基于注水原理的TDCS功率分配算法*

(空军工程大学 电讯工程学院，西安 710077)

1 引 言

基于认知无线电(Cognitive Radio, CR)思想的变换域通信系统(Transform Domain Communication System, TDCS)具有对环境感知的能力，它采用了扩频通信中的伪随机序列生成技术和变换域信号处理技术，使收发双方同时避免使用被污染的频谱(包括对方实施干扰的频谱以及己方正使用的频谱)进行信号的传输[1]。这样就相当于在复杂的电磁环境中找到了一个干净频段进行通信，接收的信噪比不会因为干扰信号的存在而下降，从而实现了抗干扰，提高了通信的可靠性和有效性。

2 经典TDCS的功率分配

TDCS实现干扰躲避的关键在于精确捕获干扰的频率位置，在频域合成与干扰正交的信号。一般来说，整个空闲频谱标记过程如下[2]：

(1)采样电磁环境并作频谱估计，确定合适的干扰门限;

(2)执行频谱剔除算法。大于门限的频谱置0，小于门限的置1，以形成与强干扰正交的信号的频谱幅度波形(频谱罩)。

图1表示存在两个窄带单音干扰的电磁环境下的频谱估计，图2则是根据硬判决门限所得到的相应的频谱幅度使用状况。

图1 环境频谱估计(幅度谱)，干扰门限设置

图2 可用频谱变换域合成(幅度谱)

经过频谱幅度变换域合成后，所有的存在强干扰的频点(频段)被完全滤除。这样，发射端的所有功率就平均地分配给加权系数为1的频点(频段)。虽然可用的频点(频段)都被置为1，但实际上这些频段的信道质量肯定是有差别的，而传统的TDCS采用的频谱干扰抑制滤波未能体现出这种差别，所以在此基础上应用的等功率分配技术也就不能体现出这种信道质量上的差别。

文献[3]提出一种新的自适应多门限估计与干扰检测算法，理论分析和数字仿真结果表明，该算法可有效抑制直扩通信系统中的窄带干扰。并且相对于传统的门限检测算法，有自适应强、门限设计简单等优点。应用该算法生成的基函数舍弃了传统的二元模式，改以多元结构，体现了信道的质量差别，如图3所示。

图3 TDCS自适应多门限基函数幅值

从图3可以看出，新的基函数不仅将存在强干扰的频点(频段)完全滤除，而且对理论上可用的频段也进行了进一步的分级量化，体现出了信道质量的差别。在此基函数上，传统的等功率分配技术就不能满足要求，需要寻找新的功率分配算法以充分利用这种信道质量的差别。

3 基于注水原理的功率分配优化算法

“注水”(Water-Filling, WF)算法原理是依据某种准则，并根据信道状况对发送功率进行自适应分配，通常是信道状况好的频段多分配功率，信道差的频段少分配功率，从而最大化传输速率[4,5]。要实现功率的“注水”，发送端必须知道信道状态信息(CSI)。

图4显示了注水原理的分配过程。其中的干扰能量用信噪比的倒数Γ/SNRn来表示，SNRn代表信噪比，Γ表示信噪比差额。显然，在图4中，信噪比SNRn大的子信道，其倒数Γ/SNRn较小，因此可以注入较多的能量；反之，只能注入较少的能量。对于信道3，由于信噪比SNR3太小，即Γ/SNR3太大，因此在这个子信道中就不注入能量。

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

“注水”原理的结果表明，对信道增益大的特征子信道分配较大的功率，让其容量变得更大；反之，对信道增益小的特征子信道分配较小的功率，保持一定的容量，以保证信道条件好的特征子信道能传输更多的信息。当某特征子信道条件差到一定程度，有可能此信道得不到分配的发送功率，此时这个特征子信道不发送任何数据。注水原理充分利用了好的信道条件，舍弃较差的信道，这样可以避免系统用大多数的发送功率来弥补恶劣的信道条件[6]。

4 仿真结果与分析

我们对采用“注水”算法进行功率分配和采用平均功率分配的TDCS信道容量做了仿真,结果如图5所示。

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

从图5可以看出，无论信噪比(SNR)为多少，采用注水算法的系统容量都要大于平均分配的系统容量，即通过使用注水算法都可以改善系统的容量。而且从图中还可以发现，随着平均信噪比(SNR)的提高，两者的差别越来越小，即表明，在高SNR时，注水算法对信道容量的改善非常小;在低SNR，通过使用注水算法可以显著改善信道容量，即在信道恶劣的环境中，使用注水算法可以更有效地提高系统容量。

同时，本文对采用“注水”算法的TDCS系统的功率分配进行了仿真，其结果如图6所示。

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

从图6中可以看出，在低SNR情况下，采用“注水”原理的功率分配算法与传统的等功率分配算法有很大差别：虽然理论上都是可用频段，但系统在分配功率时，对一些频段仍然不分配功率，亦即不使用该频段。随着信噪比的提高，采用注水原理的功率分配算法与传统的等功率分配算法之间的差别越来越小，也就是说，等功率分配只是“注水”算法在高信噪比情况下的一种近似。

5 结论

本文深入研究了变换域通信系统中的功率分配问题，在自适应多门限思想的基础上，摒弃了传统的二元结构，改以多元结构，在原有基础上对信道作进一步细化，更加准确地反映信道质量。并引入MIMO-OFDM中应用较多的注水算法，对TDCS基函数的功率谱进行优化分配，充分利用了好的信道条件，舍弃较差的信道，这样可以避免系统用大多数的发送功率来弥补恶劣的信道条件。理论分析表明，本文提出的算法能明显提高系统容量，具有很好的系统性能。

参考文献：

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