賈鶴萍， 郭艷艷， 衛(wèi) 霞， 楊榮草

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能效性協(xié)作功率分配算法

賈鶴萍， 郭艷艷， 衛(wèi) 霞， 楊榮草

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

當(dāng)前認(rèn)知無線電(cognitive radio， CR)協(xié)作策略的目的主要是為了提高認(rèn)知系統(tǒng)的容量、 中斷概率或帶寬利用率， 而對(duì)于能量有限認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)， 如傳感器網(wǎng)絡(luò)， 協(xié)作傳輸減少傳輸能量消耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期才是最關(guān)鍵的問題. 協(xié)作提高CR系統(tǒng)能效性策略和現(xiàn)在的研究相比， 中繼節(jié)點(diǎn)選擇及功率分配有所不同. 本文提出了一種基于共存式頻譜共享情況下的CR協(xié)作功率分配策略， 目的是最小化CR系統(tǒng)的能量消耗.

認(rèn)知無線電； 共存式頻譜共享； 能量受限的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)； CR協(xié)作系統(tǒng)

Abstract: The aim of cognitive radio(CR) cooperative strategy in many existing works is to improve the capacity, outage probability or bandwidth utilization of cognitive systems. For the limited energy cognitive networks, such as sensor networks, reducing the transmission energy consumption and prolonging the network life cycle by cooperative transmission are the most critical issues. Comparing the cooperative CR system with those of the current researches, the relay node selection and power allocation are quite different. This paper proposes a cooperative power allocation strategy for cooperative CR system based on coexistence spectrum sharing with the aim of minimizing the energy consumption of CR system.

Keywords: cognitive radio； the underlay sharing-spectrum； energy-constrained cognitive networks； cooperative CR system

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展， 頻譜資源變得越來越緊張,尤其是隨著無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)、 無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)技術(shù)的發(fā)展， 越來越多的人通過這些技術(shù)以無線的方式進(jìn)行通信[1]. 這些無線接入技術(shù)大多使用非授權(quán)的頻段(UFB)工作， 與授權(quán)頻段相比， 非授權(quán)頻段的頻譜資源要少很多(大部分的頻譜資源均被用來做授權(quán)頻段使用). 于是就出現(xiàn)了某些部分的頻譜資源相對(duì)較少但其上承載的業(yè)務(wù)量很大， 而另外一些已授權(quán)的頻譜資源利用率卻很低[1]的現(xiàn)象. 為了解決上述頻譜利用率低下的問題， 近年來， 被業(yè)界稱為認(rèn)知無線電(Cognitive Radio， 簡(jiǎn)稱CR)的新頻譜使用模式正逐漸受到人們的關(guān)注[1,2].

另一方面， 分集技術(shù)能改善無線信道衰落特性， 提高傳輸?shù)目煽啃訹3,4]. 因此， 將認(rèn)知無線電技術(shù)與協(xié)作通信技術(shù)相結(jié)合， 發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)， 尋求對(duì)無線通信的解決方案， 在提高頻譜使用效率的同時(shí)， 盡可能地提高系統(tǒng)的信道容量或提升各用戶的抗衰落性能[5-8].

對(duì)于能量有限CR網(wǎng)絡(luò)， 如傳感器網(wǎng)絡(luò)， 協(xié)作傳輸減少傳輸能量消耗， 延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期才是最關(guān)鍵的問題[9,10]. 因此本文將認(rèn)知無線電技術(shù)和協(xié)作通信技術(shù)相結(jié)合， 并借用了幾何分析的方法， 得到功率分配優(yōu)化值， 以最小化CR系統(tǒng)傳輸能量. 利用這種算法， 只要知道CR系統(tǒng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間及CR節(jié)點(diǎn)和授權(quán)系統(tǒng)接收設(shè)備間的信道狀態(tài)信息， CR源和中繼節(jié)點(diǎn)就可以利用優(yōu)化算法自動(dòng)調(diào)整傳輸功率， 得到CR系統(tǒng)最小的傳輸能量消耗. 算法針對(duì)信道發(fā)生相位衰落與不發(fā)生相位衰落兩種情況分別進(jìn)行分析， 信道不發(fā)生相位衰落可以看作發(fā)生相位衰落的特例.

1 CR協(xié)作系統(tǒng)傳輸能量最小化的功率分配算法

考慮到共存式頻譜共享模式下認(rèn)知無線電系統(tǒng)協(xié)作傳輸應(yīng)用場(chǎng)景， 授權(quán)系統(tǒng)包括一對(duì)發(fā)送/接收設(shè)備， CR系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)能量受限， 以Ad-hoc模式進(jìn)行通信. 假設(shè)授權(quán)系統(tǒng)發(fā)送/接收設(shè)備間以固定速率R0， 固定傳輸功率P0進(jìn)行通信， 而CR系統(tǒng)和授權(quán)系統(tǒng)同時(shí)工作在相同的信道上， CR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)該保證授權(quán)系統(tǒng)的傳輸不被打斷. 假設(shè)CR系統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)距離授權(quán)系統(tǒng)的源足夠遠(yuǎn)， 不受授權(quán)系統(tǒng)的干擾. 定義hs,p，hr,p，hs,d，hs,r，hr,d和hp分別表示CR源節(jié)點(diǎn)到授權(quán)系統(tǒng)接收設(shè)備、 CR中繼到授權(quán)系統(tǒng)接收設(shè)備、 CR源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)、 CR源節(jié)點(diǎn)到中繼、 CR中繼到目的節(jié)點(diǎn)及授權(quán)發(fā)送/接收設(shè)備間的信道增益. CR系統(tǒng)內(nèi)部的信道為AWGN信道， 而CR系統(tǒng)和授權(quán)系統(tǒng)間， 及授權(quán)系統(tǒng)內(nèi)的信道為獨(dú)立同分布的瑞利信道.

定義認(rèn)知系統(tǒng)的干擾溫度為Q[1]， 那么， 授權(quán)系統(tǒng)接收設(shè)備容忍的最大峰值接收功率不能超過這個(gè)干擾溫度門限Q， 假設(shè)CR系統(tǒng)的發(fā)送/接收節(jié)點(diǎn)知道精確的信道信息(CSI)(包括CR系統(tǒng)內(nèi)部的及和授權(quán)用戶之間的信道信息).

對(duì)于能量受限的CR系統(tǒng)， 在CR源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)間的功率分配需要滿足: 消耗最少的能量來滿足自己的QoS要求， 同時(shí)不要干擾到授權(quán)系統(tǒng)的正常通信.

當(dāng)CR源節(jié)點(diǎn)以傳輸功率PCR直接傳輸給目的節(jié)點(diǎn)時(shí)， CR系統(tǒng)容量和發(fā)送每比特消耗的最少能量為[9]

式中：PCR是CR源節(jié)點(diǎn)直接傳輸需要的傳輸功率， 由于是考慮到授權(quán)系統(tǒng)的峰值干擾溫度限制， 必須滿足

不等式兩邊同除以pCR， 得到

為了分析簡(jiǎn)單， 設(shè)定R=C. 采用DF模式進(jìn)行協(xié)作通信， 假設(shè)中繼是一個(gè)隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)， 發(fā)送/接收節(jié)點(diǎn)知道精確的信道信息(CSI).

CR系統(tǒng)的協(xié)作分為兩個(gè)階段， 在廣播階段， CR源節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)給中繼和目的節(jié)點(diǎn)， CR目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收； 第2階段， CR源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)一起協(xié)作向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)， CR目的節(jié)點(diǎn)將合并源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信號(hào)， 這樣， 可以獲的兩階協(xié)作增益. 第2階段CR用戶協(xié)作的目的是為了最小化傳輸功率， 提高系統(tǒng)的能效性.

圖 1 協(xié)作策略Fig.1 Cooperative strategy

在接收[μL]符號(hào)后， 中繼節(jié)點(diǎn)能夠全部正確譯碼源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息， 這里[10]

當(dāng)μ≥1， 中繼節(jié)點(diǎn)不參與協(xié)作傳輸， 在下面的描述中， 假定總是滿足μ<1.

考慮到授權(quán)系統(tǒng)的峰值干涉功率限制， 在第2協(xié)作階段， 源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)傳輸功率必須滿足

不等式兩邊同除以PCR， 得到

結(jié)合式(4)和式(7)， 可以設(shè)置

也就是說， 協(xié)作傳輸對(duì)授權(quán)系統(tǒng)的峰值干涉小于直接傳輸對(duì)授權(quán)系統(tǒng)的峰值干涉. 分為兩種情況(信道不發(fā)生相位衰落和發(fā)生相位衰落)進(jìn)行分析.

2 情況1

假定信道不發(fā)生相位旋轉(zhuǎn)， 則

式中：dij是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i和j的距離；γ≥2是信道衰落因子. 在第2階段， CR目的節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)表示為

考慮的授權(quán)系統(tǒng)峰值干涉限制， 第2協(xié)作階段CR協(xié)作系統(tǒng)應(yīng)該調(diào)整傳輸功率參數(shù)α1和αr需要解決下面優(yōu)化問題

圖 2 無相位衰落信道功率參數(shù)優(yōu)化示意圖Fig.2 Optimization of power parameters in phase free fading channels

從式(11)可以看出， 共存式頻譜共享模式下CR節(jié)點(diǎn)間的功率分配優(yōu)化方法和非CR系統(tǒng)下優(yōu)化方法有所不同， 不僅和hs,d和hr,d有關(guān)， 而且與CR和授權(quán)系統(tǒng)間的信道狀態(tài)hs,p和hr,p有關(guān).

對(duì)于共存式頻譜共享模式下CR協(xié)作策略， 優(yōu)化參數(shù)α1和αr另外還要滿足

也就是圖 3 中的陰影部分. 因此， 要求圖 2 中距離坐標(biāo)原點(diǎn)最近的的點(diǎn)， 不僅位于直線hs,dα1+hr,dαr=hs,d上， 而且落入圖 3 陰影部分， 需要解方程

圖 3 無相位衰落情況下功率分配優(yōu)化示意圖Fig.3 Optimization of power distribution in phase free fading channels

如圖 3 所示， 得到兩組解

這里，

當(dāng)α1=1和αr=0， 中繼不參與協(xié)作， 源節(jié)點(diǎn)直接傳輸. 優(yōu)化方法有如下兩種情況:

可能的優(yōu)化方案見圖 3(a) 所示， 從圖3(a)中可以看到， 直線hs,dα1+hr,dαr=hs,d上距離原點(diǎn)最近的點(diǎn)落在陰影區(qū)域內(nèi)， 因此干擾溫度限制沒有影響到CR協(xié)作策略， 和非認(rèn)知無線電下的優(yōu)化值相同， 優(yōu)化值α1和αr分別為

及傳輸每比特的能量消耗

CR系統(tǒng)協(xié)作傳輸每比特消耗的能量?jī)?yōu)化為

從上面的兩種情況可以看出， 對(duì)于信道不發(fā)生相位衰落(no phase fading)， 當(dāng)hs

3 情況2

這一節(jié)， 信道除了能量衰減外， 還經(jīng)歷相位衰落(phase fading)， 即

式中：θij為隨機(jī)變量， 滿足[0,2π]的均勻分布. 那么， 第2階段， 目的節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)為

根據(jù)文獻(xiàn)[10]， 協(xié)作系統(tǒng)容量表示為

考慮到干擾溫度限制， CR協(xié)作系統(tǒng)得到和直接傳輸相同的有效容量， 需要解決下面的優(yōu)化問題

圖 4 相位衰落信道功率參數(shù)優(yōu)化示意圖 1Fig.4 First diagram for optimization of power parameters in phase fading channels

而對(duì)于共存式頻譜共享模式下CR協(xié)作策略， 考慮到干擾溫度限制， 優(yōu)化值還必須滿足

也就是優(yōu)化值必須落在圖 5 中的陰影部分.

圖 5 展示了CR系統(tǒng)在信道發(fā)生相位衰落情況下的功率分配方法， 可以分為下面幾種情況:

圖 5 相位衰落信道協(xié)作功率分配參數(shù)優(yōu)化示意圖 2Fig.5 Second diagram for optimization of power parameters in phase fading channels

最小的傳輸每比特的能量消耗同非CR系統(tǒng)一樣， 如式(17).

4 仿真結(jié)果

在這一節(jié)， 將仿真CR系統(tǒng)協(xié)作能量增益， 并把非CR協(xié)作傳輸策略和CR源節(jié)點(diǎn)直接傳輸兩種情況作為參考. 定義系統(tǒng)參數(shù)見表 1.

表 1 能效性CR協(xié)作參數(shù)設(shè)置

授權(quán)系統(tǒng)接收設(shè)備、 CR源節(jié)點(diǎn)及CR目的節(jié)點(diǎn)位置分別為 (0,0), (1,1), (2,0). CR中繼在(x,y)軸上移動(dòng)； 定義能量增益為

來量化CR系統(tǒng)協(xié)作帶來的能量增益.

首先， 設(shè)置γp=32 dB,Q=17 dB， CR中繼的位置為(x,0)， 讓中繼在x軸上移動(dòng). 從圖 6 中可以看到， 無論信道存在相位衰落與否， 相比直接傳輸， CR協(xié)作帶來了能量增益. 另外， 信道無相位衰落比衰落時(shí)得到更好的能量增益， 于是信道無衰落可以認(rèn)為是衰落的特殊情況(θij=0). 也觀察到， 由于干擾溫度的影響， 當(dāng)中繼距離授權(quán)系統(tǒng)接收設(shè)備比較近時(shí)， CR協(xié)作比非CR協(xié)作帶來的能量增益要小.

圖 6 CR中繼坐標(biāo)變化對(duì)能量增益的影響Fig.6 Relationship between CR relay coordinate and energy gain

圖 7 CR中繼節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)變化對(duì)授權(quán)系統(tǒng)鏈路中斷概率的影響Fig.7 Relationship between CR relay coordinate and link outage probability of the authorization system

圖 7 表示授權(quán)系統(tǒng)鏈路性能和CR中繼節(jié)點(diǎn)位置的關(guān)系. 可以看到， 比較直接傳輸， CR系統(tǒng)協(xié)作減少了授權(quán)系統(tǒng)鏈路的中斷概率. 這主要是由于CR協(xié)作分集有效地減少了對(duì)授權(quán)系統(tǒng)鏈路的干擾. 但是， 當(dāng)CR中繼距離授權(quán)系統(tǒng)接收設(shè)備比較近時(shí)， 授權(quán)鏈路性能下降.

其次， CR中繼位置分別固定在坐標(biāo)(0.3,0) 和(1.3,0)， 圖8表明了當(dāng)Q=17 dB， 授權(quán)系統(tǒng)接收信噪比γp變化時(shí)， 中繼對(duì)授權(quán)系統(tǒng)中斷概率的影響， 可以看出， 授權(quán)系統(tǒng)接收信噪比越高， 系統(tǒng)性能越好， 和直接傳輸相比， 提出的CR協(xié)作情況下可以得到更好的授權(quán)系統(tǒng)性能. 也可以看出， 中繼節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)(1.3, 0)比在坐標(biāo)(0.3, 0)時(shí)授權(quán)系統(tǒng)鏈路性能更好， 這是由于坐標(biāo)(0.3, 0)距離授權(quán)系統(tǒng)接收設(shè)備比較近.

圖 9 表明了當(dāng)信噪比γp=32 dB，Q變化時(shí)授權(quán)系統(tǒng)鏈路性能. 首先觀察到: 干擾溫度門限Q越高， 授權(quán)系統(tǒng)性能越差， 因此， 要進(jìn)行頻譜感知， 以確定合適的干擾溫度門限值Q， 以保證授權(quán)系統(tǒng)的正常傳輸， 同上面的情況一樣， CR協(xié)作比直接傳輸情況的授權(quán)系統(tǒng)性能要好.

圖 8 授權(quán)系統(tǒng)接收設(shè)備接收信噪比變化對(duì)授權(quán)系統(tǒng)鏈路中斷概率的影響Fig.8 Relationship between signal-to-noise ratio for receiving equipment and link outage probability of the authorization system

圖 9 干擾溫度門限對(duì)授權(quán)系統(tǒng)鏈路中斷概率的影響Fig.9 Relationship between interference temperature threshold and link outage probability of the authorization system

5 結(jié) 論

針對(duì)能量受限的CR網(wǎng)絡(luò)， 提出了一種基于共存式頻譜共享模式的高能效CR協(xié)作優(yōu)化功率分配模型， 仿真結(jié)果表明， 和直接傳輸相比， 提出的CR協(xié)作功率優(yōu)化方法帶來了CR網(wǎng)絡(luò)的能量增益. 仿真還表明， 信道不發(fā)生相位衰落的情況下， 得到更好的協(xié)作能量增益. 另外， 和CR直接傳輸相比， CR的協(xié)作分集可以帶來授權(quán)系統(tǒng)性能的提高.

[1] Kolodzy P, Avoidance I. Spectrum policy task force[J]. Federal Commun. Comm., Washington, DC, Rep. ET Docket, 2002, 40(4)： 147-158.

[2] Jing Tao, Zhu Shixiang, Li Hongjuan, et al. Cooperative relay selection in cognitive radio networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2015, 64(5)： 1872-1881.

[3] Tan L T, Ying Lei, Bliss D W. Power allocation for full-duplex relay selection in underlay cognitive radio networks： Coherent versus non-coherent scenarios[J]. arXiv preprint arXiv, 2017, 1703: 1527-1532.

[4] Luo Changqing， Min Geyong, Yu F R， et al. Joint relay scheduling, channel access, and power allocation for green cognitive radio communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2015, 33(5)： 922-932.

[5] Majhi S, Banerjee A. Asymptotic outage analysis of incremental decode and forward cognitive radio relay network[C]. Communication Systems and Networks (COMSNETS), 2015 7th International Conference on. IEEE, 2015： 1-8.

[6] Hussein J, Ikki S, Boussakta S, et al. Study of a multi-relay scheme and co-channel interference within an underlay cognitive radio network[C]. Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), 2016 Eighth International Conference on. IEEE, 2016： 25-29.

[7] Lopez O L A, Sanchez S M, Mafra S B, et al. Power Control and Relay Selection in Cognitive Radio Ad Hoc Networks Using Game Theory[J]. IEEE Systems Journal, 2016, pp(99): 1-12.

[8] Singh J, Singh R, Rai M, et al. Cooperative Sensing for Cognitive Radio： A Powerful Access Method for Shadowing Environment[J]. Wireless Personal Communications, 2015, 80(4): 1363-1379.

[9] Cover T M, Thomas J A. Elements of Information Theory[M]. New York： Wiley, 1991.

[10] Lai Lifeng, El Gamal H. On cooperation in energy efficient wireless networks： the role of altruistic nodes[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(5): 1868-1878.

CooperativePowerAllocationAlgorithmfortheEnergyEfficiencyofCRNetwork

JIA Heping, GUO Yanyan, WEI Xia, YANG Rongcao

(College of Physics and Electronic Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

1671-7449(2017)05-0377-07

TN925.1

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.002

2017-04-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61178013); 山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016011038)

賈鶴萍(1984-)， 女， 助教， 主要從事無線電物理方面的研究.