面向抗干擾與高能效應用的CI-OFDM分析.pdf

獨 創 性 聲 明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 簽名： 日期 ： 年 月 日 關于論文使用授權的說明 本學位論文作者完全了解電子科技大學有關保留、使用學位論文的規定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權電子科技大學可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。 （保密的學位論文在解密后應遵守此規定） 簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日 萬方數據摘要 I 摘 要 近年來 ， 許多 研究者 從技術手段和應用背景， 對 正交頻分復用（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM） 進行了 研究與 改進。 本文選取 有較低誤碼率（ Bit Error Rate， BER）、較好峰值平均功率比（ Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）表現的載波干涉正交頻分復用（ Carrier Interferometry Orthogonal Frequency Division Multiplexing， CI-OFDM）作為設計 出發點， 面向實際應用場景 進行無線傳輸 系統設計。 首先，本文將簡單介紹 CI-OFDM 的收發結構模型，描述 CI 碼 的實現方法 。接著 為了驗證 CI-OFDM，本文將在 頻譜共享的場景 中 ，非理想信道估計下， 結合添零（ Zero Padding， ZP） -OFDM 傳輸方案 ， 通過仿真 實現 對 CI-OFDM 性能 的評估 。 為 CI-OFDM 在 抗干擾與高能效 應用 中的 研究 做好準備。 其次，對于抗干擾應用 。本文將 其 分為干擾檢測和干擾抑制兩部分，利用CI-OFDM 的頻率分集增益特性來面向抗干擾進行設計。針對 CI-OFDM 發送信號存在的 情況 ，提出了基于廣義似然比檢測（ Generalized Likelihood Ratio Test，GLRT）的 兩 種干擾檢測算法。它們分別是基于空域上協作的多天線法 和 基于時域上協作的過采樣法 。 通過仿真驗證提出的 兩 種檢測算法的檢測性能 。 在干擾抑制 環節 ，利用 CI 碼的擴展作用，提出一種將受到干擾子載波上 的 接收數據置零的ZS-CI-OFDM 接收方式。分別分析了 CI-OFDM 和 ZS-CI-OFDM 的接收 信號 數學模型， 對比 了各自的 信號和干擾噪聲功率比值（ Signal Jamming Noise Ratio，SJNR） ，根據結果設計了一種 根據干擾功率和帶寬調整檢測方案、匹配相應干擾情況 的 自適應接收機。 最后 ， 本文 針對 無線 傳輸 中 節能與環 保 的 趨勢 ， 研究 了 提高傳輸功率 有效性的方法。 根據 自適應 調制 最小化 發送功率 ， 與 CI-OFDM 低 PAPR 的 特性， 提出一種 在服務質量 （ Quality of Service， QoS） 一定 的 情況下， 基于自適應比特功率分配算法 和 混合 CI 碼擴展 的 Hybrid-CI-OFDM 收發機。 然后，我們提出了的混合閾值門限設定的兩種方法。從而最終，在 QoS 約束下達到高能效傳輸的目標。 關鍵詞： 載波干涉正交頻分復 用， 干擾檢測 ， 干擾抑制 ， 混合載波干涉擴展 萬方數據Abstract II Abstract This thesis selects carrier interferometry orthogonal frequency division multiplexing (CI-OFDM), which has lower bit error rate (BER)and better performance of Peak-to-Average Power Ratio(PAPR), as the starting point of the design. We design the wireless transmission system in the practical application scenarios. First, this thesis will introduce the model of CI-OFDM transceiver, describe the implementation of the CI code. Then, in order to verify the CI-OFDM, this thesis will study the performance of it through simulations, which are in scenario of spectrum sharing, under impefect channel estimation and with integration of ZP-OFDM receiver technology. Ready for the applications of anti-jamming and energy efficiency in the CI-OFDM. Secondly, this thesis divides anti-jamming into two parts: jamming detection and jamming rejection. It will target anti-jamming design by the frequency diversity gain of CI-OFDM. Two jamming detection algorithms based on generalized likelihood ratio testing (GLRT) are proposed, when CI-OFDM signal exists. They are: multi-antenna algorithm based on collaboration in the spatial domain, oversampling algorithm based on the collaboration in the time domain. The performance of the two algorithms is examined through simulations. In jamming suppression step, according to the spread role of the CI code, we propose a receiving scheme called ZS-CI-OFDM which set the data on the subcarriers experienced jamming to zero. Analysis of the mathematical model and comparison CI-OFDM and ZS-CI-OFDM are given. Based on the of the respective Signal Jamming Noise Ratio (SJNR) results, we design an adaptive receiver, which adjusts the detection scheme according to the jamming power and bandwidth, to match the corresponding jamming scenarios. Finally, against the energy saving and environmental trends in wireless transmission, this thesis concentrates on the way to improve the effectiveness of transmitting power. According to the minimized transmit power needed in adaptive transmission, and the low PAPR characteristic of CI-OFDM, we propose a novel adaptive CI-OFDM transceiver， Hybrid-CI-OFDM, which could meet the quality of 萬方數據Abstract III service（ QoS） . We then propose two schemes for hybrid threshold setting. As a result, the target of energy efficiency has been achieved under QoS constraints。 Keywords: Carrier Interferometry Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Jamming Detection, Jamming Rejection, Hybrid Carrier Interferometry Spread 萬方數據目錄 IV 目 錄 第一章 緒論 .................................................................................................................... 1 1.1 引言 ............................................................................................................ 1 1.2 研究背景與意義 ........................................................................................ 1 1.2.1 多載波各種技術簡介 ....................................................................... 1 1.2.2 面臨的問題 ....................................................................................... 4 1.3 研究內容和創新 ........................................................................................ 5 1.4 本論文的結構安排 .................................................................................... 6 第二章 載波干涉 OFDM 傳輸技術 .............................................................................. 8 2.1 概述 ............................................................................................................ 8 2.2 系統模型 .................................................................................................... 9 2.2.1 CI-OFDM ........................................................................................... 9 2.2.2 仿真驗證模型設計 ......................................................................... 10 2.3 頻譜共享場景下的仿真驗證 .................................................................. 12 2.3.1 導頻輔助信道估計 ......................................................................... 13 2.3.2 仿真結果 ......................................................................................... 15 2.4 本章小結 .................................................................................................. 18 第三章 基于 CI-OFDM 的抗干擾接收機 .................................................................. 19 3.1 引言 .......................................................................................................... 19 3.2 干擾檢測 .................................................................................................. 20 3.2.1 研究背景 ......................................................................................... 20 3.2.2 CI-OFDM 系統中的干擾檢測 ........................................................ 21 3.2.3 仿真結果與比較分析 ..................................................................... 29 3.3 干擾抑制 .................................................................................................. 31 3.3.1 研究背景 ......................................................................................... 31 3.3.2 干擾消除方法與接收信號模型 ..................................................... 31 3.3.3 在 MMSE 均衡下的 SJNR 分析 .................................................... 33 3.3.4 自適應的干擾處理接收機 ............................................................. 36 3.3.5 仿真結果與分析 ............................................................................. 37 3.4 本章小結 .................................................................................................. 39 第四章 高能效的 CI-OFDM 系統設計 ...................................................................... 41 4.1 引言 .......................................................................................................... 41 4.2 典型自適應比特功率分配算法 .............................................................. 41 4.2.1 Hughes-Hartogs 算法 ....................................................................... 41 4.2.2 Chow 算法 ........................................................................................ 43 4.3 基于 CI-OFDM 的自適應算法 ............................................................... 44 萬方數據目錄 V 4.3.1 基于 CI-OFDM 與基于 OFDM 的算法比較 ................................. 44 4.3.2 原因分析 ......................................................................................... 47 4.4 高能效 Hybrid-CI-OFDM ........................................................................ 48 4.4.1 設計目標 ......................................................................................... 48 4.4.2 Hybrid-CI-OFDM 收發機結構 ........................................................ 48 4.4.3 Hybrid-CI 門限設定方法 ................................................................ 50 4.4.4 仿真結果與分析 ............................................................................. 56 4.5 本章小結 .................................................................................................. 58 第五章 結束語 .............................................................................................................. 59 5.1 全文總結 .................................................................................................. 59 5.2 下一步研究建議 ...................................................................................... 60 致謝 ................................................................................................................................ 61 參考文獻 ........................................................................................................................ 62 攻讀碩士學位期間研究成果 ........................................................................................ 66 個人簡歷 ........................................................................................................................ 67 萬方數據圖目錄 VI 圖目錄 圖 1-1 多載波技術分類 .................................................................................................. 2 圖 1-2 靈活適應頻譜資源的 NC-OFDM ..................................................................... 4 圖 2-1 CI-OFDM 系統發送方式 .................................................................................... 9 圖 2-2 CI-OFDM 系統接收方式 .................................................................................. 10 圖 2-3 CI-OFDM 系統的實現模型 .............................................................................. 10 圖 2-4 波形設計思路模型 ............................................................................................ 10 圖 2-5 NC-CI-OFDM 系統框圖 .................................................................................... 11 圖 2-6 ZP-NC-CI-OFDM 系統框圖 ............................................................................ 12 圖 2-7 導頻圖案示意圖 ................................................................................................ 13 圖 2-8 修正的 IDFT 降噪流程示意圖 ........................................................................ 14 圖 2-9 不同內插方式的 BER 性能比較圖 ................................................................. 14 圖 2-10 NC-CI-OFDM 在 QPSK 調制下的性能 ........................................................ 16 圖 2-11 NC-CI-OFDM 在 16QAM 調制下的性能 ..................................................... 16 圖 2-12 ZP-NC-CI-OFDM 在 QPSK 調制下的性能 ................................................. 17 圖 2-13 ZP-NC-CI-OFDM 在 16QAM 調制下的性能 .............................................. 17 圖 3-1 抗干擾設計環節示意圖 .................................................................................... 19 圖 3-2 四根接收天線下的 GLRT 干擾檢測性能圖 .................................................. 26 圖 3-3 過采樣率為 4 的過采樣 GLRT 檢測性能圖 .................................................. 29 圖 3-4 四根接收天線，過采樣率為 4 時的單樣本檢測性能比較圖 ....................... 30 圖 3-5 四根接收天線，過采樣率為 16 時的檢測性能比較圖 ................................. 31 圖 3-6 典型干擾環境下收發機結構示意圖 ................................................................ 32 圖 3-7 ZS 的步驟示意圖 ............................................................................................... 32 圖 3-8 兩種干擾處理方式的 SJNR 比較 .................................................................... 36 圖 3-9 抗干擾自適應接收機流程示意圖 .................................................................... 37 圖 3-10 當 ? =4%和 8%時，不同 JSR 下的 BER 性能比較 ................................... 38 圖 3-11 當 ? =20%和 40%時，不同 JSR 下的 BER 性能比較 ................................ 39 圖 4-1 比特分配比較圖 ................................................................................................ 44 圖 4-2 OFDM 與 CI-OFDM 在 Hughes-Hartogs 下所需發送功率 ......................... 45 萬方數據圖目錄 VII 圖 4-3 OFDM 與 CI-OFDM 在 Hughes-Hartogs 下 PAPR 的互補積累分布函數（ Complementary Cumulative Distribution Function， CCDF）曲線 .................. 45 圖 4-4 CI-OFDM 與 OFDM 系統容量比較 ............................................................... 46 圖 4-5 Hughes-Hartogs 算法下發送功率的 CDF 曲線圖 ......................................... 47 圖 4-6 高能效的 Hybrid-CI-OFDM 收發機模型 ...................................................... 49 圖 4-7 單門限 SAT 步驟示意圖 .................................................................................. 51 圖 4-8 單門限 SAT 下不同門限因子發送功率曲線圖 .............................................. 52 圖 4-9 單門限 SAT 下不同門限因子 PAPR 的 CCDF 曲線圖 ................................. 53 圖 4-10 高門限示意圖 .................................................................................................. 53 圖 4-11 雙門限 DLHT 下不同門限因子發送功率曲線圖 ........................................ 55 圖 4-12 當 2 1.7? ? DLHT 門限法 PAPR 的 CCDF 曲線圖 ...................................... 56 圖 4-13 Hybrid-CI-OFDM 收發機發送功率的曲線圖 .............................................. 57 圖 4-14 Hybrid-CI-OFDM 收發機 PAPR 的 CCDF 曲線圖 .................................... 57 萬方數據表目錄 VIII 表目錄 表 2-1 在“ COST207 TUx6”信道下仿真參數設置 ................................................ 15 表 3-1 干擾檢測仿真參數設置 .................................................................................... 25 表 3-2 干擾自適應接收機性能仿真參數表 ................................................................ 37 表 4-1 Hybrid-CI-OFDM 收發機性能仿真參數表 .................................................... 56 萬方數據符號表 IX 縮略詞表 AWGN Additive White Gaussian Noise 加性白高斯噪聲 BER Bit Error Rate 誤碼率 CCDF Complementary Cumulative Distribution Function 互補 累積分布函數 CDF Cumulative Distribution Function 累積分布函數 CI Carrier Interferometry 載波干涉 CI-OFDM Carrier Interferometry Orthogonal Frequency Division Multiplexing 載波干涉正交頻分復用 CP Cyclic Prefix 循環前綴 CR Cognitive Radio 認知無線電 DFT Discrete Fourier Transform 離散傅立葉變換 FFT Fast Fourier Transform 快速傅 立 葉變換 GLRT Generalized Likelihood Ratio Test 廣義似然比檢測 GMC Generalized Multicarrier 廣義多載波 ICI Inter-Carrier Interference 子載波 間 干擾 IDFT Inverse Discrete Fourier Transform 離散傅立葉逆變換 ISI Inter-Symbol Interference 符號間干擾 MIMO Multiple-Input Multiple-Output 多 輸 入多 輸 出 MMSE Minimum Mean Square Error 最小均方誤差 NC Non-Contiguous 非 連續 NC-OFDM Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing 非連續正交頻分復用 NC-CI-OFDM Non-Contiguous Carrier Interferometry Orthogonal Frequency Division Multiplexing 非連續載波干涉正交頻分復用 NOFDM Non-Orthogonal Frequency Division Multiplexing 非正交頻分復用 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交頻分復用 PAPR Peak-to-Average Power Ratio 峰值平均功率比 QAM Quadrature Amplitude Modulation 正交幅度調制 萬方數據