基于最優(yōu)中繼的自適應(yīng)協(xié)作頻譜感知算法

張學(xué)軍,魯　友,田　峰,嚴(yán)金童,成謝鋒

(1.南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210003;2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210003;3.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,江蘇南京 210003)

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基于最優(yōu)中繼的自適應(yīng)協(xié)作頻譜感知算法

張學(xué)軍1,2,魯友1,田峰3,嚴(yán)金童1,成謝鋒1,2

(1.南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210003;2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210003;3.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,江蘇南京 210003)

針對(duì)認(rèn)知系統(tǒng)中感知信道存在衰落和中繼能耗較大問(wèn)題,提出一種兼顧感知性能和感知能耗的中繼協(xié)作頻譜感知算法.該算法通過(guò)機(jī)會(huì)中繼協(xié)作、基于效益函數(shù)的最優(yōu)中繼協(xié)作和系統(tǒng)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制,能夠獲得性能與能耗的優(yōu)化折中.文章對(duì)所提算法進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和性能分析,并對(duì)非中繼協(xié)作感知算法和最優(yōu)中繼固定的協(xié)作感知算法以及本算法在不同系統(tǒng)參數(shù)下的感知性能進(jìn)行了仿真比較.結(jié)果表明本算法具有一定的優(yōu)越性.

認(rèn)知無(wú)線電;頻譜感知;機(jī)會(huì)中繼;最優(yōu)中繼;參數(shù)調(diào)整

1　引言

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)通過(guò)利用已分配頻譜的頻譜空洞可以有效提高頻譜資源利用率[1,2].頻譜感知可以感知空閑頻譜的存在與否.其感知分為單節(jié)點(diǎn)本地檢測(cè)和多節(jié)點(diǎn)協(xié)作檢測(cè)[3～5].由于實(shí)際無(wú)線環(huán)境的復(fù)雜性,多徑衰落和陰影效應(yīng)等因素往往導(dǎo)致單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)效果不佳.而傳統(tǒng)協(xié)作檢測(cè)主要有本地檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)融合等算法,其本質(zhì)僅是針對(duì)已得本地結(jié)果的融合,當(dāng)感知信道較差時(shí)往往難以保證本地結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性.

考慮到本地檢測(cè)過(guò)程中的進(jìn)一步協(xié)作可以提高認(rèn)知系統(tǒng)的檢測(cè)性能,基于中繼協(xié)作的頻譜感知技術(shù)得到了廣泛關(guān)注[6～9].文獻(xiàn)[10,11]研究了基于信道狀態(tài)的最佳中繼協(xié)作感知算法,但算法僅考慮到主用戶到中繼節(jié)點(diǎn)的信道條件.而且所選中繼一般需服務(wù)于系統(tǒng)中所有中繼申請(qǐng)者,因此當(dāng)中繼出現(xiàn)狀況時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能.文獻(xiàn)[12～14]研究了基于中繼到源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)信道狀況的最佳中繼選擇算法.但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是基于認(rèn)知節(jié)點(diǎn)間傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)的中繼選擇,而非感知階段的中繼選擇算法.文獻(xiàn)[15,16]研究了機(jī)會(huì)中繼協(xié)作算法,在保證了檢測(cè)可靠性的條件下有效減少了中繼協(xié)作的次數(shù)從而降低能耗.但是文獻(xiàn)[15]研究的是傳輸信道的機(jī)會(huì)協(xié)作,且其中繼門限的求解過(guò)程比較復(fù)雜.而文獻(xiàn)[16]以信道容量大小判定是否需要中繼,中繼為傳輸中繼而非感知中繼.文獻(xiàn)[17,18]研究了基于能效的中繼協(xié)作頻譜感知算法,但文獻(xiàn)[17]中的中繼本質(zhì)上就是認(rèn)知節(jié)點(diǎn),其中中繼能耗與中繼性能的關(guān)系實(shí)質(zhì)上就是認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目、采樣數(shù)目與系統(tǒng)整體檢測(cè)性能的關(guān)系.而文獻(xiàn)[18]中的中繼節(jié)點(diǎn)不能由認(rèn)知節(jié)點(diǎn)充當(dāng),其本身只轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)而不進(jìn)行本地檢測(cè).文獻(xiàn)[19,20]研究了傳統(tǒng)非認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的中繼性能.

本文根據(jù)實(shí)際認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)在頻譜感知階段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出一種基于最優(yōu)中繼的自適應(yīng)協(xié)作頻譜感知算法(Adaptively Optimal Relay-based Cooperative Spectrum Sensing,AORCSS).該算法具有下述特點(diǎn):(1)基于給定的檢測(cè)性能指標(biāo),理論上推導(dǎo)了認(rèn)知節(jié)點(diǎn)機(jī)會(huì)中繼的判決門限,從而為多節(jié)點(diǎn)中繼感知系統(tǒng)的自適應(yīng)中繼機(jī)制提供理論基礎(chǔ).(2)定義效益函數(shù)作為選取最優(yōu)中繼的標(biāo)準(zhǔn).該函數(shù)同時(shí)考慮到中繼協(xié)作的檢測(cè)性能和中繼協(xié)作的能耗.(3)反饋機(jī)制.根據(jù)系統(tǒng)本輪整體感知性能反饋系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)信息,使下一輪感知更加符合認(rèn)知需求,具有一定魯棒性.

2　系統(tǒng)分析

2.1系統(tǒng)模型

本文采用的系統(tǒng)模型如圖1所示.1個(gè)主用戶(Primary User,PU)、N個(gè)認(rèn)知用戶(Secondary User,SU)、1個(gè)融合中心(Fusion Center,FC)和1個(gè)輔助控制器.假設(shè)系統(tǒng)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信道衰落都服從瑞利分布且相互之間統(tǒng)計(jì)獨(dú)立.所有接收端噪聲都是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的加性復(fù)高斯白噪聲且具有相同的功率譜密度.輔助控制器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中感知信道和報(bào)告信道狀態(tài)以及認(rèn)知用戶間鏈路狀態(tài)[10].認(rèn)知用戶CUi在進(jìn)行本地檢測(cè)的同時(shí)若滿足信道條件可以作為其他認(rèn)知用戶的中繼.而且中繼用戶采用非功率限制的放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward,AF)方式轉(zhuǎn)發(fā)接收信號(hào).

2.2基于協(xié)作感知的檢測(cè)概率和虛警概率

在獨(dú)立感知階段,認(rèn)知節(jié)點(diǎn)CUi接收到的信號(hào)表示為:

i=1,2,…N;k=1,2…M

(1)

則CUi的能量檢測(cè)器在假設(shè)條件H0和H1下的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量為:

(2)

(3)

(4)

(5)

在中繼協(xié)作階段,假設(shè)CUi選擇CUj作為中繼,則CUj需將感知階段接收的信號(hào)按AF方式轉(zhuǎn)發(fā)給CUi.此時(shí)CUi接收轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)并與獨(dú)立感知階段接收的信號(hào)合并.

+nui(k)

(6)

CUi的能量檢測(cè)器在假設(shè)條件H0和H1下的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量為:

(7)

(8)

同理,中繼協(xié)作下的CUi的檢測(cè)概率和虛警概率分別為:

(9)

(10)

3　基于最優(yōu)中繼的自適應(yīng)協(xié)作頻譜感知算法

3.1問(wèn)題分析

基于中繼協(xié)作的頻譜感知雖然可以提高檢測(cè)性能,但由于需要中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào),會(huì)產(chǎn)生額外的能耗.因此,存在感知性能和感知能耗的折中優(yōu)化問(wèn)題.以往許多算法針對(duì)非認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的中繼與能耗進(jìn)行研究,而多節(jié)點(diǎn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)下的此類問(wèn)題研究較少.本節(jié)先對(duì)中繼協(xié)作認(rèn)知系統(tǒng)中的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析.

(1)自適應(yīng)中繼.認(rèn)知節(jié)點(diǎn)根據(jù)感知信道條件自適應(yīng)決定是否需要中繼協(xié)助.若CUi信道條件好,無(wú)中繼也可得到精確的本地檢測(cè)結(jié)果.若CUi信道條件差,會(huì)導(dǎo)致本地檢測(cè)結(jié)果不精確,此時(shí)需要申請(qǐng)中繼.最終,系統(tǒng)中必然有部分認(rèn)知節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中繼,部分認(rèn)知節(jié)點(diǎn)為中繼申請(qǐng)者.

本文根據(jù)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)獨(dú)立檢測(cè)時(shí)的性能表達(dá)式,按照檢測(cè)性能是否達(dá)到指定要求,推導(dǎo)了衡量信道條件好壞的判斷標(biāo)準(zhǔn).在給定期望虛警概率Pfobj時(shí),由式(5)可得相應(yīng)判決門限.

(11)

將式(11)代入式(4)可得非中繼下認(rèn)知節(jié)點(diǎn)檢測(cè)概率.

(12)

在給定期望虛警概率Pdobj,為了保證認(rèn)知節(jié)點(diǎn)檢測(cè)性能需滿足:

Pdu-ui≥Pdobj

(13)

由式(12)和(13)可得出期望信道衰落因子滿足:

(14)

由此可見(jiàn),CUi獨(dú)立檢測(cè)時(shí)若要達(dá)到檢測(cè)性能要求,必須滿足式(14),即上式是可以作為判斷CUi是否需要中繼協(xié)助的標(biāo)準(zhǔn).

(2)最優(yōu)中繼.最優(yōu)中繼選擇算法是基于中繼性能和能耗而提出的一種中繼選擇算法.本文假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)采用功率非受限方式,且轉(zhuǎn)發(fā)增益剛好彌補(bǔ)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)間的信道衰落,故檢測(cè)性能最佳的中繼為(hp-uj)max對(duì)應(yīng)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn).但是就能耗而言,與中繼申請(qǐng)者之間的信道衰落為(hui-uj)max對(duì)應(yīng)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)為最佳中繼,因?yàn)槠渌柁D(zhuǎn)發(fā)功率最小.

綜合考慮,定義CUi的效益函數(shù)為:

Hadd-ui=Pdc-ui-kEloss-ui

(15)

其中,Pdc-ui表示CUi在中繼協(xié)作方式下檢測(cè)概率大小,即式(9),k為效益因子,可根據(jù)系統(tǒng)整體感知性能自適應(yīng)調(diào)整,Eloss-ui表示CUi在中繼協(xié)作方式下消耗的能量,其主要取決于轉(zhuǎn)發(fā)功率,即:

(16)

所以,CUi的最優(yōu)中繼為(Hadd-ui)max對(duì)應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn).同時(shí)由于認(rèn)知系統(tǒng)是以準(zhǔn)確性為根本,在尋找關(guān)于CUi的最大效益函數(shù)時(shí),必須保證檢測(cè)準(zhǔn)確性.由以上分析,可將CUi中繼選擇算法轉(zhuǎn)化為下述約束優(yōu)化問(wèn)題:

max:Hadd-ui

(17)

(18)

(3)反饋機(jī)制.以上針對(duì)單個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的分析可以得到本身中繼性能與能耗的優(yōu)化均衡.然而針對(duì)本文的多節(jié)點(diǎn)中繼協(xié)作認(rèn)知系統(tǒng)而言,其全局優(yōu)化研究較為復(fù)雜.因?yàn)槌诵杩紤]單節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化之外還需研究中繼數(shù)量的多少對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響.本文通過(guò)引入反饋機(jī)制研究系統(tǒng)在多輪感知過(guò)程的全局優(yōu)化問(wèn)題.

已知系統(tǒng)參數(shù)有期望檢測(cè)性能Pdobj、Pfobj和效益因子k.在一定范圍內(nèi),當(dāng)系統(tǒng)給定的期望檢測(cè)性能要求較高時(shí),中繼申請(qǐng)者的數(shù)目增加,因而系統(tǒng)進(jìn)行中繼協(xié)作的次數(shù)增多的可能性很大,系統(tǒng)整體檢測(cè)性能提高,但是能耗相應(yīng)也會(huì)增加;相反,如果系統(tǒng)對(duì)能耗要求嚴(yán)格,此時(shí)可以降低期望檢測(cè)性能要求,使中繼申請(qǐng)者數(shù)目減少.綜上,系統(tǒng)可以根據(jù)本輪的感知情況反饋調(diào)節(jié)Pdobj、Pfobj的指令,使下一輪感知更符合系統(tǒng)要求.效益因子k反映了效益函數(shù)中性能和能耗的權(quán)重.如果k較大,則認(rèn)知用戶選取的中繼能耗較小,系統(tǒng)整體能耗較小的可能性很大.相反,所選中繼節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)性能突出,系統(tǒng)整體檢測(cè)性能更好.因此,系統(tǒng)同樣可以根據(jù)其本輪感知情況反饋參數(shù)k的調(diào)整信息.

綜上分析,Pdobj、Pfobj側(cè)重于控制參與中繼的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù),k側(cè)重于在中繼數(shù)目一定的條件下控制所選中繼的性質(zhì).針對(duì)系統(tǒng)的全局優(yōu)化問(wèn)題可描述如下:

min:Eloss

(19)

(20)

其中,Eloss表示系統(tǒng)整體中繼能耗,Qd和Qf分別表示系統(tǒng)整體檢測(cè)概率和虛警概率.Qdobj和Qfobj分別表示系統(tǒng)整體期望檢測(cè)概率和虛警概率.本文采用的分步式反饋算法步驟如算法1.

算法1分步式反饋算法

步驟1根據(jù)當(dāng)前Pdobj、Pfobj和k進(jìn)行中繼協(xié)作感知,若最終結(jié)果滿足式(20)且k≤kmax-Δk,則k=k+Δk,等待下一輪感知;否則跳至步驟2.

步驟2若最終結(jié)果滿足式(20),同時(shí)Pdobj、Pfobj未達(dá)到閾值下限,則Pdobj=Pdobj-ΔPdobj,Pfobj=Pfobj+ΔPfobj,k=kinit,等待下一輪感知;若最終結(jié)果滿足條件(20),同時(shí)Pdobj、Pfobj達(dá)到閾值下限,則Pdobj、Pfobj和k保持不變,等待下一輪感知.否則跳至步驟3.

步驟3若最終結(jié)果不滿足式(20)且k≥kmin+Δk,則k=k-Δk,等待下一輪感知;否則跳至步驟4.

步驟4若最終結(jié)果不滿足式(20),同時(shí)Pdobj、Pfobj未達(dá)到閾值上限,則Pdobj=Pdobj+ΔPdobj,Pfobj=Pfobj-ΔPfobj,k=kinit,等待下一輪感知.若最終結(jié)果不滿足條件(20),同時(shí)Pdobj、Pfobj達(dá)到閾值上限,則Pdobj、Pfobj和k保持不變,等待下一輪感知.

本文所提算法是基于公式(4)和(5)的,所以適用于能量檢測(cè)過(guò)程中采樣數(shù)目比較大的場(chǎng)合.

3.2算法描述

根據(jù)以上問(wèn)題分析,自適應(yīng)的最優(yōu)中繼協(xié)作頻譜感知方案需要先后處理好以下問(wèn)題:是否需要中繼協(xié)助、選擇什么樣的中繼、本輪感知結(jié)束后應(yīng)反饋怎樣的參數(shù)調(diào)整信息.AORCSS算法步驟見(jiàn)算法2.

算法2AORCSS算法

步驟1初始化系統(tǒng)參數(shù).Pdobj=Pdobj,init,Pfobj=Pfobj,init,k=kinit.

步驟2獨(dú)立感知階段.每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)獨(dú)立接收信號(hào),根據(jù)輔助控制器中信道狀態(tài)和式(14)將認(rèn)知節(jié)點(diǎn)分為中繼候選集R和中繼申請(qǐng)集C.

步驟3中繼選擇階段.中繼申請(qǐng)集C中各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)CUi根據(jù)式(18)從中繼候選集R中篩選各自專有中繼候選集Ri,并在Ri中根據(jù)式(15)選出(Hadd-ui)max對(duì)應(yīng)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)CUj作為其最優(yōu)中繼.統(tǒng)計(jì)未成功申請(qǐng)到最佳中繼的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目Nnr.若Nnr>N/2,終止本輪感知,返回步驟1.

步驟4傳輸及整合階段.若CUi成功申請(qǐng)到最佳中繼CUj,則接收CUj的轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào),并與獨(dú)立感知階段接收的信號(hào)合并,然后本地判決,最后將本地檢測(cè)信息傳至FC.若CUj未成功申請(qǐng)到最佳中繼,則退出本輪感知.若CUi無(wú)需中繼,則直接本地判決并傳輸本地檢測(cè)信息至FC.

步驟5反饋階段.融合中心根據(jù)“大多數(shù)”準(zhǔn)則判決最終感知結(jié)果,并按照分步式反饋算法調(diào)整系統(tǒng)參數(shù),返回步驟1.

AORCSS算法流程如圖2所示.

3.3性能分析

由于AORCSS算法研究的是多節(jié)點(diǎn)認(rèn)知系統(tǒng)下中繼性能與中繼能耗的關(guān)系問(wèn)題,本節(jié)將推導(dǎo)該算法的檢測(cè)性能.假設(shè)系統(tǒng)中傳輸信道為無(wú)差錯(cuò)信道,傳統(tǒng)協(xié)作感知算法的檢測(cè)概率Qcd,虛警概率Qcf和漏檢概率Qcm分別為:

(21)

(22)

Qcm=1-Qcd

(23)

其中l(wèi)表示非中繼協(xié)作條件下判斷主用戶存在的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目,N表示認(rèn)知節(jié)點(diǎn)總數(shù).而系統(tǒng)每一輪感知的能耗為

Ecloss=N(Es+Et)

(24)

其中Es和Et分別表示CUi獨(dú)立感知階段能耗和傳輸本地檢測(cè)信息的能耗.相應(yīng)地,AORCSS算法的檢測(cè)概率Qpd為

(25)

其中,m表示實(shí)際參與協(xié)作的認(rèn)知用戶數(shù)目,a表示中繼用戶數(shù)目,k1表示a中判定主用戶存在的節(jié)點(diǎn)數(shù)目,則(m-a)表示中繼申請(qǐng)成功的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目,k2表示(m-a)中判定主用戶存在的節(jié)點(diǎn)數(shù)目,并且

(26)

同理,虛警概率Qpf為

(27)

其中,

(28)

由定義可得漏檢概率Qpm為

Qpm=1-Qpd

(29)

根據(jù)算法描述AORCSS算法的能耗可表示為

(30)

4　仿真分析

本節(jié)在上述理論分析的基礎(chǔ)上針對(duì)Rayleigh信道下的AORCSS算法進(jìn)行matlab仿真驗(yàn)證.圖3比較了單個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在無(wú)中繼協(xié)助和具有不同中繼性能的中繼協(xié)助下的檢測(cè)性能.假設(shè)中繼申請(qǐng)者接收信號(hào)的瞬時(shí)信噪比SNR=-11dB,各中繼的接收信號(hào)瞬時(shí)信噪比SNRi分別為-5dB、-6dB、-7dB、-8dB,采樣點(diǎn)數(shù)M=100,噪聲方差N0=1W,主用戶發(fā)射功率Ep=1W.由圖3(a)可以看出,當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的信道條件較好時(shí),中繼協(xié)助可以明顯提高認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)概率,而且所選中繼的瞬時(shí)接收信噪比越高,其檢測(cè)概率提升越明顯.圖3(b)反映出,當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的信道條件較好時(shí),中繼協(xié)助可以明顯降低認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的漏檢概率,而且所選中繼的瞬時(shí)接收信噪比越高,其漏檢概率降低越明顯.這是因?yàn)檎J(rèn)知節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)接收信噪比越高,其接收信號(hào)越能反映主用戶的狀態(tài),即其可靠性越高,轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)對(duì)可靠性低的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的協(xié)助作用越大.因此,認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在選擇中繼協(xié)助時(shí)必須考慮中繼節(jié)點(diǎn)的信道條件.

圖4仿真了不同信道條件的中繼申請(qǐng)者基于原則(17)的最優(yōu)中繼選擇過(guò)程.假設(shè)認(rèn)知系統(tǒng)中認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目N=20,各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)接收信噪比范圍為[-1dB,-20dB],取Pdobj=0.7、Pfobj=0.3.基于式(14)的中繼門限以及采樣點(diǎn)數(shù)目有限造成的誤差,AORCSS算法以瞬時(shí)接收信噪比SNR≥-10dB的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)組成中繼候選集R,SNR<-10dB的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)組成中繼申請(qǐng)集C.并假設(shè)Es=0.5mW,Et=0.1mW,SNR為[-1dB,-10dB]的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)功率范圍為[0.6mW,1.39mW],且假設(shè)信噪比高的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)功率較大.在圖4(a)中k=0.5,由圖可以看出,SNR較高的中繼申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)一般選擇SNR較低的中繼,因?yàn)槠湫诺罈l件本身較好,選擇信道條件稍好的中繼即可達(dá)到較高的檢測(cè)性能,而且中繼能耗的開(kāi)銷較小.相反,SNR較低的中繼申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)一般選擇SNR較高的中繼,因?yàn)槠湫诺罈l件本身較差,選擇信道條件很好的中繼才能達(dá)到較高的檢測(cè)性能,然而其代價(jià)是中繼能耗的開(kāi)銷增大.

圖4(b)仿真了單個(gè)中繼申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)在效益因子k變化(0.25≤k≤0.70)的條件下效益函數(shù)Hadd-ui的變化情況.假設(shè)SNRi=-15dB,系統(tǒng)其他參數(shù)同圖4(a).由圖可以看出,當(dāng)k較小時(shí),認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的(Hadd-ui)max對(duì)應(yīng)中繼節(jié)點(diǎn)的SNR較高;當(dāng)k較大時(shí),認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的(Hadd-ui)max對(duì)應(yīng)中繼節(jié)點(diǎn)的SNR較低.這是因?yàn)楫?dāng)k較小時(shí),Hadd-ui中繼能耗所占比重較小,選擇信道條件好但是中繼轉(zhuǎn)發(fā)功耗較大的中繼節(jié)點(diǎn)的可能性增加;相反,當(dāng)k較大時(shí),Hadd-ui中繼能耗所占比重較大,選擇信道條件相對(duì)較差但是中繼轉(zhuǎn)發(fā)功耗較小的中繼節(jié)點(diǎn)的可能性很高.所以,系統(tǒng)通過(guò)適當(dāng)調(diào)整參數(shù)k可以選擇滿足實(shí)際感知要求的最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn).

圖5仿真比較了基于最佳中繼的協(xié)作頻譜感知(Optimal Relay-based Cooperative Spectrum Sensing,ORCSS)算法、自適應(yīng)的最優(yōu)中繼協(xié)作頻譜感知(AORCSS)算法和傳統(tǒng)非中繼協(xié)作頻譜感知(Non-Relay-based Cooperative Spectrum Sensing,NRCSS)算法的檢測(cè)性能和感知能耗.假設(shè)認(rèn)知系統(tǒng)中認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目N變化范圍為2≤N≤20,系統(tǒng)其他參數(shù)設(shè)置與圖4相同.由圖可以看出ORCSS算法的檢測(cè)概率最好,AORCSS算法次之,NRCSS算法檢測(cè)概率最差.從能耗方面而言,ORCSS算法能耗最大,是因?yàn)槠涫冀K依靠信道條件最好但是中繼轉(zhuǎn)發(fā)功率較大的中繼協(xié)助.而NRCSS的能耗最小,是因?yàn)槠錈o(wú)需中繼協(xié)助.AORCSS算法檢測(cè)概率接近ORCSS算法,但是能耗大大降低.可見(jiàn),AORCSS算法可以在較低的能耗下顯著提高認(rèn)知系統(tǒng)的檢測(cè)性能.

圖6仿真了期望檢測(cè)性能要求變化的條件下認(rèn)知系統(tǒng)的檢測(cè)性能和能耗變化情況.假設(shè)認(rèn)知系統(tǒng)中認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目N變化范圍為2≤N≤20,各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)接收信噪比范圍為[-5.5dB,-15dB],取0.30≤Pfobj≤0.34、0.5≤Pdobj≤0.9,系統(tǒng)其他參數(shù)設(shè)置與圖4相同.由圖可以看出,當(dāng)期望檢測(cè)性能要求嚴(yán)格時(shí),系統(tǒng)的整體檢測(cè)性能提高,但是系統(tǒng)所需功耗也同時(shí)增大;相反,當(dāng)期望檢測(cè)性能要求降低時(shí),系統(tǒng)的整體檢測(cè)性能降低,而且系統(tǒng)所需功耗降低.這是因?yàn)?當(dāng)期望檢測(cè)性能要求嚴(yán)格時(shí),需要中繼協(xié)助的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加,檢測(cè)性能提高的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加,因此導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能提高.同時(shí)由于所需中繼的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多,系統(tǒng)中繼功耗必然增加,反之則反.而且隨著認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加,系統(tǒng)檢測(cè)性能改變的幅度減小.這是因?yàn)樵诒痉抡嬷忻看蜳dobj和Pfobj變化引起的中繼申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化較小,當(dāng)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加時(shí),這種變化在總的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)中所占比例減小,從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體檢測(cè)性能趨向于穩(wěn)定.

5　總結(jié)

本文針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)感知信道存在衰落和中繼協(xié)作帶來(lái)的能耗問(wèn)題,提出了一種自適應(yīng)的最優(yōu)中繼協(xié)作頻譜感知算法.該算法兼顧中繼協(xié)作的檢測(cè)性能和能耗.認(rèn)知節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道條件決定是否申請(qǐng)中繼,而且中繼選擇原則基于中繼節(jié)點(diǎn)本身感知性能和轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)所需能耗.此外,在周期性感知過(guò)程中,算法可以根據(jù)前一輪的感知情況反饋系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整信息,使本輪檢測(cè)更加符合感知需求.文章在對(duì)算法進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和性能推導(dǎo)的基礎(chǔ)上,針對(duì)Rayleigh信道下單節(jié)點(diǎn)中繼與非中繼、多節(jié)點(diǎn)中繼與非中繼以及中繼在不同系統(tǒng)參數(shù)下的檢測(cè)性能或能耗進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.結(jié)果表明,與非中繼協(xié)作感知算法相比,該算法可以在能耗較低的條件下提高檢測(cè)性能,而且當(dāng)認(rèn)知用戶數(shù)較大時(shí),檢測(cè)性能接近最佳中繼固定的協(xié)作感知算法.同時(shí)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整使感知過(guò)程更加符合實(shí)際檢測(cè)需求,具有一定魯棒性.

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張學(xué)軍男,1969年生于江蘇南通.南京郵電大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知網(wǎng)絡(luò)頻譜感知、無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)的性能分析、流量控制、QoS理論與技術(shù)等.

E-mail:xjzhang@njupt.edu.cn

魯友男,1990年生于安徽六安.碩士研究生,研究方向?yàn)檎J(rèn)知網(wǎng)絡(luò)頻譜感知、通信網(wǎng)絡(luò)的性能分析.

田峰男,1979年生于山東棗莊.南京郵電大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電與動(dòng)態(tài)頻譜資源管理、協(xié)作通信和干擾管理等.

嚴(yán)金童女,1989年生于江蘇鹽城.碩士研究生,研究方向?yàn)檎J(rèn)知網(wǎng)絡(luò)頻譜感知、通信網(wǎng)絡(luò)的性能分析.

成謝鋒男,1956年生于四川資陽(yáng).南京郵電大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?、智能儀器等.

An Algorithm of Adaptive Cooperative Spectrum Sensing Based on Optimal Relay

ZHANG Xue-jun1,2,LU You1,TIAN Feng3,YAN Jin-tong1,CHENG Xie-feng1,2

(1.SchoolofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing,Jiangsu210003,China;2.JiangsuProvinceEngineeringLabofRFIntegration&Micropackage,Nanjing,Jiangsu210003,China;3.SchoolofTelecommunicationandInformationEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing,Jiangsu210003,China)

An algorithm of adaptively cooperative spectrum sensing based on optimal relay was proposed,which can overcome the problems about fading of sensing channel and huge consumption of relaying.This algorithm was based on the consideration of sensing performance and energy consumption and obtained optimal tradeoff between performance and consumption by opportunistic relaying,benefit function based selection of optimal relay and mechanism of system parameters adjustment.Meanwhile,detailed theoretical formulas and performance analysis of the algorithm were given.And the comparative simulation of sensing performance of non-relay cooperative sensing algorithm,optimal relay fixed cooperative sensing algorithm and this algorithm under different system parameters were done as well.The results show that the proposed algorithm has certain advantages.

cognitive radio;spectrum sensing;opportunistic relaying;optimal relay;parameters adjustment

2015-01-20;修回日期:2015-09-05;責(zé)任編輯:諸葉梅

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61201172,No.61170276)；江蘇省第八批六大人才高峰項(xiàng)目(No.2011-wlw-005);江蘇省自然科學(xué)基金(No.BK20131090)

TN915.01

A

0372-2112 (2016)06-1429-08