一种基于效益的非分时槽动态频谱感知策略

韩芳

一种基于效益的非分时槽动态频谱感知策略

韩芳

针对主要用户信道状态为非分时槽情况，提出了一种基于效益的动态频谱感知策略。在该策略中，次要用户根据所定义的效用函数来动态调度传输、感知和休息3种行为。当感知到主要用户信道空闲时，通过对正确数据传输进行奖励来动态的调度传输与感知行为，以解决吞吐量与对主要用户保护之间的折衷问题；当感知到主要用户信道忙碌时，通过对休息行为予以奖励来动态调度感知与休息行为，以解决能量消耗与对主要用户保护之间的折衷问题。仿真实验结果表明，在保证吞吐量的情况下，极大地降低了信道感知的次数，从而节约了能量。

信道状态；频谱感知；效用函数；吞吐量；感知次数；能量

0 引言

无线电频谱是一种珍贵有限的资源，其使用方式受各国政府严格管制。现有频谱分配方案大多采用静态分配原则，即把频谱资源条状分割成若干个子频段，每个子频段通常只分配给一种授权用户使用，只有很少的一部分频段未被分配。这种分配的不平衡性造成频谱资源日益枯竭，开放使用的非授权频段只占整个频谱资源的很小一部分，但在该频段的用户却很多，已基本趋于饱和；而授权频段占用了整个频谱资源的绝大部分，但根据美国联邦通信委员会（FCC，Federal Communications Commission）的调查发现，在不同地方不同时间，不少授权频段处于空闲状态[1]，平均使用率仅为5.2%。因此，频谱缺乏并非物理意义上的缺乏，而是固定的频谱访问策略造成的，那么我们就需要寻找一种更加灵活的频谱访问模式。由此而引出了动态频谱访问的思想，在不影响授权用户（主要用户）正常通信的前提下，非授权用户（次要用户）机会性的使用授权频谱，以增加时域、空域及频域上的频谱复用，从而提高频谱的利用率。

1 相关工作

根据主要用户信道状态变化是否是分时槽，可以将频谱访问分为两种。对于分时槽情况，又可以按感知时间是否固定长度来进行划分，对于可变的感知时间长度情形，文献[2、3]对在一个时槽内，控制感知时间长度来解决感知的准确性和吞吐量之间的折衷问题；文献[4]考虑在有能量约束情况下的机会频谱访问，通过在时槽开始时，判断是否进行感知，若进行感知，选择合适的感知时间长度；若不进行感知，则进行休息，以节约能量，以此来定义了一个包含延迟、能量消耗以及吞吐量三者之间的效用函数，得出次要用户进行何种操作的策略。该方法研究的是信道状态为分时槽的情况，而本文主要针对非分时槽的频谱感知进行研究。

文献[5]根据认知用户接收信噪比的变化，通过自动调整参与协作频谱感知的认知用户数，以减少认知无线电网络中的数据开销。理论分析和仿真结果表明，和等增益合并协作频谱感知算法相比，在保证频谱检测性能的前提下，该算法减少了认知用户通过控制信道到中心控制器的平均数据开销；文献[6]基于阵列天线理论，利用并分析接收信号相关矩阵，并以其最大与最小特征值之差作为检验统计量，进而判断主用户是否存在，实现频谱感知。理论分析和仿真结果均表明，此方法的感知性能明显优于能量检测算法，并且有效地解决了噪声不确定度对检测性能的影响；对于固定的感知时间长度情形，文献[7]对在一个时槽内，根据判断主要用户信道即时状态，来调度何时进行感知何时进行传输，以使得由于进行感知浪费的频谱资源最小；文献[8]提出了一种基于检测可信度的协作频谱检测算法。首先，利用各认知用户的平均接收信噪比来获得它们的检测可信度，然后，综合各认知用户的检测结果以及检测可信度来判断授权用户是否使用频带，从而提高了检测性能。但其假定主要用户信道的状态变化时分时槽的，在每个时槽内信道状态不变。

对于非分时槽的情况，文献[9]考虑的是MAC层感知调度，在多信道情况下，提出了优化感知周期和探测序列的模式来最大化可用的频谱机会。本文的目标是折衷次要用户吞吐量与对主要用户保护问题以及折衷能量消耗与对主要用户保护问题。文献[10]得出的次要用户传输感知最优策略是在信道空闲分布为指数分布的情况下。而事实上，指数分布情况只在主要用户和次要用户分布极不均匀的条件下才会出现，一般情况下信道空闲分布大多为均匀分布，因此该方法不具有普适性。文献[11]考虑的情形与本文类似，根据对次要用户正确传输数据包予以奖励反之予以处罚，提出了动态频谱访问的最优传输感知策略，文章认为在主要用户信道忙碌周期，为了避免对主要用户通信干扰，次要用户应一直进行感知，但由于主要用户信道忙碌周期远大于次要用户感知时间，所以大多数感知并不能起到效果，基于此，本文提出了包含传输、感知及休息的动态频谱访问策略，并通过仿真实验验证了本文方法的有效性。

2 系统模型

本文考虑的是次要用户机会性的访问一个主要用户信道，主要用户可以根据自己的意愿随时可发送数据，不需考虑次要用户的活动状态。信道分为空闲、忙碌两种状态，空闲和忙碌周期相互独立。

次要用户包含感知、传输和休息3种动作，当次要用户要进行数据传输时，进行频谱感知（可采用匹配滤波器、能量检测等方式）以决定当前主要用户信道是空闲还是忙碌状态，使用Pd（检测概率）和Pf（误报概率）对非理想感知的结果进行刻画，其中检测概率是指主要用户信道是忙的，次

图4 相同粒度，不同S值下，STQ在吞吐量、碰撞概率以及感知次数变化情况

其中，我们可以看出，随着S的增大，STQ吞吐量以及碰撞概率方面均变化不大，在感知次数方面均在增加，这时因为随着处罚的增大，次要用户更多的进行感知。

5 总结

本文在已有工作的基础上，加入能量消耗因素，针对次要用户动态访问频谱资源，提出了一种包含传输、感知和休息3种行为的动态调度策略。在感知到主要用户信道空闲状态下，对正确数据传输奖励反之予以处罚，通过最大化平均收益来动态的调度传输与感知行为，以解决吞吐量与对主要用户保护之间的折衷问题；在感知到主要用户信道忙碌状态下，对本该休息而进行休息予以奖励反之予以处罚，通过最大化平均收益来动态调度感知与休息行为，以解决能量消耗与对主要用户保护之间的折衷问题。我们下一步研究工作的重点在于：1）相对于要参与数据传输的认知用户而言，频谱资源是十分稀疏的，因此,计划将频谱感知问题建模为基于压缩感知的稀疏信号恢复问题，提出更精确的感知算法；2）在频谱感知的基础上，考虑最小化能量开销和最小化对主要用户的干扰，研究基于干扰消除的频谱分配算法。

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TP393 文献标志码：A

2015.04.01）

1007-757X(2015)08-0014-05

郑州市科技局科技发展计划项目（20140663, 121PYFZX177）

韩芳（1981-），女，汉族，新乡人，黄河科技学院，信息工程学院，高级工程师，硕士，研究方向：图像处理、认知无线网络，郑州，450063