一種基于信道質(zhì)量的魯棒機(jī)會(huì)頻譜接入策略

彭曉東 張 焱 肖立民 鐘曉峰 周世東

（1.清華大學(xué)電子工程系，北京100084；2.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京100081；3.清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

一種基于信道質(zhì)量的魯棒機(jī)會(huì)頻譜接入策略

彭曉東1張 焱2肖立民3鐘曉峰1周世東1

（1.清華大學(xué)電子工程系，北京100084；2.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京100081；3.清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

為了提高分等級(jí)網(wǎng)絡(luò)中次用戶通過(guò)機(jī)會(huì)頻譜接入獲得的有效吞吐率，提出了一種基于信道質(zhì)量的魯棒機(jī)會(huì)頻譜接入策略.該策略利用信道質(zhì)量信息和信道占用信息做出傳輸決策，使得次用戶在信道感知結(jié)果為空閑和占用時(shí)分別以不同的信道質(zhì)量門限選擇傳輸機(jī)會(huì)發(fā)起傳輸，充分利用了信道質(zhì)量好的傳輸機(jī)會(huì).結(jié)合該策略，建立了以對(duì)主用戶的干擾為約束條件，最大化次用戶有效吞吐率的優(yōu)化問(wèn)題，并考慮到了信道傳播特性統(tǒng)計(jì)參數(shù)存在不準(zhǔn)確估計(jì)的情況，對(duì)該接入策略的門限進(jìn)行了魯棒性設(shè)計(jì).仿真結(jié)果表明：所提出的魯棒機(jī)會(huì)頻譜接入策略能夠顯著提高次用戶的有效吞吐率.

機(jī)會(huì)頻譜接入；信道傳播特性；信道質(zhì)量門限；魯棒性

引 言

多種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的部署使得無(wú)線頻譜資源日益短缺.允許頻譜資源在不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)間共享可以有效提高頻譜利用率，緩解頻譜資源短缺的矛盾.機(jī)會(huì)頻譜接入（Opportunistic Spectrum Access，OSA）被認(rèn)為是分等級(jí)網(wǎng)絡(luò)中一種實(shí)現(xiàn)頻譜資源共享的可行方法，它的基本思想是允許次用戶（Secondary User，SU）動(dòng)態(tài)地接入頻譜資源的原有使用者主用戶（Primary User，PU）的空閑頻譜，提高頻譜利用率，擴(kuò)大SU的系統(tǒng)容量［1］.

已有的相關(guān)研究工作包括最大化SU接入次數(shù)的研究［2－3］，以及SU的容量域分析［4－5］.另外，也有結(jié)合博弈論的認(rèn)知無(wú)線電算法研究［6］.此外，針對(duì)SU間可能出現(xiàn)的碰撞，CSMA／CA機(jī)制可用來(lái)進(jìn)行SU之間的選擇［7］.但是這些工作均假定信道非時(shí)變，忽略了信道傳播特性對(duì)于SU傳輸吞吐率的影響.

考慮信道的時(shí)變衰落特性，信道分集增益可提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的吞吐率［8］.類似地，在OSA相關(guān)研究［9－11］利用信道質(zhì)量特性作為選擇接入機(jī)會(huì)的準(zhǔn)則之一，提高了系統(tǒng)的吞吐率.但是，這些策略只允許SU在信道感知結(jié)果為空閑時(shí)發(fā)起傳輸，沒(méi)有利用當(dāng)信道感知結(jié)果為占用時(shí)的傳輸機(jī)會(huì).

實(shí)際的信道傳播特性參數(shù)，如平均增益等無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，文獻(xiàn)［12］研究了當(dāng)信道質(zhì)量參數(shù)存在不確定性時(shí)，信道質(zhì)量門限的魯棒性設(shè)計(jì)問(wèn)題，但只研究了利用信道感知結(jié)果為空閑時(shí)傳輸機(jī)會(huì)的情況，沒(méi)有利用信道感知結(jié)果為占用時(shí)的傳輸機(jī)會(huì)，從而損失了有效吞吐率性能.

文獻(xiàn)［13］提出的接入策略雖然可以利用信道感知結(jié)果為占用時(shí)的傳輸機(jī)會(huì)，但需要已知準(zhǔn)確的信道傳播特性參數(shù)，無(wú)法在信道傳播特性參數(shù)存在估計(jì)誤差的場(chǎng)景下工作，實(shí)用性受限.

針對(duì)上述問(wèn)題，引入一種基于信道質(zhì)量信息和信道占用信息的魯棒雙門限OSA策略，它能使SU在滿足對(duì)PU的干擾約束下，提高自身的有效吞吐率.首先，通過(guò)引入信道質(zhì)量信息和信道占用信息，設(shè)計(jì)一種基于信道功率增益門限的算法，使SU在信道感知結(jié)果為空閑和占用時(shí)分別以不同的門限選擇傳輸機(jī)會(huì)發(fā)起傳輸，從而充分利用了信道質(zhì)量較好的接入機(jī)會(huì)，提高了SU的有效吞吐率.其次，由于在實(shí)際應(yīng)用中信道傳播特性統(tǒng)計(jì)參數(shù)往往存在估計(jì)誤差，因此，算法又對(duì)門限的優(yōu)化進(jìn)行了魯棒性設(shè)計(jì).仿真結(jié)果表明，所提出的魯棒OSA策略能夠在信道傳播特性統(tǒng)計(jì)參數(shù)存在不確定性的條件下，提升SU的有效吞吐率.

1 系統(tǒng)模型

1.1 PU接入模型

PU網(wǎng)絡(luò)具有M個(gè)并行信道，其中每條信道的頻譜互不重疊.圖1所示為系統(tǒng)模型.

PU為分組業(yè)務(wù)類型，其對(duì)第i條信道的占用可建模為兩狀態(tài)連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈［13－16］，其中空閑狀態(tài)（si＝0）持續(xù)時(shí)間服從均值為λ－1i的指數(shù)分布，占用狀態(tài)（si＝1）持續(xù)時(shí)間服從均值為μ－1i的指數(shù)分布.可知，第i條信道空閑和占用的穩(wěn)態(tài)概率分別為：

1.2 SU接入模型

SU網(wǎng)絡(luò)基于時(shí)隙結(jié)構(gòu)，時(shí)隙長(zhǎng)度為τ.在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)刻，SU選擇一個(gè)信道進(jìn)行感知，然后根據(jù)信道占用情況和信道質(zhì)量情況決定是否進(jìn)行傳輸.

1.3 SU信道模型

SU信道為窄帶時(shí)變平衰落信道，假設(shè)信道衰落的相關(guān)時(shí)間大于時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)，信道的衰落特性為塊衰落，也就是在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)信道功率增益保持不變，時(shí)隙之間發(fā)生變化.

基于上述假設(shè)，在第t時(shí)刻，SU傳輸?shù)男盘?hào)經(jīng)過(guò)第i條信道后的基帶表達(dá)式為

式中：xi（t）代表SU的發(fā)射信號(hào)；hi（t）為信道復(fù)幅度增益；ni（t）代表高斯白噪聲；Ii（t）為PU傳輸對(duì)SU形成的干擾.σ2i（t）表示SU接收機(jī)處的噪聲與干擾功率.gi（k）＝｜hi（t）｜2，t∈［kτ，（k＋1）τ）為信道功率增益.

PU對(duì)SU的干擾將隨著PU對(duì)信道的占用與否而發(fā)生變化.如圖1所示，在某一時(shí)隙開始時(shí)刻信道感知為空閑，之后在這一時(shí)隙中PU仍可能發(fā)起傳輸；在某一時(shí)隙開始時(shí)刻信道感知為占用，該時(shí)隙內(nèi)信道也可能回到空閑狀態(tài).因此，假設(shè)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，σi2（t）存在兩種取值：當(dāng)信道為空閑時(shí)，（t）＝；當(dāng)信道被PU占用時(shí)，.

假設(shè)第i條信道的信道功率增益分布服從概率密度函數(shù)為fG，i（g）的分布.對(duì)于瑞利衰落信道，該概率密度函數(shù)為f（θi）G（g）＝θiexp（－θig），其中θi為該分布的參數(shù).在文獻(xiàn)［11］中，θi為已知的常數(shù)參量，它可通過(guò)觀察足夠數(shù)量的信道樣本獲得.當(dāng)信道質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)特性在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)保持不變且有足夠的信道樣本可用時(shí)，這樣的假設(shè)是合理的.

但在實(shí)際的無(wú)線信道環(huán)境中，由于信道增益隨用戶的移動(dòng)及環(huán)境的變化而變化，θi作為小尺度衰落的一個(gè)期望值，只能在有限的時(shí)間或空間里保持為一定的值，但受這段時(shí)間里獨(dú)立的隨機(jī)樣本數(shù)的時(shí)變性影響和數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求，通常只有有限的信道樣本可用來(lái)估計(jì)θi，因此對(duì)θi的估計(jì)將不可避免地存在誤差.所以在下面的推導(dǎo)中假設(shè)根據(jù)一定先驗(yàn)信息及有限的觀察，θi為概率密度函數(shù)為p（θi）的隨機(jī)變量.

1.4 SU對(duì)PU干擾的約束條件

由圖1可知，當(dāng)SU在時(shí)隙開始的時(shí)刻根據(jù)信道占用情況和信道質(zhì)量信息做出占用本時(shí)隙的決定發(fā)起傳輸后，PU可能在此時(shí)隙開始或中間時(shí)刻發(fā)起傳輸并因此造成碰撞，從而影響PU的傳輸質(zhì)量.使用如下的條件碰撞概率來(lái)衡量SU對(duì)PU干擾的嚴(yán)重程度：

ci＝Pr（SU在同一時(shí)隙傳輸｜PU在某一時(shí)隙傳輸）.（4）

為保證PU傳輸質(zhì)量，第i條信道上的條件碰撞概率不應(yīng)超過(guò)門限γi，即ci≤γi，γi∈［0，1］.

1.5 SU性能度量指標(biāo)

引入“有效吞吐率”作為度量SU性能的指標(biāo)，它是SU的可達(dá)遍歷容量，因此可以更準(zhǔn)確地描述SU通過(guò)OSA獲得的實(shí)際性能，定義為［11］

式中，Ti（k）為SU在時(shí)隙k接入第i條信道獲得的容量，

式中：pi（k）和（t）分別是SU在時(shí)隙k的發(fā)射功率和SU接收機(jī)處的噪聲與干擾功率；gi（k）為信道功率增益；當(dāng)SU在時(shí)隙k發(fā)起傳輸時(shí)，ui（k）＝1，否則ui（k）＝0.在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，當(dāng)信道為空閑狀態(tài)時(shí)，t）＝；當(dāng)信道為占用狀態(tài)時(shí)，（t）＝.

2 頻譜接入策略和信道質(zhì)量信息

為簡(jiǎn)化分析便于清楚地描述所提出的魯棒OSA策略，下面將以單信道為例進(jìn)行討論，因此在推導(dǎo)中將略去下標(biāo)i.所提出的算法可以較容易地推廣到多信道的情況，如采用輪詢機(jī)制［11－12］.

2.1 魯棒門限優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)雙門限接入算法，研究其魯棒的門限優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出魯棒雙門限機(jī)會(huì)頻譜接入（Robust Dual Threshold Based Opportunistic Spectrum Access，RDTB-OSA）策略.該策略允許SU在信道感知結(jié)果為空閑和占用時(shí)均可發(fā)起傳輸，在不同的信道占用狀態(tài)，RDTB-OSA策略采用不同的信道功率增益門限選擇傳輸機(jī)會(huì).在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)刻，當(dāng)SU感知信道為空閑狀態(tài)時(shí)，若當(dāng)前信道功率增益超過(guò)預(yù)設(shè)的門限gidle，則SU發(fā)起傳輸，否則不傳輸；當(dāng)SU感知信道為占用狀態(tài)時(shí)，若當(dāng)前信道功率增益超過(guò)預(yù)設(shè)的信道質(zhì)量門限gbusy，則SU發(fā)起傳輸，否則SU不傳輸.下個(gè)時(shí)隙重復(fù)上述步驟.

2.2 信道傳播特性統(tǒng)計(jì)參數(shù)θ的估計(jì)

如1.3節(jié)所述，采用p（θ）（在單信道場(chǎng)景中，θ的下標(biāo)i已略去）來(lái)描述信道功率增益分布函數(shù)的參量θ的先驗(yàn)概率密度函數(shù)，而p（θ）的具體形式和參數(shù)由θ的先驗(yàn)信息及觀察方式?jīng)Q定.假設(shè)完全根據(jù)對(duì)平穩(wěn)時(shí)變信道功率增益的N個(gè)獨(dú)立觀察，獲得關(guān)于θ的后驗(yàn)分布.

由式（3）可知g的物理意義為信道的功率增益，因此定義g［n］為信道功率增益的樣本，n為樣本編號(hào).考慮瑞利衰落，可知

定義g為包含N個(gè)獨(dú)立的信道功率增益樣本的向量，那么可知

其中ˉg為向量g的算術(shù)平均值.根據(jù)貝葉斯準(zhǔn)則，進(jìn)一步可知

其中p（θ｜g）為觀察信道樣本數(shù)據(jù)后得出的θ的后驗(yàn)概率分布.

3 優(yōu)化問(wèn)題建立和求解

3.1 信道優(yōu)化問(wèn)題建立

本節(jié)將建立優(yōu)化問(wèn)題求得當(dāng)信道感知為空閑時(shí)使用的最優(yōu)接入門限gidle和信道感知為占用時(shí)使用的最優(yōu)接入門限gbusy，使得SU在信道功率增益分布的統(tǒng)計(jì)參數(shù)未知的情況下，能在保證對(duì)PU的干擾約束的前提下，取得最大的有效吞吐率.

根據(jù)RDTB-OSA策略和式（5）、（6）的定義，SU的有效吞吐率T可表示為

式中：fθ

G（g）＝θexp（－θg）是瑞利衰落信道的信道功率增益概率密度函數(shù)；Ψ0（g）和Ψ1（g）分別是信道感知為空閑和占用時(shí)歸一化的SU容量期望值，它是以一個(gè)時(shí)隙內(nèi)平均空閑時(shí)間和占用時(shí)間比例為權(quán)重的容量加權(quán)和，即

Θj（s）（j，s∈｛0，1｝）表示當(dāng)某個(gè)時(shí)隙開始時(shí)刻信道感知為空閑（j＝0）或占用時(shí)（j＝1），該時(shí)隙內(nèi)信道處于空閑狀態(tài)（s＝0）和占用狀態(tài)（s＝1）的期望時(shí)間比例.容易推知：

在式（11）中，p為SU發(fā)射功率，σ2idle和σ2busy分別是信道為空閑和占用時(shí)SU接收到的噪聲與干擾功率的平均值.

根據(jù)式（4）對(duì)碰撞概率的定義及RDTB-OSA傳輸策略，同時(shí)參考文獻(xiàn)［12］，再引入θ的后驗(yàn)概率分布，易知SU對(duì)PU造成的碰撞概率為

其中φ?1－v（0）e－λτ，φ?v（0）（1－e－λτ）.

RDTB-OSA策略的優(yōu)化目標(biāo)為最大化SU獲得的有效吞吐率T，同時(shí)滿足對(duì)PU的干擾約束條件γ，則該優(yōu)化問(wèn)題可表示為

3.2 最優(yōu)雙門限求解

由于無(wú)任何θ的先驗(yàn)信息可用，因此可合理假設(shè)θ服從參數(shù)為U［θl，θu］的均勻分布.在該假設(shè)下，根據(jù)式（8）、（9）可得

式（15）中的分母為不依賴θ的常數(shù)，采用一種近似算法求解該常數(shù).在觀察g之前，對(duì)θ一無(wú)所知，則可假設(shè)θu足夠大且θl趨近于0，再由Gamma函數(shù)的性質(zhì)，可得

將式（16）代入式（15），可得在得到p（θ｜g）的表達(dá)式后，可以進(jìn)一步求解優(yōu)化問(wèn)題（14）.

首先將式（17）代入式（13），可得

由于SU的有效吞吐率T和碰撞概率c均為門限gidle和gbusy的非增函數(shù)，則可知該問(wèn)題最優(yōu)解會(huì)在約束條件邊界處取得，即當(dāng)

成立時(shí)取得.將式（18）代入式（19），可將gidle表示為gbusy的單調(diào)遞減函數(shù)，即

對(duì)式（20）取微分可得

將式（17）代入式（10）求微分后，并將式（21）代入，可得

由式（22）可知：當(dāng)gbusy為0時(shí)，式（22）取值為正；當(dāng)gbusy趨于無(wú)窮時(shí)，式（22）取值為負(fù)；而Ψ0（π（gbusy））為gbusy的單調(diào)遞減函數(shù)，Ψ1（gbusy）為gbusy的單調(diào)遞增函數(shù).因此，綜上可知式（22）有唯一零解，此解即為最優(yōu)gbusy.

在實(shí)際中，最優(yōu)gbusy可通過(guò)數(shù)值解法求出，如使用梯度法或二分法等，再根據(jù)式（20），最優(yōu)gidle也可解出.

3.3 對(duì)RDTB-OSA策略的討論

RDTB-OSA策略在信道感知結(jié)果為空閑時(shí)，以門限gidle選擇時(shí)隙接入信道，同時(shí)在信道感知結(jié)果為占用時(shí)，以門限gbusy選擇時(shí)隙接入信道.觀察式（10）、（11）、（13）及優(yōu)化問(wèn)題（14），不難推知，當(dāng)SU接收機(jī)處的平均噪聲與干擾功率σ2busy無(wú)窮大時(shí)，此時(shí)SU接入感知結(jié)果為占用的信道將不會(huì)獲得收益，于是相應(yīng)的信道門限gbusy會(huì)無(wú)窮大，此時(shí)SU將不會(huì)選擇接入感知結(jié)果為占用的信道，所提出的RDTB-OSA策略將會(huì)退化成文獻(xiàn)［12］中的單信道門限策略，式（20）也將與文獻(xiàn)［12］中的gidle表達(dá)式一致.由此可以看出，文獻(xiàn)中［12］所提策略是RDTBOSA策略在σ2busy無(wú)窮大條件下的一個(gè)特例.

4 仿真結(jié)果和分析

使用瑞利衰落信道作為仿真環(huán)境.RDTB-OSA策略與文獻(xiàn)［12］、文獻(xiàn)［13］以及文獻(xiàn)［2］中的策略作了性能比較以驗(yàn)證RDTB-OSA策略對(duì)SU吞吐率的性能提升.

文獻(xiàn)［12］中的策略是在未知信道傳播特性統(tǒng)計(jì)參數(shù)θ的條件下，使SU在信道感知為空閑時(shí)基于門限接入信道，該門限是通過(guò)魯棒性設(shè)計(jì)優(yōu)化而得到的.將其稱之為魯棒單門限機(jī)會(huì)頻譜接入策略（Robust Single Threshold Based Opportunistic Spectrum Access，RSTB-OSA）.

文獻(xiàn)［13］中的策略使得SU能夠分別在信道感知為空閑和占用時(shí)以不同的門限接入，但該策略需要已知準(zhǔn)確的信道傳播特性統(tǒng)計(jì)參數(shù)θ，不具有魯棒性，因而對(duì)θ估計(jì)的準(zhǔn)確與否將極大地影響該策略的性能.稱該策略為雙門限機(jī)會(huì)頻譜接入策略（Dual Threshold Based Opportunistic Spectrum，DTB-OSA）.

文獻(xiàn)［2］的策略沒(méi)有考慮到信道質(zhì)量對(duì)SU有效吞吐率的影響，僅把最大化SU接入信道的次數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，其具體步驟為在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)刻感知信道，若感知為空閑則以一定概率傳輸；否則不傳輸.文獻(xiàn)［2］證明該策略在信道碰撞概率約束較緊時(shí)具有最優(yōu)性.將此算法稱為基準(zhǔn)策略（Benchmark Policy，BP）.

在仿真中，時(shí)隙長(zhǎng)度設(shè)為0.1ms，信道空閑時(shí)的平均信干噪比（pg／σ2idle）設(shè)為5dB，信道占用時(shí)的平均信干噪比（pg／σ2busy）設(shè)為2dB.用于估計(jì)信道傳播特性參數(shù)θ的樣本數(shù)量N＝100，在以下兩組PU信道業(yè)務(wù)量參數(shù)下進(jìn)行了仿真：

組1（業(yè)務(wù)量較?。害耍?＝0.8ms，μ－1＝0.4ms；組2（業(yè)務(wù)量較大）：λ－1＝0.1ms，μ－1＝1ms.

圖2給出了RDTB-OSA策略在不同的PU信道業(yè)務(wù)量強(qiáng)度下，信道感知結(jié)果為空閑和占用時(shí)對(duì)應(yīng)的信道質(zhì)量門限gidle和gbusy隨碰撞概率約束變化的曲線.隨著碰撞概率約束不斷放松，PU對(duì)碰撞的容忍度變大，于是SU可以在更多感知結(jié)果為空閑或占用的時(shí)隙進(jìn)行傳輸，從而用于選擇傳輸機(jī)會(huì)的最優(yōu)門限gidle和gbusy均會(huì)不斷下降.當(dāng)PU業(yè)務(wù)量處于組2的情況下時(shí)，由于PU信道業(yè)務(wù)量較大，信道很少被感知為空閑，此時(shí)RDTB-OSA中的信道門限gbusy較低而gidle較高，從而SU在信道感知為占用狀態(tài)時(shí)獲得了較多的接入頻譜的機(jī)會(huì).這也說(shuō)明，對(duì)于那些由于業(yè)務(wù)量較大而很少被感知為空閑的信道來(lái)說(shuō)，由于RDTB-OSA策略可以利用信道感知結(jié)果為占用時(shí)的傳輸機(jī)會(huì)，從而相較其他策略可使SU獲得更高的有效吞吐率.

圖3所示為在組2業(yè)務(wù)量參數(shù)下，SU在未知θ條件下采用RDTB-OSA策略與假設(shè)θ已知、但對(duì)θ存在估計(jì)誤差時(shí)采用DTB-OSA策略接入信道對(duì)PU造成的碰撞概率對(duì)比.在仿真中，θ被高估時(shí)的pg／σ2idle被認(rèn)為是4dB，而pg／σ2busy被認(rèn)為是1dB，此時(shí)信道功率增益被低估，從而使用DTB-OSA策略優(yōu)化得出的gidle和gbusy比準(zhǔn)確值小，于是SU有更多機(jī)會(huì)接入信道，造成碰撞概率超過(guò)了約束條件；在θ被低估時(shí)，pg／σ2idle被認(rèn)為是6dB，而pg／σ2busy被認(rèn)為是3dB，此時(shí)信道功率增益被高估，從而優(yōu)化得出的gidle和gbusy比準(zhǔn)確值大，那么SU接入信道機(jī)會(huì)變少，損失了有效吞吐率.而在θ未知的條件下，采用RDTB-OSA策略的SU對(duì)PU的碰撞概率沒(méi)有超過(guò)約束條件γ，基本與其重合，最大程度地利用了接入信道的機(jī)會(huì)，從而獲得了最優(yōu)的有效吞吐率.

圖4 所示為在組2業(yè)務(wù)量參數(shù)下，SU采用RDTB-OSA和DTB-OSA策略在不同的碰撞概率約束下，其獲得的有效吞吐率對(duì)比.DTB-OSA策略由于對(duì)θ的估計(jì)誤差沒(méi)有魯棒性，因此當(dāng)θ被低估時(shí)，信道功率增益被高估，從而信道門限比準(zhǔn)確值大，SU接入信道機(jī)會(huì)變少，損失了有效吞吐率.而當(dāng)θ被高估時(shí)，信道功率增益被低估，從而信道門限比準(zhǔn)確值小，造成碰撞概率超過(guò)約束條件（見(jiàn)圖3）.

圖5 所示為SU采用RDTB-OSA和RSTBOSA策略，在不同的碰撞概率約束和PU業(yè)務(wù)量強(qiáng)度下，其獲得的有效吞吐率對(duì)比.當(dāng)碰撞概率約束較緊時(shí)（BP曲線進(jìn)入水平階段前的γ取值范圍），SU采用RSTB-OSA策略和采用RDTB-OSA進(jìn)行傳輸均可比采用BP獲得更高的有效吞吐率；在碰撞概率約束較松時(shí)（BP曲線進(jìn)入水平階段的γ取值范圍），采用RDTB-OSA策略性能優(yōu)于BP和RSTBOSA策略，這是因?yàn)镽STB-OSA策略只能在信道感知結(jié)果為空閑時(shí)才進(jìn)行傳輸，而此時(shí)SU已在每個(gè)感知結(jié)果為空閑的時(shí)隙進(jìn)行了傳輸，所以RSTBOSA策略的有效吞吐率已達(dá)到飽和狀態(tài)，與BP算法一致；而采用雙門限的RDTB-OSA策略可以利用信道感知結(jié)果為占用時(shí)的信道質(zhì)量較好的傳輸機(jī)會(huì)，因此有效吞吐率優(yōu)于其他兩種策略.由于RDTB-OSA策略可以通過(guò)優(yōu)化gidle和gbusy選擇傳輸機(jī)會(huì)，從而使得SU放棄了一部分信道質(zhì)量較差的信道感知為空閑時(shí)的傳輸機(jī)會(huì)，轉(zhuǎn)為在信道質(zhì)量較好時(shí)在感知為占用的時(shí)隙進(jìn)行傳輸，所以可在不超過(guò)碰撞概率約束的條件下，提高SU的有效吞吐率.

5 結(jié) 論

所提出的OSA策略利用了信道質(zhì)量信息和信道占用信息選擇頻譜接入機(jī)會(huì)，使得SU在滿足對(duì)PU干擾約束的條件下，提高了有效吞吐率.其次，通過(guò)引入信道質(zhì)量信息，SU不僅可以在信道感知結(jié)果為空閑的時(shí)隙接入信道，還可在信道感知結(jié)果為占用時(shí)選擇接入那些信道質(zhì)量較好的時(shí)隙，從而充分利用了傳輸機(jī)會(huì)，特別是對(duì)那些PU業(yè)務(wù)量較大的信道來(lái)說(shuō)，信道感知結(jié)果常常為占用狀態(tài)，允許SU在占用狀態(tài)下進(jìn)行接入將極大地提高其有效吞吐率.最后，考慮到在真實(shí)的無(wú)線傳播環(huán)境中，準(zhǔn)確的信道傳播特性統(tǒng)計(jì)參數(shù)往往無(wú)法獲知，在信道質(zhì)量門限的優(yōu)化過(guò)程中進(jìn)行了魯棒性設(shè)計(jì)，從而使得所提出的OSA策略更加實(shí)用.

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作者簡(jiǎn)介

彭曉東 （1986－），男，內(nèi)蒙古人，清華大學(xué)博士研究生，研究方向：無(wú)線通信物理層信號(hào)處理、認(rèn)知無(wú)線電、無(wú)線信道建模等.

張 焱 （1983－），男，山東人，北京理工大學(xué)講師，博士，研究方向：無(wú)線通信技術(shù)、無(wú)線信道測(cè)量與建模和信道預(yù)測(cè)技術(shù)等.

鐘曉峰 （1977－），男，河北人，清華大學(xué)副教授，研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括B3G／4G移動(dòng)通信系統(tǒng)、分布式無(wú)線通信系統(tǒng)、無(wú)線自組織與協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)等.

周世東 （1969－），男，江蘇人，清華大學(xué)教授，研究方向：無(wú)線與移動(dòng)通信系統(tǒng)體制與實(shí)現(xiàn)、第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)與技術(shù)、超三代（四代）移動(dòng)通信體制與技術(shù)、信道編譯碼技術(shù)、多天線系統(tǒng)與技術(shù)研究

肖立民 （1970－），男，黑龍江人，清華大學(xué)副教授，研究方向：信道測(cè)量與建模、無(wú)線移動(dòng)通信和寬帶無(wú)線傳輸技術(shù).（MIMO技術(shù)，分布式天線系統(tǒng)）.

Robust opportunistic spectrum access policy based on channel quality

PENG Xiaodong1ZHANG Yan2XIAO Limin3ZHONG Xiaofeng1ZHOU Shidong1

（1.Department of Electronic Engineering，Tsinghua University，Beijing100084，China；2.School of Information and Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China；3.Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology，Beijing100084，China）

To improve the effective throughput achieved by opportunistic spectrum access of secondary user in hierarchical networks，a robust opportunistic spectrum access policy based on channel quality is proposed.The proposed policy fully utilizes the transmission opportunities with good channel quality by taking both channel quality information and channel occupation information into account to make transmission decisions，which enables secondary user to access channel in sensed idle and busy states with different channel quality thresholds.With this policy，an optimization problem maximizing the effective throughput of secondary user with interference constraint for protectingprimary user is formulated，and the optimal robust channel quality thresholds are derived considering the existence of inaccurate estimation to the channel propagation property.Simulation results demonstrate the effective throughput performance of secondary user can be significantly improved by implementing the proposed policy.

opportunistic spectrum access；channel propagation property；channel quality threshold；robustness

TN9295

A

1005-0388（2015）01-0008-08

彭曉東，張 焱，肖立民，等.一種基于信道質(zhì)量的魯棒機(jī)會(huì)頻譜接入策略［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（1）：8-15.

10.13443／j.cjors.2014010701

PENG Xiaodong，ZHANG Yan，XIAO Limin，et al.Robust opportunistic spectrum access policy based on channel quality［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：8-15.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014010701

2014-01-07

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2013CB329002）；國(guó)家863計(jì)劃（2012AA011402）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2013ZX03001024-004）；教育部科學(xué)研究重大項(xiàng)目（No.313005）；清華自主科研（2011THZ02-2）；國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目（2012DFG12010）；國(guó)家自然科學(xué)基金（61201192）；北京理工大學(xué)基礎(chǔ)研究基金；愛(ài)立信合作項(xiàng)目（20123000059）；東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金（2012D02）

聯(lián)系人：張焱E-mail：zhangy＠bit.edu.cn