寬帶認知無線電功率聯(lián)合分配的研究

寬帶認知無線電功率聯(lián)合分配的研究

無線通信通過檢測用戶，并提供一個機會使用免費通話，以提高現(xiàn)有光譜資源的利用率。1寬橋檢測、廣播和譜法1.1寬帶認知無線電為了提高用戶通信吞吐量的需要,越來越多的授權(quán)用戶采用寬帶通信模式,授權(quán)用戶可以在多個子信道上同時傳輸數(shù)據(jù),因此通信質(zhì)量會有大幅度提高.由于子信道在特定的時間和地理區(qū)域上所處的衰落環(huán)境不相同,授權(quán)用戶往往僅使用質(zhì)量較好的子信道進行通信,因此會剩下一些未被使用的空閑子信道,這些空閑子信道可以為認知無線電提供頻譜接入.如圖1所示,寬帶認知無線電使用寬帶授權(quán)用戶未使用的空閑子信道接入頻譜,通過同時利用多個空閑子信道進行通信,吞吐量會獲得提高.1.2信號與能量檢驗認知無線電最常用的頻譜檢測方法是能量檢測.這是因為匹配濾波器檢測須要知道授權(quán)用戶的先驗信息,循環(huán)特征檢測復(fù)雜度高、處理時間長.實際應(yīng)用中,認知無線電無法獲知授權(quán)用戶的信息,并且為避免干擾授權(quán)用戶,需要較快的檢測速度.能量檢測由于不需要信號的先驗信息,并且執(zhí)行簡單、檢測速度快,而被廣泛的使用.考慮包括L個子信道的寬帶頻譜,能量檢測首先對各子信道的接收信號分別進行M個點的采樣.信道l(l=1,2,…,L)上的信號樣本為y能量檢測將子信道l上M個信號采樣點的能量進行累加,獲得能量統(tǒng)計值T通過將T式中:N(a,b)為均值為a方差為b的高斯分布;γ式中函數(shù)將式(6)帶入式(4),P1.3認知無線電模型認知無線電傳輸前須要檢測各子信道的授權(quán)用戶,只有檢測到子信道空閑時,認知無線電才能接入頻譜.如圖2所示,認知無線電采用先檢測后傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu),假設(shè)幀周期為T,傳輸時間T認知無線電在子信道l上的數(shù)據(jù)傳輸分為兩種情況a.認知無線電正確檢測到授權(quán)用戶不存在,因而可以使用子信道而不受到任何干擾,該情況發(fā)生概率為1-P式中pb.認知無線電錯誤檢測到子信道空閑,因而與授權(quán)用戶共同使用子信道并且互相產(chǎn)生干擾,該情況發(fā)生概率為1-P式中E式中P2檢測時間和子信道功率的優(yōu)化聯(lián)合分配的目標是:在保證各子信道的虛警概率、檢測概率及總功率滿足需求的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化檢測時間和子信道功率,最大化認知無線電的吞吐量.根據(jù)式(7)~(11),優(yōu)化問題表示為式中:α和β分別為虛警概率上限和檢測概率下限;p優(yōu)化問題(12)是關(guān)于τ和向量p={p2.1r算法首先固定向量p,式(12)轉(zhuǎn)化成關(guān)于τ的一元優(yōu)化問題.由式(7)可知:P對于所有L個子信道,式(14)均要滿足,即τ≥max{μ定理1式(15)屬于凸優(yōu)化問題.證明等價于證明當0≤τ≤T時,R(τ)能夠取得最大值.R(τ)的一階和二階偏導(dǎo)數(shù)可分別表示為函數(shù)0≤Q(x)≤1,根據(jù)式(16)得到因此存在0≤τ≤T使得R′(τ)=0,即R(τ)能夠獲得極值,下面說明該極值為最大值采用二分搜索算法獲得τ值,計算復(fù)雜度為O(lb(D)),其中D為窮舉算法的復(fù)雜度步驟1求μ步驟2根據(jù)式(16),若R′(τ)≤0,則最優(yōu)感知時間τ步驟3令τ′=0.5(τ步驟4若R′(τ′)≥0,則τ步驟5反復(fù)執(zhí)行步驟3和4直至|τ步驟6τ2.2率向量p的優(yōu)化問題描述當τ固定時,式(12)轉(zhuǎn)化為關(guān)于子信道功率向量p的優(yōu)化問題,表示為式中:η=T-τ;ξ式中λ為拉格朗日乘子.最優(yōu)解可以由ue3ecU(p)/ue3ecp實際中p特別地,當E2.3交替方向乘子法采用交替方向優(yōu)化算法求解檢測時間和子信道功率的聯(lián)合分配,即交替地固定其中一個變量優(yōu)化另一個變量,直到兩個變量均達到收斂步驟1初始化迭代次數(shù)k=0,p步驟2給定p步驟3給定τ步驟4k=k+1.步驟5重復(fù)執(zhí)行步驟2~4直至|τ3力不強，力較低仿真中,寬帶包含L=10個子信道,采樣頻率f圖3是假設(shè)當T=5ms和β=0.9,最大總功率p可行性;并且聯(lián)合分配算法能夠使認知無線電獲得最大的吞吐量.當τ較小或較大時,R均有所下降.這是因為τ較小,認知無線電的頻譜檢測性能低,導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)空閑信道的能力也較低;當τ較大時,認知無線電的檢測時間較長,導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的時間減少.圖4是假設(shè)當T=5ms和p圖5是當T=5和3ms時,聯(lián)合分配和文獻[3,11]提出的感知-吞吐量折中方案的認知無線電吞吐量比較.可以看出:聯(lián)合分配的性能明顯好于折中方案,T=5ms時吞吐量最多提高10kbit/Hz.這是因為折中方案僅通過優(yōu)化檢測時間最大化吞吐量,而聯(lián)合分配兼顧檢測時間和子信道功率,能夠根據(jù)認知無線電的檢測性能合理分配檢測時間,以及根據(jù)各子信道的當前狀況合理分配發(fā)射功率,因此吞吐量有所提高.本文提出了檢測時間和子信道功率的聯(lián)合分配,用來提高寬帶認