一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作用戶快速頻譜感知優(yōu)化算法

范波勇 張 敏 周井泉

1(長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院 湖南 長沙 410004) 2(湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 長沙 410015) 3(南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院 江蘇 南京 210003)

0 引 言

為了加快5G移動通信網(wǎng)絡(luò)商用，《國家無線電管理規(guī)劃(2016-2020年)》指出將重耕頻譜資源，為5G系統(tǒng)儲備500 MHz以上的頻譜資源。國際無線電通信全會R15將5G正式定名為IMT-2020，意味著國際電聯(lián)規(guī)定現(xiàn)有IMT系統(tǒng)使用的所有中低頻段都可以被5G系統(tǒng)所采用，擴(kuò)展5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能。另外，新推出的《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》明確將頻率作為國家信息化發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，指出要做好資源配置和科學(xué)規(guī)劃，提升頻譜資源利用率[1]。

近期，國家無線電監(jiān)測中心發(fā)布《450 MHz-5 GHz關(guān)注頻段頻譜資源評估報(bào)告》，給出了北京等城市部分無線電頻譜占用情況，統(tǒng)計(jì)得出5 GHz以下所關(guān)注頻段大部分的使用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10%，說明5 GHz以下已分配無線頻譜資源利用率低、使用效率低[2]。

由此可見，5G需要采用認(rèn)知無線電技術(shù)來提高頻譜利用率[3]。認(rèn)知無線電技術(shù)可使次用戶(Secondary User，SU)機(jī)會接入主用戶(Primary User，PU)的授權(quán)頻譜，允許次用戶租用主用戶未使用的頻譜資源，或者允許次用戶與主用戶共享頻譜資源[4-6]。認(rèn)知無線電系統(tǒng)能夠自動對周圍無線環(huán)境進(jìn)行感知，從而對系統(tǒng)傳輸參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。認(rèn)知用戶通過頻譜檢測，一方面發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的頻譜空穴，并利用這些空穴進(jìn)行通信。另一方面當(dāng)有主用戶恢復(fù)通信的時候，及時退出空穴而不影響主用戶的通信。但是，由于多徑和陰影效應(yīng)的存在，單個用戶的感知能力十分有限。相形之下，協(xié)作頻譜感知技術(shù)可以大大提高頻譜感知的能力[7-9]。

協(xié)作頻譜感知技術(shù)在提高系統(tǒng)的檢測率的同時，會提高計(jì)算復(fù)雜度和延長檢測時間。最經(jīng)典的融合檢測準(zhǔn)則有OR準(zhǔn)則、AND準(zhǔn)則和K/N準(zhǔn)則。OR準(zhǔn)則通過對認(rèn)知用戶發(fā)送給接收器的本地判決結(jié)果做或運(yùn)算作為最終的判決結(jié)果，即一個認(rèn)知用戶判斷主用戶存在則接收器就判定PU信號存在。OR準(zhǔn)則能夠提高檢測率, 減小對PU的干擾，同時提高虛警率，降低頻譜空穴識別能力，降低頻譜利用率。AND準(zhǔn)則通過對認(rèn)知用戶發(fā)送給接收器的本地判決結(jié)果做與運(yùn)算作為最終的判決結(jié)果。即所有認(rèn)知用戶都判斷PU存在的情況下接收器才會判斷PU存在。AND準(zhǔn)則能夠降低虛警率, 提高頻譜空穴發(fā)現(xiàn)能力，提高頻譜利用率，同時降低檢測概率，增加對PU的干擾。而K/N準(zhǔn)則是一個折中的檢測準(zhǔn)則，系統(tǒng)中有N個認(rèn)知用戶，只要有K(1≤K≤N)個認(rèn)知用戶的本地感知判斷PU存在，那么接收器就會判斷PU存在。與OR準(zhǔn)則相比， K/N準(zhǔn)則虛警率要低；與AND準(zhǔn)則相比，K/N準(zhǔn)則檢測率要高[10]。

通過與經(jīng)典融合檢測準(zhǔn)則的比較，本文提出采用能量檢測法進(jìn)行協(xié)作頻譜感知的優(yōu)化方法，在保證不影響主用戶通信的前提下，使得總的代價(jià)函數(shù)最優(yōu)。在此基礎(chǔ)上，提出復(fù)雜認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，在滿足代價(jià)函數(shù)邊界條件下，快速尋找所需的最少協(xié)作認(rèn)知用戶數(shù)的方法[11]。

1 系統(tǒng)模型

頻譜感知的本質(zhì)是一個二元假設(shè)問題，可以如下描述：H0為主用戶不在通信，H1為主用戶正在通信。

考慮如圖1的模型：認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是由K個認(rèn)知用戶(SU)和一個接收器組成的。接收器起到基站的作用，協(xié)調(diào)所有的認(rèn)知用戶以及整個認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)。假定K個認(rèn)知用戶獨(dú)立地進(jìn)行本地頻譜感知。感知采用能量檢測法，即在固定帶寬W和時間間隔T內(nèi)測量無線信道頻譜所攜帶的能量，以決定是否存在主用戶(PU)。由文獻(xiàn)[6]可知對于第i個認(rèn)知用戶，在AWGN信道下能量檢測法的平均虛警概率和平均漏檢概率可以表示為：

(1)

(2)

Pm,i=1-Pd,i

(3)

式中:Pf,i為第i個認(rèn)知用戶的虛警概率；Pd,i為第i個認(rèn)知用戶的檢測概率，采用Q函數(shù)計(jì)算出它的期望值；Pm,i為第i個認(rèn)知用戶的漏檢概率；Ei是第i個認(rèn)知用戶所攜帶的能量；γi為第i個認(rèn)知用戶的信噪比；λi為第i個認(rèn)知用戶的檢測門限值；u為能量檢測中帶寬W和時間間隔T的乘積。

圖1 頻譜感知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

協(xié)作頻譜感知中，各個認(rèn)知用戶將本地的判決結(jié)果以1 bit形式傳給接收器，設(shè)定門限用戶數(shù)n，當(dāng)報(bào)告H1的用戶數(shù)超過n，則接收器判斷主用戶存在，否則就判斷主用戶不存在。在此基礎(chǔ)上作一定的假設(shè)：比起主用戶到認(rèn)知用戶的距離，認(rèn)知用戶間的距離相對較小，所以假定各個認(rèn)知用戶具有相同的路徑損耗，而且假定各個認(rèn)知用戶具有相同的門限λ[12]。這樣Pf,i和Pm,i將與i無關(guān)，可以簡化為Pf和Pm。因此總的虛警概率和漏檢概率可以簡化為：

(4)

(5)

2 協(xié)作頻譜感知優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

在實(shí)際通信中，認(rèn)知用戶總的虛警率Qf表示信道中沒有主用戶PU的干擾信號時，次用戶檢測器卻檢測到干擾信號的概率，Qf衡量的是認(rèn)知用戶SU對頻譜空洞的利用率，其值越大利用率越低。漏檢率Qm表示信道中有PU的干擾信號時，次用戶檢測器卻檢測不到干擾信號的概率[13]。Qm衡量的是SU對PU的干擾程度，其值越大，PU受到SU的干擾越大。引入代價(jià)函數(shù)為：

F(n)=aQf+bQm

(6)

式中：a、b表示在虛警和漏檢情況下的代價(jià)值。在給定認(rèn)知用戶數(shù)和信噪比的條件下，F(xiàn)(n)可以表示為：

(7)

所以：

(8)

令F(n+1)-F(n)=0可以得出：

(9)

(10)

3 仿真結(jié)果

仿真條件為假定認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中存在8個認(rèn)知用戶，信噪比定SNR=10 dB，代價(jià)值a=2、b=1。這時F(n)化簡為F(n)=2Qf+Qm。然后根據(jù)上述情況，對漏檢率性能的改善和最優(yōu)化準(zhǔn)則下代價(jià)函數(shù)的性能進(jìn)行了仿真。

圖2為協(xié)作頻譜感知中不限制漏檢率和限制漏檢率的情況對比。通過限制漏檢率，協(xié)作頻譜感知時漏檢率性能得到大大改善，基本維持在0.01以下，將主用戶PU的正常通信的干擾降到最小。

圖2 K=8,信噪比SNR=10 dB情況下加入限制后的漏檢率性能

圖3說明了所提最優(yōu)準(zhǔn)則在代價(jià)函數(shù)的代價(jià)值a=2、b=1情況下，相比于OR準(zhǔn)則和AND準(zhǔn)則的漏檢率情況。根據(jù)前文討論的定義，將OR準(zhǔn)則設(shè)定門限用戶數(shù)n=1，將AND準(zhǔn)則設(shè)定門限用戶數(shù)n=K。為了討論方便，這里不考慮K/N準(zhǔn)則的情況。從圖3可以看出，所提最優(yōu)準(zhǔn)則的代價(jià)函數(shù)值相比OR準(zhǔn)則和AND準(zhǔn)則大大降低，優(yōu)化效果明顯。由此可見，所提最優(yōu)算法可以使協(xié)作頻譜感知的風(fēng)險(xiǎn)最小化，降低算法復(fù)雜度，提高頻譜感知真正預(yù)測時的效果。

圖3 K=8,信噪比SNR=10 dB情況下代價(jià)函數(shù)2Qf+Qm仿真

4 結(jié) 語

認(rèn)知無線電是5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一。本文分析采用能量檢測法進(jìn)行協(xié)作頻譜感知的優(yōu)化方法，分析一種在不影響主用戶通信的前提下，最優(yōu)化代價(jià)函數(shù)的算法。并將這種算法引申開來，提出在保證主用戶PU正常通信和滿足代價(jià)函數(shù)邊界條件下，尋找最小協(xié)作認(rèn)知用戶數(shù)的算法。通過仿真發(fā)現(xiàn)這種算法既保證了主用戶的正常通信，又減少了所需的協(xié)作認(rèn)知用戶數(shù)，改善了漏檢率性能，通過最優(yōu)化，代價(jià)函數(shù)值大大降低，優(yōu)化效果明顯。