一種基于傳感矩陣的認(rèn)知無線電頻譜感知算法

陳行之，陳白棣

(1．昆明理工大學(xué)信息與自動(dòng)化學(xué)院，云南昆明 650504;2．九江學(xué)院理學(xué)院，江西九江 332005)

無線電磁頻譜是一種寶貴的自然資源，隨著無線通信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，頻譜需求量快速增長(zhǎng)，頻譜資源顯得越來越缺乏。現(xiàn)有的頻譜資源似乎無法滿足不斷增長(zhǎng)的需求，許多研究表明，認(rèn)知無線電被認(rèn)為是解決頻譜資源緊缺、提高頻譜利用率的有效途徑［1］。為了緩解頻譜短缺這一情況，作為一個(gè)潛在的通信范式，認(rèn)知無線電(CR)這一概念已經(jīng)被引入。認(rèn)知無線電通過允許低優(yōu)先級(jí)的次級(jí)用戶(SUs)通過某種方式可以使用高優(yōu)先級(jí)的未用的許可頻譜這一方式來提高頻譜的利用率，這一頻譜稱為白空間［2］。認(rèn)知無線電系統(tǒng)要能自動(dòng)感知周圍的無線環(huán)境，實(shí)時(shí)調(diào)整內(nèi)部無線電參數(shù)(如功率、頻率、調(diào)制和編碼方案等)，以適應(yīng)外部無線環(huán)境的變化，并保證在不對(duì)授權(quán)用戶造成干擾的情況下利用空閑頻譜資源進(jìn)行通信。

筆者介紹了一種基于傳感矩陣的認(rèn)知無線電頻譜感知算法，首先建立了系統(tǒng)模型，然后對(duì)模型的仿真運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分析，并驗(yàn)證了該方案的有效性。

1 系統(tǒng)模型構(gòu)建

一個(gè)時(shí)間窗口的認(rèn)知無線電系統(tǒng)由NS個(gè)次級(jí)用戶和Np個(gè)主用戶組成［2］，系統(tǒng)允許次級(jí)用戶在授權(quán)信道空閑的情況下接入，其中次級(jí)用戶負(fù)責(zé)感知和數(shù)據(jù)傳輸。次級(jí)用戶使用窄帶頻譜感知的方式，即在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，它僅感知一條信道。因此，為了有效地發(fā)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)并且保護(hù)主用戶不受有害干擾，在每一個(gè)時(shí)間窗口的開端，次級(jí)用戶要感知信道此時(shí)是否空閑。模型假設(shè)次級(jí)用戶總是有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，也就是說，一旦次級(jí)用戶發(fā)現(xiàn)信道是空閑的，次級(jí)用戶就開始傳輸數(shù)據(jù)［3］。每一個(gè)次級(jí)用戶均是按照既定的檢測(cè)序列來進(jìn)行感知信道，即次級(jí)用戶從感知序列的第一個(gè)信道開始感知，只有第一個(gè)信道被認(rèn)為是非空閑狀態(tài)時(shí)，才會(huì)再感知第二個(gè)信道。這個(gè)過程一直持續(xù)到發(fā)現(xiàn)信道傳輸機(jī)會(huì)為止。

如信道不空，則要跳轉(zhuǎn)到檢測(cè)序列SS所規(guī)定的下一個(gè)新的信道號(hào)頻點(diǎn)上去作檢測(cè)，設(shè)跳轉(zhuǎn)過程耗時(shí)為τho，并將跳轉(zhuǎn)過程定義為“頻率切換”。注意:最后一次(當(dāng)檢測(cè)信道為空)檢測(cè)后將直接使用信道，所以沒有“頻率切換”過程。如果假設(shè)次用戶用了K次“時(shí)間窗口”才找到可用信道，則前K－1次耗時(shí)為(τ+τho)(K－1)，最后一次耗時(shí)為τ，所以K次總耗時(shí)為(τ+τho)(K－1)+τ。次級(jí)用戶自己并沒有自適應(yīng)調(diào)制和編碼的功能，因此每個(gè)次用戶在整個(gè)傳輸部分中的數(shù)傳速率相同，為R。由此得到:

式中，Bk是K次檢測(cè)后的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量(也就是實(shí)際的凈傳輸率)。顯然有Bk＞Bj，當(dāng)j＞k。因此每一個(gè)次用戶的目標(biāo)是希望得到一個(gè)好的檢測(cè)序列SS，以盡可能快地找出可用信道用于傳送。

這里用模型定義一個(gè)協(xié)調(diào)矩陣M由多個(gè)檢測(cè)序列SS組成［4］，每個(gè)次用戶的SS為其中一行，共有NS個(gè)次用戶，所以協(xié)調(diào)矩陣M有NS行，每行SS有Np個(gè)元素，如下式:

在求系統(tǒng)模型的網(wǎng)絡(luò)吞吐量時(shí)，可看到每一個(gè)檢測(cè)信道Si，j的狀態(tài)在模型中都有如下2種情況:

(1)Si，j在 j時(shí)間窗口之前己分配過。也就是 Si，j信道已被前面的用戶占用了。在這種情況下，不管主用戶是否在使用信道，這個(gè)信道都會(huì)被定義為非空閑。假設(shè)此時(shí)是無錯(cuò)誤的感知。該信道在i用戶看來是不可用的，即次用戶i對(duì)信道 Si，j的可用概率為 0。

(2)Si，j在 j時(shí)間窗口之前沒有被分配過。這意味著 Si，j是被用戶i首次檢驗(yàn)是不是空閑的。那么Si，j空閑與否僅取決于主用戶是否在用(主用戶在用概率P1，Si，j=1 － P0，Si，j)。所以，次用戶 i對(duì)信道 Si，j的可用概率是 P0，Si，j。

從上面討論中可以看到，當(dāng)假設(shè)無錯(cuò)誤感知時(shí)，信道的重復(fù)性不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量有任何的影響。

綜上，在2種情況下次用戶i對(duì)信道Si，j的可用概率可以表示為:

然而，第i個(gè)次級(jí)用戶感知第Si，j個(gè)信道這種情況是發(fā)生在前j－1個(gè)信道均被占用的情況下。由條件概率可以得到:

用戶i對(duì)信道Si，j的可用概率最終可以表示為:

最后，系統(tǒng)總的次用戶的吞吐量Q可以表示為:

式中，Bj在式(1)中已定義。

調(diào)整M的元素排布分配，使總的次用戶的吞吐量Q最大。即該研究模型的優(yōu)化目標(biāo)為:

2 仿真結(jié)果分析

在這一部分里，根據(jù)模型中不同參數(shù)的分析和仿真結(jié)果，系統(tǒng)模型的性能將會(huì)被評(píng)估和比較。數(shù)據(jù)仿真所用的參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

根據(jù)表1參數(shù)，按照模型進(jìn)行仿真分析，歸一化感知時(shí)間下的次級(jí)用戶平均吞吐量見圖1。

圖1證實(shí)了前文的分析并且描述了在無誤差感知方案中歸一化感知時(shí)間下的次級(jí)用戶平均吞吐量。如圖所示，次級(jí)用戶的平均吞吐量和歸一化感知時(shí)間呈現(xiàn)線性減小的性質(zhì)。這是因?yàn)樵跓o誤差方案下，模型并不存在錯(cuò)誤率，因此當(dāng)感測(cè)時(shí)間的增加不會(huì)對(duì)正確檢測(cè)產(chǎn)生任何積極的效果時(shí)，這種增加只能線性地減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，也就是說該研究所建立的模型是可靠的。

3 結(jié)語(yǔ)

該研究提出了一種新型的傳感矩陣機(jī)制，次級(jí)用戶平均吞吐量達(dá)到最大是優(yōu)化的目標(biāo)。仿真分析結(jié)果顯示該模型具有可靠性，但在一定條件下仍具有傳輸延遲等局限性，在未來的研究中，模型還應(yīng)該進(jìn)一步考慮感知過程中的誤差和數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響。

［1］AKYILDIZ I F，LEE W Y，VURAN M C，et al．Next generation/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks:a survey［J］．Comput Netw J，2006:50，2127 －2159．

［2］HE A，BAE K K，NEWMAN R T，et al．A survey of arti cial intelligence for cognitive radios［J］．IEEE Trans Veh Technol，2010，59(4):1578 －1592．

［3］SHOKRI-GHADIKOLAEI H，NASIRI-KENARI M．Sensing matrix setting schemes for cognitive networks and their performance analysis［J］．IET Commun，2012，6(17):3026 －3035．

［4］HOSSEIN SHOKRI-GHADIKOLAEI，RAJAB FALLAHI．Intelligent sensing matrix setting in cognitive radio networks［J］．IEEE Communication Letters，2012，16(11):1824 －1827．

［5］HAYKIN S．Cognitive Radio:Brain-empowered Wireless Communications［J］．IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2005，23(2):201－220．