一種基于信道態(tài)勢的混合頻譜接入研究方法

程東海彭著勛

1. 重慶工商大學(xué)紀檢監(jiān)察審計處 2. 華為技術(shù)有限公司全球技術(shù)部

一種基于信道態(tài)勢的混合頻譜接入研究方法

程東海1彭著勛2

1. 重慶工商大學(xué)紀檢監(jiān)察審計處 2. 華為技術(shù)有限公司全球技術(shù)部

在小尺度認知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，針對時間和頻率上的空洞造成資源浪費的問題，提出了一種基于信道態(tài)勢的混合頻譜接入方案。此方案考慮頻譜感知中誤檢和虛警對頻譜接入的影響，基于雙狀態(tài)馬爾科夫過程估計信道態(tài)勢，次用戶根據(jù)信道態(tài)勢選擇接入方式，提升了頻譜利用率，優(yōu)化了發(fā)射功率，提升了系統(tǒng)容量。理論分析和仿真驗證了該方案虛警與誤檢概率低，系統(tǒng)容量明顯優(yōu)于機會式頻譜接入與共存式頻譜共享接入方式的容量。

認知無線網(wǎng)絡(luò) 信道態(tài)勢 頻譜接入 系統(tǒng)容量

在無線通信領(lǐng)域，可用于無線通信使用的頻譜資源日益稀缺，提高頻譜利用率，已經(jīng)成為充分合理化利用頻譜資源的普遍方式。在小尺度認知無線網(wǎng)絡(luò)中，次用戶(Secondary User，SU)間利用時頻空洞動態(tài)接入網(wǎng)絡(luò)，物理層采用正交頻分復(fù)用，頻譜接入方式主要有機會頻譜接入(Opportunistic Spectrum Access, OSA)和共存式頻譜共享(Coexisting Spectrum Sharing，CSS)兩種，但由于發(fā)射功率受外部干擾限制，信道仍有處于空閑狀態(tài)的輕情況，未受到充分利用。

1 仿真驗證與分析

1.1 信道轉(zhuǎn)移概率對系統(tǒng)容量與發(fā)射功率的影響

根據(jù)第3部分信道轉(zhuǎn)移概率對系統(tǒng)容量和最優(yōu)發(fā)射功率的關(guān)系式(1)、(8)、(14)與(15)，仿真分析得到圖1，OSA、CSS、MSA系統(tǒng)容量與轉(zhuǎn)移概率的關(guān)系。

從圖1可以看出，在0.5α=的情況下，隨α著上升，CSS系統(tǒng)容量保持不變，OSA系統(tǒng)容量和MSA系統(tǒng)容量均上升。在α較低時，CSS系統(tǒng)容量高于OSA系統(tǒng)。因為CSS系統(tǒng)中的SU不管信道是否空閑均以CSS方式接入并一直占用信道，不受信道狀態(tài)與轉(zhuǎn)移概率的影響。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置表

1.2 頻譜感知誤差對系統(tǒng)容量的影響

根據(jù)系統(tǒng)容量與誤檢概率和虛警概率關(guān)系式（18）相關(guān)理論計算，仿真得到圖2，誤檢和虛警概率與系統(tǒng)容量關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)容量與轉(zhuǎn)移概率α關(guān)系圖

從圖2(a)可以看出，在虛警概率fp=0.2的情況下，隨著誤檢概率mp上升，CSS系統(tǒng)容量保持不變，OSA容量下降，MSA系統(tǒng)容量下降。隨著誤檢概率mp上升，'v也下降，因此，信道處于空閑狀態(tài)的時間比例下降。

圖2(b)是在誤檢概率pm=0.2的情況下，虛警概率與系統(tǒng)容量的關(guān)系圖。隨著虛警概率pf上升，CSS系統(tǒng)容量保持不變，OSA容量上升，MSA系統(tǒng)容量上升。隨虛警概率pf上升，'v也下降，信道處于繁忙狀態(tài)的時間比例下降，OSA系統(tǒng)容量上升。對于CSS接入方式，CSS系統(tǒng)容量幾乎不受頻譜感知誤檢和虛警概率影響。OSA接入方式下，若發(fā)生誤檢，會發(fā)生主次用戶碰撞，甚至中斷PU通信，此接入方式對頻譜感知誤差要求高。綜上，存在誤檢虛警概率的情況下，MSA方式系統(tǒng)容量優(yōu)于OSA與CSS系統(tǒng)容量。

（a）系統(tǒng)容量與誤檢概率pm

圖2 誤檢概率與誤警概率對系統(tǒng)容量的影響

1.3 頻譜感知誤差修正后對系統(tǒng)容量的影響

由于無線通信環(huán)境的復(fù)雜性及硬件條件限制，在實際應(yīng)用中，頻譜感知不可避免的出現(xiàn)感知誤差，如果在PU存在卻感知為信道空閑的情況下，選擇OSA方式接入信道，會發(fā)生主次用戶碰撞，嚴重時會中斷PU正常通信。修正信道轉(zhuǎn)移概率可保證在不影響PU正常通信的情況下提升系統(tǒng)容量，分別將理想感知與實際感知情況下轉(zhuǎn)移概率α與MSA、OSA、CSS系統(tǒng)容量關(guān)系對比得到圖3。

從圖3可知，CSS系統(tǒng)容量不受信道轉(zhuǎn)移概率和頻譜感知誤差影響，在圖3中幾乎不變化。理想感知狀態(tài)下MSA系統(tǒng)容量最大，OSA系統(tǒng)容量最小，但實際無法達到頻譜感知理想狀態(tài)。MSA修正信道轉(zhuǎn)移概率來降低感知誤差影響，實際容量優(yōu)于以修正信道狀態(tài)來減少感知誤差的CSS理想狀態(tài)系統(tǒng)容量，優(yōu)于OSA理想狀態(tài)系統(tǒng)容量。

圖3 頻譜感知誤差修正后轉(zhuǎn)移概率-容量圖

1.4 PU干擾容限對系統(tǒng)容量的影響

由PU干擾容限Q0與系統(tǒng)容量理論關(guān)系，仿真得到圖4，系統(tǒng)容量與PU干擾容限Q0關(guān)系。圖4中，隨著干擾容限Q0逐漸增大，CSS、OSA、MSA系統(tǒng)容量不變或者略微上升，三類系統(tǒng)容量均受干擾容限影響不大。

圖4 系統(tǒng)容量與PU干擾容限Q0關(guān)系

1.5 PU發(fā)射功率對認知系統(tǒng)容量的影響

系統(tǒng)容量與PU發(fā)射功率的關(guān)系如圖5。從圖5可以看出，隨PU發(fā)射功率MP增大，OSA系統(tǒng)容量不受影響，CSS系統(tǒng)容量明顯下降，MSA系統(tǒng)容量也下降。因為OSA接入方式下，SU與PU不在同一個信道上，因此SU不會受到PU的干擾。但是CSS接入方式下，SU與PU在同一個信道上，隨PU發(fā)射功率MP增大，SU受到PU的干擾增大，CSS系統(tǒng)容量下降明顯。MSA系統(tǒng)中只有部分SU處于CSS狀態(tài)，因此MSA系統(tǒng)容量仍然高于CSS系統(tǒng)容量。

圖5 PU發(fā)射功率MP與系統(tǒng)容量關(guān)系

2 結(jié)語

在小尺度認知網(wǎng)絡(luò)下，提出了一種基于信道態(tài)勢的混合頻譜接入方案。該方案結(jié)合了OSA和CSS的優(yōu)點，有效利用時頻域上的空洞，提升頻譜利用率。優(yōu)化了SU發(fā)射功率。實驗結(jié)果表明，MSA系統(tǒng)容量在理想感知狀態(tài)和實際感知中均優(yōu)于OSA和CSS系統(tǒng)，OSA系統(tǒng)受信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率、頻譜感知誤差影響較大，CSS系統(tǒng)受PU影響較嚴重。

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