中继选择协议下的认知无线电系统性能研究

唐菁敏，龙 华，邵玉斌，彭 艺

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明650500）

认知无线电技术能提高对频谱资源的有效利用率，但不能克服无线环境中的信道衰落等问题，而协同通信恰恰能有效地解决这方面的问题。因此，融合认知无线电技术与协同通信技术，能有效解决无线信道的衰落和频谱资源有限这两大问题[1-7]。参考文献[3]研究了在重叠共享（US）方式下的认知系统信道容量，指出通过波束成形和中继选择协作可有效改善系统性能。参考文献[4]推导了US方式下认知中继系统的中断性能上界。

本文主要研究了在US方式下认知系统通过采用不同中继选择协议的中断性能，分别推导了高信噪比时基于SAF、SDF和HPRS协议的中断概率近似表达式。仿真结果表明，中断概率与干扰限制条件和认知用户峰值功率密切相关，HPRS性能要优于SAF和SDF的。

1 系统模型

认知系统传输模型如图1所示，考虑一个认知网络包括一个授权用户 PU（Primary User）节点，一个认知用户 SU（Secondary User）源节点，一个 SU目的节点和 M个SU中继节点。认知系统的通信过程分两个时隙完成：第一时隙，源节点广播信息,中继 i(i=1,…,M)和目的节点的接收信号yi和yd,1分别为:

其中,x为源节点发射信号,且xs～N(0,1),hs,i和hs,d分别为S→i和S→D的信道衰落系数,ns,i和ns,d分别为中继节点和目的节点处方差为σ2的加性高斯白噪声。

第二时隙从所有中继中选择出最优中继R转发信息给目的节点，目的节点对两个阶段接收到的数据进行最大比合并。

1.1 放大转发中继选择（SAF）协议

在所有中继中选择拥有最大中继信噪比的中继转发数据，即:

Pi为中继i的发射功率，hi,d为i→D的信道衰落系数。则目的节点接收的信号为:

1.2 解码转发中继选择（SDF）协议

从所有能正确解码源的中继中选择出第2跳信噪比最大的中继节点转发数据，即:

Φ表示能正确解码源节点信息的中继用户集合，且Φ={i|1/2log2(1+Ps|hs,i|2/σ2＞Rc}，Rc为 SU 能正确解码信号所需要的门限。目的节点接收到的信号可表示为:

1.3 混合中继选择协议（HPRS）

如中继不能正确解码,则将其并入采用AF协议的集合中；否则此中继采用DF协议，最终从所有的中继中选出信噪比最大的作为最优中继，即:

目的节点接收到的信号可表示为:

假设所有信道均为窄带频率非选择性的慢衰落信道，衰落系数hn,m(n∈{s,i},m∈{i,p,d}服从均值为 0，方差为λn,m的独立循环对称高斯随机分布，其包络的平方|hn,m|2服从均值为λn,m的指数分布。

2 认知系统性能分析

为与PU共享频谱,SU节点k1的发射功率需要满足干扰限制条件，即|2≤Q，Q为 PU最大干扰限制条件；与此同时，发射功率还需要受其峰值功率Pk1max限制，因此节点k1发射功率Pk1≤min(Pk1max,Q/)。假设SU节点k2接收到来自k1的信号，则k2节点的接收功率为:

则在SAF和SDF协议下目的节点接收信噪比分别为:

中断概率定义为系统传输速率低于某个门限RC的概率。

3 仿真结果及分析

仿真参数设定为：λs,d=1，RC=1 b/s/Hz，假设所有中继有相同的统计信道传输特性， 即 λs,p=λs,i=λi,p=λi,d=1，且中继峰值功率限制条件相同，即Pimax=Prmax。

本文理论推导了 SAF、SDF和HPRS在高信噪比时认知系统中断概率近似表达式，并且对其中断概率进行了Monte Carlo仿真，结果表明，近似曲线与仿真曲线较接近，因此验证了近似表达式的正确性，同时对比了三种协议的性能，发现HPRS中断性能始终最优。由于认知用户发射节点同时需要满足干扰限制及峰值功率限制，因此最终的中断概率与这两个限制条件密切相关。

[1]ZHAO Y,ADVE R.Improving amplify-and-forward relaying networks:optimal power allocation versus selection[J].IEEE Transactions on Wireless Communieations,2007,6(8):3114-3123.

[2]BLETSAS A,SHIN H,WIN M.Outage optimality of opportunistic Amplify-and-Forward Relaying[J].IEEE Communications Letters,2007,11(3):261-263.

[3]Lun Chunhua,LETAIEF K B.User cooperation in heterogeneous cognitive radio networks with interference reduction[C].ICC 2008 proceedings,2008:3193-3197.

[4]GUO Y,KANG G.Outage performance of relay-assisted cognitive-radio system under spectrum-sharing constraints[J].Electronics Letters,2010(46):182-184.

[5]SIMEONE O,SPAGNOLINI U.Cooperation and cognitive radio[C].In Proc.of the IEEE ICC’2007,Glasgow,Scotland,Dec.2007:6511-6515.

[6]DEVROYE N,MITRAN P,TAROKH V.Limits on communications in a cognitive radio channel[J].IEEE Communications Magazine,2006,44(6):44-49.

[7]ETKIN R,PAREKH A,TSE D.Spectrum sharing for unlicensed bands[C].Proceedings of the IEEE DySPAN’2005,Baltimore,USA,2005:251-258.

[8]LANEMAN J N,TSE D N C,WORNELL G W.Cooperative diversity in wireless networks:efficient protocols and outage behavior[J].IEEE Transactions on Information Theory,2004,50(12)：3062-3080.