一種基於周期圖檢測和頻譜池改進WiMAX性能的方法
2023-09-16 21:53:40 1
專利名稱：一種基於周期圖檢測和頻譜池改進WiMAX性能的方法
技術領域：
本發明涉及無線通信技術，尤其涉及WiMAX性能改進。
背景技術：
由於頻譜資源緊缺，WiMAX系統應具有靈活接入頻譜空洞並進行通信的能 力。這裡的頻譜空洞可以在授權頻段，也可以在非授權頻段。因此，WiMAX系 統應具有空閒頻譜檢測能力，不可避免地存在幹擾與共存問題。感知無線電 (CR， Cognitive Radio)被認為是提高頻譜利用率和解決幹擾共存的最佳方 案。空閒頻譜檢測技術是感知無線電的關鍵技術之一。有文獻提出利用感知無 線電改進WiMAX性能的方案[T. Yucek and H. Arslan, " Spectrum Characterization for Opportunistic Cognitive Radio Systems" , Military Communications Conference, 2006. MILC0M2006, 23-25 Oct. 2006 Page (s) : 1 - 6]。該方案要求移動臺在不改變子載波間隔的條件下能調整FFT長度，支 持不同的信道帶寬。在動態檢測信道帶寬和FFT長度時，該方案使用的空閒頻 譜檢測技術將所檢測的頻段視為一個整體。如果被檢測頻段的某幾個子載波上 有一級用戶數據(稱先接入給定頻段的為一級用戶，後接入的為二級用戶)， 則該方案認為此頻段已被佔用，而跳到下一頻段進行檢測。因此，該方案雖然 能提高頻譜利用率和提高WiMAX性能，但還是不能充分利用頻率資源。即在該 方案中，當給定頻段上某些數據子載波被使用時，剩餘的子載波不能被使用， 而造成頻率資源浪費。 發明內容本發明針對現有改進WiMAX性能的技術中存在的上述缺陷，結合WiMAX 物理層OFDM結構，二級用戶需要對OFDM結構中所有子載波進行檢測，判斷 是否僅數據子載波被佔用，並得知哪些數據子載波處於空閒狀態；然後，在 空閒數據子載波上傳二級用戶數據，在非空閒數據子載波上傳0。
實現本發明所採用的技術方案是第一步，二級用戶利用周期圖檢測技 術對某感興趣頻段上所有子載波進行檢測，判斷在該頻段上是否僅數據子載 波被佔用以及哪些數據子載波處於空閒狀態；第二步，將空閒數據子載波標 為l,非空閒數據子載波標為0，統計空閒數據子載波數kl,根據系統所要求 的吞吐量，得到每次傳送數據時所需的最小空閒數據子載波數k2;第三步， 如果kl> k2，則進入第四步，否則跳到下一感興趣頻段進行頻譜檢測；第四 步，利用頻譜池技術，結合WiMAX物理層OFDM結構，在空閒數據子載波上傳 輸二級用戶數據，在非空閒數據子載波上傳0。
本發明採用的周期圖檢測技術的具體步驟為第一步，將接收信號進行 帶通濾波，得到某個頻段的信號；第二步，對該信號進行模數轉換得到相應 的數位訊號；第三步，對數位訊號進行N點FFT變換，得到頻域數據；第四 步，對頻域數據取模、平方及求平均，得到檢驗統計量r(y);第五步，將檢驗 統計量與門限進行比較，從而判斷每個子載波上是否存在一級用戶信號。
本發明採用的頻譜池技術為將檢測出的空閒數據子載波總數與系統設 定值進行比較，決定是否在該頻段上傳輸數據；如果空閒數據子載波總數小 於系統設定值，則跳到下一頻段進行空閒頻譜檢測；如果空閒數據子載波總 數大於系統設定值，則決定在該頻段空閒數據子載波上傳輸二級用戶數據， 在非空閒數據子載波上傳0。採用本發明提出的利用周期圖檢測技術和頻譜池技術改進WiMAX性能的 方法，儘量利用現有可用的空閒數據子載波，進一步提高了頻譜資源的利用 率，同時避免了一級用戶與二級用戶之間的幹擾，提高了 WiMAX性能。
圖1利用周期圖頻譜檢測技術和頻譜池技術改進WiMAX性能框圖 圖2周期圖頻譜檢測框圖 圖3多徑瑞利衰落正弦信號的檢測性能 圖4頻段是否被使用判斷示意圖 圖5頻譜空洞標記示意圖 圖6 WiMAX物理層OFDM結構示意圖 圖7利用頻譜池技術傳輸二級用戶數據示意圖
具體實施例方式
利用周期圖檢測技術和頻譜池技術改進WiMAX性能的原理圖如圖1所示。 二級用戶利用周期圖檢測技術對某頻段上所有子載波進行檢測，以得到該頻段 上的空閒子載波；然後根據頻譜檢測結果進行頻譜標記，並決定是否在該頻段 傳送數據，統計空閒子載波總數；若該總數大於系統設定值，二級用戶就決定 在該頻段空閒子載波上傳送數據，結合WiMAX物理層OFDM結構，利用頻譜池 技術實現基帶數據傳送。
當二級用戶希望在某頻段傳輸數據時，二級用戶首先要檢測該頻段上是否 存在一級用戶(先接入給定頻段的用戶稱為一級用戶，後接入的稱為二級用 戶)。其過程是將接收信號:Kf)進行帶通濾波，模數轉換，N點FFT變換， 取模平方平均，最後與門限比較判決,如圖2所示。圖中/f。表示該子載波上不存在一級用戶信號，巧表示該子載波上存在一級用戶信號。
利用周期圖頻譜檢測技術對頻段上每個子載波進行檢測。如果檢驗統計量 大於門限，就判為存在一級用戶信號，否則不存在一級用戶信號。當周期圖檢
測的FFT點數Nl與WiMAX物理層OFDM結構中的FFT點數N2相等時，利用周 期圖檢測技術所得到的空閒子載波就是WiMAX物理層OFDM結構所對應的子載 波。當N1〉N2時，需要根據WiMAX物理層OFDM結構，對周期圖檢測時的子載 波進行抽取，然後得到與WiMAX物理層OFDM結構所對應的空閒子載波，由此確 定在該頻段上是否僅WiMAX物理層OFDM結構中的數據子載波被佔用，否則跳 到一個感興趣頻段進行頻譜檢測。
1、利用周期圖檢測技術對某頻段上所有子載波進行檢測 在接收端，FFT頻率譜線可以看成多路徑下的瑞利衰落正弦信號，通過先 驗信息可以獲得不同系統主用戶的均值方差，即
其中，^是瑞利衰落正弦信號幅值。
周期圖檢測框圖如圖2所示，利用周期圖檢測技術進行檢査的步驟具體包
括，第一步，將接收信號y(t)通過帶通濾波器BPF進行帶通濾波，得到某個頻 段的信號；第二步，模數轉換器對對該信號進行模數轉換得到相應的數位訊號; 第三步，對數位訊號進行N點FFT變換，得到頻域數據；第四步，對頻域數據 取模、平方和求平均，得到檢驗統計量r(y)，檢驗統計量為
，其中，^表示FFT點數。第五步，將檢驗統計量與門
formula see original document page 6
限進行比較，從而判斷每個子載波上是否存在一級用戶信號。由此確定哪些數 據子載波處於空閒狀態。根據噪聲方差C72與虛警概率^確定門限。門限、檢測概率A、虛警概率屍,。
分別滿足以下公式A = "Mn^-，& =
屍/a
其中，平均信號能量噪聲比為 7 =順j2 /2)/ct2 - iWr， /ct2
採用功率譜(PSD)估計器進行周期圖檢測。每個瑞利衰落正弦信號的檢測性 能如圖3所示，由平均信號能量噪聲比、虛警概率Pfa根據圖3的性能確定檢 測概率。
2、 空閒數據子載波標記及判斷是否跳到下一頻段
第一步已經確定在該頻段上僅數據子載波被佔用。所以，檢測出空閒數據 子載波之後，首先對該檢測頻段所有子載波進行標記，將空閒數據子載波標為 0，非空閒數據子載波標為1，統計空閒數據子載波數，記為kl。然後，根據 系統所要求的吞吐量，得到每次傳送數據時所需的最小空閒數據子載波數，稱 之為系統設定值，記為k2。當kl〉 k2時，二級用戶則決定在該頻段上傳輸數 據，否則跳到下一感興趣頻段進行頻譜檢測，如圖4所示。當周期圖檢測的FFT 點數為2048,而WiMAX物理層OFDM結構的FFT點數為256時，需對周期圖檢 測時的子載波進行抽取，其抽取間隔為8，取虛警概率為0.01，此時頻譜空洞 標記示意圖如圖5所示。
3、 利用頻譜池技術按照WiMAX物理層OFDM結構傳送二級用戶數據 WiMAX物理層0FDM結構示意圖如圖6所示。在頻域中， 一個0FDM符號共
有256個子載波，子載波從-128 +127編號，0號是直流子載波，-128 -101 和101 127是保護子載波，-100 -1和1 100共200個是選用子載波。選用 子載波中的-88、 -63、 -38、 -13、 13、 38、 63、 88的8個子載波(即導頻數目怖=8)為導頻子載波，其餘的192個是用來傳送MAC數據的數據子載波。 8個導頻子載波等間隔均勻分布在192個數據子載波中，每個導頻子載波兩側 各有12個數據子載波。
頻譜池技術最基本的問題是二級用戶使用頻譜池資源的時候不能對一級 用戶造成任何有害影響， 一級用戶也不需要做任何軟體和硬體上的修改來支持 此功能，對它來說就像在它的頻帶上沒有存在任何其它系統一樣。這樣，二級 用戶得到了可以使用的頻譜資源。基於OFDM的頻譜池將頻段分成若干個子載 波，用當前、當地可利用的頻譜空洞所對應的子載波傳輸二級用戶的數據，而 將正在活動的一級用戶頻段所對應的子載波設置為關閉狀態，即二級用戶在這 些存在一級用戶數據的子載波上傳輸O。根據WiMAX物理層OFDM結構，二級用 戶需要對OFDM結構中所有子載波進行檢測，以得知是否僅數據子載波被佔用 和哪些數據子載波處於空閒狀態。然後在空閒數據子載波上傳二級用戶數據， 在非空閒數據子載波上傳0，如圖7所示為利用頻譜池技術傳輸二級用戶數據 示意圖。
採用本發明的改進WiMAX性能的方法，能充分利用給定頻段上每一個空閒 數據子載波，進一步提高了頻譜利用率，並且避免了一級用戶與二級用戶之間 的幹擾，提高了WiMAX性能。
以上所述，僅為本發明的較佳實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於 此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可以輕易想到的變換 和替換，都應包含在本發明的保護範疇內。因此，本發明的保護範圍應以權利 要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種利用周期圖檢測和頻譜池技術改進WiMAX性能的方法，其特徵在於，利用周期圖檢測技術對某頻段上所有子載波進行檢測，判斷在該頻段上是否僅數據子載波被佔用以及哪些數據子載波處於空閒狀態；統計空閒數據子載波數，如果空閒數據子載波數大於每次傳送數據時所需的最小空閒數據子載波數，利用頻譜池技術，在該頻段空閒數據子載波上傳輸二級用戶數據，在非空閒數據子載波上傳輸數據0，否則跳到下一頻段進行空閒頻譜檢測。
2. 根據權利要求1所述改進WiMAX性能的方法，其特徵在於，所採用周 期圖檢測技術的具體步驟為將接收信號進行帶通濾波，得到某個頻段的信 號；對該信號進行模數轉換得到數位訊號；對數位訊號進行N點FFT變換， 得到頻域數據；對頻域數據取模、平方和求平均，得到檢驗統計量r(y);將檢 驗統計量與門限進行比較，從而哪些數據子載波處於空閒狀態。
3. 根據權利要求1所述改進WiMAX性能的方法，其特徵在於，所述頻譜 池技術為將頻段分成若干個子載波，用當前、當地可利用的頻譜空洞所對 應的子載波傳輸二級用戶的數據，而將正在活動的一級用戶頻段所對應的子 載波設置為關閉狀態。
4. 根據權利要求1所述改進WiMAX性能的方法，其特徵在於，根據噪聲 方差C72、虛警概率4，根據公式；i-^ln +確定門限。
全文摘要
本發明請求保護一種WiMAX性能改進方案，涉及無線通信系統。為了充分利用頻率資源，本發明利用周期圖檢測技術對某頻段上所有子載波進行檢測，判斷在該頻段上是否僅數據子載波被佔用以及空閒數據子載波數；如果空閒數據子載波數大於每次傳送數據時所需的最小空閒數據子載波數，利用頻譜池技術，根據WiMAX物理層OFDM結構與系統吞吐量，在該頻段空閒數據子載波上傳輸二級用戶數據，在非空閒數據子載波上傳輸數據0。本發明提出的利用周期圖檢測技術和頻譜池技術改進WiMAX性能的方案，儘量利用現有可用的空閒數據子載波，提高了頻譜資源的利用率，同時避免了一級用戶與二級用戶之間的幹擾，提高了WiMAX性能。
文檔編號H04B17/00GK101583141SQ20091010415
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月23日 優先權日2009年6月23日
發明者謝顯中, 黃秋宴 申請人:重慶郵電大學