示的速率域為1101比特時，其對應(yīng)的數(shù)據(jù)域的調(diào)制方式為BPSK，編碼速率為1/2，相當于每副載波每OFDM符號上的編碼比特數(shù)為1比特，每副載波每OFDM符號可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特數(shù)為1/2比特；當速率域為1111比特時，其對應(yīng)的數(shù)據(jù)域的調(diào)制方式為BPSK，編碼速率為3/4，相當于每副載波每OFDM符號上的編碼比特數(shù)為1比特，每副載波每OFDM符號可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特數(shù)為3/4比特；當速率域為0101比特時，其對應(yīng)的數(shù)據(jù)域的調(diào)制方式為QPSK，編碼速率為1/2，相當于每副載波每OFDM符號上的編碼比特數(shù)為2比特，每副載波每OFDM符號可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特數(shù)為1比特。當速率域為0001比特時，其對應(yīng)的數(shù)據(jù)域的調(diào)制方式為64-QAM，編碼速率為2/3，相當于每副載波每OFDM符號上的編碼比特數(shù)為6比特，每副載波每OFDM符號可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特數(shù)為4比特。
表1速率域的內(nèi)容

該幀信息域子帶填充的長度域包含相同數(shù)量的比特，但是對于不同的幀，該長度域的比特數(shù)目可能不同，其比特數(shù)目由該幀中所使用子帶的數(shù)量、每子帶包含的副載波數(shù)量和分配時所使用的原則，如最小化信息域的OFDM符號數(shù)目或固定分配決定。所有子帶的長度域比特數(shù)總和應(yīng)大于等于12個比特，前12個比特用于指示該幀的數(shù)據(jù)域中所承載的總的有效比特數(shù)目，而超過12個比特的多余比特位則在考慮峰平比PAR的基礎(chǔ)上產(chǎn)生二進制數(shù)填充。圖5示出了一個依據(jù)最小化信息域的OFDM符號數(shù)目原則進行長度域比特分配的實施例。該實施例中包含5個子帶，每個子帶由4個副載波組成。采用BPSK調(diào)制方式和1/2編碼速率時每子帶每OFDM符號可承載2個比特的有效數(shù)據(jù)，因此信息域至少需要占用4個OFDM符號。因此每個子帶應(yīng)包含3個比特的長度域比特。圖5中前4個子帶被順序填充該幀的數(shù)據(jù)域長度，而最后1個子帶的長度域為多余比特，被沒有實際含義的二進制數(shù)填充。
該幀信息域子帶填充的比特校驗域為1個比特，其功能是對所在子帶的速率域和長度域進行奇偶校驗和錯誤檢錯。
該幀信息域子帶填充的補充比特由可變數(shù)量的比特組成，其功能為當信息域中有效比特不能被速率域、長度域和校驗域全部填滿時，需要補充比特以保證該幀中的幀信息域能夠占用整個完整的OFDM符號。在圖5的實施例中，當子帶的數(shù)量為6時，每個子帶所包含的信息域需要再包含1比特的補充比特才能使該幀的幀信息域占用全部4個OFDM符號。
2.幀的數(shù)據(jù)域的結(jié)構(gòu)本發(fā)明所提出的幀的數(shù)據(jù)域由幀中所有子帶所包含的數(shù)據(jù)域構(gòu)成。幀所承載的數(shù)據(jù)比特按照每符號每子帶可以承載的有效數(shù)據(jù)的比特數(shù)目，即該值由子帶對應(yīng)的幀信息域中的速率域決定，首先依照子帶的順序填充單個OFDM符號的所有子帶的數(shù)據(jù)域，然后按照相同方法依次填充其后的OFDM符號。如果最后一個OFDM符號沒有填滿，則在考慮峰平比PAR的基礎(chǔ)上產(chǎn)生二進制數(shù)填滿。這種按符號填充的方法與按子帶進行的填充方法相比更有利于抵抗個別子帶的接收信噪比過低所引入的誤碼。
圖6示出了幀的數(shù)據(jù)域填充過程的一個實施例。在圖6中，連續(xù)的二進制數(shù)據(jù)流首先根據(jù)每個子帶的OFDM符號可承載的有效比特數(shù)量進行分組后，按符號逐個填充子帶，直到所有數(shù)據(jù)填充完畢。該數(shù)據(jù)幀被接收機接收后，每一個子帶的幀信息域被接收，根據(jù)解析子帶的信息域獲得其后面對應(yīng)數(shù)據(jù)域的參數(shù)，進而可以對該子帶中數(shù)據(jù)域進行解調(diào)；然后逐個符號的按照上述填充過程的相反過程進行數(shù)據(jù)拼接，恢復發(fā)送數(shù)據(jù)。
二.副載波分配方法本發(fā)明利用上述OFDM結(jié)構(gòu)進行副載波分配的方法如圖7所示。其具體過程如下1.確定OFDM系統(tǒng)的可用頻段確定OFDM系統(tǒng)的可用頻段首先根據(jù)認知無線電系統(tǒng)工作頻段內(nèi)各授權(quán)用戶頻段處的實際干擾溫度和干擾溫度上限，將該工作頻段劃分為不同的子頻段，進而根據(jù)各子頻段的可利用等級劃分成至少一個空洞，該可利用等級可以由該頻段的干擾溫度上限和實際干擾溫度的差確定；然后在劃分后的空洞集合中根據(jù)可利用等級的要求，選擇使用可以滿足該要求的所有空洞，從而得到可用空洞集合；最后將所選可用空洞集合所覆蓋的頻段確定為可用頻段，未覆蓋頻段確定為不可用頻段。
2.將OFDM系統(tǒng)的副載波劃分為若干個子帶和固定控制副載波(1)通過如下3個因素確定單個子帶包含的副載波的數(shù)目①通信系統(tǒng)的相干帶寬通信系統(tǒng)的相干帶寬可以根據(jù)最大多徑時延差確定。根據(jù)經(jīng)驗，若要令子帶經(jīng)歷的衰落為平坦衰落，其帶寬應(yīng)小于相干帶寬的1/3～1/5。在無線局域網(wǎng)應(yīng)用中，其典型的最大多徑時延差為200ns，可根據(jù)如下分式計算相干帶寬Bc=1Δτ=1200ns=5MHz]]>根據(jù)計算可知子帶帶寬應(yīng)小于1MHz～5/3MHz。
②幀中用于傳輸幀頭的開銷；由于每個子帶有獨立的幀信息域，所以單個子帶包含副載波的數(shù)量越少，其信息域所占用的OFDM符號就越多，有效載荷的比例越低，幀頭的開銷越大。因此單個子帶所包含的副載波數(shù)量應(yīng)該滿足對幀開銷的要求。選用不同子帶大小時的效率可以在每個子帶采用相同調(diào)制方式和編碼速率的條件下，按照如下公式通過幀頭所占用的OFDM符號數(shù)目和最大長度的數(shù)據(jù)所占用的OFDM符號數(shù)目的比值進行衡量， 其中L為子帶內(nèi)包含副載波數(shù)目，n為使用的子帶數(shù)目，Rate表示當前的調(diào)制編碼速率，即每載波每OFDM符號可承載的比特數(shù)，該函數(shù)值R越小則效率越高。
圖8為數(shù)據(jù)域采用16-QAM調(diào)制方式，1/2編碼速率調(diào)制時的效率曲線。從圖8中可以明顯看到，L越大，其效率越高。當L＝4和L＝5時，兩條曲線在使用的總副載波數(shù)目大于50時曲線基本重合。
③可用空洞頻段的大小在副載波間隔保持不變的條件下，子帶內(nèi)包含的副載波越多，意味著可以利用的空洞就要更大，所以子帶的帶寬也應(yīng)該小于能夠使用的最小的獨立的空洞頻段的大小。
通過對以上三個因素分析表明在最大多徑時延差為200ns，每個副載波帶寬為0.3125MHz的無線局域網(wǎng)環(huán)境下，本發(fā)明采用子帶在包含4個數(shù)據(jù)副載波是比較合適，保證了幀的效率的同時降低了子帶的帶寬。
(2)劃分子帶和固定控制副載波本發(fā)明中應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的OFDM幀包含256個OFDM副載波，根據(jù)需要將該256個副載波編號為[-128～127]。副載波[-128～-122，0，122～127]保持空閑，用于去除IFFT變換后的直流分量和降低帶外輻射，其余的副載波為數(shù)據(jù)副載波和控制副載。根據(jù)信道估計的要求，插入的固定控制副載波之間的頻率間隔應(yīng)小于系統(tǒng)的相干帶寬。對于200ns最大多徑時延差的無線局域網(wǎng)應(yīng)用而言其相干帶寬為5MHz，對應(yīng)副載波間隔為0.3125MHz時，固定控制副載波的間隔最大為14個副載波間隔。子帶和固定控制副載波的位置由表2確定。表2中固定控制副載波以副載波0對稱分布在編號為[-119，-105，-91，-77，-63，-49，-35，-21，-7，7，21，35，49，63，77，91，105，119]的副載波上，其他副載波則為數(shù)據(jù)副載波。由于每個子帶包含4個數(shù)據(jù)副載波，因此該幀的數(shù)據(jù)副載波可對稱劃分為56個子帶，編號為[-28～-1，1～28]。如編號為[-121，-120，-118，-117]的副載波被劃分為子帶-28，編號為[-116，-115，-114，-113]的副載波被劃分為子帶-27，如表2所示。
表2子帶和固定控制副載波分配表



表2中，固定控制副載波可以位于單個子帶所包含的4個數(shù)據(jù)副載波之間，如固定控制副載波7位于子帶2中的數(shù)據(jù)副載波6和8之間，固定控制副載波105位于子帶25中的數(shù)據(jù)副載波106和107之間，固定控制副載波-77位于子帶-18中的數(shù)據(jù)副載波-78和-76之間；也可以位于兩個子帶之間，如固定控制副載波-91位于子帶-22和-21之間，固定控制副載波35位于子帶8和9之間，固定控制副載波91位于子帶22和21之間。
圖9示出了表2中在使用全部子帶時由數(shù)據(jù)副載波和固定控制副載波分配示意圖。在該圖9中，在頻域方向OFDM的工作頻段被劃分為256個副載波，使用了編號為[-121～-1，1～121]的副載波，所劃分的56個子帶和18個固定控制副載波對稱分布在編號為0的副載波兩側(cè)。在時域方向，該OFDM幀被劃分為長度為4個OFDM符號的前導序列、3個OFDM符號的幀信息域和若干OFDM符號的數(shù)據(jù)域。
3.選擇位于可用頻段內(nèi)的所有子帶和固定控制副載波在將OFDM的所有副載波劃分為子帶和固定控制副載波之后，根據(jù)工作的無線環(huán)境的頻譜使用狀況，按照誤幀率和/或傳輸速率等要求以表2中子帶為單位在可用頻帶內(nèi)以頻段可利用程度為順序選擇可用子帶，同時選擇位于可用頻帶內(nèi)的所有固定控制副載波。
4.根據(jù)需要在可用頻帶中插入動態(tài)控制副載波；由于部分固定控制副載波位于不可用頻帶內(nèi)而導致對與其相鄰的數(shù)據(jù)副載波的信道估計等不能滿足要求，此時需要插入動態(tài)控制副載波進行彌補。其插入方法為當子帶所包含的數(shù)據(jù)副載波和與其最近的控制副載波之間的頻率間隔大于或等于8個副載波間隔時，在該子帶與距離最近的控制副載波相反方向外側(cè)的相鄰副載波處插入動態(tài)控制副載波，即將該相鄰副載波設(shè)為動態(tài)控制副載波，如果插入的動態(tài)控制副載波偏離所選擇可用頻段時，則取消該動態(tài)控制副載波的插入，并停止使用與該動態(tài)控制副載波相鄰的子帶；重復檢測所有的子帶的數(shù)據(jù)副載波和與之最近的控制副載波之間的頻率間隔，并根據(jù)需要插入動態(tài)控制副載波，直到所有子帶滿足要求。
5.根據(jù)通信系統(tǒng)傳輸速率的要求對以上分配結(jié)果進行檢測最終的分配結(jié)果可能不能滿足通信系統(tǒng)傳輸速率的要求，需要進一步檢測判斷。其檢測是根據(jù)通信系統(tǒng)傳輸速率的要求對子帶可承載的比特速率進行，如果滿足要求則分配結(jié)束，反之重新選擇可用頻段，重復步驟2，再進行副載波分配。
圖10示出了以上副載波分配的一個實施例。在該例中，首先根據(jù)可利用頻段和表2中確定的子帶和固定控制副載波分配，選擇使用子帶[-28～-19，-4～15，25～28]及可用頻段所包含的所有固定控制副載波。在插入動態(tài)控制副載波時，子帶-4的左側(cè)根據(jù)需要插入一個動態(tài)控制副載波并該副載波位于可用頻帶內(nèi)。而子帶-19右側(cè)也需要插入動態(tài)控制副載波，但是該動態(tài)控制副載波將位于不可用頻帶內(nèi)，因而取消該動態(tài)控制副載波的插入，同時取消子帶-19的使用，改為在子帶-20右側(cè)插入動態(tài)控制副載波。
三.仿真結(jié)果為了驗證效果，本發(fā)明在最小化誤幀率的條件下對所述的幀結(jié)構(gòu)和副載波分配方法的性能進行仿真，仿真中采用的無線局域網(wǎng)國際標準IEEE802.11a幀的調(diào)制方式分別為QPSK、16QAM、64QAM，編碼速率為3/4，仿真圖11和圖12使用的橫坐標為平均信噪比。該平均信噪比定義為，在通常的認知無線電工作的無線環(huán)境中，如圖1所示的不同等級空洞的組合，所有副載波處可用信號功率譜密度與噪聲及干擾功率譜密度的比值的均值，即SNRaverage=10lg(ΣP1imit(i)-Pnoise(i)-Pinterference(i)Pnoise(i)-Pinterference(i))]]>其中Plimit(i)為副載波信道i處的功率譜密度的上限，Pnoise(i)和Pinterference(i)分別為副載波信道i處的噪聲功率譜密度和干擾功率譜密度。
參照圖11，曲線1、曲線2、曲線3是利用本發(fā)明OFDM幀結(jié)構(gòu)和副載波分配方法在傳輸速率分別為18Mbps、36Mbps、54Mbps時仿真出的平均信躁比—誤包率曲線，曲線4、曲線5、曲線6是利用無線局域網(wǎng)國際標準IEEE802.11a的幀結(jié)構(gòu)在傳輸速率分別為18Mbps、36Mbps、54Mbps時仿真出的平均信躁比—誤包率曲線。從仿真曲線可見，在誤幀率為10-3的條件下，曲線1比曲線4的性能提高了30dB，而曲線2比曲線5、曲線3比曲線6的性能均提高了30dB以上。由此可見，在通常的認識無線電工作無線環(huán)境下，本發(fā)明OFDM幀結(jié)構(gòu)和副載波分配方法與已有方法相比，可有效改善傳輸系統(tǒng)的誤幀性能。
參照圖12，曲線7、曲線8、曲線9是利用本發(fā)明OFDM幀結(jié)構(gòu)和副載波分配方法在傳輸速率分別為18Mbps、36Mbps、54Mbps時仿真出的平均信躁比—頻譜利用率曲線，曲線10、曲線11、曲線12是利用無線局域網(wǎng)國際標準IEEE802.11a的幀結(jié)構(gòu)在傳輸速率分別為18Mbps、36Mbps、54Mbps時仿真出的平均信躁比—頻譜利用率曲線。從仿真曲線可見，在平均信躁比為-15～10dB時，曲線7比曲線10、曲線8比曲線11的頻譜利用率性能均提高了1～3b/s/Hz，曲線9比曲線12的頻譜利用率性能提高了0.5～3.5b/s/Hz。由此可見，在通常的認識無線電工作無線環(huán)境中，尤其是平均信噪比低于10dB的無線環(huán)境中，本發(fā)明OFDM幀結(jié)構(gòu)和副載波分配方法與已有方法相比，可以有效提高頻譜利用率。
本發(fā)明的系統(tǒng)不局限于4個子帶的實施例，實際中子帶的數(shù)目選擇是由認知無線電系統(tǒng)工作的無線環(huán)境決定的，這些不同數(shù)目子帶的認知無線電OFDM幀結(jié)構(gòu)及其副載波分配的方法均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種認知無線電的OFDM幀結(jié)構(gòu)，包括由數(shù)據(jù)副載波構(gòu)成的多個子帶和前導序列，其特征在于每一個子帶包含有相對獨立的信息域、數(shù)據(jù)域，該信息域里包含有速率域、校驗域和長度域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM幀結(jié)構(gòu)，其特征在于每一個子帶里的信息域還包含有可變比特數(shù)量的補充比特，該補充比特的長度由幀結(jié)構(gòu)中所包含的子帶數(shù)目和單個子帶所包含的數(shù)據(jù)副載波的數(shù)目設(shè)定。
3.一種利用權(quán)利要求1所述的幀結(jié)構(gòu)進行OFDM副載波分配的方法，按如下過程進行(1)確定OFDM系統(tǒng)的可用頻段；(2)將OFDM系統(tǒng)的副載波劃分為若干個子帶和固定控制副載波，使每個子帶中包含至少一個數(shù)據(jù)副載波，且將固定控制副載波位于數(shù)據(jù)副載波之間或子帶之間；(3)選擇位于可用頻段內(nèi)的所有子帶和固定控制副載波；(4)根據(jù)需要在可用頻帶中再插入動態(tài)控制副載波；(5)根據(jù)通信系統(tǒng)傳輸速率的要求對子帶可承載的比特速率進行檢測，如果滿足要求則分配結(jié)束，反之重新選擇可用頻段，重復步驟(2)，進行副載波分配。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中步驟(1)確定OFDM系統(tǒng)的可用頻段，按如下過程進行①將認知無線電系統(tǒng)的工作頻段內(nèi)所包含的不同子頻段，劃分成至少一個空洞；②在劃分后的空洞集合中按照可利用等級選擇可以使用的空洞，該可利用等級通過干擾溫度上限和實際干擾溫度的差確定；③將所選可使用空洞所覆蓋的頻段確定為可用頻段。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中步驟(4)中根據(jù)需要插入動態(tài)控制副載波的過程如下①當子帶所包含的數(shù)據(jù)副載波和與其最近的控制副載波之間的頻率間隔大于或等于8個副載波間隔時，在該子帶與距離最近的控制副載波相反方向外側(cè)的相鄰副載波處插入動態(tài)控制副載波；②插入的動態(tài)控制副載波偏離所選擇空洞集合所覆蓋的頻段時，取消該動態(tài)控制副載波的插入，并停止使用與該動態(tài)控制副載波相鄰的子帶；③重復步驟①直到所有子帶滿足要求。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種認知無線電的OFDM幀結(jié)構(gòu)及其副載波分配方法。主要解決認知無線電傳輸系統(tǒng)的傳輸性能問題。該幀結(jié)構(gòu)包括前導序列和由數(shù)據(jù)副載波構(gòu)成的多個子帶，每一個子帶包含有相對獨立的信息域、數(shù)據(jù)域，該信息域里包含有速率域、校驗域、長度域和補充比特。利用該OFDM幀結(jié)構(gòu)進行副載波分配時，首先確定OFDM系統(tǒng)的可用頻段，將OFDM系統(tǒng)的副載波劃分為若干個子帶和固定控制副載波；然后選擇位于可用頻段內(nèi)的所有子帶和固定控制副載波，根據(jù)需要在可用頻帶中再插入動態(tài)控制副載波；最后根據(jù)通信系統(tǒng)傳輸速率的要求對子帶可承載的比特速率進行檢測，結(jié)束分配。本發(fā)明具有誤幀性能好，頻譜利用率高之優(yōu)點，可有效用于認知無線電通信技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號H04J11/00GK1889403SQ20061004291
公開日2007年1月3日 申請日期2006年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月1日
發(fā)明者李建東, 陳東, 李維英, 楊家瑋, 劉勤, 趙林靖, 馮軍, 李紅艷, 陳彥輝, 邢成文, 王寧 申請人:西安電子科技大學