IEEE 802.22環(huán)境下的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功率控制研究*

文 凱，洪 波

（重慶郵電大學(xué) a.重慶信科設(shè)計(jì)有限公司；b.通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶 400065）

1 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線頻譜已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的寶貴資源，而在當(dāng)前的固定頻譜分配方式下，授權(quán)頻段的頻譜利用率極為低下，造成了大量頻譜資源的浪費(fèi)。而近年來(lái)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，固定無(wú)線頻譜分配導(dǎo)致局部頻譜利用率只有15%～85%[1]，表明固定頻譜分配很不合理。FCC提出在電視頻段上，使用認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio，CR）技術(shù)來(lái)解決頻譜資源不足的問(wèn)題，并已經(jīng)將5.3 GHz頻段共享，同時(shí)建議共享部分電視頻段資源[2]。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠?qū)Σ豢稍偕念l譜資源實(shí)現(xiàn)再利用，進(jìn)而緩解頻譜的緊缺程度、有效地解決頻譜稀缺的問(wèn)題，被認(rèn)為是解決無(wú)線頻譜資源低利用率問(wèn)題的最佳方案。

2004年11月第一個(gè)基于CR的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.22[3]工作組成立，目的在于解決運(yùn)營(yíng)在廣播電視頻段的認(rèn)知無(wú)線廣域接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在認(rèn)知無(wú)線電中，當(dāng)認(rèn)知用戶（Cognitive User，CU）與主用戶（Primary User，PU）在相同的頻段上共存時(shí)，認(rèn)知用戶的發(fā)射功率必須在主用戶信干噪比（SINR）允許的范圍內(nèi)。因此，認(rèn)知用戶需要根據(jù)主用戶可容忍的干擾限制進(jìn)行嚴(yán)格的功率控制，從而避免影響到主用戶的正常通信[4-6]。

筆者考慮認(rèn)知用戶和主用戶在相同頻段上共存的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，主要目標(biāo)是研究在滿足主用戶鏈路接收端峰值干擾功率約束和認(rèn)知用戶鏈路發(fā)射端總功率約束條件下的功率控制策略，并評(píng)估認(rèn)知用戶的傳輸速率和中斷概率等性能指標(biāo)。

2 系統(tǒng)模型

考慮認(rèn)知用戶和主用戶可占用相同的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但認(rèn)知用戶的發(fā)射功率必須滿足主用戶的SINR門(mén)限值限制，同時(shí)通過(guò)外部的控制信道，認(rèn)知用戶能正確接收到主用戶當(dāng)前的信道狀態(tài)信息。假設(shè)主用戶發(fā)信機(jī)以固定功率Pp進(jìn)行發(fā)射，最小傳輸速率為常數(shù)Rp，其中授權(quán)系統(tǒng)為廣播電視系統(tǒng)，主發(fā)信機(jī)為基站。假設(shè)主用戶和認(rèn)知用戶鏈路的信道增益分別為hp和hc，認(rèn)知用戶與主用戶之間的干擾鏈路增益為g，如圖1所示，且假設(shè)hp，hc和g都服從均值為1的指數(shù)分布。

為將認(rèn)知用戶對(duì)主用戶的干擾功率限制在主用戶可容忍的范圍內(nèi)，同時(shí)最大化認(rèn)知用戶的傳輸速率，該問(wèn)題可描述為

圖1 系統(tǒng)模型

式中：pc為認(rèn)知用戶的發(fā)射功率，pcmax為認(rèn)知用戶終端可提供的最大發(fā)射功率，Qmax表示主用戶可忍受的干擾極限，表示認(rèn)知用戶接收端的干擾功率。文獻(xiàn)[7]根據(jù)中心極限定理證明了當(dāng)多個(gè)主用戶存在時(shí)，主用戶對(duì)認(rèn)知用戶的干擾服從白高斯分布，因此包括高斯白噪聲和主用戶對(duì)認(rèn)知用戶的干擾。

3 功率控制策略

由于主用戶的信道狀態(tài)隨通信環(huán)境不斷變化，主用戶可忍受的干擾極限Qmax也隨之變化，因此認(rèn)知用戶需要根據(jù)主用戶的信噪比來(lái)確定發(fā)射功率，以避免影響主用戶正常通信。主用戶的信噪比表示為

在考慮了認(rèn)知用戶對(duì)主用戶干擾的情況下，主用戶的SINR可定義為

由于外部環(huán)境的不斷變化，同時(shí)背景噪聲的測(cè)量存在一定的偏差，因此加入1個(gè)功率保護(hù)值p*，以此來(lái)減少感知偏差帶來(lái)的影響。于是，認(rèn)知用戶允許的最大發(fā)射功率滿足

因此，當(dāng)主用戶的信道狀態(tài)（即信噪比）確定時(shí)，根據(jù)主用戶鏈路的信噪比進(jìn)行嚴(yán)格的功率控制，把干擾限制在主用戶可容忍的范圍內(nèi)，避免影響主用戶的正常通信。

4 認(rèn)知用戶中斷概率分析

由于認(rèn)知用戶的發(fā)射功率必須滿足主用戶的信干噪比約束，因此當(dāng)主用戶的信干噪比不斷變化時(shí)，認(rèn)知用戶的發(fā)射功率也需隨之進(jìn)行變化和調(diào)整，這可能導(dǎo)致認(rèn)知用戶通信鏈路發(fā)生中斷。在研究中，假設(shè)當(dāng)認(rèn)知用戶的信干噪比低于門(mén)限γth時(shí)將發(fā)生鏈路中斷，則認(rèn)知用戶鏈路的中斷概率可描述為

Pr為中斷概率函數(shù)，所以根據(jù)認(rèn)知用戶發(fā)射功率與主用戶可容忍的最大干擾極限Qmax之間的關(guān)系可得到

由上述分析可知，認(rèn)知用戶的中斷概率與主用戶的信道狀態(tài)、最低傳輸速率Rp以及認(rèn)知用戶的中斷門(mén)限值γth有關(guān)。

5 仿真結(jié)果

仿真中，假設(shè)認(rèn)知用戶鏈路和認(rèn)知用戶對(duì)主用戶干擾鏈路的信道增益都服從均值為1的指數(shù)分布，和分別為10-4W和10-3W，功率保護(hù)值p*=0.5 mW，主用戶的固定發(fā)射功率為Pp=10 mW。

圖2顯示了當(dāng)認(rèn)知用戶能提供的最大發(fā)射功率pcmax=40 mW時(shí)，認(rèn)知用戶傳輸速率與主用戶傳輸速率Rp的關(guān)系。由圖2可知，認(rèn)知用戶的傳輸速率隨著Rp的增加而減小。此外，主用戶鏈路信噪比越高，主用戶可容忍的干擾越大，因此認(rèn)知用戶的傳輸速率也越高。

圖2 不同Rp時(shí)認(rèn)知用戶的傳輸速率

圖3顯示了認(rèn)知用戶在鏈路中斷門(mén)限值為γth=2 dB時(shí)，中斷概率與主鏈路信噪比γp的關(guān)系。由圖3可知，主鏈路信噪比越大，主用戶可容忍的干擾極限越高，認(rèn)知用戶則能以更大的功率進(jìn)行發(fā)射，因此認(rèn)知用戶的中斷概率隨主鏈路信噪比的增加而降低。在主鏈路的信道條件足夠好時(shí)，認(rèn)知用戶以最大功率pcmax發(fā)射而不影響主用戶的正常通信。而主鏈路信噪比達(dá)到一定值后，認(rèn)知用戶的中斷概率隨pcmax的增加而降低。所以主鏈路信噪比大于10 dB時(shí)，認(rèn)知用戶能提供的最大發(fā)射功率pcmax越大，中斷概率越低，所以本文采用的最大化認(rèn)知用戶發(fā)射功率能有效降低認(rèn)知用戶的中斷概率。

圖3 認(rèn)知用戶中斷概率與γp的關(guān)系

圖4顯示了認(rèn)知用戶中斷概率與中斷門(mén)限γth的關(guān)系。主鏈路信噪比γp越大，認(rèn)知用戶的發(fā)射功率越大，從而認(rèn)知鏈路發(fā)生中斷的概率也越低。由圖4可知，通過(guò)本文的功率控制策略，能最大化認(rèn)知用戶發(fā)射功率，能降低認(rèn)知用戶的中斷概率。

6 小結(jié)

研究了認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的功率控制方案，使認(rèn)知用戶根據(jù)主用戶的信道狀態(tài)條件進(jìn)行嚴(yán)格的功率控制，在保證主用戶正常通信的條件下，最大化認(rèn)知用戶的傳輸速率。對(duì)認(rèn)知用戶的傳輸速率和中斷概率等性能指標(biāo)作了仿真評(píng)估，仿真結(jié)果表明，該方案能有效地保證主用戶通信的QoS，同時(shí)保證認(rèn)知用戶傳輸速率并有效降低認(rèn)知用戶中斷概率。

圖4 認(rèn)知用戶中斷概率與中斷門(mén)限γth的關(guān)系

[1]MARCUSM，BURTLEJ，BRUCEF.Federal communications commission，spectrum policy task force[EB/OL].[2009-09-09].http://www.fcc.gov/sptf/files/E&UWGFinalReport.pdf.

[2]MARCUS M J.Real time spectrum markets and interruptible spectrum:new concepts of spectrum use enabled by cognitive radio[C]//Proc.2005 First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks.[S.l.]：IEEE Press，2005：512-517.

[3]WEISSBERGER A J.IEEE 802.22 wireless regional area network（WRAN）[EB/OL].[2009-09-09].http://www.viodi.com/newsletter/050302/article1.htm.

[4]GHASEMI A，SOUSA E S.Fundamental limits of spectrum-sharing in fading environments[J].IEEE Trans.Wireless Commun.，2007，6（2）：649-658.

[5]LI L，GOLDSMITH A J.Capacity and optimal resource allocation for fading broadcast channels-part ii:Outage capacity[J].IEEE Trans.Inform.Theory，2001，47（3）：1103-1127.

[6]KANG X，LIANG Y C，NALLANATHAN A.Optimal power allocation for fading channels in cognitive radio networks:delay-limited capacity and outage capacity[C]//Proc.IEEE Vehicular Technology Conference（VTC）.Singapore：IEEE Press，2008：11-14.

[7]DUY T，TELLAMUBURA C.Resource allocation for OFDM-based cognitive multicast networks[C]//Proc.IEEE WCNC， 2009.[S.l.]：IEEE Press，2009：1-6.