一种基于信道态势的混合频谱接入研究方法

程东海彭著勋

1. 重庆工商大学纪检监察审计处 2. 华为技术有限公司全球技术部

一种基于信道态势的混合频谱接入研究方法

程东海1彭著勋2

1. 重庆工商大学纪检监察审计处 2. 华为技术有限公司全球技术部

在小尺度认知无线网络环境下，针对时间和频率上的空洞造成资源浪费的问题，提出了一种基于信道态势的混合频谱接入方案。此方案考虑频谱感知中误检和虚警对频谱接入的影响，基于双状态马尔科夫过程估计信道态势，次用户根据信道态势选择接入方式，提升了频谱利用率，优化了发射功率，提升了系统容量。理论分析和仿真验证了该方案虚警与误检概率低，系统容量明显优于机会式频谱接入与共存式频谱共享接入方式的容量。

认知无线网络 信道态势 频谱接入 系统容量

在无线通信领域，可用于无线通信使用的频谱资源日益稀缺，提高频谱利用率，已经成为充分合理化利用频谱资源的普遍方式。在小尺度认知无线网络中，次用户(Secondary User，SU)间利用时频空洞动态接入网络，物理层采用正交频分复用，频谱接入方式主要有机会频谱接入(Opportunistic Spectrum Access, OSA)和共存式频谱共享(Coexisting Spectrum Sharing，CSS)两种，但由于发射功率受外部干扰限制，信道仍有处于空闲状态的轻情况，未受到充分利用。

1 仿真验证与分析

1.1 信道转移概率对系统容量与发射功率的影响

根据第3部分信道转移概率对系统容量和最优发射功率的关系式(1)、(8)、(14)与(15)，仿真分析得到图1，OSA、CSS、MSA系统容量与转移概率的关系。

从图1可以看出，在0.5α=的情况下，随α着上升，CSS系统容量保持不变，OSA系统容量和MSA系统容量均上升。在α较低时，CSS系统容量高于OSA系统。因为CSS系统中的SU不管信道是否空闲均以CSS方式接入并一直占用信道，不受信道状态与转移概率的影响。

表1 仿真参数设置表

1.2 频谱感知误差对系统容量的影响

根据系统容量与误检概率和虚警概率关系式（18）相关理论计算，仿真得到图2，误检和虚警概率与系统容量关系。

图1 系统容量与转移概率α关系图

从图2(a)可以看出，在虚警概率fp=0.2的情况下，随着误检概率mp上升，CSS系统容量保持不变，OSA容量下降，MSA系统容量下降。随着误检概率mp上升，'v也下降，因此，信道处于空闲状态的时间比例下降。

图2(b)是在误检概率pm=0.2的情况下，虚警概率与系统容量的关系图。随着虚警概率pf上升，CSS系统容量保持不变，OSA容量上升，MSA系统容量上升。随虚警概率pf上升，'v也下降，信道处于繁忙状态的时间比例下降，OSA系统容量上升。对于CSS接入方式，CSS系统容量几乎不受频谱感知误检和虚警概率影响。OSA接入方式下，若发生误检，会发生主次用户碰撞，甚至中断PU通信，此接入方式对频谱感知误差要求高。综上，存在误检虚警概率的情况下，MSA方式系统容量优于OSA与CSS系统容量。

（a）系统容量与误检概率pm

图2 误检概率与误警概率对系统容量的影响

1.3 频谱感知误差修正后对系统容量的影响

由于无线通信环境的复杂性及硬件条件限制，在实际应用中，频谱感知不可避免的出现感知误差，如果在PU存在却感知为信道空闲的情况下，选择OSA方式接入信道，会发生主次用户碰撞，严重时会中断PU正常通信。修正信道转移概率可保证在不影响PU正常通信的情况下提升系统容量，分别将理想感知与实际感知情况下转移概率α与MSA、OSA、CSS系统容量关系对比得到图3。

从图3可知，CSS系统容量不受信道转移概率和频谱感知误差影响，在图3中几乎不变化。理想感知状态下MSA系统容量最大，OSA系统容量最小，但实际无法达到频谱感知理想状态。MSA修正信道转移概率来降低感知误差影响，实际容量优于以修正信道状态来减少感知误差的CSS理想状态系统容量，优于OSA理想状态系统容量。

图3 频谱感知误差修正后转移概率-容量图

1.4 PU干扰容限对系统容量的影响

由PU干扰容限Q0与系统容量理论关系，仿真得到图4，系统容量与PU干扰容限Q0关系。图4中，随着干扰容限Q0逐渐增大，CSS、OSA、MSA系统容量不变或者略微上升，三类系统容量均受干扰容限影响不大。

图4 系统容量与PU干扰容限Q0关系

1.5 PU发射功率对认知系统容量的影响

系统容量与PU发射功率的关系如图5。从图5可以看出，随PU发射功率MP增大，OSA系统容量不受影响，CSS系统容量明显下降，MSA系统容量也下降。因为OSA接入方式下，SU与PU不在同一个信道上，因此SU不会受到PU的干扰。但是CSS接入方式下，SU与PU在同一个信道上，随PU发射功率MP增大，SU受到PU的干扰增大，CSS系统容量下降明显。MSA系统中只有部分SU处于CSS状态，因此MSA系统容量仍然高于CSS系统容量。

图5 PU发射功率MP与系统容量关系

2 结语

在小尺度认知网络下，提出了一种基于信道态势的混合频谱接入方案。该方案结合了OSA和CSS的优点，有效利用时频域上的空洞，提升频谱利用率。优化了SU发射功率。实验结果表明，MSA系统容量在理想感知状态和实际感知中均优于OSA和CSS系统，OSA系统受信道状态转移概率、频谱感知误差影响较大，CSS系统受PU影响较严重。

[1]张龙.认知无线电网络MAC层频谱感知与频谱接入问题研究[D].合肥:中国科学技术大学,2015

[2]XIE Rencao, Yu F R, Ji Hong. Dynamic Resource Allocation for Heterogeneous Services in Cognitive Radio Networks With Imperfect Channel Sensing[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011, 61(2):1-5

[3]KANG X, ZHANG R, LIANG Y C, et al. Optimal Power Allocation Strategies for Fading Cognitive Radio Channels with Primary User Outage Constraint[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2011, 29(2):374-383

[4]周明,贾向东,邓鹏飞.认知中继协同无线通信系统功率分配和混合频谱接入方案[J].信号处理,2015,31(5): 559-568