單天線認知無線電中的協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

隨著用戶對無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和對無線服務和應用的需求的迅速增加，有限的頻譜資源和傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配方法已經(jīng)不能滿足日益增長的無線網(wǎng)絡(luò)需求。所以需要尋找更高效的技術(shù)即認知無線電技術(shù)，來更好的應用頻譜資源。認知無線電技術(shù)不需要改變現(xiàn)有的靜態(tài)頻譜分配策略，可以利用頻譜感知等方法確定授權(quán)頻段的狀態(tài)信息，使認知無線電用戶獲得額外的頻譜利用機會，可以在保證授權(quán)用戶通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高頻譜利用效率[1]。

認知無線電系統(tǒng)可以在機會性地利用頻譜資源的同時采集能量而不需要來自外部電網(wǎng)或電池的能量補充[2-8]。在認知無線電網(wǎng)絡(luò)中采用能量采集技術(shù)，認知用戶可以對自身的能量進行補充。由于頻譜感知和傳輸數(shù)據(jù)都需要一定的時間，所以認知無線電對能量進行采集的時間有限，所以，認知用戶在一個時間周期內(nèi)采集到的能量會非常有限，因此，需要對認知用戶的數(shù)據(jù)傳輸需求、能量采集能力和頻譜感知能力進行優(yōu)化分配。文獻[9]中，針對授權(quán)用戶和認知用戶同時進行信息協(xié)作和能量采集的系統(tǒng)，分別分析了理想?yún)f(xié)作、時間分配和功率分配三種情況下的系統(tǒng)性能。文獻[10]通過對感知時間，能量檢測門限和行為模式進行聯(lián)合優(yōu)化，選擇出一組最合適的認知用戶進行協(xié)同頻譜感知，使得認知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道容量達到最大。文獻[11]中認知用戶采用功率分配的方式，為授權(quán)用戶傳輸數(shù)據(jù)，同時對射頻能量的信號進行采集，在授權(quán)用戶不受干擾的前提下，對轉(zhuǎn)發(fā)分配、子載波分配、功率分配和傳輸功率進行了聯(lián)合優(yōu)化。

頻譜感知由于AD采樣可能會消耗一些電路能量，這可以減少用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯δ芰?。傳感能耗隨著采樣節(jié)點的增加而增加[12]。因此，研究了綠色認知無線電以提高頻譜感知的能量效率，即綠色認知無線電可以用更少的感知能量實現(xiàn)更高的感知性能[13]。然而，仍會消耗存儲的能量用于頻譜感知。提出了一種能夠收集附近信號的射頻能量的無線能量傳輸技術(shù)。然后通過部署由帶通濾波器、整流電路和低通濾波器組成的能量收集電路將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流功率。直流電源不是固定電源[14]，其存儲在通信系統(tǒng)的可充電電池中。認知無線電中使用無線能量傳輸技術(shù)來獲取主用戶信號的射頻能量，并且所采集的能量可以補償頻譜感知帶來的能量損失。然而，認知無線電不能同時實現(xiàn)頻譜感知和能量收集。

研究了一種同時采集能量和過程信息的無線攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)方法。已經(jīng)提出時隙分配模型和功率分配模型來實現(xiàn)無線攜能通信。在時隙分配模型中，能量收集和信息處理在不同的時隙中實現(xiàn)，而在功率分配模型中，利用不同的功率流執(zhí)行能量收集和信息處理?；跓o線攜能通信，我們研究了協(xié)作頻譜檢測和無線攜能通信。

本文通過單天線協(xié)作頻譜感知技術(shù)，提出了一種用于多天線認知無線電的新型單天線認知無線電無線攜能通信傳輸方案，以同時進行頻譜檢測、能量收集和數(shù)據(jù)傳輸。通過數(shù)學分析了單天線協(xié)作頻譜檢測，分別推導了其虛警概率和檢測概率。研究了時間分流模型模型來實現(xiàn)單天線認知無線電無線能量傳輸，能量收集和頻譜檢測在同一天線中進行。

本文研究成果如下：

1)提出了一種用于多天線認知無線電的新型協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸方案，以同時進行頻譜檢測、能量收集和數(shù)據(jù)傳輸。通過數(shù)學分析了多天線協(xié)作頻譜檢測，分別推導了其虛警概率和檢測概率。

2)研究了時間分流模型來實現(xiàn)協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸，能量收集和頻譜檢測在同一天線中進行，同時在天線分流模型中，設(shè)置能量收集和頻譜傳感在獨立的天線中實現(xiàn)。

3)制定了優(yōu)化問題以使頻譜最大化。在協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸模型中，認知無線電的效率分別受到檢測概率和采集能量的限制。已提出優(yōu)化算法來解決所提出的優(yōu)化問題。

本文的其余部分安排如下：系統(tǒng)模型在第3節(jié)中提出，其中分析了多天線協(xié)作頻譜檢測并描述了無線功率傳輸。然后分別描述和優(yōu)化了時間分流協(xié)作頻譜感知無線能量傳輸模型，系統(tǒng)性能在第4節(jié)中進行了仿真和討論。最后，第5節(jié)中得出結(jié)論。

1 協(xié)作頻譜感知

為了克服單節(jié)點頻譜感知過程中的缺點，近年來，研究人員提出了多用戶協(xié)作頻譜感知技術(shù)。一方面可以提高單節(jié)點檢測的準確性，另一方面可以降低對認知用戶的過度需求。多用戶協(xié)作頻譜感知使用空間分集接收技術(shù)，可以顯著提高整個系統(tǒng)的檢測性能。

其工作特征是將檢測信息集成在同一頻帶的不同位置。在總體考慮之后，最終決定授權(quán)用戶是否存在。在協(xié)作頻譜感知的無線攜能通信系統(tǒng)中，認知無線電可以同時執(zhí)行協(xié)作頻譜感知、無線能量傳輸和信息傳輸功能。因此，在傳輸過程中，可以避免對主用戶的干擾，并且可以使用所收集的能量來提供傳輸能量。

協(xié)作頻譜感知是一種認知用戶共同參與檢測的感知模式。在將本地用戶的感知數(shù)據(jù)收集到融合中心后，進行加權(quán)融合以獲得判決統(tǒng)計，然后進行判決。圖1是協(xié)作頻譜感知的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，包括M個次用戶，一個主用戶信號和一個融合中心。因此，第i個接收信號可表示為：

(1)

PU信號和噪聲信號獨立。

圖1 協(xié)作頻譜感知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

檢驗統(tǒng)計量由下式得到:

(2)

其中:N(μ,σ2)是均值為μ,方差為σ2的高斯分布,γ為信噪比，用λs表示判決門限，因此虛警概率和檢測概率可分別表示為:

(3)

(4)

部署具有單天線的認知無線電系統(tǒng)和一個天線通信的主用戶系統(tǒng)，假設(shè)認知無線電系統(tǒng)通過單天線感知PU系統(tǒng)。如圖2所示，每個天線首先獨立地感知PU系統(tǒng)并得到PU的能量檢測統(tǒng)計值，然后將感知到的所有能量統(tǒng)計值融合得到融合統(tǒng)計值，通過檢測融合統(tǒng)計值來判斷主用戶存在與否。

圖2 單天線協(xié)作頻譜檢測

認知無線電系統(tǒng)具有單天線協(xié)作頻譜檢測和能量收集功能。本文中，單天線協(xié)作頻譜檢測用于檢測主用戶的存在，其中的天線通過能量檢測來檢測主用戶，并且通過組合所有檢測天線的檢測結(jié)果來做出最終決定。天線的能量檢測可以看作如下的二元假設(shè)問題：

(5)

其中:y(m)是接收信號樣本，s(m)是PU信號樣本，n(m)是高斯噪聲樣本，h(m)是PU和SU之間的信道增益，M是采樣節(jié)點的數(shù)量；H0和H1分別表示PU的缺失和存在。P(H0)和P(H1)是H0和H1的概率，滿足：

P(H0)+P(H1)=1

(6)

假設(shè)檢測時間為T且采樣頻率為fs，有:

M=Tfs

(7)

接收信號的能量統(tǒng)計如下:

(8)

當M很大時，Γ(y)遵循如下的高斯分布：

(9)

(10)

‖n(m)‖2是PSNR，能量檢測通過將能量統(tǒng)計與預定閾值λ進行比較來獲得決策。檢測概率和虛警概率分別如下給出：

Pd=Pr(Γ(y)>λ|H1)=

(11)

(12)

其中函數(shù)Q(x)為：

(13)

協(xié)作頻譜檢測的檢測概率和虛警概率如下：

(14)

(15)

λ=argminPe=((1-Qd)+Qf)

(16)

2 無線能量傳輸

在一個傳輸速率為時變的無線通信系統(tǒng)中，其中此系統(tǒng)為單信道的。在本系統(tǒng)中，發(fā)送端為了達到所需的信息傳輸速率Rpt，可以令發(fā)送端在不同的時間t設(shè)置不同的發(fā)送功率pt。其中，傳輸速率和發(fā)送功率的關(guān)系函數(shù)，此函數(shù)為凹函數(shù)，且為非負的單調(diào)遞增函數(shù)。此函數(shù)可在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中適用。在本文的系統(tǒng)模型中，暫不考慮其他形式的能量消耗和干擾。

若假設(shè)r(.)=g(p),則此函數(shù)需滿足以下幾個條件：

1)g(0)=0，當p→∞時，g(p)→∞

2)g(p)為單調(diào)遞增函數(shù)

3)g(p)/p為關(guān)于p的單調(diào)遞增函數(shù)，g(p)為凹函數(shù)

4)g(p)連續(xù)可微。

假定在某一時刻信息發(fā)送功率和傳輸速率的關(guān)系為：

(17)

的加性高斯白噪聲信道中。

在時間分配模式中，假設(shè)一定比例ρ的時間分配給信息解碼器用于信息的解碼，剩余比例(1-ρ)的時間分配給能量采集器用于能量采集。用v和h(ν)分別表示衰落信道狀態(tài)和功率增益，假設(shè)在任何衰落信道狀態(tài)v，信道功率增益h(ν)是完全已知，所有載波分配的功率之和表示為P?？紤]慢衰落情況，在這一過程中，所有的信道系數(shù)都假定為常數(shù)。在無線攜能通信系統(tǒng)接收機上，噪聲會影響每個載波上接收到的信號，這種噪聲可以建模為一種加性高斯白噪聲(AWGN)，該隨機變量均值為零、方差是σ2，整體分布為正態(tài)分布。這樣一來，發(fā)射端和接收端之間的信息速率可以表示為：

(18)

接收端采集的能量可以表示為：

QTS(v)=(1-ρ(v))h(v)P(v)

(19)

時間分配方法嚴格意義上并沒有實現(xiàn)信息和能量的同時傳輸，因為其在時域上對信號進行了分流，在某些時間將接收到的信號全部用于解碼信息或者采集能量。相比于功率分配方法，時間分配器比功率分配器的硬件實現(xiàn)更為容易，而且信息解碼器和能量采集器可以在不同的功率敏感度下進行工作。

3 系統(tǒng)模型

在單天線認知無線電無線攜能通信系統(tǒng)中，CR可以同時執(zhí)行協(xié)作頻譜檢測，無線功率傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。因此，在傳輸過程中，可以避免對PU的干擾，并且可以使用所收集的能量來提供傳輸能量，下面對時間分流模型進行研究。

在時隙分配模型中，針對單天線用于協(xié)作頻譜檢測和無線能量傳輸?shù)哪Ｊ?，如圖3所示。假設(shè)ρ是分配因子，將感知和收集能量分成ρ和1-ρ兩部分，在一個時間周期T內(nèi)，天線首先在時間τ內(nèi)感知和收集能量，然后在時間T-τ內(nèi)傳輸信息，檢測概率和虛警概率與ρ有關(guān)，如下給出：

圖3 時間分流模型示意圖

(20)

(21)

僅當準確地檢測到PU缺失時，SU才能發(fā)送數(shù)據(jù)。檢測到的缺失概率由(1-Pf)P(H0)表示。

天線的總采集的功率如下給出:

(22)

目標是最大化CR的頻譜效率，受限于檢測概率高于下限并且收集的能量高于檢測能量。然后給出優(yōu)化問題：

s.t.Pd≥α

PH≥PS

0≤τ≤T

(23)

其中:α是檢測概率的下限。

為了解決優(yōu)化問題(23)，給出以下定理：

定理1:目標函數(shù)Φi，只有在Pd=α時才能達到最大值。

證明1:從(19)可以看出，Pf可以用Pd表示如下:

(24)

注意到Q(x)是單調(diào)遞減函數(shù)，公式(24)表示Qf隨著Qd的減小而減小，即當Qd等于下限時，可以實現(xiàn)Qf的最小值。由于當Qf減小時，R增加，所以當Qd=α時可以取得R的最大值。那么R的最大值由下式給出：

(25)

從PH≥PS，我們可以得到ρ≤ρmax，其中ρmax如下給出:

(26)

當ρ=ρmax時，R可以達到最大值。因此，優(yōu)化問題被重新定義如下：

(27)

4 仿真和分析

圖4所示結(jié)果為，在時隙分配模型中，單天線的頻譜效率隨著時間t變化的規(guī)律。在一個時間周期T中，檢測天線的頻譜效率在一個檢測周期T中，隨著時間的增加而減小。

圖4 時間分流模型中檢測天線的頻譜效率

如圖5，為檢測天線的頻譜效率R對α=[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9]的檢測結(jié)果。可以看出隨著α減小，R增加。表示當檢測概率α達到最小值時，可得R最大。因此，本結(jié)果證明了定理1的正確性。

圖5 檢測天線的頻譜效率隨檢測概率的變化

5 結(jié)論

本文提出了一種用于單天線認知無線電的新型同步協(xié)作頻譜檢測和無線功率傳輸方案，以同時執(zhí)行頻譜檢測，能量收集和數(shù)據(jù)傳輸。然后，根據(jù)檢測概率和收集能量的約束，制定了優(yōu)化問題，以最大化三個同步協(xié)作頻譜檢測和無線功率傳輸模型中認知無線電的頻譜效率。從仿真中，我們可以得出：當收集的能量等于檢測的能量時，可得出功率分配因子的最大值為ρ=ρmax=0.5，同時，由仿真分析可得在時間分流模型中檢測天線的頻譜效率隨時間t的增加而降低。檢測天線的頻譜效率也隨著檢測概率下限的提高而降低。