基于中繼的協作頻譜感知性能的研究﹡

劉舒祺， 苗 苗

（江蘇技術師范學院 電氣信息工程學院，江蘇 常州 213001）

0 引言

隨著高速寬帶無線通信技術的飛速發展，頻譜資源變得越來越緊張，使得當今靜態的頻譜資源分配模式已不能滿足急劇增長的無線業務的需求[1-2]。于是認知無線電（CR，Cognitive Radio）應運而生，它通過對周圍無線環境的頻譜感知，發現授權用戶或主用戶（PU，Primary User）不在使用的頻譜空洞，并根據非授權用戶或次用戶（SU，Secondary User）的需求，判斷可用的頻段和可以達到的通信容量和服務質量，從而動態地使用非授權頻段，提高頻譜的使用效率[3-5]。認知網絡由主用戶和次用戶組成，次用戶只能使用主用戶暫不使用的頻段實現通信，一旦檢測到主用戶使用該頻段，次用戶就必須快速的退出該頻段而使用其他的空閑頻段，以避免對主用戶造成干擾。在實際的無線傳播環境中，信號傳輸可能受到陰影效應、多徑衰落等不確定因素的影響，單個認知用戶的本地頻譜感知性能會下降，易導致其檢測結果與實際情況產生偏差。為了進一步提高感知性能，人們提出了協作頻譜感知技術研究，利用認知用戶間的相互協作,可以有效消除無線信道中不確定因素對單個認知用戶感知所造成的負面影響。從而提高認知網絡的整體檢測性能。Ganesan[6-7]討論了基于放大重傳(AF，Amplify Forward)的多用戶協作頻譜感知方案，以提高系統整體檢測性能。這里在文獻[6]的基礎上考慮如何選擇認知用戶作為某一給定認知用戶的中繼，從而實現協作頻譜感知，提高系統的檢測性能。

1 系統模型

系統模型如圖1所示，假設所有次用戶都僅配有單根天線，在全雙工模式下工作，都可以向公共接收機發送數據?？紤]次用戶SU正向公共接收機發送數據，且主用戶PU也準備使用與SU發送數據的同一頻段傳送信息，但SU離PU較遠，SU本身收到的感知信號，不能準確地檢測PU到來的時刻，此時SU對PU使用該頻段易造成干擾。

圖1 協作頻譜感知的系統模型

基于此，研究時考慮利用其他次用戶充當中繼用戶為SU轉發來自PU的感知信號，以提高SU的檢測性能。模型中只畫出了可以作為中繼的認知用戶SU1、SU2，實際中可以有多個作為中繼的候選認知用戶{SU1,SU2,SU3,…,SUn}。認知網絡中具有集中控制器，它可以實時獲知各個認知節點的信道通信鏈路狀況，通過綜合各個中繼節點的信道鏈路通信質量，可從中選取最佳中繼用戶并通知相關用戶。假設按接收主用戶信號功率信噪比最大準則，已選出SU2為最佳中繼。設SU和SU2位于同一頻段上，SU和SU2之間以TDMA方式按AF協議在連續的時隙上傳輸信號，SU2作為SU的中繼，則其傳輸數據的協議圖如圖2所示。

圖2 中繼協議

在時隙1T中，SU傳輸數據SU2接收；在時隙2T中，SU2中繼前一個時隙內接收到的信息，SU接收。一旦SU2偵測到PU的存在，那么在其下一個發射信號的時隙，在發送自己信號的同時轉發收到的PU的信號,然后退出該頻段。

2 協作頻譜感知性能分析

根據接收主用戶信號信噪比最大的原則, 集中控制器選取SNR最大的候選用戶作為最佳中 繼,即：

式中，pih表示主用戶PU和認知用戶SUi之間的瞬時信道增益。設其均值為0，方差為。

2.1 信道模型

假設所有無線信道的衰落都服從瑞利分布，且相互獨立。如果信號x被發送，接收端接收到的信號y可表示為：

式中， f為信道衰落因子，n為加性復高斯白噪聲。假定噪聲為獨立的高斯隨機變量，其均值為0，方差為1。

在時隙1T，SU2接收到的信號為：

在時隙2T，中繼用戶SU2轉發信號，SU接收到的信號為：

式（3）和式（4），1θ=表PU出現，0θ=表PU不出現，2ph 、psh 、2sh分別表示PU與SU2、PU與SU、SU與SU2之間的瞬時信道增益，a表SU發送的信號，2n，sn表附加高斯噪聲，β表SU2轉發PU信號的功率縮放因子。假設均為均值為0，方差為1的復高斯隨機變量。設信道SU2的最大傳輸功率限制為～P，SU的最大傳輸功率限制P，2SG 為SU與SU2之間的信道增益，SU接收PU信號的功率信噪比Ps，SU2接收PU信號的功率信噪比 2P，則：

若不考慮SU自身發射的信號，則SU收到的信號可表示為：

2.2 能量檢測

運用能量檢測法[8]分析所提出的基于最佳中繼協作的頻譜感知的性能。

對于正數 ,,,a b t定義

即SU在中繼SU2協同情況下的虛警概率：

SU和SU2獨立進行頻譜感知的檢測概率分別為：

利用OR準則，可得認知系統的SU和SU2協作和非協作的檢測概率分別為：

3 結果與分析

通過數值仿真驗證各種理論分析，圖3為SU在利用中繼合作和獨立檢測時的檢測概率隨SU2接收PU信號的功率信噪比變化的曲線。設由圖3可知，SU2作為SU的中繼時，隨著SU2的功率信噪比增大，SU的檢測概率也隨之增大，在SNR約為9 dB時，到達最大值；隨后隨SNR的增加，檢測概率下降，最后趨近于SU獨立檢測的檢測概率，這主要是因隨SNR的增加，SU2與PU的位置可能無限接近，中繼也就不起作用。此時可以考慮選用別的用戶作為中繼。可見中繼的選擇與PU、SU2、SU的相對位置有關。

圖3 SU的檢測概率與SU2接收信號SNR之間的關系

圖4 SU的檢測概率與SU2接收信號SNR之間的關系

圖5 系統的檢測概率與SU2接收信號功率噪比之間的關系

設

圖6 SU的檢測概率與虛警概率的關系

4 結語

針對認知無線電網絡中的多用戶頻譜檢測問題,提出了一種實時選擇中繼的協作頻譜感知方案,以提高對主用戶的檢測概率。該方案利用認知用戶間的協作使系統的檢測概率得到提高。在理論分析的基礎上,進行了數值仿真，結果表明所提方案的檢測概率與單用戶獨立檢測的檢測概率相比有了明顯的提高，進一步驗證了所提方案的合理性和可行性。

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