頻譜異構認知無線電中基于吞吐量降的空時頻譜機會感知

李小強 周 琦 芮茂海 李 穎

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頻譜異構認知無線電中基于吞吐量降的空時頻譜機會感知

李小強*①周 琦②芮茂海③李 穎②

①(解放軍理工大學通信工程學院 南京 210007)②(中國電子設備系統工程公司研究所 北京 100141)③(總參通信訓練基地 張家口 075100)

在認知無線電(CR)中，頻譜感知是實現動態頻譜接入的關鍵技術之一。為適當保護主用戶并最大化次級用戶的性能，目前大部分相關工作均是用虛報概率和漏檢概率作為感知度量來確定最佳感知參數的。但這種度量是用主次用戶的碰撞概率來衡量次級用戶對主用戶的影響的，沒有考慮干擾強度的影響，僅適合同構頻譜環境；在不同位置次級用戶有不同接入機會的異構頻譜環境中，并不能最大化頻譜利用率。為此，該文首先定義了吞吐量降，并提出在異構頻譜環境下采用吞吐量降作為一種新的感知度量。吞吐量降是指由于次級用戶占用授權頻譜而導致主用戶吞吐量下降的百分比。在衡量次級用戶對主用戶的影響時，它綜合了主次用戶的碰撞概率和干擾強度兩個因素；其次，研究了以吞吐量降為約束的次級用戶吞吐量優化問題。最后，數值仿真證實了該方案比目前幾種傳統方案的頻譜利用率顯著提高。

認知無線電；動態頻譜接入；異構頻譜；空時頻譜機會；頻譜感知

1 引言

為此，本文定義了吞吐量降度量，并提出在異構頻譜環境下采用吞吐量降作為一種新的感知度量來研究空時頻譜空穴的感知和利用。吞吐量降是指由于次級用戶占用授權頻譜而導致主用戶平均吞吐量下降的百分比。它綜合考慮了主次用戶的碰撞概率和干擾強度，適合異構頻譜環境下空時頻譜機會的感知和利用。為確保主用戶的吞吐量降不超過給定的門限值，當對主用戶的干擾比較大時，可以設置較小的碰撞概率；反之，則設置較大的碰撞概率，以便利用空間頻譜空穴。此后，本文研究了以吞吐量降為度量的感知參數優化問題；最后，通過數值仿真比較了該方案和幾種傳統方案的吞吐量性能。結果表明該方案能明顯提高頻譜利用率，特別是在灰色區域附近改善效果更顯著[15]。

2 網絡和信道模型

2.1 網絡模型

圖1 網絡模型

2.2 信道模型

2.3 感知模型

3 基于吞吐量降的空時頻譜感知

如第1節所述，在異構頻譜環境下需要一種新的既考慮主次用戶碰撞概率又考慮干擾強度的度量指標來衡量SU對PU的影響。吞吐量降能夠符合這一要求。所以，這一部分先給出吞吐量降的定義及以吞吐量降為感知度量時的空時頻譜空穴定義；再研究以吞吐量降為感知度量的空時頻譜感知技術。

3.1 吞吐量降

定義1 吞吐量降是主用戶平均吞吐量降的簡稱，是指由于次級用戶占用授權頻譜而導致主用戶平均吞吐量下降的百分比。其數學表達式為

使用吞吐量降作為SU對PU影響度量可以給空時頻譜空穴一個新的定義。

3.2 基于吞吐量降的感知優化和求解

3.2.1基于吞吐量降的感知優化 如前所述，在異構頻譜環境下，傳統感知技術可能會導致較低的頻譜利用率。在適當保護主用戶的前提下，為最大化次級用戶吞吐量，本文給出基于吞吐量降的頻譜感知優化問題：

在時間頻譜機會的利用中，PU對授權頻譜有優先使用權，SU只能找PU不使用頻譜的時間段接入授權頻譜；一旦PU占用信道，SU就必須立即釋放當前占有的頻譜。此過程中，由于SU和PU相距距離很近，要嚴格控制SU和PU同時占用信道的概率，否則會嚴重干擾PR。對于空間頻譜空穴的利用，一般要求SU和PU相距的距離比較大，以致SU和PU通信網絡的相互影響可以忽略不計；這種情況相當于SU和PU各自獨立使用同一頻譜。而在本文研究的異構頻譜環境下，每一位置上SU既有時間頻譜機會又有空間頻譜機會；為了適當利用空間頻譜空穴，本文允許SU和PU同時占有授權頻譜，只要這種占用對PR造成的影響在PU許可范圍內。

假定PT和ST均能通過自適應調制及編碼實時地改變傳輸速率，以便收、發信機能夠在給定的SINR下以最大可靠速率進行通信。而且假定它們使用隨機高斯碼表，以便發射信號可以被當成加性高斯白噪聲處理。此時，當SU和PU共用同一頻譜的時候(頻譜狀態3)，其吞吐量分別表示為：

頻譜狀態3下SU吞吐量為

頻譜狀態3下PU吞吐量為

結合頻譜狀態概率式(8)至式(11)，可得SU平均吞吐量為

PU平均吞吐量為

PU最大平均吞吐量為

把式(17)，式(16)式代入式(6)可得

其中

所以式(7)的優化問題可以轉化為

3.2.2問題求解 為解決式(21)，首先引入如下引理。

證明 根據式(3)和式(4)，有

SU最大平均吞吐量為

4 數值計算和分析

可以設置如下的一個通信場景：在WCDMA 3G 移動通信系統中，移動終端接收由基站發出的數據包(這是一種碼率自適應的數字通信系統)，構成主用戶系統。而在基站小區外有一無線路由器，一筆記本電腦通過WIFI鏈接此無線路由器接入Inter網下載數據包，構成次級用戶系統(也是一種碼率自適應的數字通信系統)。現在為提高頻譜利用率，允許次級用戶在不對主用戶系統造成有害干擾的情況下，機會式地接入主用戶所用頻譜。該認知無線電系統的參數設置如表1所示。并就吞吐量和頻譜利用率兩個指標同基于漏檢概率約束的感知技術、文獻[12]中的感知技術、文獻[13]中的感知技術進行了比較。

表1參數設置

參數名稱數值 PU發射功率5000 mW SU發射功率1000 mW PU占用信道概率q0.4 采樣率6 MHz 噪聲功率mW 路徑損耗因子3.5 PU通信范圍m SU通信距離m SU活動范圍外半徑Rm 采樣數N1400 虛報概率上限 吞吐量降上限5% 漏檢概率上限0.05 禁聲區半徑m 信道帶寬B3 MHz

5 結束語

本文研究了以往幾種感知技術的不足，提出了適合異構頻譜環境下空時頻譜機會利用的感知度量——吞吐量降。該度量在衡量次級用戶對主用戶的影響時，綜合了主次用戶的碰撞概率和干擾強度兩個因素，為異構頻譜環境下同時利用空間頻譜空穴和時間頻譜空穴提供了可能。然后，研究了以吞吐量降為約束的次級用戶吞吐量優化問題。最后，通過數值仿真驗證了該方案比目前幾種傳統方案的頻譜利用率顯著提高，特別是在灰色區域改善更加顯著。

圖2 主次用戶吞吐量隨的變化曲線

圖3 主用戶吞吐量隨的變化曲線

圖4 頻譜利用率隨的變化曲線

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李小強： 男，1974年生，博士生，研究方向為認知無線電頻譜感知、資源管理.

周 琦： 男，1975年生，碩士，高級工程師，研究方向為短波數據通信、認知無線電.

芮茂海： 男，1972年生，副教授，研究方向為移動通信、無線頻譜管理.

Spatial-temporal Opportunity Sensing Based on Throughput Loss in Spectrum-heterogeneous Cognitive Radio

Li Xiao-qiang①Zhou Qi②Rui Mao-hai③Li Ying②

①(,,210007,)②(,100141,)③(,075100,)

Spectrum sensing is a key technology to enable dynamic spectrum access in Cognitive Radio (CR). To ensure that primary users are properly protected while maximizing the performance of secondary users, most related work considers the metrics of probabilities of missed detection and false alarm for determining optimal spectrum sensing parameters. However, these metrics only take account of the collision probability between primary user and secondary user to measure the performance impact on primary user. Since it fails to consider the impact of intensity of interference, it only adopt to homogeneous spectrum environment. In heterogeneous spectrum environment where the access opportunities of secondary user are differed by its positions, it can not maximize the spectrum utilization efficiency. So, in this paper, a new metric, throughput loss is proposed for spatial-temporal opportunity sensing firstly. Throughput loss is the average throughput loss percentage of primary user due to secondary user accesses the authorized spectrum. It is a comprehensive metric measuring impact of secondary user on primary user, and contains the collision probability and intensity of interference of two factors. Then secondary user throughput optimization problem based it is addressed. Finally, theoretical analysis and numerical simulations show that the new spectrum sensing technology proposed in this paper improves significantly the spectrum utilization efficiency compared with some traditional sensing technologies.

Cognitive Radio (CR); Dynamic spectrum access; Spectrum-heterogeneity; Spatial-temporal spectrum opportunity; Spectrum sensing

TN92

A

1009-5896(2014)11-2762-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01975

李小強 lxq123lxq@yahoo.com.cn

2013-12-19收到，2014-04-11改回

國家973計劃項目(2009CB320403)，中國博士后科學基金(2012M512075), 和國家自然科學基金重點項目(61231011)資助課題