認知中繼選擇系統發射功率受限時的性能研究*

姬士龍， 郭　輝， 王利紅

(河南理工大學 計算機科學與技術學院，河南 焦作 454000)

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認知中繼選擇系統發射功率受限時的性能研究*

姬士龍， 郭輝， 王利紅

(河南理工大學 計算機科學與技術學院，河南 焦作 454000)

基于譯碼轉發協議，對一個雙跳認知中繼選擇系統的中斷性能進行了研究。該系統采用半雙工的通信模式，所有節點均配置單個天線，次級系統同時受到來自于主接收用戶最大干擾功率和最大傳輸功率的雙重限制。在獨立非同一分布的瑞利信道環境下，推導出了中斷概率的準確閉合表達式和高傳輸功率時的漸進閉合表達式，并利用蒙特卡羅仿真實驗對理論分析結果的正確性進行了驗證。實驗結果表明：中繼個數的增加降低了中斷概率，提升了系統的性能，但是提升空間有限。另外，最大干擾門限和最大傳輸功率的變化關系給系統性能的提升帶來瓶頸。

認知協作通信； 譯碼轉發； 瑞利衰落； 最大傳輸功率； 干擾限制

0　引　言

協作通信技術作為一種新的空間分集技術的出現，使未來無線系統的高數據覆蓋傳輸成為可能。它能夠很好地應對多徑衰落對信號傳輸產生的有害影響和降低系統的中斷概率，并且可以擴大信息傳輸的覆蓋范圍。最近，認知無線電網絡引起了業界和學術界的廣泛關注[1～3]，它能夠顯著地提高頻譜的利用效率。在認知無線電網絡中定義了兩個群體：主用戶和次級用戶。其中，主用戶被授予了一定的頻帶，次級用戶可以感知到主用戶空閑的頻帶(即所謂的頻譜漏洞)，并在不對主用接收用戶造成任何有害干擾的情況下共享主用戶空閑的頻帶進行通信，這樣極大地提高了頻譜的利用率[4]。

近年來，協作分集被運用到認知無線電網絡中，形成了協作頻譜共享無線電網絡，許多的研究者對其進行了廣泛的研究。考慮主用戶的最大干擾限制，文獻[5]對認知無線電網絡中相關的中繼選擇算法進行了研究。文獻[6]研究了基于完全信道信息和部分信道信息的最佳中繼選擇策略認知中繼網絡的中斷概率,推導了這兩種策略中斷概率的封閉表達式。針對認知無線電網絡傳輸速率不足及對主用戶造成干擾等問題，文獻[7]提出一種能夠滿足認知用戶對主用戶干擾限制要求的中繼選擇算法，提高了系統吞吐量。考慮所有的中繼節點都參與通信的情況下，文獻[8]提出了一種最優的功率分配算法。文獻[9]采用放大轉發(amplify-and-forward,AF)協議，在瑞利衰落環境下研究了偏中繼選擇系統的中斷性能。基于多路發送協作，文獻[10]研究了DF系統的中斷性能。最近，文獻[11]基于一種最佳中繼選擇策略，在瑞利衰落環境下采用AF協議對中繼選擇系統的性能進行了研究，推導出了中斷概率的近似閉合表達式。同時，針對DF協議，文獻[12]在韋伯衰落信道中對最佳中繼選擇系統進行了研究。然而，文獻[11,12]都忽略了次級系統最大發射功率對整個系統的影響。

基于上文的分析，本文在頻譜共享環境下，考慮一個同時受主用戶干擾門限和最大發射功率雙重限制的中繼選擇系統，對該系統的性能進行了研究。并在獨立非同一分布的瑞利衰落信道中推導出了中斷概率的準確閉合表達式，同時，為了對系統性能作進一步的研究，推導出了中斷概率的漸進閉合表達式。基于得到的表達式，對系統的性能進行了研究。

1　系統和信道模型

如圖1所示，考慮一個雙跳的認知無線電網絡，該系統包括一個信源S，K個DF中繼Rk(k=1,2,…,K)，一個信宿D和一個主用戶接收機PR。所有的終端均采用半雙工模式，并且使用單天線。圖中，hS,P，hS,k，hk,P，hk,D(k=1,2,…，K)分別表示S到PR，S到Rk，Rk到PR，Rk到D的信道系數。

次級用戶通信系統占用2個時隙：第一個時隙內，信源S以發射功率PS向信宿D和K個中繼發送信號。第二個時隙內，中繼Rk對信源S發送過來的信號進行解碼，然后重新編碼后以發射功率Pk將編碼后的信號發送給信宿D。為了不對主網絡產生干擾，信源S和中繼Rk的發射功率必須滿足：PS|hS,P|2≤Q，Pk|hk,P|2≤Q，其中,|·|表示絕對值，Q表示為PR所能忍受的最大干擾功率(最大干擾門限)。同時，也要受到次級系統最大發射功率Pm的限制。那么，信源S和中繼Rk的發射功率分別表示為

(1)

(2)

則第k條鏈路的第一跳(S→Rk)和第二跳(Rk→D)的接收信噪比分別可以表示為

(3)

(4)

式中N0為加性高斯白噪聲的功率。此時，第k條中繼鏈路的信噪比可表示為

γk=min(U1k,U2k)

(5)

本文假設所有的鏈路都服從獨立而不同分布的瑞利衰落，因此，信道增益|hS,P|2，|hS,k|2，|hk,P|2，|hk,D|2服從功率均值分別為ΩS,P，ΩS,k，Ωk,P，Ωk,D的指數分布。這樣，在信宿D處系統的端到端瞬時信噪比可以表示為

(6)

2　中斷性能分析

2.1準確分析

中斷概率OP通常被定義為：次級用戶接收機D處的瞬時信噪比γD低于預設定的門限值γth時的概率。因此，該系統的中斷概率可以表示為

(7)

式中Pr{·}為概率，Fγk(·)為γk的累積分布函數。

由式(3)和式(4)可知，U1k和U2k相互獨立，則γk的累積分布函數為

Fγk(γ)=Pr(min(U1k,U2k)<γ)

=1-Pr(U1k>γ)Pr(U2k>γ)

=FU1k(γ)+FU2k(γ)-FU1k(γ)FU2k(γ)

(8)

下面分別求解FU1k(·)和FU2k(·)的閉合表達式

(9)

由于X∈{|hS,P|2,|hS,k|2,|hk,D|2,|hk,P|2}服從參數為Ω∈{ΩS,P,ΩS,k,Ωk,D,Ωk,P}的瑞利分布，故其概率密度函數和累積分布函數可以分別表示為

(10)

(11)

式中exp(·)為以e為底的指數函數。 將式(10)和式(11)代入式(9)，可以計算得到的U1k的累積分布函數為

(12)

同理，可以求得U2k的累積分布函數為

(13)

因此，將式(8)、式(12)和式(13)代入式(7)便可得到中斷概率的準確閉合表達式

Pout=

(14)

2.2漸進分析

下面來討論系統在高信噪比時(Pm→∞)中斷概率的漸進表達式。此時由式(1)和式(2)可知，信源S和中繼Rk的發射功率將完全由Q,hS,P和hk,P確定。經過計算可得，當Pm→∞時，式(12)和式(13)的累積分布函數的漸進表達式可分別表示如下

(15)

(16)

將式(8)、式(15)和式(16)代入式(7)，可以得到漸進分析下中斷概率的表達式為

(17)

實際上，中斷概率在Pm→∞時的漸進結果即表示了“中斷地板效應”中地板值的大小。

3　數值仿真與分析

圖2　中斷概率與中繼個數的關系Fig 2　Relationship between break off probability and numbers of relay

在圖3中，本文繪出了中斷概率與主用戶干擾門限的關系曲線來研究干擾門限對系統中斷概率的影響。圖中曲線顯示，當主用戶放寬對次級用戶的限制，中斷概率降低，系統性能得到改善，當次級系統的最大發射功率增加到大于等于主用戶干擾門限值的時候，主用戶的干擾門限成為決定性因素，從而導致了“中斷地板效應”的出現。另外，在圖3中給出了無干擾限制(即：主用戶能承受的干擾無限大)時中斷概率的變化曲線。通過比較可以發現，當主用戶對次級用戶的通信不產生任何限制的情況下，系統的性能是無比優越的，“中斷地板”也不會出現。在圖4中，以(Q/N0)的變化為橫坐標來研究中斷概率與次級用戶最大發射功率的關系。圖中可以看到,次級用戶最大發射功率的增加帶來了系統性能的提升，由于對于固定的發射功率，當主用戶干擾門限值增加到大于等于最大發射功率值的時候，次級系統的發射功率起主導作用，所以,“中斷地板效應”依然會出現。然而，當發射功率趨于無窮大的時候，“中斷地板”消失，系統則呈現出優越的性能。

圖3　中斷概率與主用戶干擾門限的關系Fig 3　Relationship between break off probability and interference threshold of primary user

圖4　中斷概率與最大傳輸功率的關系Fig 4　Relationship between break off probability and the maximum transmission power

4　結束語

本文在瑞利衰落環境下，對一個基于譯碼轉發中繼選擇系統的性能進行了研究。考慮次級通信系統受到來自主用戶干擾門限和最大發射功率的雙重限制的情況下，推導出了在準確分析和漸進分析下中斷概率的閉合表達式;同時利用計算機模擬仿真驗證了分析結果的正確性。實驗結果表明:中繼個數的增加帶來了系統性能的提升，但提升空間有限;另外，主用戶的干擾門限和最大發射功率的變化關系在某種程度上導致了“中斷地板效應”的出現，使系統性能的改善出現了瓶頸。

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姬士龍(1987 -)，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為協作通信。

Research on property of cognitive relay selection system with transmission power constraint*

JI Shi-long, GUO Hui, WANG Li-hong

(School of Computer Science and Technology,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

Break off performance of a dual-hop cognitive relay selection system is researched based on decode-and-forward(DF)protocol.The system uses half-duplex communication mode and all nodes are equipped with single antenna.Also,both the maximum interference power from primary receiver and the maximum transmission power constraint secondary system.Moreover,both the exact closed-form expression for break off probability and high transmission power asymptotic closed-form expressions are derived in non-identical Rayleigh fading channel environments.The correctness of theoretical analysis result is verified via Monte-Carlo simulations.Experimental results show that break off probability is reduced and the system performance is improved as numbers of relays increase,but improvement is limited.Moreover,changing relationship between the maximum interference threshold and the maximum transmission power brings bottleneck to improvement of system.

cognitive cooperative communications; decode-and-forward;Rayleigh fading; the maximum transmission power; interference constraint

2015—11—05

河南省教育廳科學技術研究重點項目(12B510011，12A520022)；河南理工大學博士基金資助項目(B2013—036，B2009—21)

TN 929.5

A

1000—9787(2016)08—0063—04

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0063—04