(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,石家莊 050081)
隨著用戶對無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和對無線服務(wù)和應(yīng)用的需求的迅速增加,有限的頻譜資源和傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配方法已經(jīng)不能滿足日益增長的無線網(wǎng)絡(luò)需求。所以需要尋找更高效的技術(shù)即認(rèn)知無線電技術(shù),來更好的應(yīng)用頻譜資源。認(rèn)知無線電技術(shù)不需要改變現(xiàn)有的靜態(tài)頻譜分配策略,可以利用頻譜感知等方法確定授權(quán)頻段的狀態(tài)信息,使認(rèn)知無線電用戶獲得額外的頻譜利用機(jī)會,可以在保證授權(quán)用戶通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高頻譜利用效率[1]。
認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以在機(jī)會性地利用頻譜資源的同時采集能量而不需要來自外部電網(wǎng)或電池的能量補(bǔ)充[2-8]。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中采用能量采集技術(shù),認(rèn)知用戶可以對自身的能量進(jìn)行補(bǔ)充。由于頻譜感知和傳輸數(shù)據(jù)都需要一定的時間,所以認(rèn)知無線電對能量進(jìn)行采集的時間有限,所以,認(rèn)知用戶在一個時間周期內(nèi)采集到的能量會非常有限,因此,需要對認(rèn)知用戶的數(shù)據(jù)傳輸需求、能量采集能力和頻譜感知能力進(jìn)行優(yōu)化分配。文獻(xiàn)[9]中,針對授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶同時進(jìn)行信息協(xié)作和能量采集的系統(tǒng),分別分析了理想?yún)f(xié)作、時間分配和功率分配三種情況下的系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[10]通過對感知時間,能量檢測門限和行為模式進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,選擇出一組最合適的認(rèn)知用戶進(jìn)行協(xié)同頻譜感知,使得認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道容量達(dá)到最大。文獻(xiàn)[11]中認(rèn)知用戶采用功率分配的方式,為授權(quán)用戶傳輸數(shù)據(jù),同時對射頻能量的信號進(jìn)行采集,在授權(quán)用戶不受干擾的前提下,對轉(zhuǎn)發(fā)分配、子載波分配、功率分配和傳輸功率進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化。
頻譜感知由于AD采樣可能會消耗一些電路能量,這可以減少用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯δ芰?。傳感能耗隨著采樣節(jié)點(diǎn)的增加而增加[12]。因此,研究了綠色認(rèn)知無線電以提高頻譜感知的能量效率,即綠色認(rèn)知無線電可以用更少的感知能量實(shí)現(xiàn)更高的感知性能[13]。然而,仍會消耗存儲的能量用于頻譜感知。提出了一種能夠收集附近信號的射頻能量的無線能量傳輸技術(shù)。然后通過部署由帶通濾波器、整流電路和低通濾波器組成的能量收集電路將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流功率。直流電源不是固定電源[14],其存儲在通信系統(tǒng)的可充電電池中。認(rèn)知無線電中使用無線能量傳輸技術(shù)來獲取主用戶信號的射頻能量,并且所采集的能量可以補(bǔ)償頻譜感知帶來的能量損失。然而,認(rèn)知無線電不能同時實(shí)現(xiàn)頻譜感知和能量收集。
研究了一種同時采集能量和過程信息的無線攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)方法。已經(jīng)提出時隙分配模型和功率分配模型來實(shí)現(xiàn)無線攜能通信。在時隙分配模型中,能量收集和信息處理在不同的時隙中實(shí)現(xiàn),而在功率分配模型中,利用不同的功率流執(zhí)行能量收集和信息處理。基于無線攜能通信,我們研究了協(xié)作頻譜檢測和無線攜能通信。
本文通過單天線協(xié)作頻譜感知技術(shù),提出了一種用于多天線認(rèn)知無線電的新型單天線認(rèn)知無線電無線攜能通信傳輸方案,以同時進(jìn)行頻譜檢測、能量收集和數(shù)據(jù)傳輸。通過數(shù)學(xué)分析了單天線協(xié)作頻譜檢測,分別推導(dǎo)了其虛警概率和檢測概率。研究了時間分流模型模型來實(shí)現(xiàn)單天線認(rèn)知無線電無線能量傳輸,能量收集和頻譜檢測在同一天線中進(jìn)行。
本文研究成果如下:
1)提出了一種用于多天線認(rèn)知無線電的新型協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸方案,以同時進(jìn)行頻譜檢測、能量收集和數(shù)據(jù)傳輸。通過數(shù)學(xué)分析了多天線協(xié)作頻譜檢測,分別推導(dǎo)了其虛警概率和檢測概率。
2)研究了時間分流模型來實(shí)現(xiàn)協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸,能量收集和頻譜檢測在同一天線中進(jìn)行,同時在天線分流模型中,設(shè)置能量收集和頻譜傳感在獨(dú)立的天線中實(shí)現(xiàn)。
3)制定了優(yōu)化問題以使頻譜最大化。在協(xié)作頻譜感知和無線能量傳輸模型中,認(rèn)知無線電的效率分別受到檢測概率和采集能量的限制。已提出優(yōu)化算法來解決所提出的優(yōu)化問題。
本文的其余部分安排如下:系統(tǒng)模型在第3節(jié)中提出,其中分析了多天線協(xié)作頻譜檢測并描述了無線功率傳輸。然后分別描述和優(yōu)化了時間分流協(xié)作頻譜感知無線能量傳輸模型,系統(tǒng)性能在第4節(jié)中進(jìn)行了仿真和討論。最后,第5節(jié)中得出結(jié)論。
為了克服單節(jié)點(diǎn)頻譜感知過程中的缺點(diǎn),近年來,研究人員提出了多用戶協(xié)作頻譜感知技術(shù)。一方面可以提高單節(jié)點(diǎn)檢測的準(zhǔn)確性,另一方面可以降低對認(rèn)知用戶的過度需求。多用戶協(xié)作頻譜感知使用空間分集接收技術(shù),可以顯著提高整個系統(tǒng)的檢測性能。
其工作特征是將檢測信息集成在同一頻帶的不同位置。在總體考慮之后,最終決定授權(quán)用戶是否存在。在協(xié)作頻譜感知的無線攜能通信系統(tǒng)中,認(rèn)知無線電可以同時執(zhí)行協(xié)作頻譜感知、無線能量傳輸和信息傳輸功能。因此,在傳輸過程中,可以避免對主用戶的干擾,并且可以使用所收集的能量來提供傳輸能量。
協(xié)作頻譜感知是一種認(rèn)知用戶共同參與檢測的感知模式。在將本地用戶的感知數(shù)據(jù)收集到融合中心后,進(jìn)行加權(quán)融合以獲得判決統(tǒng)計(jì),然后進(jìn)行判決。圖1是協(xié)作頻譜感知的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,包括M個次用戶,一個主用戶信號和一個融合中心。因此,第i個接收信號可表示為:
(1)
PU信號和噪聲信號獨(dú)立。
圖1 協(xié)作頻譜感知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量由下式得到:
(2)
其中:N(μ,σ2)是均值為μ,方差為σ2的高斯分布,γ為信噪比,用λs表示判決門限,因此虛警概率和檢測概率可分別表示為:
(3)
(4)
部署具有單天線的認(rèn)知無線電系統(tǒng)和一個天線通信的主用戶系統(tǒng),假設(shè)認(rèn)知無線電系統(tǒng)通過單天線感知PU系統(tǒng)。如圖2所示,每個天線首先獨(dú)立地感知PU系統(tǒng)并得到PU的能量檢測統(tǒng)計(jì)值,然后將感知到的所有能量統(tǒng)計(jì)值融合得到融合統(tǒng)計(jì)值,通過檢測融合統(tǒng)計(jì)值來判斷主用戶存在與否。
圖2 單天線協(xié)作頻譜檢測
認(rèn)知無線電系統(tǒng)具有單天線協(xié)作頻譜檢測和能量收集功能。本文中,單天線協(xié)作頻譜檢測用于檢測主用戶的存在,其中的天線通過能量檢測來檢測主用戶,并且通過組合所有檢測天線的檢測結(jié)果來做出最終決定。天線的能量檢測可以看作如下的二元假設(shè)問題:
(5)
其中:y(m)是接收信號樣本,s(m)是PU信號樣本,n(m)是高斯噪聲樣本,h(m)是PU和SU之間的信道增益,M是采樣節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;H0和H1分別表示PU的缺失和存在。P(H0)和P(H1)是H0和H1的概率,滿足:
P(H0)+P(H1)=1
(6)
假設(shè)檢測時間為T且采樣頻率為fs,有:
M=Tfs
(7)
接收信號的能量統(tǒng)計(jì)如下:
(8)
當(dāng)M很大時,Γ(y)遵循如下的高斯分布:
(9)
(10)
‖n(m)‖2是PSNR,能量檢測通過將能量統(tǒng)計(jì)與預(yù)定閾值λ進(jìn)行比較來獲得決策。檢測概率和虛警概率分別如下給出:
Pd=Pr(Γ(y)>λ|H1)=
(11)
(12)
其中函數(shù)Q(x)為:
(13)
協(xié)作頻譜檢測的檢測概率和虛警概率如下:
(14)
(15)
λ=argminPe=((1-Qd)+Qf)
(16)
在一個傳輸速率為時變的無線通信系統(tǒng)中,其中此系統(tǒng)為單信道的。在本系統(tǒng)中,發(fā)送端為了達(dá)到所需的信息傳輸速率Rpt,可以令發(fā)送端在不同的時間t設(shè)置不同的發(fā)送功率pt。其中,傳輸速率和發(fā)送功率的關(guān)系函數(shù),此函數(shù)為凹函數(shù),且為非負(fù)的單調(diào)遞增函數(shù)。此函數(shù)可在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中適用。在本文的系統(tǒng)模型中,暫不考慮其他形式的能量消耗和干擾。
若假設(shè)r(.)=g(p),則此函數(shù)需滿足以下幾個條件:
1)g(0)=0,當(dāng)p→∞時,g(p)→∞
2)g(p)為單調(diào)遞增函數(shù)
3)g(p)/p為關(guān)于p的單調(diào)遞增函數(shù),g(p)為凹函數(shù)
4)g(p)連續(xù)可微。
假定在某一時刻信息發(fā)送功率和傳輸速率的關(guān)系為:
(17)
的加性高斯白噪聲信道中。
在時間分配模式中,假設(shè)一定比例ρ的時間分配給信息解碼器用于信息的解碼,剩余比例(1-ρ)的時間分配給能量采集器用于能量采集。用v和h(ν)分別表示衰落信道狀態(tài)和功率增益,假設(shè)在任何衰落信道狀態(tài)v,信道功率增益h(ν)是完全已知,所有載波分配的功率之和表示為P??紤]慢衰落情況,在這一過程中,所有的信道系數(shù)都假定為常數(shù)。在無線攜能通信系統(tǒng)接收機(jī)上,噪聲會影響每個載波上接收到的信號,這種噪聲可以建模為一種加性高斯白噪聲(AWGN),該隨機(jī)變量均值為零、方差是σ2,整體分布為正態(tài)分布。這樣一來,發(fā)射端和接收端之間的信息速率可以表示為:
(18)
接收端采集的能量可以表示為:
QTS(v)=(1-ρ(v))h(v)P(v)
(19)
時間分配方法嚴(yán)格意義上并沒有實(shí)現(xiàn)信息和能量的同時傳輸,因?yàn)槠湓跁r域上對信號進(jìn)行了分流,在某些時間將接收到的信號全部用于解碼信息或者采集能量。相比于功率分配方法,時間分配器比功率分配器的硬件實(shí)現(xiàn)更為容易,而且信息解碼器和能量采集器可以在不同的功率敏感度下進(jìn)行工作。
在單天線認(rèn)知無線電無線攜能通信系統(tǒng)中,CR可以同時執(zhí)行協(xié)作頻譜檢測,無線功率傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。因此,在傳輸過程中,可以避免對PU的干擾,并且可以使用所收集的能量來提供傳輸能量,下面對時間分流模型進(jìn)行研究。
在時隙分配模型中,針對單天線用于協(xié)作頻譜檢測和無線能量傳輸?shù)哪J剑鐖D3所示。假設(shè)ρ是分配因子,將感知和收集能量分成ρ和1-ρ兩部分,在一個時間周期T內(nèi),天線首先在時間τ內(nèi)感知和收集能量,然后在時間T-τ內(nèi)傳輸信息,檢測概率和虛警概率與ρ有關(guān),如下給出:
圖3 時間分流模型示意圖
(20)
(21)
僅當(dāng)準(zhǔn)確地檢測到PU缺失時,SU才能發(fā)送數(shù)據(jù)。檢測到的缺失概率由(1-Pf)P(H0)表示。
天線的總采集的功率如下給出:
(22)
目標(biāo)是最大化CR的頻譜效率,受限于檢測概率高于下限并且收集的能量高于檢測能量。然后給出優(yōu)化問題:
s.t.Pd≥α
PH≥PS
0≤τ≤T
(23)
其中:α是檢測概率的下限。
為了解決優(yōu)化問題(23),給出以下定理:
定理1:目標(biāo)函數(shù)Φi,只有在Pd=α?xí)r才能達(dá)到最大值。
證明1:從(19)可以看出,Pf可以用Pd表示如下:
(24)
注意到Q(x)是單調(diào)遞減函數(shù),公式(24)表示Qf隨著Qd的減小而減小,即當(dāng)Qd等于下限時,可以實(shí)現(xiàn)Qf的最小值。由于當(dāng)Qf減小時,R增加,所以當(dāng)Qd=α?xí)r可以取得R的最大值。那么R的最大值由下式給出:
(25)
從PH≥PS,我們可以得到ρ≤ρmax,其中ρmax如下給出:
(26)
當(dāng)ρ=ρmax時,R可以達(dá)到最大值。因此,優(yōu)化問題被重新定義如下:
(27)
圖4所示結(jié)果為,在時隙分配模型中,單天線的頻譜效率隨著時間t變化的規(guī)律。在一個時間周期T中,檢測天線的頻譜效率在一個檢測周期T中,隨著時間的增加而減小。
圖4 時間分流模型中檢測天線的頻譜效率
如圖5,為檢測天線的頻譜效率R對α=[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9]的檢測結(jié)果。可以看出隨著α減小,R增加。表示當(dāng)檢測概率α達(dá)到最小值時,可得R最大。因此,本結(jié)果證明了定理1的正確性。
圖5 檢測天線的頻譜效率隨檢測概率的變化
本文提出了一種用于單天線認(rèn)知無線電的新型同步協(xié)作頻譜檢測和無線功率傳輸方案,以同時執(zhí)行頻譜檢測,能量收集和數(shù)據(jù)傳輸。然后,根據(jù)檢測概率和收集能量的約束,制定了優(yōu)化問題,以最大化三個同步協(xié)作頻譜檢測和無線功率傳輸模型中認(rèn)知無線電的頻譜效率。從仿真中,我們可以得出:當(dāng)收集的能量等于檢測的能量時,可得出功率分配因子的最大值為ρ=ρmax=0.5,同時,由仿真分析可得在時間分流模型中檢測天線的頻譜效率隨時間t的增加而降低。檢測天線的頻譜效率也隨著檢測概率下限的提高而降低。