新 型 無 線 電 測 向 定 位 研 究

劉智勇， 張 衛(wèi)

(1.長春金融高等?？茖W(xué)校 現(xiàn)代教育中心，長春 130028；2.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021)

0 引 言

近年來，隨著無線電通信技術(shù)的飛速發(fā)展和頻段覆蓋密度的增加，無線電測向和定位技術(shù)得到更深層次的應(yīng)用。SINR平衡算法由Foschini和Miljanic于1993年提出，SINR平衡算法保證了如果系統(tǒng)是可達(dá)的，該算法能夠達(dá)到帕累托最優(yōu)，算法過分強調(diào)了每個用戶的信干噪比需求，算法不符合認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中用戶信干噪比滿意度的特點。Saraydar和Mandayam于2002年提出了Saraydar-Mandayam算法，該算法沒有考慮到信干噪目標(biāo)，對用戶基本的通信質(zhì)量要求沒有約束。因此收斂后的信干噪比有可能低于用戶的目標(biāo)值，嚴(yán)重的影響了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。Koskie和Gajic于2005年提出了Koskie-Gajic算法，通過適當(dāng)降低收斂時的信干噪比大幅降低了用戶的發(fā)射功率，該算法過分強調(diào)對用戶發(fā)射功率的控制而忽視了每個用戶的信干噪比需求。

干擾溫度機制是FCC為應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)以提高頻譜利用率而提出的一種方法。他們提出利用授權(quán)用戶的信干噪比裕量，使非授權(quán)用戶和授權(quán)用戶同時使用同一頻段進行工作，以自適應(yīng)的、動態(tài)的方式實現(xiàn)多用戶的頻譜資源共享，最大限度地提高頻譜利用率。2003年，F(xiàn)CC在制定的提案中，明確了這種在授權(quán)用戶預(yù)留頻譜上承載非授權(quán)通信的方式，干擾溫度機制是其關(guān)注焦點?；诟蓴_溫度機制的共享型認(rèn)知無線電系統(tǒng)，既保證了原有授權(quán)系統(tǒng)的正常運行又為新的非授權(quán)用戶提供了工作的機會，從而提高了頻譜利用率

綜上所述：認(rèn)知無線電環(huán)境下的多用戶功率控制需滿足不同用戶輸出信干噪比的要求，降低用戶功率的消耗，實現(xiàn)不同用戶公平的共享頻譜資源。而在發(fā)射功率、信干噪比和系統(tǒng)性能之間存在互相制約的關(guān)系。因此，本文設(shè)計一種新的效用函數(shù)和相應(yīng)的功率控制博弈算法，在幾個指標(biāo)間獲得折衷。

1 非共享機制算法設(shè)計

1.1 算法建模

在一般的無線通信系統(tǒng)中，效用函數(shù)通常與通信質(zhì)量相關(guān)，例如低延遲、低差錯概率或高吞吐量(throughput)。在語音通信系統(tǒng)中，低延遲是首要保證，而傳輸差錯和吞吐量的要求則可以適當(dāng)放寬，依據(jù)當(dāng)前的無線電數(shù)據(jù)通信特點，本文設(shè)計了基于信干噪比滿意度和價格函數(shù)的新的效用函數(shù)模型。

對第i個認(rèn)知無線電用戶有：

λipi,i∈N

(1)

新的效用函數(shù)由兩部分組成，包括一個表征認(rèn)知無線電用戶對信干噪比滿意程度的反正切(arctan)函數(shù)和一個基于發(fā)射功率的線性價格函數(shù)。其中，如果不加入價格函數(shù)，反正切函數(shù)的極大值點在信干噪比無窮大處，說明此時算法不收斂。為了保證算法穩(wěn)定性，必須加入價格函數(shù)。

1.2 算法流程

算法的執(zhí)行需要各個認(rèn)知無線電用戶和基站在公共控制信道傳送信令。因此設(shè)計了基于3次握手機制的信令協(xié)議。此協(xié)議與IEEE 802.11協(xié)議中RTS-CTS交換協(xié)議類似，主要設(shè)計了以下幾個數(shù)據(jù)包，其具體功能如表1所示。

表1 算法信令協(xié)議中的數(shù)據(jù)包

信令協(xié)議中的信令數(shù)據(jù)包起到了兩個作用：作為發(fā)射功率的載體發(fā)送給基站，由基站檢測數(shù)據(jù)包的功率并計算基站處的信干噪比；作為完全信息博弈，便于認(rèn)知無線電用戶獲取其他用戶的博弈情況。在設(shè)計的信令協(xié)議基礎(chǔ)上，給出基于非共享機制認(rèn)知無線電系統(tǒng)的功率控制算法流程：

(1) 博弈開始，由基站通過下行鏈路確定參與本次博弈的認(rèn)知無線電用戶。對于不同的博弈時序而言，可根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)選擇用戶參與博弈。這里全部用戶同時參與博弈。

(2) 各認(rèn)知無線電用戶響應(yīng)基站發(fā)出的博弈開始命令，初始化自己的發(fā)射功率，發(fā)送START包至基站。

(3) 基站檢測接收到的信干噪比，并將檢測結(jié)果START_SINR返回參與博弈的認(rèn)知無線電用戶。

(4) 認(rèn)知無線電用戶接收由基站返回的START_SINR，提取信干噪比信息，由式(1)計算下一次博弈的發(fā)射功率。如果此時所有用戶的發(fā)射功率較上一次都沒有發(fā)生調(diào)整，則博弈結(jié)束，返回END給基站，基站收到后確認(rèn)結(jié)束，返回給各個用戶ACK_END，功率控制結(jié)束。否則，用戶以此功率發(fā)送START_ACK包到基站。本次博弈完成。返回到步驟(3)。

1.2.1共享機制的認(rèn)知無線電系統(tǒng)功率控制算法

現(xiàn)有的認(rèn)知無線電功率控制算法，對非共享機制情況研究得較多。而基于干擾溫度指標(biāo)的共享型系統(tǒng)需要考慮授權(quán)用戶的影響，在共享機制下，頻譜利用率將進一步提高。針對共享型的認(rèn)知無線電系統(tǒng)， 這樣依然應(yīng)用式(1)模型。在干擾溫度機制下，每個授權(quán)用戶都存在一個可以接受的最惡劣的干擾環(huán)境，因此出于對授權(quán)用戶利益的保護，應(yīng)當(dāng)對認(rèn)知無線電用戶造成的、超過干擾溫度門限的過大干擾采取更為“苛刻”的定價方式?；谝陨蠋c考慮，需要改進價格函數(shù)。定義價格函數(shù)為：

(2)

式中,μ為指數(shù)懲罰系數(shù)。

(5)

1.2.2算法流程

針對共享機制下的功率控制算法，增加一個數(shù)據(jù)包：START_INTER。它由各個授權(quán)接收機發(fā)給認(rèn)知無線電用戶，包含了所有認(rèn)知無線電用戶對該授權(quán)接收機造成的干擾，其余如表2所示。算法流程如上所述，其中關(guān)鍵的選取合適功率水平的算法流程可細(xì)化為：

(1) 算法開始。當(dāng)k=0時，p(k)=pinit；

(2)k=k+1；

(6)

表2 基本仿真參數(shù)

2 仿真實驗及分析

2.1 基于非共享機制的認(rèn)知無線電系統(tǒng)功率控制算法

(1) 仿真參數(shù)?？紤]一個認(rèn)知無線電小區(qū)，各個認(rèn)知無線電用戶分布在距離中心基站1 000 m的范圍內(nèi)。各個用戶的初始迭代功率為pinit。當(dāng)前后兩次迭代的功率差小于迭代精度ε時，迭代結(jié)束。仿真基本參數(shù)見表1。其中，信道考慮路徑傳播損耗。

(a) 認(rèn)知無線電用戶發(fā)射功率收斂過程

(b) 認(rèn)知無線電用戶信干噪比收斂過程

圖1 加性高斯白噪聲情況下的算法收斂過程

2.2 算法性能分析

在基于共享機制的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，如果認(rèn)知無線電用戶造成的干擾高于授權(quán)接收機的干擾門限將被認(rèn)為是不可接受的。改變參數(shù)λi、αi和μ，獲得掉線概率與系統(tǒng)平均吞吐量的關(guān)系如圖3所示。

從圖3看出：認(rèn)知無線電用戶的平均吞吐量隨著授權(quán)接收機掉線概率的下降而下降。這說明認(rèn)知無線電系統(tǒng)的吞吐量和授權(quán)接收機的掉線概率之間存在著折衷關(guān)系：為了保障授權(quán)用戶的合法權(quán)益(即足夠低的掉線概率)需要認(rèn)知無線電用戶以吞吐量的降低作為犧牲?？紤]到共享機制下授權(quán)用戶的利益不可侵犯，這種犧牲是必要的。

圖3 授權(quán)接收機掉線概率與認(rèn)知無線電系統(tǒng)平均吞吐量的關(guān)系

(a) 3種算法平均發(fā)射功率的比較

(b) 3種算法平均信干噪比的比較

從圖4看出：在不超過小區(qū)容量的前提下，SINR平衡算法的信干噪比一直保持在目標(biāo)值上，不隨用戶干擾和環(huán)境噪聲的變化而變化，造成資源利用率下降，系統(tǒng)吞吐量降低。Koskie-Gajic算法無法保障用戶的信干噪比，因此對信干噪比要求嚴(yán)格的通信系統(tǒng)來說該算法就失去了意義。而新算法有最低信干噪比的保障，保護了認(rèn)知無線電用戶的通信質(zhì)量。同時，各個認(rèn)知無線電用戶收斂時的信干噪比可以根據(jù)外部環(huán)境靈活調(diào)整，使系統(tǒng)資源利用率得到提高。

3 結(jié) 語

文中針對共享機制下的功率控制算法,增加了一個數(shù)據(jù)包:START_INTER。它由各個授權(quán)接收機發(fā)給認(rèn)知無線電用戶,包含了所有認(rèn)知無線電用戶對該授權(quán)接收機造成的干擾,結(jié)果發(fā)現(xiàn)認(rèn)知無線電用戶的平均吞吐量隨著授權(quán)接收機掉線概率的下降而下降,其吞吐量和授權(quán)接收機的掉線概率之間存在著折衷關(guān)系;在不超過小區(qū)容量的前提下,SINR平衡算法的信干噪比一直保持在目標(biāo)值上,系統(tǒng)吞吐量降低,新算法有最低信干燥比的保障,保護了認(rèn)知無線電用戶的通信質(zhì)量。

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