認知無線網絡的優化感知時間和功率分配

李嬌

（鄭州工商學院，河南 鄭州 451400）

認知無線網絡的優化感知時間和功率分配

李嬌

（鄭州工商學院，河南 鄭州 451400）

主要研究如何設計最優感知時間和功率分配，以使認知無線電的各態歷經吞吐量達到最大值，使用寬帶感知頻譜共享技術和寬帶機會頻譜接入技術，我們在這2種技術中考慮了平均發射功率限制和平均干擾功率限制，提出了在非完美頻譜感知情況下如何獲得最優感知時間和最優功率分配算法，并討論了平均發射功率限制和平均干擾功率限制對最優功率的限制。

認知無線網絡；寬帶頻譜；功率分配；感知時間

隨著無線通信業務的不斷拓展，通信系統對無線頻譜資源的需求不斷增加，導致頻譜資源越來越匱乏。為了解決上述頻譜利用率低的問題，近年來，認知無線電這種新的頻譜使用模式正逐漸受到人們的關注。本文主要研究的是認知無線電的最優感知時間和功率分配策略，該策略使得認知無線網絡的各態歷經容量達到最大值。為了有效保護主用戶不受非完美頻譜感知的干擾，我們在基于感知的寬帶頻譜共享技術中考慮了干擾功率限制，并提出凸優化算法，由此得出了最優的感知時間和最優的功率分配，以得到信道的最大容量。通過仿真結果得出，基于感知的寬帶認知無線電頻譜共享技術優于以往的基于感知的寬帶認知無線電頻譜機會接入技術，且信道的最大功率隨著平均干擾功率的增大而增大。

1 系統模型

我們現考慮一個認知無線網絡，該網絡能夠將一個授權的寬帶頻譜接入到一個主要網絡，該網絡被分成M個非重疊的窄帶信道。此系統由一個主鏈路和輔鏈路組成。為了將頻帶接入，非授權用戶必須首先用頻譜感知來看每個信道是空閑還是被使用。在本文中，我們使用文獻[1]中提到的多頻帶聯合檢測器做了多頻帶同步頻譜感知，其中使用了能量檢測方案[2]，以檢測每個頻帶主要用戶的狀態。

τ代表了感知時間，εj代表了在信道j中能量檢測器的閾值，γj代表信道j中二級能量檢測器主要用戶的接收信噪比，fs代表采樣頻率。

圖1 認知無線網絡的框架圖

這個認知無線網絡的框架如圖1所示，將一個平靜持續時間τ插入到每個持續時間T傳輸幀，用于頻譜感知。

2 基于感知的寬帶頻譜共享

在本文中，我們選擇目標檢測可能性為Pd，j（τ，εj），j＝1，…，M.更進一步，對于給定的感知時間，我們可以選擇一個判決門限，以達到要求的目標檢測可能性Pd，j.判決門限定義為：

平均發射和干擾功率限制可描述如下：

拉格朗日雙重優化問題給出如下：

在如上的優化問題中，函數g（λ，μ）代表拉格朗日雙重函數：

為計算二重函數g（λ，μ），我們需要發現關于發射功率Ps(0)和 Ps(1)的拉格朗日上確界。

關于發射功率的聯合優化問題，可以被分解為2個優化子問題，一個計算 Ps(0)，另一個計算 Ps(1)，具體如下。

以上2個子問題是凸優化問題，通過寫它們的拉格朗日函數和應用KKT條件，當j信道主用戶被檢測到空閑時，最優功率可描述如下：

然而，當j信道主用戶被檢測到忙時，最優功率可描述

如下：

為了找到WSSS認知無線電最優功率分配策略，需找到使得二重函數g（λ，μ）達到最小值的最優值λ和μ.此處使用橢球方法[4]來尋找最優的解決方案，這需要二重函數g（λ，μ）的梯度。最后，獲得認知無線電WSSS最優感知時間和功率分配策略算法顯示如下：

Forτ＝0∶T

第1步，初始化λ，μ；

第2步，循環：

用（4）－（11）的公式計算；使用橢圓算法一步步更新λ，μ.

第3步，直到λ，μ收斂。

End最優感知時間和功率分配：

3 仿真結果分析

仿真一：此仿真應用于瑞利衰落信道，所有的信道功率增益都假設服從具有單位均值的指數分布，假設N0＝1.幀的長度為T＝100ms，仿真的幀的個數為10000，目標檢測概率Pth＝0.9，同時γ＝-15dB，發射功率PU＝10dB。

圖2 各態歷經容量圖

圖2顯示了完美感知方案中在發射和干擾功率聯合限制P（H0）＝0.6情況下的各態歷經容量，虛線表示了在同樣情況下機會接入模型的各態歷經容量。從圖中可以很容易看出，隨著Pav和Qav的增加，傳輸模型的信道容量也增加。然而對于機會接入模型，信道容量只隨著Pav的增加而增加。這就顯示出了共享接入模型的優越性。

仿真二：此仿真模型中考慮了3個窄頻信道，每個都有6MHz的帶寬。信道假設為快衰落，它們的功率增益是各態歷經的穩定的且服從具有單位均值的指數分布。幀的長度T＝100ms，采樣頻率為6MHz，所有信道的目標檢測概率為Pd，j＝0.9，每個信道的認知用戶探測器探測到的主用戶的接收信噪比最小為γ1＝－12dB，γ2＝－15dB，γ3＝－20dB，最后所有信道的主用戶的發射功率為Pp，j＝10dB，噪聲方差為N0＝1.

圖3 感知時間與各態歷經容量關系圖

圖3顯示了WSSS中對于認知用戶中不同的發射功率Pav感知時間和各態歷經容量之間的關系。最大的平均干擾功率設為Γ＝－10dB，j頻帶空閑的概率假設為P（H0，j）＝0.6，j＝1，2，3.從圖3中可以清晰地看到，各態歷經容量是關于感知時間τ的凸函數，這也就表明了在共享接入模型中存在著最優感知時間。從圖中可以看出，最優的感知時間大約等于10ms，同仿真一中的結論相似。另外，從圖3中還可以看出，信道容量也是隨著Pav的增大而增大。

4 結論

本文主要研究的是設計基于寬帶頻譜共享認知無線電的最優的感知時間和功率分配算法。本文進行了基于感知的寬帶認知無線電頻譜共享技術原理分析，并提出了相應的算法。在此基礎上，應用MATLAB進行仿真分析，得到了最優的感知時間和信道最大容量的最優算法。通過仿真結果得出，基于感知的寬帶認知無線電頻譜共享技術優于以往的基于感知的寬帶認知無線電頻譜機會接入技術，且信道的最大功率隨著平均干擾功率的增大而增大。

［1］Z.Quan，S.Cui，A.H.Sayed，etal.Widebandspectrum sensingincognitiveradionetworks.IEEEInternational ConferenceonCommunications，2008（5）：901-906.

［2］R.Tandra，A.Sahai.SNRwallsforsignaldetection.IEEE JournalofSelectedTopicsinSignalProcess，2009，2（1）：4-17.

［3］FCC.ETDocketNo.03-222NoticeofProposedRule MakingandOrder.Cfp.mit.edu，2003．

［4］X.Kang，Y.-C.Liang，H.K.Garg，etal.Sensing-based spectrum sharing in cognitive radio networks.IEEE TransactionsonVehicularTechnology，2009，58（8）：4649-4654.

〔編輯：劉曉芳〕

TN925

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.052

2095－6835（2017）17－0052－03