中繼選擇協議下的認知無線電系統性能研究

唐菁敏，龍 華，邵玉斌，彭 藝

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明650500）

認知無線電技術能提高對頻譜資源的有效利用率，但不能克服無線環境中的信道衰落等問題，而協同通信恰恰能有效地解決這方面的問題。因此，融合認知無線電技術與協同通信技術，能有效解決無線信道的衰落和頻譜資源有限這兩大問題[1-7]。參考文獻[3]研究了在重疊共享（US）方式下的認知系統信道容量，指出通過波束成形和中繼選擇協作可有效改善系統性能。參考文獻[4]推導了US方式下認知中繼系統的中斷性能上界。

本文主要研究了在US方式下認知系統通過采用不同中繼選擇協議的中斷性能，分別推導了高信噪比時基于SAF、SDF和HPRS協議的中斷概率近似表達式。仿真結果表明，中斷概率與干擾限制條件和認知用戶峰值功率密切相關，HPRS性能要優于SAF和SDF的。

1 系統模型

認知系統傳輸模型如圖1所示，考慮一個認知網絡包括一個授權用戶 PU（Primary User）節點，一個認知用戶 SU（Secondary User）源節點，一個 SU目的節點和 M個SU中繼節點。認知系統的通信過程分兩個時隙完成：第一時隙，源節點廣播信息,中繼 i(i=1,…,M)和目的節點的接收信號yi和yd,1分別為:

其中,x為源節點發射信號,且xs～N(0,1),hs,i和hs,d分別為S→i和S→D的信道衰落系數,ns,i和ns,d分別為中繼節點和目的節點處方差為σ2的加性高斯白噪聲。

第二時隙從所有中繼中選擇出最優中繼R轉發信息給目的節點，目的節點對兩個階段接收到的數據進行最大比合并。

1.1 放大轉發中繼選擇（SAF）協議

在所有中繼中選擇擁有最大中繼信噪比的中繼轉發數據，即:

Pi為中繼i的發射功率，hi,d為i→D的信道衰落系數。則目的節點接收的信號為:

1.2 解碼轉發中繼選擇（SDF）協議

從所有能正確解碼源的中繼中選擇出第2跳信噪比最大的中繼節點轉發數據，即:

Φ表示能正確解碼源節點信息的中繼用戶集合，且Φ={i|1/2log2(1+Ps|hs,i|2/σ2＞Rc}，Rc為 SU 能正確解碼信號所需要的門限。目的節點接收到的信號可表示為:

1.3 混合中繼選擇協議（HPRS）

如中繼不能正確解碼,則將其并入采用AF協議的集合中；否則此中繼采用DF協議，最終從所有的中繼中選出信噪比最大的作為最優中繼，即:

目的節點接收到的信號可表示為:

假設所有信道均為窄帶頻率非選擇性的慢衰落信道，衰落系數hn,m(n∈{s,i},m∈{i,p,d}服從均值為 0，方差為λn,m的獨立循環對稱高斯隨機分布，其包絡的平方|hn,m|2服從均值為λn,m的指數分布。

2 認知系統性能分析

為與PU共享頻譜,SU節點k1的發射功率需要滿足干擾限制條件，即|2≤Q，Q為 PU最大干擾限制條件；與此同時，發射功率還需要受其峰值功率Pk1max限制，因此節點k1發射功率Pk1≤min(Pk1max,Q/)。假設SU節點k2接收到來自k1的信號，則k2節點的接收功率為:

則在SAF和SDF協議下目的節點接收信噪比分別為:

中斷概率定義為系統傳輸速率低于某個門限RC的概率。

3 仿真結果及分析

仿真參數設定為：λs,d=1，RC=1 b/s/Hz，假設所有中繼有相同的統計信道傳輸特性， 即 λs,p=λs,i=λi,p=λi,d=1，且中繼峰值功率限制條件相同，即Pimax=Prmax。

本文理論推導了 SAF、SDF和HPRS在高信噪比時認知系統中斷概率近似表達式，并且對其中斷概率進行了Monte Carlo仿真，結果表明，近似曲線與仿真曲線較接近，因此驗證了近似表達式的正確性，同時對比了三種協議的性能，發現HPRS中斷性能始終最優。由于認知用戶發射節點同時需要滿足干擾限制及峰值功率限制，因此最終的中斷概率與這兩個限制條件密切相關。

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