基于注水原理的TDCS功率分配算法*

(空軍工程大學 電訊工程學院，西安 710077)

1 引 言

基于認知無線電(Cognitive Radio, CR)思想的變換域通信系統(Transform Domain Communication System, TDCS)具有對環境感知的能力，它采用了擴頻通信中的偽隨機序列生成技術和變換域信號處理技術，使收發雙方同時避免使用被污染的頻譜(包括對方實施干擾的頻譜以及己方正使用的頻譜)進行信號的傳輸[1]。這樣就相當于在復雜的電磁環境中找到了一個干凈頻段進行通信，接收的信噪比不會因為干擾信號的存在而下降，從而實現了抗干擾，提高了通信的可靠性和有效性。

2 經典TDCS的功率分配

TDCS實現干擾躲避的關鍵在于精確捕獲干擾的頻率位置，在頻域合成與干擾正交的信號。一般來說，整個空閑頻譜標記過程如下[2]：

(1)采樣電磁環境并作頻譜估計，確定合適的干擾門限;

(2)執行頻譜剔除算法。大于門限的頻譜置0，小于門限的置1，以形成與強干擾正交的信號的頻譜幅度波形(頻譜罩)。

圖1表示存在兩個窄帶單音干擾的電磁環境下的頻譜估計，圖2則是根據硬判決門限所得到的相應的頻譜幅度使用狀況。

圖1 環境頻譜估計(幅度譜)，干擾門限設置

圖2 可用頻譜變換域合成(幅度譜)

經過頻譜幅度變換域合成后，所有的存在強干擾的頻點(頻段)被完全濾除。這樣，發射端的所有功率就平均地分配給加權系數為1的頻點(頻段)。雖然可用的頻點(頻段)都被置為1，但實際上這些頻段的信道質量肯定是有差別的，而傳統的TDCS采用的頻譜干擾抑制濾波未能體現出這種差別，所以在此基礎上應用的等功率分配技術也就不能體現出這種信道質量上的差別。

文獻[3]提出一種新的自適應多門限估計與干擾檢測算法，理論分析和數字仿真結果表明，該算法可有效抑制直擴通信系統中的窄帶干擾。并且相對于傳統的門限檢測算法，有自適應強、門限設計簡單等優點。應用該算法生成的基函數舍棄了傳統的二元模式，改以多元結構，體現了信道的質量差別，如圖3所示。

圖3 TDCS自適應多門限基函數幅值

從圖3可以看出，新的基函數不僅將存在強干擾的頻點(頻段)完全濾除，而且對理論上可用的頻段也進行了進一步的分級量化，體現出了信道質量的差別。在此基函數上，傳統的等功率分配技術就不能滿足要求，需要尋找新的功率分配算法以充分利用這種信道質量的差別。

3 基于注水原理的功率分配優化算法

“注水”(Water-Filling, WF)算法原理是依據某種準則，并根據信道狀況對發送功率進行自適應分配，通常是信道狀況好的頻段多分配功率，信道差的頻段少分配功率，從而最大化傳輸速率[4,5]。要實現功率的“注水”，發送端必須知道信道狀態信息(CSI)。

圖4顯示了注水原理的分配過程。其中的干擾能量用信噪比的倒數Γ/SNRn來表示，SNRn代表信噪比，Γ表示信噪比差額。顯然，在圖4中，信噪比SNRn大的子信道，其倒數Γ/SNRn較小，因此可以注入較多的能量；反之，只能注入較少的能量。對于信道3，由于信噪比SNR3太小，即Γ/SNR3太大，因此在這個子信道中就不注入能量。

圖4 AWGN信道的“注水算法”Fig.4 Water-Filling algorithm of AWGN channel

“注水”原理的結果表明，對信道增益大的特征子信道分配較大的功率，讓其容量變得更大；反之，對信道增益小的特征子信道分配較小的功率，保持一定的容量，以保證信道條件好的特征子信道能傳輸更多的信息。當某特征子信道條件差到一定程度，有可能此信道得不到分配的發送功率，此時這個特征子信道不發送任何數據。注水原理充分利用了好的信道條件，舍棄較差的信道，這樣可以避免系統用大多數的發送功率來彌補惡劣的信道條件[6]。

4 仿真結果與分析

我們對采用“注水”算法進行功率分配和采用平均功率分配的TDCS信道容量做了仿真,結果如圖5所示。

圖5 注水算法和平均功率分配算法信道容量的比較Fig.5 Compare of channel capability between WF and average power distribution algorithms

從圖5可以看出，無論信噪比(SNR)為多少，采用注水算法的系統容量都要大于平均分配的系統容量，即通過使用注水算法都可以改善系統的容量。而且從圖中還可以發現，隨著平均信噪比(SNR)的提高，兩者的差別越來越小，即表明，在高SNR時，注水算法對信道容量的改善非常小;在低SNR，通過使用注水算法可以顯著改善信道容量，即在信道惡劣的環境中，使用注水算法可以更有效地提高系統容量。

同時，本文對采用“注水”算法的TDCS系統的功率分配進行了仿真，其結果如圖6所示。

圖6 基于“注水”原理的TDCS的功率分配Fig.6 Power distribution of TDCS basedon WF principle

從圖6中可以看出，在低SNR情況下，采用“注水”原理的功率分配算法與傳統的等功率分配算法有很大差別：雖然理論上都是可用頻段，但系統在分配功率時，對一些頻段仍然不分配功率，亦即不使用該頻段。隨著信噪比的提高，采用注水原理的功率分配算法與傳統的等功率分配算法之間的差別越來越小，也就是說，等功率分配只是“注水”算法在高信噪比情況下的一種近似。

5 結論

本文深入研究了變換域通信系統中的功率分配問題，在自適應多門限思想的基礎上，摒棄了傳統的二元結構，改以多元結構，在原有基礎上對信道作進一步細化，更加準確地反映信道質量。并引入MIMO-OFDM中應用較多的注水算法，對TDCS基函數的功率譜進行優化分配，充分利用了好的信道條件，舍棄較差的信道，這樣可以避免系統用大多數的發送功率來彌補惡劣的信道條件。理論分析表明，本文提出的算法能明顯提高系統容量，具有很好的系統性能。

參考文獻：

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