一種基于信道態(tài)勢(shì)的混合頻譜接入研究方法

程?hào)|海彭著勛

1. 重慶工商大學(xué)紀(jì)檢監(jiān)察審計(jì)處 2. 華為技術(shù)有限公司全球技術(shù)部

一種基于信道態(tài)勢(shì)的混合頻譜接入研究方法

程?hào)|海1彭著勛2

1. 重慶工商大學(xué)紀(jì)檢監(jiān)察審計(jì)處 2. 華為技術(shù)有限公司全球技術(shù)部

在小尺度認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，針對(duì)時(shí)間和頻率上的空洞造成資源浪費(fèi)的問(wèn)題，提出了一種基于信道態(tài)勢(shì)的混合頻譜接入方案。此方案考慮頻譜感知中誤檢和虛警對(duì)頻譜接入的影響，基于雙狀態(tài)馬爾科夫過(guò)程估計(jì)信道態(tài)勢(shì)，次用戶根據(jù)信道態(tài)勢(shì)選擇接入方式，提升了頻譜利用率，優(yōu)化了發(fā)射功率，提升了系統(tǒng)容量。理論分析和仿真驗(yàn)證了該方案虛警與誤檢概率低，系統(tǒng)容量明顯優(yōu)于機(jī)會(huì)式頻譜接入與共存式頻譜共享接入方式的容量。

認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 信道態(tài)勢(shì) 頻譜接入 系統(tǒng)容量

在無(wú)線通信領(lǐng)域，可用于無(wú)線通信使用的頻譜資源日益稀缺，提高頻譜利用率，已經(jīng)成為充分合理化利用頻譜資源的普遍方式。在小尺度認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，次用戶(Secondary User，SU)間利用時(shí)頻空洞動(dòng)態(tài)接入網(wǎng)絡(luò)，物理層采用正交頻分復(fù)用，頻譜接入方式主要有機(jī)會(huì)頻譜接入(Opportunistic Spectrum Access, OSA)和共存式頻譜共享(Coexisting Spectrum Sharing，CSS)兩種，但由于發(fā)射功率受外部干擾限制，信道仍有處于空閑狀態(tài)的輕情況，未受到充分利用。

1 仿真驗(yàn)證與分析

1.1 信道轉(zhuǎn)移概率對(duì)系統(tǒng)容量與發(fā)射功率的影響

根據(jù)第3部分信道轉(zhuǎn)移概率對(duì)系統(tǒng)容量和最優(yōu)發(fā)射功率的關(guān)系式(1)、(8)、(14)與(15)，仿真分析得到圖1，OSA、CSS、MSA系統(tǒng)容量與轉(zhuǎn)移概率的關(guān)系。

從圖1可以看出，在0.5α=的情況下，隨α著上升，CSS系統(tǒng)容量保持不變，OSA系統(tǒng)容量和MSA系統(tǒng)容量均上升。在α較低時(shí)，CSS系統(tǒng)容量高于OSA系統(tǒng)。因?yàn)镃SS系統(tǒng)中的SU不管信道是否空閑均以CSS方式接入并一直占用信道，不受信道狀態(tài)與轉(zhuǎn)移概率的影響。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置表

1.2 頻譜感知誤差對(duì)系統(tǒng)容量的影響

根據(jù)系統(tǒng)容量與誤檢概率和虛警概率關(guān)系式（18）相關(guān)理論計(jì)算，仿真得到圖2，誤檢和虛警概率與系統(tǒng)容量關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)容量與轉(zhuǎn)移概率α關(guān)系圖

從圖2(a)可以看出，在虛警概率fp=0.2的情況下，隨著誤檢概率mp上升，CSS系統(tǒng)容量保持不變，OSA容量下降，MSA系統(tǒng)容量下降。隨著誤檢概率mp上升，'v也下降，因此，信道處于空閑狀態(tài)的時(shí)間比例下降。

圖2(b)是在誤檢概率pm=0.2的情況下，虛警概率與系統(tǒng)容量的關(guān)系圖。隨著虛警概率pf上升，CSS系統(tǒng)容量保持不變，OSA容量上升，MSA系統(tǒng)容量上升。隨虛警概率pf上升，'v也下降，信道處于繁忙狀態(tài)的時(shí)間比例下降，OSA系統(tǒng)容量上升。對(duì)于CSS接入方式，CSS系統(tǒng)容量幾乎不受頻譜感知誤檢和虛警概率影響。OSA接入方式下，若發(fā)生誤檢，會(huì)發(fā)生主次用戶碰撞，甚至中斷PU通信，此接入方式對(duì)頻譜感知誤差要求高。綜上，存在誤檢虛警概率的情況下，MSA方式系統(tǒng)容量?jī)?yōu)于OSA與CSS系統(tǒng)容量。

（a）系統(tǒng)容量與誤檢概率pm

圖2 誤檢概率與誤警概率對(duì)系統(tǒng)容量的影響

1.3 頻譜感知誤差修正后對(duì)系統(tǒng)容量的影響

由于無(wú)線通信環(huán)境的復(fù)雜性及硬件條件限制，在實(shí)際應(yīng)用中，頻譜感知不可避免的出現(xiàn)感知誤差，如果在PU存在卻感知為信道空閑的情況下，選擇OSA方式接入信道，會(huì)發(fā)生主次用戶碰撞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)中斷PU正常通信。修正信道轉(zhuǎn)移概率可保證在不影響PU正常通信的情況下提升系統(tǒng)容量，分別將理想感知與實(shí)際感知情況下轉(zhuǎn)移概率α與MSA、OSA、CSS系統(tǒng)容量關(guān)系對(duì)比得到圖3。

從圖3可知，CSS系統(tǒng)容量不受信道轉(zhuǎn)移概率和頻譜感知誤差影響，在圖3中幾乎不變化。理想感知狀態(tài)下MSA系統(tǒng)容量最大，OSA系統(tǒng)容量最小，但實(shí)際無(wú)法達(dá)到頻譜感知理想狀態(tài)。MSA修正信道轉(zhuǎn)移概率來(lái)降低感知誤差影響，實(shí)際容量?jī)?yōu)于以修正信道狀態(tài)來(lái)減少感知誤差的CSS理想狀態(tài)系統(tǒng)容量，優(yōu)于OSA理想狀態(tài)系統(tǒng)容量。

圖3 頻譜感知誤差修正后轉(zhuǎn)移概率-容量圖

1.4 PU干擾容限對(duì)系統(tǒng)容量的影響

由PU干擾容限Q0與系統(tǒng)容量理論關(guān)系，仿真得到圖4，系統(tǒng)容量與PU干擾容限Q0關(guān)系。圖4中，隨著干擾容限Q0逐漸增大，CSS、OSA、MSA系統(tǒng)容量不變或者略微上升，三類系統(tǒng)容量均受干擾容限影響不大。

圖4 系統(tǒng)容量與PU干擾容限Q0關(guān)系

1.5 PU發(fā)射功率對(duì)認(rèn)知系統(tǒng)容量的影響

系統(tǒng)容量與PU發(fā)射功率的關(guān)系如圖5。從圖5可以看出，隨PU發(fā)射功率MP增大，OSA系統(tǒng)容量不受影響，CSS系統(tǒng)容量明顯下降，MSA系統(tǒng)容量也下降。因?yàn)镺SA接入方式下，SU與PU不在同一個(gè)信道上，因此SU不會(huì)受到PU的干擾。但是CSS接入方式下，SU與PU在同一個(gè)信道上，隨PU發(fā)射功率MP增大，SU受到PU的干擾增大，CSS系統(tǒng)容量下降明顯。MSA系統(tǒng)中只有部分SU處于CSS狀態(tài)，因此MSA系統(tǒng)容量仍然高于CSS系統(tǒng)容量。

圖5 PU發(fā)射功率MP與系統(tǒng)容量關(guān)系

2 結(jié)語(yǔ)

在小尺度認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)下，提出了一種基于信道態(tài)勢(shì)的混合頻譜接入方案。該方案結(jié)合了OSA和CSS的優(yōu)點(diǎn)，有效利用時(shí)頻域上的空洞，提升頻譜利用率。優(yōu)化了SU發(fā)射功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MSA系統(tǒng)容量在理想感知狀態(tài)和實(shí)際感知中均優(yōu)于OSA和CSS系統(tǒng)，OSA系統(tǒng)受信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率、頻譜感知誤差影響較大，CSS系統(tǒng)受PU影響較嚴(yán)重。

[1]張龍.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)MAC層頻譜感知與頻譜接入問(wèn)題研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),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,賈向東,鄧鵬飛.認(rèn)知中繼協(xié)同無(wú)線通信系統(tǒng)功率分配和混合頻譜接入方案[J].信號(hào)處理,2015,31(5): 559-568