一種基于效益的非分時(shí)槽動(dòng)態(tài)頻譜感知策略

韓芳

一種基于效益的非分時(shí)槽動(dòng)態(tài)頻譜感知策略

韓芳

針對(duì)主要用戶信道狀態(tài)為非分時(shí)槽情況，提出了一種基于效益的動(dòng)態(tài)頻譜感知策略。在該策略中，次要用戶根據(jù)所定義的效用函數(shù)來動(dòng)態(tài)調(diào)度傳輸、感知和休息3種行為。當(dāng)感知到主要用戶信道空閑時(shí)，通過對(duì)正確數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)來動(dòng)態(tài)的調(diào)度傳輸與感知行為，以解決吞吐量與對(duì)主要用戶保護(hù)之間的折衷問題；當(dāng)感知到主要用戶信道忙碌時(shí)，通過對(duì)休息行為予以獎(jiǎng)勵(lì)來動(dòng)態(tài)調(diào)度感知與休息行為，以解決能量消耗與對(duì)主要用戶保護(hù)之間的折衷問題。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在保證吞吐量的情況下，極大地降低了信道感知的次數(shù)，從而節(jié)約了能量。

信道狀態(tài)；頻譜感知；效用函數(shù)；吞吐量；感知次數(shù)；能量

0 引言

無線電頻譜是一種珍貴有限的資源，其使用方式受各國政府嚴(yán)格管制。現(xiàn)有頻譜分配方案大多采用靜態(tài)分配原則，即把頻譜資源條狀分割成若干個(gè)子頻段，每個(gè)子頻段通常只分配給一種授權(quán)用戶使用，只有很少的一部分頻段未被分配。這種分配的不平衡性造成頻譜資源日益枯竭，開放使用的非授權(quán)頻段只占整個(gè)頻譜資源的很小一部分，但在該頻段的用戶卻很多，已基本趨于飽和；而授權(quán)頻段占用了整個(gè)頻譜資源的絕大部分，但根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC，F(xiàn)ederal Communications Commission）的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在不同地方不同時(shí)間，不少授權(quán)頻段處于空閑狀態(tài)[1]，平均使用率僅為5.2%。因此，頻譜缺乏并非物理意義上的缺乏，而是固定的頻譜訪問策略造成的，那么我們就需要尋找一種更加靈活的頻譜訪問模式。由此而引出了動(dòng)態(tài)頻譜訪問的思想，在不影響授權(quán)用戶（主要用戶）正常通信的前提下，非授權(quán)用戶（次要用戶）機(jī)會(huì)性的使用授權(quán)頻譜，以增加時(shí)域、空域及頻域上的頻譜復(fù)用，從而提高頻譜的利用率。

1 相關(guān)工作

根據(jù)主要用戶信道狀態(tài)變化是否是分時(shí)槽，可以將頻譜訪問分為兩種。對(duì)于分時(shí)槽情況，又可以按感知時(shí)間是否固定長度來進(jìn)行劃分，對(duì)于可變的感知時(shí)間長度情形，文獻(xiàn)[2、3]對(duì)在一個(gè)時(shí)槽內(nèi)，控制感知時(shí)間長度來解決感知的準(zhǔn)確性和吞吐量之間的折衷問題；文獻(xiàn)[4]考慮在有能量約束情況下的機(jī)會(huì)頻譜訪問，通過在時(shí)槽開始時(shí)，判斷是否進(jìn)行感知，若進(jìn)行感知，選擇合適的感知時(shí)間長度；若不進(jìn)行感知，則進(jìn)行休息，以節(jié)約能量，以此來定義了一個(gè)包含延遲、能量消耗以及吞吐量三者之間的效用函數(shù)，得出次要用戶進(jìn)行何種操作的策略。該方法研究的是信道狀態(tài)為分時(shí)槽的情況，而本文主要針對(duì)非分時(shí)槽的頻譜感知進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[5]根據(jù)認(rèn)知用戶接收信噪比的變化，通過自動(dòng)調(diào)整參與協(xié)作頻譜感知的認(rèn)知用戶數(shù)，以減少認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)開銷。理論分析和仿真結(jié)果表明，和等增益合并協(xié)作頻譜感知算法相比，在保證頻譜檢測性能的前提下，該算法減少了認(rèn)知用戶通過控制信道到中心控制器的平均數(shù)據(jù)開銷；文獻(xiàn)[6]基于陣列天線理論，利用并分析接收信號(hào)相關(guān)矩陣，并以其最大與最小特征值之差作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，進(jìn)而判斷主用戶是否存在，實(shí)現(xiàn)頻譜感知。理論分析和仿真結(jié)果均表明，此方法的感知性能明顯優(yōu)于能量檢測算法，并且有效地解決了噪聲不確定度對(duì)檢測性能的影響；對(duì)于固定的感知時(shí)間長度情形，文獻(xiàn)[7]對(duì)在一個(gè)時(shí)槽內(nèi)，根據(jù)判斷主要用戶信道即時(shí)狀態(tài)，來調(diào)度何時(shí)進(jìn)行感知何時(shí)進(jìn)行傳輸，以使得由于進(jìn)行感知浪費(fèi)的頻譜資源最小；文獻(xiàn)[8]提出了一種基于檢測可信度的協(xié)作頻譜檢測算法。首先，利用各認(rèn)知用戶的平均接收信噪比來獲得它們的檢測可信度，然后，綜合各認(rèn)知用戶的檢測結(jié)果以及檢測可信度來判斷授權(quán)用戶是否使用頻帶，從而提高了檢測性能。但其假定主要用戶信道的狀態(tài)變化時(shí)分時(shí)槽的，在每個(gè)時(shí)槽內(nèi)信道狀態(tài)不變。

對(duì)于非分時(shí)槽的情況，文獻(xiàn)[9]考慮的是MAC層感知調(diào)度，在多信道情況下，提出了優(yōu)化感知周期和探測序列的模式來最大化可用的頻譜機(jī)會(huì)。本文的目標(biāo)是折衷次要用戶吞吐量與對(duì)主要用戶保護(hù)問題以及折衷能量消耗與對(duì)主要用戶保護(hù)問題。文獻(xiàn)[10]得出的次要用戶傳輸感知最優(yōu)策略是在信道空閑分布為指數(shù)分布的情況下。而事實(shí)上，指數(shù)分布情況只在主要用戶和次要用戶分布極不均勻的條件下才會(huì)出現(xiàn)，一般情況下信道空閑分布大多為均勻分布，因此該方法不具有普適性。文獻(xiàn)[11]考慮的情形與本文類似，根據(jù)對(duì)次要用戶正確傳輸數(shù)據(jù)包予以獎(jiǎng)勵(lì)反之予以處罰，提出了動(dòng)態(tài)頻譜訪問的最優(yōu)傳輸感知策略，文章認(rèn)為在主要用戶信道忙碌周期，為了避免對(duì)主要用戶通信干擾，次要用戶應(yīng)一直進(jìn)行感知，但由于主要用戶信道忙碌周期遠(yuǎn)大于次要用戶感知時(shí)間，所以大多數(shù)感知并不能起到效果，基于此，本文提出了包含傳輸、感知及休息的動(dòng)態(tài)頻譜訪問策略，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的有效性。

2 系統(tǒng)模型

本文考慮的是次要用戶機(jī)會(huì)性的訪問一個(gè)主要用戶信道，主要用戶可以根據(jù)自己的意愿隨時(shí)可發(fā)送數(shù)據(jù)，不需考慮次要用戶的活動(dòng)狀態(tài)。信道分為空閑、忙碌兩種狀態(tài)，空閑和忙碌周期相互獨(dú)立。

次要用戶包含感知、傳輸和休息3種動(dòng)作，當(dāng)次要用戶要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，進(jìn)行頻譜感知（可采用匹配濾波器、能量檢測等方式）以決定當(dāng)前主要用戶信道是空閑還是忙碌狀態(tài)，使用Pd（檢測概率）和Pf（誤報(bào)概率）對(duì)非理想感知的結(jié)果進(jìn)行刻畫，其中檢測概率是指主要用戶信道是忙的，次

圖4 相同粒度，不同S值下，STQ在吞吐量、碰撞概率以及感知次數(shù)變化情況

其中，我們可以看出，隨著S的增大，STQ吞吐量以及碰撞概率方面均變化不大，在感知次數(shù)方面均在增加，這時(shí)因?yàn)殡S著處罰的增大，次要用戶更多的進(jìn)行感知。

5 總結(jié)

本文在已有工作的基礎(chǔ)上，加入能量消耗因素，針對(duì)次要用戶動(dòng)態(tài)訪問頻譜資源，提出了一種包含傳輸、感知和休息3種行為的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略。在感知到主要用戶信道空閑狀態(tài)下，對(duì)正確數(shù)據(jù)傳輸獎(jiǎng)勵(lì)反之予以處罰，通過最大化平均收益來動(dòng)態(tài)的調(diào)度傳輸與感知行為，以解決吞吐量與對(duì)主要用戶保護(hù)之間的折衷問題；在感知到主要用戶信道忙碌狀態(tài)下，對(duì)本該休息而進(jìn)行休息予以獎(jiǎng)勵(lì)反之予以處罰，通過最大化平均收益來動(dòng)態(tài)調(diào)度感知與休息行為，以解決能量消耗與對(duì)主要用戶保護(hù)之間的折衷問題。我們下一步研究工作的重點(diǎn)在于：1）相對(duì)于要參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼J(rèn)知用戶而言，頻譜資源是十分稀疏的，因此,計(jì)劃將頻譜感知問題建模為基于壓縮感知的稀疏信號(hào)恢復(fù)問題，提出更精確的感知算法；2）在頻譜感知的基礎(chǔ)上，考慮最小化能量開銷和最小化對(duì)主要用戶的干擾，研究基于干擾消除的頻譜分配算法。

[1] 葛雨明,孫毅,蔣海,等.基于認(rèn)知無線電技術(shù)的動(dòng)態(tài)頻譜分配方案研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2012,35(3):446-453.

[2] Wang P. Xiao L. Zhou S and . Wang. J Optimization of detection time for channel efficiency in cognitive radio systems[C]. in Proc. Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2007:111–115.

[3] Liang Y.-C. Zeng Y. Peh E. and Hoang A. T Sensing-throughput tradeoff for cognitive radio networks [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008,7(4):1326-1337.

[4] Anh Tuan Hoang, Ying-Chang Liang, David Tung Chong Wong, Yonghong Zeng, and Rui Zhang. Opportunistic Spectrum Access for Energy-Constrained Cognitive Radios [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2009,8(3):1206-1215.

[5] 丁漢清,楊佳瑋,趙志遠(yuǎn).認(rèn)知無線電中自適應(yīng)分步合并協(xié)作頻譜感知算法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,37(4):665-670.

[6] 王穎喜,盧光躍.基于最大最小特征值之差的頻譜感知技術(shù)研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2010,32(11):2571-2575.

[7] Anh Tuan Hoang, Ying-Chang Liang and Yonghong Zeng.Adaptive Joint Scheduling of Spectrum Sensing and Data Transmission in Cognitive Radio Networks [J]. IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, 2010, 58(1):235-246.

[8] 肖林,劉凱.認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的最佳可信度頻譜監(jiān)測算法[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,38(5):79-84.

[9] Kim H. and . Efficient S. K. G discovery of spectrum opportunities with MAC-layer sensing in cognitive radio networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing, 2008,7(5):533-545.

[10] Huang, S.. Liu,X and . Ding.Z Short paper: On optimal sensing and transmission strategies for dynamic spectrum access[C]. Poster Session, the 3rd IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN), 2008:234-239.

[11] Senhua Huang, Xin Liu, and Zhi Ding. Optimal Sensing-Transmission Structure for Dynamic Spectrum Access[C]. IEEE Infocom 2009:483-492.

TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

2015.04.01）

1007-757X(2015)08-0014-05

鄭州市科技局科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20140663, 121PYFZX177）

韓芳（1981-），女，漢族，新鄉(xiāng)人，黃河科技學(xué)院，信息工程學(xué)院，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：圖像處理、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，鄭州，450063