频谱异构认知无线电中基于吞吐量降的空时频谱机会感知

李小强 周 琦 芮茂海 李 颖



频谱异构认知无线电中基于吞吐量降的空时频谱机会感知

李小强*①周 琦②芮茂海③李 颖②

①(解放军理工大学通信工程学院 南京 210007)②(中国电子设备系统工程公司研究所 北京 100141)③(总参通信训练基地 张家口 075100)

在认知无线电(CR)中，频谱感知是实现动态频谱接入的关键技术之一。为适当保护主用户并最大化次级用户的性能，目前大部分相关工作均是用虚报概率和漏检概率作为感知度量来确定最佳感知参数的。但这种度量是用主次用户的碰撞概率来衡量次级用户对主用户的影响的，没有考虑干扰强度的影响，仅适合同构频谱环境；在不同位置次级用户有不同接入机会的异构频谱环境中，并不能最大化频谱利用率。为此，该文首先定义了吞吐量降，并提出在异构频谱环境下采用吞吐量降作为一种新的感知度量。吞吐量降是指由于次级用户占用授权频谱而导致主用户吞吐量下降的百分比。在衡量次级用户对主用户的影响时，它综合了主次用户的碰撞概率和干扰强度两个因素；其次，研究了以吞吐量降为约束的次级用户吞吐量优化问题。最后，数值仿真证实了该方案比目前几种传统方案的频谱利用率显著提高。

认知无线电；动态频谱接入；异构频谱；空时频谱机会；频谱感知

1 引言

为此，本文定义了吞吐量降度量，并提出在异构频谱环境下采用吞吐量降作为一种新的感知度量来研究空时频谱空穴的感知和利用。吞吐量降是指由于次级用户占用授权频谱而导致主用户平均吞吐量下降的百分比。它综合考虑了主次用户的碰撞概率和干扰强度，适合异构频谱环境下空时频谱机会的感知和利用。为确保主用户的吞吐量降不超过给定的门限值，当对主用户的干扰比较大时，可以设置较小的碰撞概率；反之，则设置较大的碰撞概率，以便利用空间频谱空穴。此后，本文研究了以吞吐量降为度量的感知参数优化问题；最后，通过数值仿真比较了该方案和几种传统方案的吞吐量性能。结果表明该方案能明显提高频谱利用率，特别是在灰色区域附近改善效果更显著[15]。

2 网络和信道模型

2.1 网络模型

图1 网络模型

2.2 信道模型

2.3 感知模型

3 基于吞吐量降的空时频谱感知

如第1节所述，在异构频谱环境下需要一种新的既考虑主次用户碰撞概率又考虑干扰强度的度量指标来衡量SU对PU的影响。吞吐量降能够符合这一要求。所以，这一部分先给出吞吐量降的定义及以吞吐量降为感知度量时的空时频谱空穴定义；再研究以吞吐量降为感知度量的空时频谱感知技术。

3.1 吞吐量降

定义1 吞吐量降是主用户平均吞吐量降的简称，是指由于次级用户占用授权频谱而导致主用户平均吞吐量下降的百分比。其数学表达式为

使用吞吐量降作为SU对PU影响度量可以给空时频谱空穴一个新的定义。

3.2 基于吞吐量降的感知优化和求解

3.2.1基于吞吐量降的感知优化 如前所述，在异构频谱环境下，传统感知技术可能会导致较低的频谱利用率。在适当保护主用户的前提下，为最大化次级用户吞吐量，本文给出基于吞吐量降的频谱感知优化问题：

在时间频谱机会的利用中，PU对授权频谱有优先使用权，SU只能找PU不使用频谱的时间段接入授权频谱；一旦PU占用信道，SU就必须立即释放当前占有的频谱。此过程中，由于SU和PU相距距离很近，要严格控制SU和PU同时占用信道的概率，否则会严重干扰PR。对于空间频谱空穴的利用，一般要求SU和PU相距的距离比较大，以致SU和PU通信网络的相互影响可以忽略不计；这种情况相当于SU和PU各自独立使用同一频谱。而在本文研究的异构频谱环境下，每一位置上SU既有时间频谱机会又有空间频谱机会；为了适当利用空间频谱空穴，本文允许SU和PU同时占有授权频谱，只要这种占用对PR造成的影响在PU许可范围内。

假定PT和ST均能通过自适应调制及编码实时地改变传输速率，以便收、发信机能够在给定的SINR下以最大可靠速率进行通信。而且假定它们使用随机高斯码表，以便发射信号可以被当成加性高斯白噪声处理。此时，当SU和PU共用同一频谱的时候(频谱状态3)，其吞吐量分别表示为：

频谱状态3下SU吞吐量为

频谱状态3下PU吞吐量为

结合频谱状态概率式(8)至式(11)，可得SU平均吞吐量为

PU平均吞吐量为

PU最大平均吞吐量为

把式(17)，式(16)式代入式(6)可得

其中

所以式(7)的优化问题可以转化为

3.2.2问题求解 为解决式(21)，首先引入如下引理。

证明 根据式(3)和式(4)，有

SU最大平均吞吐量为

4 数值计算和分析

可以设置如下的一个通信场景：在WCDMA 3G 移动通信系统中，移动终端接收由基站发出的数据包(这是一种码率自适应的数字通信系统)，构成主用户系统。而在基站小区外有一无线路由器，一笔记本电脑通过WIFI链接此无线路由器接入Inter网下载数据包，构成次级用户系统(也是一种码率自适应的数字通信系统)。现在为提高频谱利用率，允许次级用户在不对主用户系统造成有害干扰的情况下，机会式地接入主用户所用频谱。该认知无线电系统的参数设置如表1所示。并就吞吐量和频谱利用率两个指标同基于漏检概率约束的感知技术、文献[12]中的感知技术、文献[13]中的感知技术进行了比较。

表1参数设置

参数名称数值 PU发射功率5000 mW SU发射功率1000 mW PU占用信道概率q0.4 采样率6 MHz 噪声功率mW 路径损耗因子3.5 PU通信范围m SU通信距离m SU活动范围外半径Rm 采样数N1400 虚报概率上限 吞吐量降上限5% 漏检概率上限0.05 禁声区半径m 信道带宽B3 MHz

5 结束语

本文研究了以往几种感知技术的不足，提出了适合异构频谱环境下空时频谱机会利用的感知度量——吞吐量降。该度量在衡量次级用户对主用户的影响时，综合了主次用户的碰撞概率和干扰强度两个因素，为异构频谱环境下同时利用空间频谱空穴和时间频谱空穴提供了可能。然后，研究了以吞吐量降为约束的次级用户吞吐量优化问题。最后，通过数值仿真验证了该方案比目前几种传统方案的频谱利用率显著提高，特别是在灰色区域改善更加显著。

图2 主次用户吞吐量随的变化曲线

图3 主用户吞吐量随的变化曲线

图4 频谱利用率随的变化曲线

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李小强： 男，1974年生，博士生，研究方向为认知无线电频谱感知、资源管理.

周 琦： 男，1975年生，硕士，高级工程师，研究方向为短波数据通信、认知无线电.

芮茂海： 男，1972年生，副教授，研究方向为移动通信、无线频谱管理.

Spatial-temporal Opportunity Sensing Based on Throughput Loss in Spectrum-heterogeneous Cognitive Radio

Li Xiao-qiang①Zhou Qi②Rui Mao-hai③Li Ying②

①(,,210007,)②(,100141,)③(,075100,)

Spectrum sensing is a key technology to enable dynamic spectrum access in Cognitive Radio (CR). To ensure that primary users are properly protected while maximizing the performance of secondary users, most related work considers the metrics of probabilities of missed detection and false alarm for determining optimal spectrum sensing parameters. However, these metrics only take account of the collision probability between primary user and secondary user to measure the performance impact on primary user. Since it fails to consider the impact of intensity of interference, it only adopt to homogeneous spectrum environment. In heterogeneous spectrum environment where the access opportunities of secondary user are differed by its positions, it can not maximize the spectrum utilization efficiency. So, in this paper, a new metric, throughput loss is proposed for spatial-temporal opportunity sensing firstly. Throughput loss is the average throughput loss percentage of primary user due to secondary user accesses the authorized spectrum. It is a comprehensive metric measuring impact of secondary user on primary user, and contains the collision probability and intensity of interference of two factors. Then secondary user throughput optimization problem based it is addressed. Finally, theoretical analysis and numerical simulations show that the new spectrum sensing technology proposed in this paper improves significantly the spectrum utilization efficiency compared with some traditional sensing technologies.

Cognitive Radio (CR); Dynamic spectrum access; Spectrum-heterogeneity; Spatial-temporal spectrum opportunity; Spectrum sensing

TN92

A

1009-5896(2014)11-2762-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01975

李小强 lxq123lxq@yahoo.com.cn

2013-12-19收到，2014-04-11改回

国家973计划项目(2009CB320403)，中国博士后科学基金(2012M512075), 和国家自然科学基金重点项目(61231011)资助课题