协同频谱感知的多维度优化及判别准则
崔翠梅1，汪一鸣1，周刘蕾1，朱洪波2
【摘 要】摘 要:考虑认知用户传输功率受限，两认知用户与授权用户之间相对位置在三维空间任意分布，受到地理信息、射频环境和环境背景等多维因素影响，研究了一种无线环境下的判别协同感知性能优劣的模型，并通过相应的数值仿真验证所提的优化方案。研究结果表明:协同感知性能受到路径损耗指数、衰减因子、用户间相对位置变化和用户传输功率等多维参数的相互制约，但是在满足一定条件时存在优化的可能，甚至有很大优化空间。 【期刊名称】南京邮电大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2011(031)004 【总页数】6
【关键词】关键词:认知无线电;多维度优化;协同感知;概率增益;时间灵敏度
0 引言
在认知无线电网络(Cognitive Radio Net，CRN)中，CR用户需要发现并伺机利用周围无线环境中存在的可用频谱机会，实现在任一时间、地点的高可靠性通信和频谱有效利用［1］。因此，作为CRN核心技术的频谱感知技术，其目标是在保证授权用户免受干扰的前提下，实现感知的准确性和快速性的合理折中。不同的感知技术在感知的准确性和快速性上各显其优缺利弊。协同频谱感知技术［2－9］因其可以有效克服实际无线传播环境中多径衰落、阴影效应以及隐藏节点等不利因素对单用户感知所造成的负面影响而被广泛利用。 目前，关于协同频谱感知方面的研究工作，多数集中在如何利用多个认知用户的感知信息进行数据融合［2］以提高感知结果的可靠度。Ganesan 等［4］首
次将协作分集的概念运用于频谱感知当中，提出了基于(Amplify Forward，AF)协议的两认知用户协作频谱感知方案，即位于同一频段的两个认知用户U1和U2以TDMA模式工作，当U2接收到的授权用户信号功率信噪比比U1接收到的信号功率信噪比大时，U1在AF协议下选择U2作为中继用户，以改善其自身的检测性能。文献［4］分析了认知用户传输功率非受限时频谱感知的性能，文献［5－6］在文献［4］的基础上进行了拓展，深究了认知用户传输功率受限时其频谱感知的性能，但文献［4－7］都仅限于研究授权用户与两个认知用户相对位置处于同一直线上这一特定状态时的协作频谱检测性能。
而实际情况是授权用户与认知用户的位置在空间上是随机分布并且是移动的，在某个时刻，授权用户与两个认知用户这三者位置决定了三维空间的一个面，相对位置会影响协作性能。特别在城市、楼宇、山地等环境中，不同位置处的地理信息、射频环境和环境背景噪声也不尽相同，其频谱感知性能也因此更为复杂。此外，认知用户传输功率受限可以降低对合作用户的要求，甚至可以用于被动合作，因此更加符合实际情况。为此，本文基于CR用户传输功率受限的前提，考虑实际CRN中诸多复杂因素的影响，研究了一种无线环境下的判别协同感知性能优劣的模型，给出了协同感知的多维度优化方案，并在性能分析中提出了更具普遍意义的拓展命题。
下面的符号将用于本文:PU:主(授权)用户;U1，U2:认知(非授权)用户;P1:U1从PU接收信号功率的SNR;P2:U2从PU接收信号功率的SNR;PT:PU的最大传输功率限(SNR);P:U1的最大传输功率限(SNR):U2的最大传输功率限(SNR)G12:U1和U2间的平均信道增益(SNR)。
1 协同感知的优化模型
本小节主要描述信道模型和系统模型，并依据本文提出的新的三维系统模型来研究基于协同中继的频谱感知方案及其优化。 1.1 信道模型
假定各信道都经历瑞利衰落，不同认知用户所在信道相互独立。若发射信号为x，接收信号y为: y=fx+w
其中，f是信道衰落系数，为零均值复高斯随机变量;w是均值为0、方差为σ2w=1的加性复高斯白噪声，并且f与w之间相互独立。并假定有一个公共接收器与所有认知用户通信，各认知用户可以访问其信道状态信息。 1.2 系统模型
图1是一个有两认知用户的网络，认知用户U1和U2以TDMA模式工作在同一频带，并对公共接收器Rx(基站)发送数据。当授权用户PU要使用此频带时，U1和U2应能及时检测出PU的存在并采取相应的退避措施。为此，认知用户需实时地感知频谱。假设U1与授权用户PU之间存在阴影或深度衰落，U2与授权用户PU、U1之间不存在阴影或只有轻度衰落。各信道对称且相互独立，信号在接收端都经历了衰落并都含有均值为零、方差σ2w=1的加性复高斯白噪声。认知用户U1直接从授权用户PU处接收到的信号要比用户U2弱很多，显然U1需要更长的感知时间来感知PU是否存在，其感知能力也远不如U2。为了减小感知时间，提高U1感知成功的准确度，基于 Ganesan提出的协同方案［4－6］，在AF协议下利用接收信号强的认知用户U2作为U1的中继。通过协同中继，U1接收到的授权用户信号的信噪比可以得到增强，从而其频谱感知性能有望得到改善。
协同频谱感知的多维度优化及判别准则
