單天線認(rèn)知無線電中的協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

隨著用戶對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和對(duì)無線服務(wù)和應(yīng)用的需求的迅速增加，有限的頻譜資源和傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配方法已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)需求。所以需要尋找更高效的技術(shù)即認(rèn)知無線電技術(shù)，來更好的應(yīng)用頻譜資源。認(rèn)知無線電技術(shù)不需要改變現(xiàn)有的靜態(tài)頻譜分配策略，可以利用頻譜感知等方法確定授權(quán)頻段的狀態(tài)信息，使認(rèn)知無線電用戶獲得額外的頻譜利用機(jī)會(huì)，可以在保證授權(quán)用戶通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高頻譜利用效率[1]。

認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以在機(jī)會(huì)性地利用頻譜資源的同時(shí)采集能量而不需要來自外部電網(wǎng)或電池的能量補(bǔ)充[2-8]。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中采用能量采集技術(shù)，認(rèn)知用戶可以對(duì)自身的能量進(jìn)行補(bǔ)充。由于頻譜感知和傳輸數(shù)據(jù)都需要一定的時(shí)間，所以認(rèn)知無線電對(duì)能量進(jìn)行采集的時(shí)間有限，所以，認(rèn)知用戶在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)采集到的能量會(huì)非常有限，因此，需要對(duì)認(rèn)知用戶的數(shù)據(jù)傳輸需求、能量采集能力和頻譜感知能力進(jìn)行優(yōu)化分配。文獻(xiàn)[9]中，針對(duì)授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶同時(shí)進(jìn)行信息協(xié)作和能量采集的系統(tǒng)，分別分析了理想?yún)f(xié)作、時(shí)間分配和功率分配三種情況下的系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[10]通過對(duì)感知時(shí)間，能量檢測(cè)門限和行為模式進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，選擇出一組最合適的認(rèn)知用戶進(jìn)行協(xié)同頻譜感知，使得認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道容量達(dá)到最大。文獻(xiàn)[11]中認(rèn)知用戶采用功率分配的方式，為授權(quán)用戶傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)射頻能量的信號(hào)進(jìn)行采集，在授權(quán)用戶不受干擾的前提下，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)分配、子載波分配、功率分配和傳輸功率進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化。

頻譜感知由于AD采樣可能會(huì)消耗一些電路能量，這可以減少用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯?chǔ)能量。傳感能耗隨著采樣節(jié)點(diǎn)的增加而增加[12]。因此，研究了綠色認(rèn)知無線電以提高頻譜感知的能量效率，即綠色認(rèn)知無線電可以用更少的感知能量實(shí)現(xiàn)更高的感知性能[13]。然而，仍會(huì)消耗存儲(chǔ)的能量用于頻譜感知。提出了一種能夠收集附近信號(hào)的射頻能量的無線能量傳輸技術(shù)。然后通過部署由帶通濾波器、整流電路和低通濾波器組成的能量收集電路將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流功率。直流電源不是固定電源[14]，其存儲(chǔ)在通信系統(tǒng)的可充電電池中。認(rèn)知無線電中使用無線能量傳輸技術(shù)來獲取主用戶信號(hào)的射頻能量，并且所采集的能量可以補(bǔ)償頻譜感知帶來的能量損失。然而，認(rèn)知無線電不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻譜感知和能量收集。

研究了一種同時(shí)采集能量和過程信息的無線攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)方法。已經(jīng)提出時(shí)隙分配模型和功率分配模型來實(shí)現(xiàn)無線攜能通信。在時(shí)隙分配模型中，能量收集和信息處理在不同的時(shí)隙中實(shí)現(xiàn)，而在功率分配模型中，利用不同的功率流執(zhí)行能量收集和信息處理。基于無線攜能通信，我們研究了協(xié)作頻譜檢測(cè)和無線攜能通信。

本文通過單天線協(xié)作頻譜感知技術(shù)，提出了一種用于多天線認(rèn)知無線電的新型單天線認(rèn)知無線電無線攜能通信傳輸方案，以同時(shí)進(jìn)行頻譜檢測(cè)、能量收集和數(shù)據(jù)傳輸。通過數(shù)學(xué)分析了單天線協(xié)作頻譜檢測(cè)，分別推導(dǎo)了其虛警概率和檢測(cè)概率。研究了時(shí)間分流模型模型來實(shí)現(xiàn)單天線認(rèn)知無線電無線能量傳輸，能量收集和頻譜檢測(cè)在同一天線中進(jìn)行。

本文研究成果如下：

1)提出了一種用于多天線認(rèn)知無線電的新型協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸方案，以同時(shí)進(jìn)行頻譜檢測(cè)、能量收集和數(shù)據(jù)傳輸。通過數(shù)學(xué)分析了多天線協(xié)作頻譜檢測(cè)，分別推導(dǎo)了其虛警概率和檢測(cè)概率。

2)研究了時(shí)間分流模型來實(shí)現(xiàn)協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸，能量收集和頻譜檢測(cè)在同一天線中進(jìn)行，同時(shí)在天線分流模型中，設(shè)置能量收集和頻譜傳感在獨(dú)立的天線中實(shí)現(xiàn)。

3)制定了優(yōu)化問題以使頻譜最大化。在協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸模型中，認(rèn)知無線電的效率分別受到檢測(cè)概率和采集能量的限制。已提出優(yōu)化算法來解決所提出的優(yōu)化問題。

本文的其余部分安排如下：系統(tǒng)模型在第3節(jié)中提出，其中分析了多天線協(xié)作頻譜檢測(cè)并描述了無線功率傳輸。然后分別描述和優(yōu)化了時(shí)間分流協(xié)作頻譜感知無線能量傳輸模型，系統(tǒng)性能在第4節(jié)中進(jìn)行了仿真和討論。最后，第5節(jié)中得出結(jié)論。

1 協(xié)作頻譜感知

為了克服單節(jié)點(diǎn)頻譜感知過程中的缺點(diǎn)，近年來，研究人員提出了多用戶協(xié)作頻譜感知技術(shù)。一方面可以提高單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，另一方面可以降低對(duì)認(rèn)知用戶的過度需求。多用戶協(xié)作頻譜感知使用空間分集接收技術(shù)，可以顯著提高整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)性能。

其工作特征是將檢測(cè)信息集成在同一頻帶的不同位置。在總體考慮之后，最終決定授權(quán)用戶是否存在。在協(xié)作頻譜感知的無線攜能通信系統(tǒng)中，認(rèn)知無線電可以同時(shí)執(zhí)行協(xié)作頻譜感知、無線能量傳輸和信息傳輸功能。因此，在傳輸過程中，可以避免對(duì)主用戶的干擾，并且可以使用所收集的能量來提供傳輸能量。

協(xié)作頻譜感知是一種認(rèn)知用戶共同參與檢測(cè)的感知模式。在將本地用戶的感知數(shù)據(jù)收集到融合中心后，進(jìn)行加權(quán)融合以獲得判決統(tǒng)計(jì)，然后進(jìn)行判決。圖1是協(xié)作頻譜感知的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，包括M個(gè)次用戶，一個(gè)主用戶信號(hào)和一個(gè)融合中心。因此，第i個(gè)接收信號(hào)可表示為：

(1)

PU信號(hào)和噪聲信號(hào)獨(dú)立。

圖1 協(xié)作頻譜感知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量由下式得到:

(2)

其中:N(μ,σ2)是均值為μ,方差為σ2的高斯分布,γ為信噪比，用λs表示判決門限，因此虛警概率和檢測(cè)概率可分別表示為:

(3)

(4)

部署具有單天線的認(rèn)知無線電系統(tǒng)和一個(gè)天線通信的主用戶系統(tǒng)，假設(shè)認(rèn)知無線電系統(tǒng)通過單天線感知PU系統(tǒng)。如圖2所示，每個(gè)天線首先獨(dú)立地感知PU系統(tǒng)并得到PU的能量檢測(cè)統(tǒng)計(jì)值，然后將感知到的所有能量統(tǒng)計(jì)值融合得到融合統(tǒng)計(jì)值，通過檢測(cè)融合統(tǒng)計(jì)值來判斷主用戶存在與否。

圖2 單天線協(xié)作頻譜檢測(cè)

認(rèn)知無線電系統(tǒng)具有單天線協(xié)作頻譜檢測(cè)和能量收集功能。本文中，單天線協(xié)作頻譜檢測(cè)用于檢測(cè)主用戶的存在，其中的天線通過能量檢測(cè)來檢測(cè)主用戶，并且通過組合所有檢測(cè)天線的檢測(cè)結(jié)果來做出最終決定。天線的能量檢測(cè)可以看作如下的二元假設(shè)問題：

(5)

其中:y(m)是接收信號(hào)樣本，s(m)是PU信號(hào)樣本，n(m)是高斯噪聲樣本，h(m)是PU和SU之間的信道增益，M是采樣節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；H0和H1分別表示PU的缺失和存在。P(H0)和P(H1)是H0和H1的概率，滿足：

P(H0)+P(H1)=1

(6)

假設(shè)檢測(cè)時(shí)間為T且采樣頻率為fs，有:

M=Tfs

(7)

接收信號(hào)的能量統(tǒng)計(jì)如下:

(8)

當(dāng)M很大時(shí)，Γ(y)遵循如下的高斯分布：

(9)

(10)

‖n(m)‖2是PSNR，能量檢測(cè)通過將能量統(tǒng)計(jì)與預(yù)定閾值λ進(jìn)行比較來獲得決策。檢測(cè)概率和虛警概率分別如下給出：

Pd=Pr(Γ(y)>λ|H1)=

(11)

(12)

其中函數(shù)Q(x)為：

(13)

協(xié)作頻譜檢測(cè)的檢測(cè)概率和虛警概率如下：

(14)

(15)

λ=argminPe=((1-Qd)+Qf)

(16)

2 無線能量傳輸

在一個(gè)傳輸速率為時(shí)變的無線通信系統(tǒng)中，其中此系統(tǒng)為單信道的。在本系統(tǒng)中，發(fā)送端為了達(dá)到所需的信息傳輸速率Rpt，可以令發(fā)送端在不同的時(shí)間t設(shè)置不同的發(fā)送功率pt。其中，傳輸速率和發(fā)送功率的關(guān)系函數(shù)，此函數(shù)為凹函數(shù)，且為非負(fù)的單調(diào)遞增函數(shù)。此函數(shù)可在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中適用。在本文的系統(tǒng)模型中，暫不考慮其他形式的能量消耗和干擾。

若假設(shè)r(.)=g(p),則此函數(shù)需滿足以下幾個(gè)條件：

1)g(0)=0，當(dāng)p→∞時(shí)，g(p)→∞

2)g(p)為單調(diào)遞增函數(shù)

3)g(p)/p為關(guān)于p的單調(diào)遞增函數(shù)，g(p)為凹函數(shù)

4)g(p)連續(xù)可微。

假定在某一時(shí)刻信息發(fā)送功率和傳輸速率的關(guān)系為：

(17)

的加性高斯白噪聲信道中。

在時(shí)間分配模式中，假設(shè)一定比例ρ的時(shí)間分配給信息解碼器用于信息的解碼，剩余比例(1-ρ)的時(shí)間分配給能量采集器用于能量采集。用v和h(ν)分別表示衰落信道狀態(tài)和功率增益，假設(shè)在任何衰落信道狀態(tài)v，信道功率增益h(ν)是完全已知，所有載波分配的功率之和表示為P。考慮慢衰落情況，在這一過程中，所有的信道系數(shù)都假定為常數(shù)。在無線攜能通信系統(tǒng)接收機(jī)上，噪聲會(huì)影響每個(gè)載波上接收到的信號(hào)，這種噪聲可以建模為一種加性高斯白噪聲(AWGN)，該隨機(jī)變量均值為零、方差是σ2，整體分布為正態(tài)分布。這樣一來，發(fā)射端和接收端之間的信息速率可以表示為：

(18)

接收端采集的能量可以表示為：

QTS(v)=(1-ρ(v))h(v)P(v)

(19)

時(shí)間分配方法嚴(yán)格意義上并沒有實(shí)現(xiàn)信息和能量的同時(shí)傳輸，因?yàn)槠湓跁r(shí)域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行了分流，在某些時(shí)間將接收到的信號(hào)全部用于解碼信息或者采集能量。相比于功率分配方法，時(shí)間分配器比功率分配器的硬件實(shí)現(xiàn)更為容易，而且信息解碼器和能量采集器可以在不同的功率敏感度下進(jìn)行工作。

3 系統(tǒng)模型

在單天線認(rèn)知無線電無線攜能通信系統(tǒng)中，CR可以同時(shí)執(zhí)行協(xié)作頻譜檢測(cè)，無線功率傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。因此，在傳輸過程中，可以避免對(duì)PU的干擾，并且可以使用所收集的能量來提供傳輸能量，下面對(duì)時(shí)間分流模型進(jìn)行研究。

在時(shí)隙分配模型中，針對(duì)單天線用于協(xié)作頻譜檢測(cè)和無線能量傳輸?shù)哪Ｊ剑鐖D3所示。假設(shè)ρ是分配因子，將感知和收集能量分成ρ和1-ρ兩部分，在一個(gè)時(shí)間周期T內(nèi)，天線首先在時(shí)間τ內(nèi)感知和收集能量，然后在時(shí)間T-τ內(nèi)傳輸信息，檢測(cè)概率和虛警概率與ρ有關(guān)，如下給出：

圖3 時(shí)間分流模型示意圖

(20)

(21)

僅當(dāng)準(zhǔn)確地檢測(cè)到PU缺失時(shí)，SU才能發(fā)送數(shù)據(jù)。檢測(cè)到的缺失概率由(1-Pf)P(H0)表示。

天線的總采集的功率如下給出:

(22)

目標(biāo)是最大化CR的頻譜效率，受限于檢測(cè)概率高于下限并且收集的能量高于檢測(cè)能量。然后給出優(yōu)化問題：

s.t.Pd≥α

PH≥PS

0≤τ≤T

(23)

其中:α是檢測(cè)概率的下限。

為了解決優(yōu)化問題(23)，給出以下定理：

定理1:目標(biāo)函數(shù)Φi，只有在Pd=α?xí)r才能達(dá)到最大值。

證明1:從(19)可以看出，Pf可以用Pd表示如下:

(24)

注意到Q(x)是單調(diào)遞減函數(shù)，公式(24)表示Qf隨著Qd的減小而減小，即當(dāng)Qd等于下限時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)Qf的最小值。由于當(dāng)Qf減小時(shí)，R增加，所以當(dāng)Qd=α?xí)r可以取得R的最大值。那么R的最大值由下式給出：

(25)

從PH≥PS，我們可以得到ρ≤ρmax，其中ρmax如下給出:

(26)

當(dāng)ρ=ρmax時(shí)，R可以達(dá)到最大值。因此，優(yōu)化問題被重新定義如下：

(27)

4 仿真和分析

圖4所示結(jié)果為，在時(shí)隙分配模型中，單天線的頻譜效率隨著時(shí)間t變化的規(guī)律。在一個(gè)時(shí)間周期T中，檢測(cè)天線的頻譜效率在一個(gè)檢測(cè)周期T中，隨著時(shí)間的增加而減小。

圖4 時(shí)間分流模型中檢測(cè)天線的頻譜效率

如圖5，為檢測(cè)天線的頻譜效率R對(duì)α=[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9]的檢測(cè)結(jié)果。可以看出隨著α減小，R增加。表示當(dāng)檢測(cè)概率α達(dá)到最小值時(shí)，可得R最大。因此，本結(jié)果證明了定理1的正確性。

圖5 檢測(cè)天線的頻譜效率隨檢測(cè)概率的變化

5 結(jié)論

本文提出了一種用于單天線認(rèn)知無線電的新型同步協(xié)作頻譜檢測(cè)和無線功率傳輸方案，以同時(shí)執(zhí)行頻譜檢測(cè)，能量收集和數(shù)據(jù)傳輸。然后，根據(jù)檢測(cè)概率和收集能量的約束，制定了優(yōu)化問題，以最大化三個(gè)同步協(xié)作頻譜檢測(cè)和無線功率傳輸模型中認(rèn)知無線電的頻譜效率。從仿真中，我們可以得出：當(dāng)收集的能量等于檢測(cè)的能量時(shí)，可得出功率分配因子的最大值為ρ=ρmax=0.5，同時(shí)，由仿真分析可得在時(shí)間分流模型中檢測(cè)天線的頻譜效率隨時(shí)間t的增加而降低。檢測(cè)天線的頻譜效率也隨著檢測(cè)概率下限的提高而降低。