高 燕,張照鋒,胡國(guó)兵,王書旺,石 天

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院,南京 210023;2.金陵科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院,南京 211169;3.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)

基于特征檢測(cè)器的能量采集認(rèn)知無線電系統(tǒng)優(yōu)化研究*

高 燕1*,張照鋒1,胡國(guó)兵2,王書旺1,石 天3

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院,南京 210023;2.金陵科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院,南京 211169;3.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)

將特征檢測(cè)器頻譜感知方案引入能量采集的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中,分析比較了不同檢測(cè)器背景下感知閾值和感知時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能的影響,且在能量約束和碰撞限制條件下,以最大化系統(tǒng)次級(jí)用戶的吞吐量為目標(biāo)計(jì)算出最優(yōu)的感知時(shí)間。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明,在合適的感知閾值條件下,3種檢測(cè)器的感知時(shí)間最優(yōu)解有所差異,能量檢測(cè)器同時(shí)依賴于能量約束和碰撞限制,最大特征值檢測(cè)器僅受限于能量,而最大最小特征值檢測(cè)器則無法找到最優(yōu)的感知時(shí)間。

認(rèn)知無線電;能量采集;頻譜感知;感知時(shí)間

基于能量采集的認(rèn)知無線電技術(shù)可作為克服頻譜資源稀缺以及實(shí)現(xiàn)綠色通信的一種有效手段,極大地提高了未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的能量利用率和頻譜利用率[1]。能量采集技術(shù)充分利用可再生能源,區(qū)別于傳統(tǒng)的固定能源如電池驅(qū)動(dòng)等方式,可從周圍無線電環(huán)境中的噪聲、干擾等無線電信號(hào)中提取能量,為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作提供能源。這一方案解決了能源不足的問題,同時(shí)也是一種低碳環(huán)保技術(shù)。此外,認(rèn)知無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了主用戶和次級(jí)用戶之間的頻譜共享,通過對(duì)無線電磁環(huán)境的感知,在不干擾主用戶的前提下,次級(jí)用戶實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)性地頻譜接入,從而提高了頻譜的使用效率。

目前,除了廣播和中繼系統(tǒng)中的應(yīng)用[2-3],能量采集技術(shù)還廣泛用于認(rèn)知無線電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[4-9]。在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中,頻譜感知的性能直接影響著頻譜的利用率。近年來,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者一直致力于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的各種參數(shù)優(yōu)化研究。文獻(xiàn)[4]和[5]研究了最優(yōu)的頻譜感知策略,在能量約束和碰撞限制條件下,優(yōu)化檢測(cè)閾值以最大化能量采集認(rèn)知無線電系統(tǒng)的吞吐量。文獻(xiàn)[6]在能量采集的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中,對(duì)于不同采集到的能量值,分析感知時(shí)間和感知閾值之間的關(guān)系,在次級(jí)發(fā)射機(jī)的3種不同工作狀態(tài)下,實(shí)現(xiàn)了感知時(shí)間和感知閾值的聯(lián)合優(yōu)化研究。文獻(xiàn)[7]將能量采集技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)知無線電系統(tǒng)中,將頻譜感知過程建模為馬爾科夫過程,根據(jù)主用戶出現(xiàn)的概率以及存儲(chǔ)的能量值設(shè)計(jì)出最優(yōu)的接入策略。文獻(xiàn)[8]提出了一種能量采集-頻譜感知-數(shù)據(jù)傳輸SST(Saving-Sensing-Transmitting)的時(shí)隙結(jié)構(gòu),通過尋找最優(yōu)的能量采集因子和能量采集率,以最大化系統(tǒng)的吞吐量,在能量采集與頻譜感知之間尋求平衡點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]提出了一種save-then-transmit協(xié)議,通過尋找最佳的能量采集率來優(yōu)化系統(tǒng)的中斷性能。

然而,目前引入能量采集技術(shù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),其中的頻譜感知環(huán)節(jié)大多采用能量檢測(cè)技術(shù)。能量檢測(cè)器ED(Energy Detection)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),但容易受到各種因素如噪聲不確定度[10]的影響而導(dǎo)致性能下降。因此,為了使頻譜檢測(cè)性能不受噪聲因素的影響,目前特征檢測(cè)器也常用于頻譜感知過程中。與傳統(tǒng)的能量檢測(cè)算法相比,特征檢測(cè)器無需知道主用戶和噪聲的具體信息,基于隨機(jī)矩陣?yán)碚?從中提取檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,有效地克服了噪聲不確定度對(duì)檢測(cè)性能的影響,且檢測(cè)性能優(yōu)于ED算法。文獻(xiàn)[11]基于信號(hào)的樣本方差矩陣,提取最大特征值ME(Maximum Eigenvalue)作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行頻譜感知,理論分析和仿真結(jié)果都表明了ME檢測(cè)器優(yōu)于能量檢測(cè)器。文獻(xiàn)[12]同樣基于特征值理論提出了一種最大最小特征值MME(Maximum-Minimum Eigenvalue)檢驗(yàn)算法,該算法無需信號(hào)、信道和噪聲的先驗(yàn)信息,且性能優(yōu)于能量檢測(cè)器。

基于以上研究,本文主要探討ED、ME和MME 3種特征檢測(cè)器在能量采集認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的應(yīng)用。對(duì)于不同的檢測(cè)器,研究感知時(shí)間、感知閾值與采集能量之間的關(guān)系,在能量約束和碰撞限制條件下,優(yōu)化感知時(shí)間,以最大化能量采集認(rèn)知無線電系統(tǒng)的吞吐量,提高頻譜利用率和能量利用率。

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)能量采集的認(rèn)知無線電系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)組成,即主用戶網(wǎng)絡(luò)和次級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)。次級(jí)網(wǎng)絡(luò)無固定的能源供給,需要從周圍的無線電環(huán)境中采集能量,實(shí)現(xiàn)頻譜感知和數(shù)據(jù)傳輸。為了盡量避免次級(jí)用戶與主用戶之間的沖突,次級(jí)用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前需要進(jìn)行頻譜感知,以判斷信道是否可用。

1.1 主用戶網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)授權(quán)主用戶網(wǎng)絡(luò)采用時(shí)隙的工作模式,每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度為τ。定義St∈{0,1}為頻譜在時(shí)隙t時(shí)的兩種狀態(tài),其中,0表示頻譜處于空閑狀態(tài),1表示占用狀態(tài),這兩種狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步將q0定義為主用戶占用頻譜的可能性,而q1定義為頻譜空閑的可能性。因此,q0+q1=1。假設(shè)這兩種可能性對(duì)次級(jí)用戶可知,次級(jí)用戶始終處于飽和狀態(tài),總有數(shù)據(jù)需要傳輸。

1.2 次級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)模型

1.2.1 頻譜接入以及能量模型

假設(shè)次級(jí)鏈路由一個(gè)能量采集的次級(jí)發(fā)射機(jī)和能量不受限的次級(jí)接收機(jī)組成。當(dāng)未檢測(cè)到主用戶信號(hào)存在時(shí),次級(jí)發(fā)射機(jī)機(jī)會(huì)性地接入頻譜。為了避免與主用戶的沖突,次級(jí)發(fā)射機(jī)周期性的執(zhí)行頻譜感知以及數(shù)據(jù)傳輸。在一個(gè)時(shí)隙中,頻譜感知的時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間分別為τs和τt=τ-τs。

由此可知,次級(jí)發(fā)射機(jī)的頻譜接入決定受能量約束限制,可以表示為

(1)

1.2.2 頻譜感知

當(dāng)處于激活模式時(shí),頻譜感知器通過二值假設(shè)檢驗(yàn)來檢測(cè)主用戶信號(hào)的存在

H0:St=0(空閑)

H1:St=1(占用)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:γMME為感知閾值,ρmax和ρmin分別為主用戶信號(hào)協(xié)方差矩陣Rs的最大和最小特征值,其他參數(shù)的含義同于ME檢測(cè)器。

2 能量采集認(rèn)知無線電系統(tǒng)的性能

在能量采集的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中,感知時(shí)間是一個(gè)很重要的參數(shù),直接影響著消耗的能量大小,這就意味著次級(jí)發(fā)射機(jī)的有效工作模式依賴于感知時(shí)間。因此,有必要研究感知時(shí)間對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響。

2.1 激活可能性

考慮到次級(jí)發(fā)射機(jī)接入頻譜的可能性與采集能量和消耗能量之間的關(guān)系,以能量檢測(cè)器為例,將次級(jí)發(fā)射機(jī)的激活可能性定義如下:

(9)

式中:

λED(τs,γED,eh)=

(10)

為采集到的能量與系統(tǒng)消耗的能量之比。

次級(jí)發(fā)射機(jī)采集到的能量與感知時(shí)間無關(guān),而消耗的能量會(huì)隨著τs的變化而變化。假設(shè)eh一定,根據(jù)λED(τs,γED,eh)的值,系統(tǒng)工作區(qū)可以分成3種情況:

(1)能量充足區(qū):λED(τs,γED,eh)>1,對(duì)應(yīng)的感知時(shí)間集為Ts={τs|λED(τs,γED,eh)>1};

(2)能量平衡區(qū):λED(τs,γED,eh)=1,對(duì)應(yīng)的感知時(shí)間集為Te={τs|λED(τs,γED,eh)=1};

(3)能量不足區(qū):λED(τs,γED,eh)<1,對(duì)應(yīng)的感知時(shí)間集為Td={τs|λED(τs,γED,eh)<1}。

2.2 能量采集認(rèn)知無線電系統(tǒng)的性能分析

認(rèn)知無線電系統(tǒng)的頻譜感知性能通常由Pf和Pd這兩個(gè)指標(biāo)衡量,如果次級(jí)發(fā)射機(jī)依賴于采集到的能量工作,由于能量約束和碰撞限制的影響,需要重新考慮新的性能度量標(biāo)準(zhǔn)。

(11)

(12)

同理,ME和MME檢測(cè)器的各種性能表示如下:

(13)

式中:

(14)

(15)

(16)

(17)

式中:

(18)

(19)

(20)

與傳統(tǒng)能量不受限的認(rèn)知無線電系統(tǒng)相比,在能量采集的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中,系統(tǒng)的平均吞吐量會(huì)受到激活可能性的影響,對(duì)于能量檢測(cè)器,可以表示為

(21)

式中:

(22)

表示能量不受限的認(rèn)知無線電系統(tǒng)的平均吞吐量,C0=lb(1+SNRs)是次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的輸出,SNRs指次級(jí)接收機(jī)端的信噪比。

ME和MME檢測(cè)器的系統(tǒng)平均吞吐量可用相似的方法得到

(23)

式中:

(24)

(25)

式中:

(26)

3 最優(yōu)感知時(shí)間設(shè)計(jì)策略

能量采集認(rèn)知無線電系統(tǒng)的目標(biāo)是最大化系統(tǒng)的吞吐量。然而,次級(jí)發(fā)射機(jī)必須同時(shí)滿足能量約束限制和碰撞限制,即碰撞限制應(yīng)低于一定的值以保證主用戶網(wǎng)絡(luò)不受干擾。結(jié)合以上的分析可知,次級(jí)發(fā)射機(jī)的性能會(huì)受到感知時(shí)間的影響,如何在合適的感知閾值條件下,設(shè)計(jì)最優(yōu)的感知時(shí)間以最大化系統(tǒng)的吞吐量顯得尤為重要。

3.1 碰撞限制下的最小感知時(shí)間

(27)

3.2 能量約束條件下的最小能量平衡感知時(shí)間

(28)

3.3 感知時(shí)間的最優(yōu)解

(29)

4 仿真結(jié)果與討論

下面對(duì)上述的理論分析進(jìn)行仿真驗(yàn)證,并通過考察不同感知閾值條件下,當(dāng)采集到的能量變化,在滿足一定的目標(biāo)碰撞可能性限制下,ME和MME檢測(cè)器背景下的最優(yōu)感知時(shí)間設(shè)計(jì)問題,同時(shí)與ED算法性能進(jìn)行比較。

圖1 系統(tǒng)平均吞吐量與歸一化感知時(shí)間的關(guān)系

圖2 碰撞可能性與歸一化感知時(shí)間的關(guān)系)

圖3 系統(tǒng)平均吞吐量與歸一化感知時(shí)間的關(guān)系

圖4 碰撞可能性與歸一化感知時(shí)間的關(guān)系

圖5 系統(tǒng)平均吞吐量與歸一化感知時(shí)間的關(guān)系

圖6 碰撞可能性與歸一化感知時(shí)間的關(guān)系)

5 結(jié)論

本文基于ED、ME和MME 3種檢測(cè)器,在能量采集的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中,探討了感知閾值、碰撞限制、能量約束限制對(duì)系統(tǒng)性能的影響,并分析感知時(shí)間最優(yōu)解的取值問題。利用本文的討論結(jié)果,可以在合理的感知閾值選取范圍內(nèi),設(shè)計(jì)最優(yōu)的感知時(shí)間,以最大化系統(tǒng)的平均吞吐量。

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Feature-Based Optimization for Energy-Harvesting Cognitive Radio*

GAOYan1*,ZHANGZhaofeng1,HUGuobing2,WANGShuwang1,SHITian3

(1.School of Electronic Information,Nanjing College of Information Technology,Nanjing 210023,China;2.School of Electronic Information Engineering,Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China;3.School of Information Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China)

We consider an energy-harvesting cognitive radio system where the feature-based detectors are used for spectrum sensing,the effect of the sensing threshold and sensing duration on performances with different detectors are compared,and the optimal sensing duration can be obtained by maximizing the average throughput of an energy harvesting secondary network subject to energy causality constraint and a collision constraint. Numerical results show that there exists difference among the optimal sensing duration with three detectors for an appropriate sensing threshold,the energy detector is affected by energy causality and collision constraint,one just depends on energy with maximum eigenvalue detector,where there is no optimal sensing duration for the ratio of maximum to minimum eigenvalue detector.

cognitive radio;energy harvesting;spectrum sensing;sensing duration

項(xiàng)目來源:南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目(YK20150102);南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院開放基金項(xiàng)目(KF20150104);江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PPZY2015C242);江蘇省“六大人才高峰”第十二批高層次人才項(xiàng)目(DZXX-022);江蘇省高校優(yōu)秀中青年骨干教師和校長(zhǎng)境外研修計(jì)劃項(xiàng)目;江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20161104)

2016-04-09 修改日期:2016-05-02

TN92

A

1005-9490(2017)03-0561-07

C:1130

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.009