劉智勇， 張 衛(wèi)

(1.長(zhǎng)春金融高等專(zhuān)科學(xué)校 現(xiàn)代教育中心，長(zhǎng)春 130028；2.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021)

0 引 言

近年來(lái)，隨著無(wú)線電通信技術(shù)的飛速發(fā)展和頻段覆蓋密度的增加，無(wú)線電測(cè)向和定位技術(shù)得到更深層次的應(yīng)用。SINR平衡算法由Foschini和Miljanic于1993年提出，SINR平衡算法保證了如果系統(tǒng)是可達(dá)的，該算法能夠達(dá)到帕累托最優(yōu)，算法過(guò)分強(qiáng)調(diào)了每個(gè)用戶的信干噪比需求，算法不符合認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中用戶信干噪比滿意度的特點(diǎn)。Saraydar和Mandayam于2002年提出了Saraydar-Mandayam算法，該算法沒(méi)有考慮到信干噪目標(biāo)，對(duì)用戶基本的通信質(zhì)量要求沒(méi)有約束。因此收斂后的信干噪比有可能低于用戶的目標(biāo)值，嚴(yán)重的影響了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。Koskie和Gajic于2005年提出了Koskie-Gajic算法，通過(guò)適當(dāng)降低收斂時(shí)的信干噪比大幅降低了用戶的發(fā)射功率，該算法過(guò)分強(qiáng)調(diào)對(duì)用戶發(fā)射功率的控制而忽視了每個(gè)用戶的信干噪比需求。

干擾溫度機(jī)制是FCC為應(yīng)用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)以提高頻譜利用率而提出的一種方法。他們提出利用授權(quán)用戶的信干噪比裕量，使非授權(quán)用戶和授權(quán)用戶同時(shí)使用同一頻段進(jìn)行工作，以自適應(yīng)的、動(dòng)態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)多用戶的頻譜資源共享，最大限度地提高頻譜利用率。2003年，F(xiàn)CC在制定的提案中，明確了這種在授權(quán)用戶預(yù)留頻譜上承載非授權(quán)通信的方式，干擾溫度機(jī)制是其關(guān)注焦點(diǎn)。基于干擾溫度機(jī)制的共享型認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，既保證了原有授權(quán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行又為新的非授權(quán)用戶提供了工作的機(jī)會(huì)，從而提高了頻譜利用率

綜上所述：認(rèn)知無(wú)線電環(huán)境下的多用戶功率控制需滿足不同用戶輸出信干噪比的要求，降低用戶功率的消耗，實(shí)現(xiàn)不同用戶公平的共享頻譜資源。而在發(fā)射功率、信干噪比和系統(tǒng)性能之間存在互相制約的關(guān)系。因此，本文設(shè)計(jì)一種新的效用函數(shù)和相應(yīng)的功率控制博弈算法，在幾個(gè)指標(biāo)間獲得折衷。

1 非共享機(jī)制算法設(shè)計(jì)

1.1 算法建模

在一般的無(wú)線通信系統(tǒng)中，效用函數(shù)通常與通信質(zhì)量相關(guān)，例如低延遲、低差錯(cuò)概率或高吞吐量(throughput)。在語(yǔ)音通信系統(tǒng)中，低延遲是首要保證，而傳輸差錯(cuò)和吞吐量的要求則可以適當(dāng)放寬，依據(jù)當(dāng)前的無(wú)線電數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于信干噪比滿意度和價(jià)格函數(shù)的新的效用函數(shù)模型。

對(duì)第i個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶有：

λipi,i∈N

(1)

新的效用函數(shù)由兩部分組成，包括一個(gè)表征認(rèn)知無(wú)線電用戶對(duì)信干噪比滿意程度的反正切(arctan)函數(shù)和一個(gè)基于發(fā)射功率的線性?xún)r(jià)格函數(shù)。其中，如果不加入價(jià)格函數(shù)，反正切函數(shù)的極大值點(diǎn)在信干噪比無(wú)窮大處，說(shuō)明此時(shí)算法不收斂。為了保證算法穩(wěn)定性，必須加入價(jià)格函數(shù)。

1.2 算法流程

算法的執(zhí)行需要各個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶和基站在公共控制信道傳送信令。因此設(shè)計(jì)了基于3次握手機(jī)制的信令協(xié)議。此協(xié)議與IEEE 802.11協(xié)議中RTS-CTS交換協(xié)議類(lèi)似，主要設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)數(shù)據(jù)包，其具體功能如表1所示。

表1 算法信令協(xié)議中的數(shù)據(jù)包

信令協(xié)議中的信令數(shù)據(jù)包起到了兩個(gè)作用：作為發(fā)射功率的載體發(fā)送給基站，由基站檢測(cè)數(shù)據(jù)包的功率并計(jì)算基站處的信干噪比；作為完全信息博弈，便于認(rèn)知無(wú)線電用戶獲取其他用戶的博弈情況。在設(shè)計(jì)的信令協(xié)議基礎(chǔ)上，給出基于非共享機(jī)制認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的功率控制算法流程：

(1) 博弈開(kāi)始，由基站通過(guò)下行鏈路確定參與本次博弈的認(rèn)知無(wú)線電用戶。對(duì)于不同的博弈時(shí)序而言，可根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)選擇用戶參與博弈。這里全部用戶同時(shí)參與博弈。

(2) 各認(rèn)知無(wú)線電用戶響應(yīng)基站發(fā)出的博弈開(kāi)始命令，初始化自己的發(fā)射功率，發(fā)送START包至基站。

(3) 基站檢測(cè)接收到的信干噪比，并將檢測(cè)結(jié)果START_SINR返回參與博弈的認(rèn)知無(wú)線電用戶。

(4) 認(rèn)知無(wú)線電用戶接收由基站返回的START_SINR，提取信干噪比信息，由式(1)計(jì)算下一次博弈的發(fā)射功率。如果此時(shí)所有用戶的發(fā)射功率較上一次都沒(méi)有發(fā)生調(diào)整，則博弈結(jié)束，返回END給基站，基站收到后確認(rèn)結(jié)束，返回給各個(gè)用戶ACK_END，功率控制結(jié)束。否則，用戶以此功率發(fā)送START_ACK包到基站。本次博弈完成。返回到步驟(3)。

1.2.1共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制算法

現(xiàn)有的認(rèn)知無(wú)線電功率控制算法，對(duì)非共享機(jī)制情況研究得較多。而基于干擾溫度指標(biāo)的共享型系統(tǒng)需要考慮授權(quán)用戶的影響，在共享機(jī)制下，頻譜利用率將進(jìn)一步提高。針對(duì)共享型的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)， 這樣依然應(yīng)用式(1)模型。在干擾溫度機(jī)制下，每個(gè)授權(quán)用戶都存在一個(gè)可以接受的最?lèi)毫拥母蓴_環(huán)境，因此出于對(duì)授權(quán)用戶利益的保護(hù)，應(yīng)當(dāng)對(duì)認(rèn)知無(wú)線電用戶造成的、超過(guò)干擾溫度門(mén)限的過(guò)大干擾采取更為“苛刻”的定價(jià)方式?；谝陨蠋c(diǎn)考慮，需要改進(jìn)價(jià)格函數(shù)。定義價(jià)格函數(shù)為：

(2)

式中,μ為指數(shù)懲罰系數(shù)。

(5)

1.2.2算法流程

針對(duì)共享機(jī)制下的功率控制算法，增加一個(gè)數(shù)據(jù)包：START_INTER。它由各個(gè)授權(quán)接收機(jī)發(fā)給認(rèn)知無(wú)線電用戶，包含了所有認(rèn)知無(wú)線電用戶對(duì)該授權(quán)接收機(jī)造成的干擾，其余如表2所示。算法流程如上所述，其中關(guān)鍵的選取合適功率水平的算法流程可細(xì)化為：

(1) 算法開(kāi)始。當(dāng)k=0時(shí)，p(k)=pinit；

(2)k=k+1；

(6)

表2 基本仿真參數(shù)

2 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 基于非共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)功率控制算法

(1) 仿真參數(shù)?？紤]一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電小區(qū)，各個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶分布在距離中心基站1 000 m的范圍內(nèi)。各個(gè)用戶的初始迭代功率為pinit。當(dāng)前后兩次迭代的功率差小于迭代精度ε時(shí)，迭代結(jié)束。仿真基本參數(shù)見(jiàn)表1。其中，信道考慮路徑傳播損耗。

(a) 認(rèn)知無(wú)線電用戶發(fā)射功率收斂過(guò)程

(b) 認(rèn)知無(wú)線電用戶信干噪比收斂過(guò)程

圖1 加性高斯白噪聲情況下的算法收斂過(guò)程

2.2 算法性能分析

在基于共享機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，如果認(rèn)知無(wú)線電用戶造成的干擾高于授權(quán)接收機(jī)的干擾門(mén)限將被認(rèn)為是不可接受的。改變參數(shù)λi、αi和μ，獲得掉線概率與系統(tǒng)平均吞吐量的關(guān)系如圖3所示。

從圖3看出：認(rèn)知無(wú)線電用戶的平均吞吐量隨著授權(quán)接收機(jī)掉線概率的下降而下降。這說(shuō)明認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的吞吐量和授權(quán)接收機(jī)的掉線概率之間存在著折衷關(guān)系：為了保障授權(quán)用戶的合法權(quán)益(即足夠低的掉線概率)需要認(rèn)知無(wú)線電用戶以吞吐量的降低作為犧牲?？紤]到共享機(jī)制下授權(quán)用戶的利益不可侵犯，這種犧牲是必要的。

圖3 授權(quán)接收機(jī)掉線概率與認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)平均吞吐量的關(guān)系

(a) 3種算法平均發(fā)射功率的比較

(b) 3種算法平均信干噪比的比較

從圖4看出：在不超過(guò)小區(qū)容量的前提下，SINR平衡算法的信干噪比一直保持在目標(biāo)值上，不隨用戶干擾和環(huán)境噪聲的變化而變化，造成資源利用率下降，系統(tǒng)吞吐量降低。Koskie-Gajic算法無(wú)法保障用戶的信干噪比，因此對(duì)信干噪比要求嚴(yán)格的通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)該算法就失去了意義。而新算法有最低信干噪比的保障，保護(hù)了認(rèn)知無(wú)線電用戶的通信質(zhì)量。同時(shí)，各個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶收斂時(shí)的信干噪比可以根據(jù)外部環(huán)境靈活調(diào)整，使系統(tǒng)資源利用率得到提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

文中針對(duì)共享機(jī)制下的功率控制算法,增加了一個(gè)數(shù)據(jù)包:START_INTER。它由各個(gè)授權(quán)接收機(jī)發(fā)給認(rèn)知無(wú)線電用戶,包含了所有認(rèn)知無(wú)線電用戶對(duì)該授權(quán)接收機(jī)造成的干擾,結(jié)果發(fā)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電用戶的平均吞吐量隨著授權(quán)接收機(jī)掉線概率的下降而下降,其吞吐量和授權(quán)接收機(jī)的掉線概率之間存在著折衷關(guān)系;在不超過(guò)小區(qū)容量的前提下,SINR平衡算法的信干噪比一直保持在目標(biāo)值上,系統(tǒng)吞吐量降低,新算法有最低信干燥比的保障,保護(hù)了認(rèn)知無(wú)線電用戶的通信質(zhì)量。

[1] 苗 晟,董 亮,何麗波,等.一種基于信息過(guò)濾的無(wú)線電定位方法[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2014,33(3):31-34.

[2] 朱亞磊.TDOA定位系統(tǒng)的無(wú)線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)工程應(yīng)用探討[J].電子測(cè)試,2016(11):66-67.

[3] 苗 晟,董 亮,何麗波,等.基于小型監(jiān)測(cè)站的無(wú)線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建[J].電子測(cè)量技術(shù),2014,37(5):132-135.

[4] 林明森,王曉慧,彭海龍,等.HY-2衛(wèi)星雙頻GPS精密定軌技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué),2014(6):97-101.

[5] 王曉慧,彭海龍,林明森,等.HY-2衛(wèi)星激光觀測(cè)精密定軌技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué),2014(6):90-96.

[6] 李 瑞.無(wú)線電監(jiān)測(cè)多站測(cè)向定位分析[J].數(shù)字通信世界,2015(12):278.

[7] 雷明濤,薛 松.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的運(yùn)營(yíng)管理模式[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2015,6(4):63-67.

[8] 王順利,洪 強(qiáng),黃 歡,等.無(wú)線電定位技術(shù)的研究意義及其發(fā)展歷程[J].電腦迷,2014(11):118.

[9] 李明輝.咬定青山不放松-記我國(guó)著名無(wú)線電定位技術(shù)研究專(zhuān)家郁濤[J].創(chuàng)新時(shí)代,2016(4):15-15.

[10] 王昌民.射頻信號(hào)噪聲抑制及在無(wú)線電定位中的應(yīng)用[J].數(shù)碼世界,2016(10):37-38.

[11] 申玉玲,謝 銳,李新娥,等.彈載記錄儀回收無(wú)線電定位系統(tǒng)[J].中國(guó)測(cè)試,2016,42(1):83-86.

[12] 王越平.中國(guó)無(wú)線電導(dǎo)航奠基人——溫啟祥[J].上海信息化,2014(11):78-79.

[13] 蔣興偉,王曉慧,彭海龍,等.HY-2衛(wèi)星DORIS精密定軌技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué),2014(6):83-89.

[14] 李 峰.淺析水下地形測(cè)量技術(shù)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2015(24):153-153.

[15] 武 倩.執(zhí)著追求 勇于創(chuàng)新——記中電集團(tuán)公司某研究所高級(jí)工程師郁濤[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè),2015(2):92-95.

[16] 李浩成,張 帆,彭春柳,等.基于nanoPAN的嵌入式定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2016,33(12):193-197.

[17] 翟國(guó)君,黃謨濤,歐陽(yáng)永忠,等.差分技術(shù)在海洋測(cè)量中的應(yīng)用[J].海洋測(cè)繪,2017,37(1):1-5.

[18] 羅德與施瓦茨(中國(guó))有限公司.基于TDOA無(wú)線電定位系統(tǒng)的接收機(jī)要求——羅德與施瓦茨用于TDOA網(wǎng)絡(luò)的傳感器技術(shù)(一)[J].中國(guó)無(wú)線電,2014(4):72-73.

[19] 葉滿珠,廖世芳.淺談GPS測(cè)量常見(jiàn)問(wèn)題與解決辦法[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2015(2):726-727.

[20] 孔祥亮,李 睿.數(shù)字化技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].城市建設(shè)理論研究,2014(15).