唐　錕

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認(rèn)知全雙工技術(shù)與頻譜共享的結(jié)合方案分析

唐錕

（湖南科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，湖南永州 425199）

文章提出了一種利用全雙工中繼(full-duplex relaying)技術(shù)的無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)頻譜共享方案。在該方案中，次用戶(secondary user)利用全雙工中繼的發(fā)送端進(jìn)行信息傳輸，同時(shí)全雙工中繼的接收端接收主用戶(primary user)的傳輸數(shù)據(jù)，處理后通過(guò)全雙工中繼的發(fā)送端將主、次用戶信息進(jìn)行協(xié)同發(fā)送。主用戶持續(xù)不斷的發(fā)送數(shù)據(jù)，全雙工中繼在協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信息的同時(shí)進(jìn)行次用戶數(shù)據(jù)的傳送，從而實(shí)現(xiàn)有效的頻譜共享。通過(guò)仿真顯示，本文提出的方案不僅可以有效的增加系統(tǒng)的頻譜效率，同時(shí)可以保證主用戶的正常傳輸和實(shí)現(xiàn)次用戶傳輸?shù)淖畲髠鬏敗?/p>

認(rèn)知無(wú)線電；頻譜共享；協(xié)作通信；功率優(yōu)化分配

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源已經(jīng)變得越來(lái)越稀缺。無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)主、次用戶在相同的頻譜內(nèi)進(jìn)行協(xié)同傳輸，從而提高系統(tǒng)的頻譜效率[1]。目前，無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的頻譜共享方案已經(jīng)得到廣泛的研究，主要集中在如何利用有效的利用時(shí)間或空間去應(yīng)對(duì)額外增加的次用戶協(xié)同傳輸[2]。同時(shí)，在系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端之間部署適合的中繼節(jié)點(diǎn)也可以有效的實(shí)現(xiàn)多用戶協(xié)同工作，提高頻譜使用效率[3]。根據(jù)不同的傳輸功能，中繼節(jié)點(diǎn)主要分為兩種類(lèi)型：半雙工中繼(half-duplex relaying)和全雙工中繼(full-duplex relaying)。部署半雙工中繼意味著需要在不同的時(shí)隙接收和發(fā)送信號(hào)，因此會(huì)增加傳輸時(shí)間[4]。全雙工中繼則可以在相同的時(shí)隙和頻譜間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，但會(huì)引入循環(huán)干擾問(wèn)題(loop-interference)[5]。循環(huán)干擾問(wèn)題是制約全雙工技術(shù)發(fā)展的最重要的因素，因此在干擾消除方面很多研究人員從多個(gè)方面對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究[6-10]，極大的推動(dòng)了全雙工技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

從理論上看，將認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與中繼節(jié)點(diǎn)相結(jié)合可以極大地提高系統(tǒng)的性能，目前已經(jīng)得到廣泛的研究[11]。在傳統(tǒng)的協(xié)作頻譜共享方案中，通常需要多條傳輸鏈路發(fā)送同一主用戶信息來(lái)提高主用戶系統(tǒng)的性能，因而降低了主用戶系統(tǒng)的頻譜效率和次用戶系統(tǒng)共享頻譜的概率[12]。先前的研究證明在認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)（decoding-and-forward）頻譜共享方案可以達(dá)到與傳統(tǒng)中繼網(wǎng)絡(luò)相同性能[13]，但其僅僅考慮的是基于半雙工中繼。針對(duì)上述問(wèn)題，為了更有效的提高頻譜效率，文章提出了一種在無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中基于全雙工的單相協(xié)作頻譜共享方案，保證主用戶系統(tǒng)在不影響次用戶系統(tǒng)傳輸?shù)那闆r下持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)次用戶在所有的傳輸時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

文章考慮一個(gè)次用戶與一個(gè)主用戶共享頻譜資源，并通過(guò)全雙工中繼進(jìn)行協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸。次用戶通過(guò)全雙工中繼的發(fā)送端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；全雙工中繼的接收端接收主用戶數(shù)據(jù)，并采用超位編碼技術(shù)將主用戶和次用戶的信息進(jìn)行線性編碼并轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)次用戶的數(shù)據(jù)傳輸和主用戶數(shù)據(jù)的中繼傳輸。在中繼轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，一方面?zhèn)鬏數(shù)拇斡脩粜畔?huì)干擾主用戶的信息接收；另一方面，中繼轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信息會(huì)實(shí)現(xiàn)空間分集增益。在次用戶的接收端采用連續(xù)干擾解碼和消除方法獲取數(shù)據(jù)。在主用戶接收端采用聯(lián)合解碼（MRC）技術(shù)，將次用戶的數(shù)據(jù)作為噪聲進(jìn)行處理來(lái)獲取信息。針對(duì)實(shí)現(xiàn)次用戶系統(tǒng)的最小中斷概率和保證主用戶系統(tǒng)正常傳輸?shù)那疤幔恼逻€提出了相應(yīng)的最優(yōu)功率分配算法。該算法主要在全雙工中繼的發(fā)送端針對(duì)主、次用戶的信息進(jìn)行最優(yōu)化的發(fā)送功率分配。通過(guò)分析主用戶系統(tǒng)和次用戶系統(tǒng)的中斷概率表明，文章提出的基于認(rèn)知全雙工的頻譜共享方案可以有效的保證主用戶的信息傳輸，同時(shí)最優(yōu)化次用戶的信息傳輸。

1　系統(tǒng)模型和頻譜共享方案

1.1系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，其中PT、PR、ST、SR分別表示主用戶發(fā)送端、主用戶接收端、次用戶發(fā)送端和次用戶接收端。全雙工中繼節(jié)點(diǎn)包括發(fā)送部分(RT)和接收部分(RR)，其中次用戶的發(fā)送端通過(guò)有線與RT連接并利用RT進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，假設(shè)該數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程為無(wú)損傳輸。RR接收主用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)，假定經(jīng)過(guò)解碼后再將此數(shù)據(jù)無(wú)損的轉(zhuǎn)發(fā)給RT。這樣，在傳輸過(guò)程中，RT既作為次用戶的發(fā)送端，又轉(zhuǎn)發(fā)主用戶數(shù)據(jù)。其中實(shí)線表示有效的數(shù)據(jù)傳輸信道，虛線表示干擾信道。

圖1.基于全雙工的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

1.2頻譜共享方案

在一個(gè)確定的時(shí)隙，主用戶和次用戶的傳輸信號(hào)分別由單位功率信號(hào)和表示，表示由和線性組成的超位編碼。

2　系統(tǒng)性能分析

根據(jù)前述的設(shè)定，在傳輸時(shí)隙(=2,…,)，PT和RT同時(shí)進(jìn)行信號(hào)發(fā)送。其中在RT處發(fā)送的是一個(gè)超位編碼信號(hào)，其由前一個(gè)時(shí)隙的主用戶數(shù)據(jù)和當(dāng)前時(shí)隙的次用戶數(shù)據(jù)通過(guò)功率分配因子進(jìn)行線性結(jié)合的方式構(gòu)成?？梢员硎緸椋?/p>

其中表示等效MIMO傳輸信道，矩陣大小為，具體形式如下：

在時(shí)隙，RR和SR處接收到的信號(hào)可以分別表示為:

2.1頻譜共享概率

文章提出的頻譜共享方案利用了全雙工中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)主用戶和次用戶數(shù)據(jù)的同時(shí)傳送。因此，保證主、次用戶能同時(shí)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母怕蔬M(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，再對(duì)主用戶系統(tǒng)中斷概率和次用戶系統(tǒng)中斷概率進(jìn)行分析。對(duì)來(lái)說(shuō)，其表達(dá)式應(yīng)由當(dāng)頻譜共享成功時(shí)主用戶系統(tǒng)的中斷概率和未能頻譜共享時(shí)主用戶系統(tǒng)的中斷概率共同組成；同樣，由當(dāng)頻譜共享成功時(shí)次用戶系統(tǒng)的中斷概率和未成功時(shí)主用戶系統(tǒng)的中斷概率共同組成。其表達(dá)式如下：

根據(jù)文章提出的頻譜共享方案所描述，頻譜共享成功的基礎(chǔ)在于從時(shí)隙2開(kāi)始，RR能正確的檢測(cè)出當(dāng)前時(shí)刻的主用戶信號(hào)。為了保證RR能正確有效的完成上述過(guò)程，RR在檢測(cè)當(dāng)前主用戶信息時(shí)可達(dá)速率應(yīng)大于主用戶系統(tǒng)的傳輸速率。因此，根據(jù)公式(3)可得

根據(jù)求概率公式，可得

2.2主用戶系統(tǒng)性能分析

根據(jù)2.1的分析，如果次用戶系統(tǒng)不能有效的中繼轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信息，此時(shí)主用戶系統(tǒng)可達(dá)速率為

當(dāng)主、次用戶實(shí)現(xiàn)頻譜共享時(shí)，根據(jù)公式(2)，主用戶系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)速率為

因此，根據(jù)概率公式可得

2.3次用戶系統(tǒng)性能分析

根據(jù)2.1的分析，次用戶系統(tǒng)的中斷概率取決于SR能正確的檢測(cè)次用戶的超位編碼信號(hào)。在檢測(cè)和消除前一時(shí)刻的主用戶信息后，SR先后先檢測(cè)當(dāng)前時(shí)刻次用戶信息和當(dāng)前時(shí)刻主用戶信息。為了保證次級(jí)用戶系統(tǒng)能有效的接收次級(jí)信號(hào)，根據(jù)(4)， SR的接收速率必須滿足如下條件：

2.4 優(yōu)化功率分配分析

根據(jù)對(duì)公式（5）和（6）的分析，當(dāng)RR進(jìn)行超位編碼時(shí)，如果給次用戶數(shù)據(jù)分配較多的傳送功率，次用戶系統(tǒng)的性能將提高；相反，如果給主用戶數(shù)據(jù)分配較多的傳送功率，也會(huì)對(duì)次用戶系統(tǒng)造成影響。因此，為了獲得最小次用戶系統(tǒng)中斷概率和保證主用戶系統(tǒng)的性能，需要找到優(yōu)化功率分配因子。優(yōu)化問(wèn)題可以描述為如下：

3　仿真結(jié)果分析

本部分通過(guò)仿真驗(yàn)證所提出的頻譜共享方案對(duì)主、次用戶系統(tǒng)性能的提升。文章假設(shè)路徑衰減因子，剩余自干擾信道的信道功率增益為1，高斯白噪聲功率為1，主次用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L(zhǎng)度。假定主用戶的發(fā)送端和接收端與次用戶的發(fā)送端和接收端之間的距離相等。

圖2. 在連續(xù)增加的次用戶傳輸功率下，主、次用戶系統(tǒng)在不同距離時(shí)的中斷概率，，其中，，。

圖2表示了當(dāng)次用戶系統(tǒng)RT的發(fā)送功率由1W到100W時(shí)主用戶系統(tǒng)和次用戶系統(tǒng)的中斷概率曲線圖，其中將無(wú)頻譜共享時(shí)的主用戶系統(tǒng)中斷概率作為性能參考線。從圖中可以看出，主用戶系統(tǒng)的中斷概率隨著次用戶系統(tǒng)傳輸功率的增加而上升，但其中斷概率始終低于未采用頻譜共享時(shí)的中斷概率，這與理論的分析一致。當(dāng)增加會(huì)導(dǎo)致RR在解碼當(dāng)前時(shí)刻的主用戶信息時(shí)遭受到更大的外部干擾，從而導(dǎo)致頻譜共享概率的降低，因而造成主用戶系統(tǒng)的中斷概率上升。對(duì)主用戶系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)主次用戶之間的距離越遠(yuǎn)，根據(jù)最優(yōu)化功率分配原則，RR會(huì)分配相對(duì)更多的功率轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信息，因此性能表現(xiàn)更優(yōu)。對(duì)次用戶系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中斷概率隨著的增加先降后升。因?yàn)樵诘蛡鬏敼β蕰r(shí)，增加對(duì)RR解碼主用戶信息的干擾不大，同時(shí)也增加次用戶數(shù)據(jù)的傳輸速率，因此性能會(huì)得到改善；當(dāng)增加到一定程度時(shí)，會(huì)對(duì)RR的解碼造成較大的干擾，因此次用戶系統(tǒng)的性能也隨之下降。同時(shí)當(dāng)距離越近，RR則為次用戶數(shù)據(jù)分配較多的傳輸功率，因而次用戶系統(tǒng)的性能表現(xiàn)越好。

圖3表示了當(dāng)主用戶系統(tǒng)PT的發(fā)送功率由1W到100W時(shí)主用戶系統(tǒng)和次用戶系統(tǒng)的中斷概率曲線圖，其中將無(wú)頻譜共享時(shí)的主用戶系統(tǒng)中斷概率作為性能參考線。其中的距離與系統(tǒng)性能的關(guān)系與圖2分析一致。從圖3中直接看出，主、次用戶系統(tǒng)的性能隨著的增加而提升。根據(jù)前述的理論分析，當(dāng)增加時(shí)，RR接收到的信噪比也會(huì)增加，因此頻譜共享概率也會(huì)被提升，主用戶系統(tǒng)的性能因此被提高。同時(shí)主用戶系統(tǒng)的性能一直優(yōu)于無(wú)頻譜共享時(shí)的主用戶系統(tǒng)性能。增加的同時(shí)也會(huì)對(duì)SR的信息解碼造成一定的干擾，但由于頻譜共享概率的增加，次用戶系統(tǒng)的性能依然能得到改善。

圖3 在連續(xù)增加的主用戶系統(tǒng)的傳輸功率下，主、次用戶系統(tǒng)在不同距離時(shí)的中斷概率，，其中，，。

4　結(jié)　論

文章提出了一種結(jié)合認(rèn)知全雙工中繼節(jié)點(diǎn)的頻譜共享方案用來(lái)改善頻譜的利用率。在此頻譜共享方案中，次用戶利用全雙工中繼的發(fā)送端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)解碼出的主用戶數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)頻譜共享。通過(guò)仿真分析可以看出，按照本文提出的頻譜共享方案，主、次用戶系統(tǒng)能以較低的中斷概率同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)也提高了主用戶系統(tǒng)的性能。

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（責(zé)任編校：宮彥軍）

2016－05－08

湖南科技學(xué)院?？蒲许?xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)13XKYTB006）。

唐錕（1985－），湖南永州人，助教，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)。

TN929.5

A

1673-2219（2016）10-0029-05