認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)感知信道估計(jì)時(shí)延的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃天成，姜顯揚(yáng)，夏凱莉，唐向宏

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

?

認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)感知信道估計(jì)時(shí)延的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃天成，姜顯揚(yáng)，夏凱莉，唐向宏

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：為了提高認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，提出了干擾分區(qū)策略的混合頻譜接入方法，分析了影響干擾分區(qū)策略的頻譜感知信道估計(jì)時(shí)延長度的因素，推導(dǎo)了系統(tǒng)吞吐量與信道估計(jì)時(shí)延長度的表達(dá)式，并進(jìn)一步提出了信道估計(jì)時(shí)延長度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，該方法切實(shí)有效，具有一定的工程應(yīng)用的價(jià)值.

關(guān)鍵詞：認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)；頻譜感知；信道估計(jì)；填充式頻譜接入；下墊式頻譜接入

0引言

無線寬帶服務(wù)的快速增長推動(dòng)了認(rèn)知無線電技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展[1]，認(rèn)知用戶可以使用授權(quán)用戶空閑的頻譜資源.引入中繼技術(shù)到認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，一方面提高了通信系統(tǒng)的吞吐量，另一方面提高了頻譜檢測(cè)的可靠性[2]，構(gòu)成認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Relay Networks，CRN)[3-4].認(rèn)知無線電基于頻譜感知和動(dòng)態(tài)頻譜接入的原理，文獻(xiàn)[5]提出了一種干擾分區(qū)策略的混合頻譜接入方法，以折衷提高頻譜效率和功率效率為目標(biāo)，應(yīng)用于認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò).這種策略需要對(duì)授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶之間的信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì).認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的干擾水平以及認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量都依賴于頻譜感知與信道估計(jì)算法的效率.干擾信道估計(jì)會(huì)帶來數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延，一方面，時(shí)延越長估計(jì)越準(zhǔn)確，頻譜效率越高；但另一方面，時(shí)延占用了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，降低了數(shù)據(jù)吞吐量，折衷這兩方面需要有優(yōu)化設(shè)計(jì)的權(quán)衡方法.本文在提出干擾分區(qū)策略的混合頻譜接入方法的基礎(chǔ)上，給出一種認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)頻譜感知信道估計(jì)時(shí)延長度優(yōu)化的模型，并應(yīng)用牛頓迭代法提出了信道估計(jì)時(shí)延的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.

1認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

基于干擾分區(qū)策略的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖如圖1所示.認(rèn)知無線電系統(tǒng)由授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶組成，其中，授權(quán)用戶(Primary User，PU)包括初級(jí)信源(Primary Source，PS)和初級(jí)信宿(Primary Destination，PD)，認(rèn)知用戶包括認(rèn)知信源(Cognitive Source，CS)、認(rèn)知中繼節(jié)點(diǎn)(Cognitive Relay，CR)和認(rèn)知信宿(Cognitive Destination，CD)，如圖1(a)所示.

在初級(jí)用戶的受干擾水平得到充分保障的前提下，采用填充式(Overlay)和下墊式(Underlay)混合頻譜接入的方法來最大化認(rèn)知用戶的系統(tǒng)吞吐量.圖1(a)中，當(dāng)CS或CR所在位置處于區(qū)間1(內(nèi)環(huán)線以內(nèi))時(shí)，采用填充式頻譜接入，僅在授權(quán)用戶的空閑頻段，CS和CR才可分配功率并傳輸數(shù)據(jù)；當(dāng)CS或CR所在位置處于區(qū)間2(內(nèi)環(huán)線與外環(huán)線之間)時(shí)，采用下墊式頻譜接入，CS和CR可與授權(quán)用戶共享頻譜，但是需要控制發(fā)射功率使其對(duì)授權(quán)用戶的干擾容限處于可以接受的水平；當(dāng)CS或CR所在位置處于區(qū)間3(外環(huán)線之外)時(shí)，CS和CR可與授權(quán)用戶共享頻譜而不必考慮其干擾容限.這種根據(jù)認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生的實(shí)際干擾水平高低來劃分頻譜接入服務(wù)區(qū)間的方法，即是“干擾分區(qū)策略”[5].

圖1(a)中，CS向CD的信號(hào)傳輸劃分為兩個(gè)時(shí)段，T1時(shí)段CS發(fā)送信號(hào)，CR和CD接收信號(hào)；T2時(shí)段CR發(fā)送從CS接收到的信號(hào)，CD再次接收信號(hào)并按照最大比法與T1時(shí)段接收到的信號(hào)合并，CS也接收信號(hào)用于信道估計(jì).如圖1(b)所示，分配到的一幀數(shù)據(jù)時(shí)隙總長為T，包含用于頻譜感知與信道估計(jì)的時(shí)長τ，用于信息傳輸?shù)氖Ｓ鄷r(shí)間T-τ，T-τ即為圖1(a)中所示的時(shí)段T1+T2的總和.

圖1　基于干擾分區(qū)策略的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖

一般來說，頻譜感知占用的時(shí)間越長，信道估計(jì)算法得到的結(jié)果越精確，認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的干擾就越小，而且，認(rèn)知用戶的功率分配算法就越合理，數(shù)據(jù)傳輸速率就越高.但是，頻譜感知占用的時(shí)間越長，將導(dǎo)致占用數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源過多，其結(jié)果是降低系統(tǒng)吞吐量.所以，顯然頻譜感知占用時(shí)延長度τ就是一個(gè)可以優(yōu)化的參量，存在一個(gè)優(yōu)化的τ值，使上述兩方面的作用均衡，得以實(shí)現(xiàn)最高的數(shù)據(jù)傳輸速率.

2頻譜感知信道估計(jì)時(shí)延長度的優(yōu)化算法

應(yīng)用干擾分區(qū)策略的前提是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的實(shí)際干擾水平的信道估計(jì)，據(jù)此劃分服務(wù)區(qū)間并應(yīng)用不同的頻譜接入策略.這里，要考慮漏檢(Miss-Detection)和誤檢(False-Alarm)的情況，推導(dǎo)出數(shù)據(jù)吞吐量與頻譜感知信道估計(jì)時(shí)延長度的表達(dá)式，再采取相應(yīng)的優(yōu)化方法.

2.1漏檢概率和誤檢概率

假定采用能量檢測(cè)法來實(shí)現(xiàn)頻譜感知，信道噪聲模型為獨(dú)立同分布的循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯白噪聲，傳輸信號(hào)為復(fù)值MPSK調(diào)制信號(hào)，那么，漏檢概率pm和誤檢概率pf是頻譜感知信道估計(jì)時(shí)延長度τ的函數(shù)[6]，即：

(1)

(2)

其中，

(3)

λ為判定授權(quán)用戶是否空閑的能量閾值，η為CS或CR接收到的PU端的信噪比，fs為CS或CR的抽樣頻率，N0為噪聲功率.

2.2信道估計(jì)時(shí)長的優(yōu)化方法

設(shè)CS在N個(gè)OFDM子頻段內(nèi)分配發(fā)送功率，i=0,1,…,N-1，集合N1表示CS經(jīng)檢測(cè)判定為PU空閑的頻段，集合N2表示CS經(jīng)檢測(cè)判定為PU工作的頻段.在數(shù)據(jù)傳輸T-τ時(shí)間內(nèi)，CD接收到T1時(shí)段CS傳送的信號(hào)和T2時(shí)段CR傳送的信號(hào)，經(jīng)過最大比合并后，CD獲得的數(shù)據(jù)吞吐量可以表示為[5]：

(4)

其中，pm為漏檢概率，pf為誤檢概率，γ0(i)為PU實(shí)際空閑時(shí)第i條子頻段上接收信號(hào)的信噪比，γ1(i)為PU實(shí)際工作時(shí)第i條子頻段上接收信號(hào)的信噪比，α為頻譜共享指示符，α=1表示CS可與PU共享頻譜，α=0表示CS不能與PU共享頻譜.

進(jìn)一步整理化簡，可得：

(5)

那么，頻譜感知信道估計(jì)時(shí)延長度τ的優(yōu)化問題可以描述為：

(6)

將式(1)和式(2)代入式(5)，則R(τ)是一個(gè)非線性復(fù)雜函數(shù)，可以證明其為凸函數(shù)，其二階導(dǎo)數(shù)滿足關(guān)系：d2R/dτ2≤0，因此，R(τ)存在最大吞吐量，存在信道估計(jì)時(shí)延長度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.其極值點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)取值為零，即有：

(7)

解式(7)所示的非線性方程，所得解τ=τop，即為式(6)優(yōu)化問題的解.

式(7)所示為復(fù)雜非線性方程，應(yīng)用牛頓迭代法可以通過計(jì)算機(jī)仿真得到近似解，步驟如下：

1)給定初值τn=τ0，e=1×10-6為解的容許誤差；

2)迭代計(jì)算τn+1=τn-f(τn)/f′(τn)的值；

3)若|τn+1-τn|

4)迭代結(jié)果τ=τn+1，即為最終的解.

3仿真實(shí)驗(yàn)

仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1　仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)表1的參數(shù)設(shè)置，求得式(5)所示函數(shù)R(τ)，用Matlab仿真其函數(shù)圖形，如圖2所示.圖2中，實(shí)線是α=1時(shí)的吞吐量曲線，此時(shí)CS和CR采用下墊式頻譜接入，與PU共享子頻段；虛線是α=0時(shí)的吞吐量曲線，此時(shí)CS和CR采用填充式頻譜接入，只在PU空閑的子頻段CS與CR才插入使用.從圖2中可以看出，當(dāng)時(shí)延τ從小增大時(shí)，吞吐量先是從小增大，隨后從頂峰滑落，并快速下降，頂峰對(duì)應(yīng)的時(shí)延τ值即為優(yōu)化解.

應(yīng)用牛頓法迭代求解，得到的τ值分別為0.339 ms(α=1)和0.329 ms(α=0)，與圖2所示的曲線最高峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)延τ值擬合.需要說明的是，Matlab仿真得到式(5)所示函數(shù)R(τ)的圖形，因式(5)包含式(3)所示的積分函數(shù)，一般采用蒙特卡洛概率運(yùn)算的方法得到近似函數(shù)值；而應(yīng)用牛頓法迭代求解的式(7)所示的方程，是式(5)所示函數(shù)的導(dǎo)數(shù)函數(shù)方程，其解方程的運(yùn)算復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蒙特卡洛近似運(yùn)算方法求函數(shù)值.一般認(rèn)知用戶所擁有的計(jì)算與存儲(chǔ)資源比較有限，不能運(yùn)行Matlab軟件，采用牛頓迭代法求解可以節(jié)省大量寶貴的資源.

圖2　認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吞吐量與信道估計(jì)時(shí)延的關(guān)系函數(shù)

4結(jié)束語

為了提高頻譜資源利用率，本文在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中引入中繼技術(shù)，并提出采用干擾分區(qū)策略的混合頻譜接入方法.本文優(yōu)化設(shè)計(jì)頻譜感知占用的時(shí)延長度τ參量，實(shí)現(xiàn)了最高的數(shù)據(jù)傳輸速率.本文推導(dǎo)了系統(tǒng)吞吐量與信道估計(jì)時(shí)延長度的關(guān)系表達(dá)式，并提出了信道估計(jì)時(shí)延長度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，基于牛頓迭代法得到時(shí)延長度的最優(yōu)解.本方法切實(shí)有效，具有一定的工程應(yīng)用的價(jià)值.

參考文獻(xiàn)

[1]MITOLAJ.Cognitiveradio:Anintegratedagentarchitectureforsoftwaredefinedradio[D].Stockholm:RoyalInstituteofTechnology, 2000.

[2]ZHANGG,LIQ,ZHANGQ,etal.Signal-to-interference-plus-noiseratio-basedmulti-relaybeamformingformulti-usermultiple-inputmultiple-outputcognitiverelaynetworkswithinterferencefromprimarynetwork[J].IETCommunications,2015, 9(2): 227-238.

[3]HUANGH,LIZ,SIJ,etal.Underlaycognitiverelaynetworkswithimperfectchannelstateinformationandmultipleprimaryreceivers[J].IETCommunications,2015, 9(4): 460-467.

[4]NAJAFIS,SHAYESTEHMG.Spectrallyencodedcodedivisionmultipleaccess-basedcognitiverelaynetworks[J].IETCommunications, 2015, 9(12): 1510-1521.

[5]JIANGX,LUJ.PowerMinimizationforCognitiveRelayNetworkswithInterference-BasedStrategy[J].IEEECommunicationsLetters,2013,17(10): 1936-1939.

[6]LIANGYC,ZENGY,PEHE,etal.Sensing-throughputtradeoffforcognitiveradionetworks[J].WirelessCommunications,IEEETransactionson, 2008, 7(4): 1326-1337.

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.03.007

收稿日期：2016-02-19

基金項(xiàng)目：浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY14F010018)

作者簡介：黃天成(1995-)，男，浙江平湖人，本科生，信息工程.通信作者：姜顯揚(yáng)講師.E-mail：jiangxy@hdu.edu.cn.

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9146(2016)03-0031-05

Optimal Design on Delay Time of Spectrum Sensing Channel Estimation in Cognitive Relay Networks

HUANG Tiancheng, JIANG Xianyang, XIA Kaili, TANG Xianghong

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：In order to improve the spectrum efficiency in cognitive relay networks, a kind of mixed spectrum access method based on the interference evaluation strategy is proposed. The influence factors of spectrum sensing channel estimation delay time are analyzed. The expressions of the system throughput and channel estimation delay time are derived. Furthermore, the optimization design method for delay time length of channel estimation is presented. Computer simulation results show that the proposed method is practical and effective, and has a certain value of engineering application.

Key words：cognitive relay network; spectrum sensing; channel estimation; overlay spectrum access; underlay spectrum access