基于能量效率的協作頻譜感知時間優化

董守超，張 晶,2

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003)

基于能量效率的協作頻譜感知時間優化

董守超1，張 晶1,2

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003)

隨著無線通信技術的飛速發展，人們對于頻譜的需求不斷增加。而頻譜資源是一種有限的自然資源，其日趨緊張甚至枯竭已成為不爭的事實，而真正要解決這種矛盾，必須對現在的頻譜管理方法進行改進。認知無線電技術是解決頻譜短缺的最有前景的技術之一?，F有研究多著眼于提高認知無線電系統的頻譜效率，但隨著頻譜效率的不斷提高，系統能耗也呈現指數級增長，對于能量受限節點來說必須要提高系統能效。為此，針對協作頻譜感知場景同時考慮認知用戶非理想感知的情況，建立了認知無線電系統的能量效率模型；在此基礎上，綜合考慮頻譜感知、頻譜切換和數據傳輸過程，通過優化頻譜感知時間，使得系統能效達到最大。仿真結果表明，存在最優的感知時間，使得系統能效達到最大。

認知無線電；協作頻譜感知；頻譜切換；能效

0 引 言

隨著無線用戶數目的快速增長和無線業務的蓬勃發展，無線頻譜資源作為一種不可再生的資源，其稀缺特性表現得越來越明顯。研究發現，造成頻譜短缺的最主要原因就是傳統的固定頻譜分配策略，認知無線電(CR)技術[1-5]就是在這樣的情況下應運而生。在認知無線電網絡中，認知用戶(SU)會主動進行頻譜感知[6-8]，尋找頻譜“空洞”。若存在頻譜“空洞”，認知用戶就會接入授權頻段來傳輸信息。然而，陰影效應和多徑效應都使得認知用戶的感知性能大為降低。為了減弱這些影響，學者們提出協作頻譜感知方案[9-10]，協作頻譜感知是指多個認知用戶進行感知，并將感知信息發送到融合中心進行融合判決來得到最終的感知結果。協作頻譜感知確實可以提高感知性能，但是多用戶的協作感知必然意味著消耗更多能量，這對于能量有限的無線設備，比如用電池來供電的設備，就必須考慮如何在保證感知性能的前提下提高系統能效。

目前，如何提高認知無線電網絡能效已成為學者們研究的一個新熱點。Guo C[11]等考慮在認知用戶距離融合中心非常遠的情況下，提出將認知用戶按照地理位置分成一個個簇群，每個簇頭將自己簇群里的感知信息壓縮后再發送給融合中心，該方案通過減少認知用戶的傳輸距離來減少能耗。由于所處環境的差異，并非所有認知用戶的感知信息都具有可靠性，于是Chen Y[12]提出檢測每個認知用戶感知信息可靠度，具有較高可靠度的感知信息才發送給融合中心，通過減少發送感知信息的用戶數來減少能耗。但上述文獻只是減少了系統能量的消耗，而沒有考慮到吞吐量的影響。于是就有學者將認知無線電網絡能效定義為網絡中成功傳輸的平均比特數與平均能耗之比。Peng T[13]等通過對感知用戶數、檢測門限值、感知時間進行聯合優化，從而使能量效率達到最大值，但該分析只適用單一信道的情況。Zhang J[14]等考慮了多信道情況下的能效問題，但是只適用于單一認知用戶進行感知的情況。

針對現有工作的不足，文中研究了多用戶協作感知情況下的認知無線電系統能效建模與優化問題。采用基于判決融合的協作頻譜感知方案，融合中心采用多數表決原則作為融合準則[15]，并聯合考慮協作頻譜感知、頻譜切換和傳輸過程，通過優化感知時間，使系統能效達到最大。

1 系統模型

1.1 認知無線電系統場景

認知無線系統場景如圖1所示。

圖1 認知無線電網絡系統場景

假設網絡中只有兩個信道，授權用戶擁有信道接入優先權，并通過一個基站來提供接入控制，即當某個授權用戶需要傳輸信息時由基站為其分配信道。認知用戶通過認知基站進行接入控制，只有在授權用戶不存在的情況下才能接入信道，而一旦檢測到授權用戶到達，就需要讓出當前信道，并尋找其他空閑信道繼續傳輸或等在當前信道的緩沖區。認知用戶通過周期性頻譜感知來檢測授權用戶是否存在，而授權用戶不具備頻譜感知能力，避免沖突的責任全都落到了認知用戶身上。為了提高頻譜感知性能，采用多用戶協作頻譜感知方案。

1.2 協作頻譜感知模型

假設認知無線電網絡中有N個認知用戶參與感知活動，并將其編號為1,2,…,N，每個認知用戶帶有兩個傳感器，可以同時且獨立地感知兩個信道的狀態，并將感知結果發送至位于認知基站處的判決中心進行融合判決。假設所有認知用戶擁有相同的定時同步系統，以保證頻譜感知的同步性。參與協作的認知用戶通過一個公共信令信道將感知結果傳輸到融合中心。

認知用戶采用感知-傳輸時隙結構進行協作感知。首先，申請接入的認知用戶及其周圍的N-1個認知用戶分別在時間τ內獨立地感知信道占用狀態；然后，每個認知用戶依次以時間r將感知結果傳輸到融合中心，由融合中心根據“多數表決”準則進行融合判決；最后，融合中心根據判決結果為需要接入的認知用戶分配一個空閑信道。鑒于信令信道的唯一性，N個認知用戶需要分時傳送感知結果?！岸鄶当頉Q”融合判決準則為：對某一信道，若N個認知用戶中有一半以上感知到授權用戶存在，則判決該信道為授權用戶占用；反之，若有一半以上認知用戶檢測到授權用戶不存在，則判決結果為信道空閑。

假設系統中認知用戶接收機到授權用戶發射機的距離遠大于認知用戶收發端之間的距離，于是可以認為到達認知用戶的信號經歷了幾乎相同的路徑損耗。因此認知用戶接收到信號的信噪比γ也就幾乎是相同的?？紤]認知用戶采用能量檢測方案[15]，對于第i個認知用戶，給定一個能量檢測門限值εi，則每個認知用戶的檢測概率和虛警概率分別近似為：

(1)

(2)

由式(1)、(2)可以看出，當所有的認知用戶都取用一個相同的門限值ε時，所有認知用戶的檢測概率和虛警概率都相同，即可以統一表示為Pd,1和Pf,1。

根據融合判決準則，多用戶協作檢測概率和虛警概率分別計算為：

(3)

(4)

其中，「x?表示不小于x的最小整數。

需要說明的是，參加協作的認知用戶數目N默認為奇數，以避免出現“表決平手”現象。

1.3 頻譜切換模型

認知系統采用被動頻譜切換方案[16]：處于通信狀態的認知用戶及其鄰近的N-1個認知用戶在每一個感知周期的開始時間τ內進行頻譜感知并上報感知結果給融合中心，若融合中心判定授權用戶出現在該認知用戶的工作信道上，就查看另一信道是否空閑，若是，由認知基站通知認知用戶切換到空閑信道，否則認知用戶呆在當前信道的緩沖區中，等待下一個感知周期的到達。

P1=λpE[Xp]

(5)

認知用戶造成的信道忙碌概率為Ps[16]：

(6)

最終，信道總的忙碌概率可計算為：

(7)

2 系統能量效率建模與優化

2.1 認知系統能量效率建模

在認知無線電系統中，根據協作感知結果以及信道的實際占用狀況，每個時隙里授權用戶和認知用戶之間的活動可以分為六種可能的情況，對應時隙結構的三種應用場景，如圖2所示。

圖2 時隙結構的三種應用場景

由于前面已經假設系統中兩個信道地位均等，下面以某一認知用戶初始接入信道1為例來分析信道的占用情況。假設每個認知用戶的感知功率為Es，發送功率為Et。鑒于切換時間開銷t很短，而且切換功率開銷較小，可忽略切換功耗。在感知/融合判決結束時刻，可能出現：

情況1：授權用戶不存在，且正確檢測。此時對應幀結構(a)。則認知無線電系統消耗能量為Φ1(τ)=N(Esτ+Etr)+Et(T-τ-Nr)，平均吞吐量為(T-τ-Nr)C。其中，C=log2(1+SNRs)表示認知用戶的傳輸速率。

情況2：授權用戶不存在，但誤檢測，而另一信道空閑。此時對應幀結構(c)。因此認知無線電網絡所消耗的能量與場景1相同也為Φ1(τ)，系統吞吐量為(T-τ-Nr-t)C。

情況3:授權用戶不存在，但誤檢測，且另一信道也忙碌。此時對應幀結構(b)。認知無線電網絡所消耗的能量為Φ2(τ)=N(Esτ+Etr)，系統吞吐量為0。

情況4:授權用戶存在，且正確檢測，而另一信道空閑。此時對應幀結構(c)。認知無線電網絡所消耗的能量為Φ1(τ)，系統吞吐量為(T-τ-Nr-t)C。

情況5:授權用戶存在，但誤檢測，另一信道也忙碌。此時對應幀結構(b)。認知無線電網絡所消耗的能量為Φ2(τ)，于是該場景中的吞吐量為0。

情況6:授權用戶存在，但誤檢測。此時對應幀結構(a)。認知無線電網絡消耗的能量為Φ1(τ)，但認知用戶與授權用戶的傳輸出現碰撞，其傳輸的數據無法被成功接收，因此認知系統的吞吐量為0。

認知無線電網絡中對各場景的分析結果總結在表1中。

其中,P1表示授權用戶存在的概率，可以用授權用戶造成的忙碌概率表示,P0=1-P1，表示授權用戶不存在的概率。于是，系統的平均吞吐量可以表示為：

(8)

表1 認知無線電網絡在不同情況下的能耗和吞吐量

系統的平均能耗可以表示為：

(9)

定義認知系統能量效率為網絡中平均吞吐量與平均能耗之比,于是得出系統的能效表達式為：

(10)

2.2 能量效率優化問題

顯然，認知無線電系統的能效為感知時間的函數。因此，可以通過調整感知時間來提高能量效率?？紤]感知質量約束，可以建立如下的優化問題：

(11)

對η(τ)求導可得:

(12)

其中，X=-P0(1-Pf)C，Y=-(1-ρ)(P0Pf+P1Pd)C，A=P0(1-Pf)+P1(1-Pd)+P0Pf(1-ρ)+P1Pd(1-ρ)，B=P0Pfρ+P1Pdρ。

可進一步證明:

(13)

其中，假設Es?Et，從而NEsT-NEtr<0。

[X(NEs(T-Nr)+NEtr)+Y(NEs(T-Nr-t)+

NEtr)+YAEtt]/Φ2(0)<0

(14)

即在τ=0附近，η(τ)是增函數，在τ=T附近,η(τ)是減函數，且η(τ)在(0，T)上是連續函數。因此η(τ)在(0，T)上必定存在一個最大值。

3 仿真分析

給定授權用戶到達率λp，認知用戶到達率λs，對于不同的協作認知用戶數N，系統能效如圖3所示。

圖3 在不同感知用戶數下系統能效與感知時間的關系

開始時，隨著感知時間的增加，系統能效也隨之增加，說明隨著感知時間增加檢測概率變大，傳輸的信息能夠被成功接收(不會受到授權用戶的干擾)的概率也變大，因此傳輸消耗的能量是有用消耗的概率變大，系統能效也就隨之增加。隨著感知時間進一步增加，雖然感知性能還是會提高，但感知能耗也會增加，而且隨著傳輸時間變短，系統吞吐量也會隨之變小，導致系統的能耗反而出現了下降，此時已經不值得再提高感知性能。因此，當N給定以后，系統能效是隨著感知時間的增加先變大再變小，總是存在一個最優感知時間。例如，當N取7時，最優感知時間大概在8ms左右，系統能效達到最大的1.87bits/(Hz·J)。

4 結束語

文中聯合考慮協作頻譜感知、頻譜切換和數據傳輸過程，建立能效模型，并通過理論分析證明了系統能效會隨著感知時間的增大而先增大再減小。當系統中協作感知用戶數，授權用戶到達率，認知用戶到達率等參數已知時，總是可以找到一個最佳的感知時間，使得系統能效達到最大。仿真結果證明了理論分析的正確性。

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Optimization of Cooperative Spectrum Sensing Time Based on Energy Efficiency

DONG Shou-chao1，ZHANG Jing1,2

(1.College of Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Wireless Communications,Nanjing 210003,China)

With the rapid development of wireless communication technology,there is increasing demand for spectrum.The spectrum has become increasingly tense and even exhausted because it is a limited natural resource.To solve this contradiction,the current spectrum management method must be improved.Cognitive Radio (CR) is one of the most promising techniques to solve the spectrum scarcity.Existing researches have focused on improving the spectrum efficiency of cognitive radio system.With the continuous improvement of the spectrum efficiency,the system energy consumption also presents exponential growth.For energy-constrained nodes,it is necessary to improve the energy efficiency.Therefore,the energy efficiency model of cognitive radio system is set up under the cooperative spectrum sensing scenario which exits misdetection and false alarm.Furthermore,the procedure of cooperative spectrum sensing,spectrum handoff and transmission is considered jointly.By optimizing the sensing time,the maximum energy efficiency of the system is achieved.The simulation results prove the existence of an optimal sensing time,which enables the system to achieve the maximum energy efficiency.

cognitive radio;cooperative spectrum sensing;spectrum handoff;energy efficiency

2016-04-24

2016-08-12

時間：2017-02-17

國家自然科學基金資助項目(61401235)；江蘇省自然科學基金項目(BK20130875)

董守超(1991-)，男，碩士生，研究方向為認知無線電網絡中的能效；張 晶，副教授，研究方向為寬帶無線技術、無線資源管理、動態頻譜共享及綠色通信技術。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1630.052.html

TP302

A

1673-629X(2017)03-0176-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.037