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一种认知无线电系统频谱分配和频谱感知联合设计

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第12卷第2期 2011年4月 信息工程大学学报 Journal of Information Engineering University Vo1.12 NO.2 Apr.2011 一种认知无线电系统频谱分配 和频谱感知联合设计 胡首都,郭 龙,仵国锋 (信息工程大学信息工程学院,河南郑州450002) 摘要:目前对认知无线电系统频谱分配的研究均假定频谱感知的结果完全理想,这在现实条件 下显然无法满足。考虑非理想频谱感知,结合正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Di— vision Muhiplexing)传输方式,提出一种频谱分配和频谱感知的联合算法。该算法在构造目标 函数时引入了信任度函数,并通过迭代求解得到近似最优的子载波、功率分配和检测门限值。 仿真结果表明,文章提出的联合设计在性能上优于传统的设计。 关键词:认知无线电;OFDM;频谱分配;频谱感知;联合设计 中图分类号:TN914 文献标识码:A 文章编号:1671—0673(2011)02—0174—05 Joint Design of Spectrum Allocation and Spectrum Sensing for Cognitive Radio Systems HU Shou—du,GU0 Long,WU Guo—feng (Institute of Information Engineering,Information Engineering University,Zhengzhou 450002,China) Abstract:Most of the existing works on spectrum allocation for cognitive radio(cry)systems assume the result of spectrcem sensing is perfect.But this assumption is obviously not practica1.Considering imperfect spectrum sensing,in the framework of OFDM-based cognitive radio networks,an algorithm is proposed to jointly allocate sensing thresholds and subcarrier and power at the CR transmitters SO that the throughput of the CR system is maximized.The algorithm introduces confidence function when constructing the object function,and obtains the approximate optimal subearrier and power al— location and sensing thresholds.The simulation result shows that the proposed joint design outper— forms the conventional separate design. Key words:cognitive radio;OFDM;spectrum allocation;spectrum sensing;joint design 0 引言 随着无线应用的不断发展,频谱资源日益缺乏,如何对有限的频谱资源进行有效利用引起学者们的关 注。为了解决这个问题,基于对认知无线电(CR,Cognitive Radio)的研究 ,人们提出了开放式频谱接 入机制:允许次用户(SU,Secondary User)在不影响主用户(PU,Primary User)正常通信的情况下,共享使用 收稿日期:2O10—12—07;修回日期:2011—02—25 基金项目:国家科技重大专项资助项目(2009ZX03003-007) 作者简介:胡首都(1983一),男,硕士生,主要研究方向为认知无线电技术; 郭龙(1982一)。男,助教,主要研究方向为无线与移动通信; 仵国锋(1974一),男,讲师,主要研究方向为无线与移动通信、认知mesh网络技术。 第2期 胡首都等:一种认知无线电系统频谱分配和频谱感知联合设计 175 原来分配给Pu的频谱资源。OFDM作为下一代无线通信的主要技术,被广泛应用在CR系统中 。 目前,基于OFDM传输方式的认知无线电系统的研究吸引了越来越多的关注,并取得了一些成果。 文献[4]研究了基于OFDM传输方式的认知无线电系统的资源分配问题,在满足主用户干扰下提出 一种最大化下行容量的最优算法,不过此算法是针对单用户的情形。文献[5,6]将文献[4]中的研究成果 应用到多用户情形,在主用户干扰和次用户发射功率条件下最大化认知无线电系统的和容量。 上述研究都是建立在频谱感知完全理想的基础之上,而在现实的无线环境中由于信道衰减和阴影效 应的影响以及CR接收机灵敏度的,频谱感知很难获取完全理想的频谱可用性信息。非理想频谱感 知分为两种,一种是认知无线电网络可能将主用户正在占用的频谱判决为空闲频谱,即所谓的漏检。漏检 会对主用户造成很大的干扰,必须保证这种干扰小于一定的门限值;另一种是认知无线电网络可能将目前 空闲的频谱判定为主用户正在占用,即所谓的虚警。虚警使得认知无线电网络损失部分频谱接人的机会, 使得系统和容量降低。漏检概率和虚警概率依赖于检测门限的设定,因此每个子载波上的检测门限的设 定在系统和容量和对主用户的干扰之间做出折衷。近两年来,学者们开始关注非理想频谱感知条件下的 频谱分配问题。文献[7]在理想和非理想频谱感知条件下提出了一种最优的频谱共享机制以最大化系统 和容量。文献[8]提出了一种基于OFDM传输方式的认知无线电系统频谱感知和功率分配的联合算法, 实现了检测门限和功率分配的联合优化。 文献[8]的研究针对单用户场景,对于更为普遍的多用户情形并不适合。本文在文献[8]的研究基础 上,提出一种多用户频谱感知和频谱分配的联合优化算法。该算法在构建目标函数时考虑了非理想感知, 并通过迭代求得频谱分配和检测门限的近似最优解。仿真表明,联合优化算法相对于设计达到了较 好的系统性能。 1 系统模型和问题描述 1.1频谱感知模型和用户间干扰分析 假设存在Ⅳ个子载波,带宽均为曰,其中A。,A ,…,A 表示每个子载波进行能量检测时的门限值,主 用户基站在子载波n上到次用户后的信道增益h 根据中心极限定理,可得第k个能量检测器在第n个 子载波上的输出: fN( ;,2Mo":) ;Ho. , 1Ⅳ( (1 h l + 2),2M(2 I hh I + 2) ) ;日 , 其中,N(/x, :)表示均值为 ,方差为or:的正态分布。M=2Taf,T表示感知时间, 表示采样点数。 表示加性高斯白噪声, . 表示不存在主用户信号的假设检验, . 表示存在主用户信号的假设检验。 那么可以得到每个子信道的检测概率和虚警概率分别为 g =Pr(N( (1 h I +or ),2M(2  lh I +or ) )>A )=Q ](2 一 [ ] ㈩ l76 信息工程大学学报 2011年 Pr 。n- n =——Pr了{ _V:: I —0 j}Pr{ 0 }j+ P三r { V VI n } Pr { V ;}  imd p“ — 。 — ; 扣 、 p c5 Pr{0 }=I—Pr{ }=口 是子信道n被主用户占用的先验概率,由主用户的状态模型决定。 1.2 问题描述 考虑非理想频谱检测,定义信任度函数W ,W 可以认为是频谱分配单元对于频谱感知单元判定子载 波n空闲次用户可以进行数据传输的信任度水平。如果噪声功率和信道增益h 确定,那么 是检测门 限A 的函数: = 一Pr 。 l }= i —三j CRBS的发射总功率,目标函数可以表示为 c6 对于认知无线电系统来讲,进行频谱分配的目标是最大化系统和容量。因此,考虑PU的干扰和 max K Bw ̄log2( + 卜, ’ (1一Wn)≤ (7) ( K )。 。 ∑∑P ,.≤P In 1 0 ≤1 。1一P: (A )≤口 P; (A )≤b (7)式中的第1个约束条件是主用户干扰的,第2个约束条件是CRBS总的发送功率的约束。第 3个约束条件中n 是信道分配指示函数,。 =1表示将信道n分配给了次用户|i},否则。 =0, Kakl,n≤ 是指一个子载波只能分配给一个SU,防止共道干扰,也简化了分析。第4、5个约束条件分别是对漏检概 率和虚警概率的。其中, 是CRBS在信道n上到次用户k的信道增益。 2非理想频谱检测条件下的频谱分配 (7)式是一个混合非线性规划问题,直接求解难度很大。观察(7)式发现,如果检测门限A 固定,当 子载波数目Ⅳ≥16时,系统满足频谱共享条件¨。。,可以通过Lagrange对偶优化方法求得近似最优频谱分 配o 和功率分配P ;而如果P 固定,利用Lagrange方法可以求得最优检测门限A 。通过迭代求解, (7)式可以得到有效解决。 2.1 子载波分配和功率分配 当检测门限A 固定,通过Lagrange对偶优化方法可以求得最优功率分配: (专一彖) 其中, ㈩ y=ln2 ̄( max) (9) 其中,P、 =[ , ,…, ]为Lagrange乘子。这样就得到了每个次用户功率分配的的最优解。 那么对第 n个子载波而言,通过对K个用户进行穷尽搜索,寻找用户k 满足: [ (1og2(一+ p*lss *,-tx=P 】 (10) 第2期 胡首都等:一种认知无线电系统频谱分配和频谱感知联合设计 177 k 表示分配得到子载波凡的用户,令P =P ..n,且对于所有的k≠k ,P =0,以满足 口 ≤1。 最后,还需要进行Lagrange乘子更新,一般的方法是采用基于次梯度算法进行迭代直到达到收敛。就 本文而言,P、 的更新过程可表示为 ¨’= 一/3,g ̄”】 = 一/3,(P…一 。 )】 (11) 【 “’=【 “ 一/3,g二 ]=[ 一卢 ( ’一 ∑.∑,P g )] 其中,t表示迭代的次数,( , )表示A的次梯度, 表示迭代步长,必须选取合适的 以保证迭代无论 在什么初始值的情况下均能达到收敛。 2.2最优化检测门限 当噪声功率 确定,根据漏检概率和虚警概率门限,结合(2)式和(3)式,可以得到检测门限范围c ≤A ≤d 。如网络环境确定且P』I 固定,(7)式是一个关于A 的非线性凸优化问题,可以写出Lagrange 函数: (A,A, , 卢):∑卢): N, (A n)’f(  。圭. 1og2f( 1+ 立 1 1一 (A 一 n_。c n)一)_ n/3.(A 一d ) ) (12) 其中,a≥0, ≥0为Lagrange乘子,那么通过KKT条件可得,最优检测门限为 = g:( + , ( =o) …) 更新Lagrange乘子: fa ‘ ¨=[ ”一7 g o] =【 :”一.r。(c 一A )】 (15) I卢:‘ ¨=[卢:“一r。g 】 =[卢:”一r (d 一A )】 其中,t表示迭代的次数,(g ,g )表示a、卢的次梯度,r 表示迭代步长,必须选取合适的下。以保证迭代无 论在什么初始值的情况下均能达到收敛。 算法步骤如下: ①初始化Lagrange乘子和检测门限A ; ②根据初始化检测门限A ,由(5)式,求解初始信任度函数 ; ③根据当前Lagrange乘子P(t),/.t(t),由(7)、(9)、(10)式迭代求解最优功率分配和子载波分配P 和Gk’, ; ④由P 和口 ,根据当前Lagrange乘子 (t),卢(t),由(13)、(14)式迭代求解最优检测门限A, ; ⑤根据A ,由(7)、(9)、(10)式再次进行功率分配和子载波分配。 3仿真和性能分析 仿真网络环境由一个CRBS和K=8个次用户组成,当前网络中可用子载波个数N=36,子载波带宽 B=0.3125×10 。信道增益^ , :“和 均服从均值为一10dB的瑞利分布。 和or 均为均值为l0I2 的高斯白噪声。采样点数 =50,漏检概率o 和虚警概率门限值b 分别为0.2和0.3。g 在(0,1)内均 匀分布。 为说明联合设计的优越性,本文将联合设计与固定检测门限优化子载波分配和固定发射功率优化检 测门限2种方法进行了对比。在固定检测门限方法中,将检测门限设定为各个信道上测得的噪声值。在 固定发射功率方式中,如已知P…,将子载波/7,上的发射功率固定为P x/Ⅳ。图1给出了系统和容量随主 用户干扰温度门限, 的变化曲线,发射总功率P…=1W。从图中可以看出,3种方法的系统和容量 都随, 增大而提高。联合设计的性能优于其它两种设计方法,特别是当 较小时,联合设计性能上 的优越性尤其明显。 178 信息工程大学学报 2011年 图2给出了系统和容量随主用户干扰温度门限P…的变化曲线,发射总功率,l^=0.1W。从图2 可以看出,3种方法的系统和容量都随P 增大而提高,联合设计的性能仍然优于其它两种方法,由此可 以看出进行联合设计的必要性。 D 至 ! 血I】 足 删 体 螺 擦 垛 主用户干扰温度门限(W) 图1 系统和容量随主用户干扰温度变化曲线 总发射功率(w) 图2 系统和容量随总发射功率变化曲线 4 结束语 以最大化系统和容量为设计目标,在主用户干扰和认知用户总的发射功率的下,提出了一种基于 OFDM传输方式的认知无线电系统的多用户频谱感知和子载波、功率分配联合算法,并通过迭代的方法分 别求得最优频谱分配和检测门限。该算法的特点在于:①比较全面的分析了非理想检测对系统的影响;② 提出了信任度函数来体现频谱分配单元对频谱感知结果的信任程度,尽可能消除非理想检测的影响;③通 过迭代,求得频谱分配和检测门限的近似最优解。理论分析和仿真结果表明,联合设计计算复杂度略有提 高,但系统和容量性能明显优于设计。 参考文献: Mitola J,Maguire G Q.Cognitive radio:Making software radios more personal[J].IEEE Pers.Commun,1999,6(4): 13.18. 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