一種基于分組的合作感知方法

摘要：頻譜感知是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)，合作感知由于能在一定程度上消除多徑和陰影衰落影響而得到廣泛的關(guān)注。研究利用地理位置信息估計(jì)出認(rèn)知用戶信噪比，在此基礎(chǔ)上提出一種認(rèn)知用戶和信道分組的合作感知方法，減少了每個(gè)用戶所要感知的信道數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)感知時(shí)間的成倍降低。仿真結(jié)果表明，該方法在檢測性能下降不大的情況下能顯著地減少感知時(shí)間。
關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；頻譜感知；合作感知；地理住置信息

0 引 言
隨著無線電應(yīng)用的空前增長，頻譜資源變得日漸稀缺。另一方面，許多已分配的頻段在一定的時(shí)間和空間內(nèi)出現(xiàn)大量閑置，利用率不高。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的報(bào)告估計(jì)，70％的無線電頻譜利用率不高，而少數(shù)沒有被分配的頻譜由于大量使用，則已經(jīng)顯得擁擠不堪。顯然，需要一種能發(fā)現(xiàn)頻譜在時(shí)間和空間上的空閑狀態(tài)并能動(dòng)態(tài)地接入的技術(shù)來解決這個(gè)問題，從而提高頻譜利用率。認(rèn)知無線電就是為了達(dá)到上述目的而產(chǎn)生的一種技術(shù)，它不但能感知外部無線電環(huán)境并能從以前的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，從而能動(dòng)態(tài)地接人未被使用的頻譜，并且不影響已授權(quán)用戶的正常使用。頻譜感知作為實(shí)現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵技術(shù)之一顯得格外重要。頻譜感知要求認(rèn)知用戶能在一段頻帶上快速準(zhǔn)確地檢測出頻譜空穴來動(dòng)態(tài)地接入未被使用的頻譜，從而提高頻譜的利用率。為了不影響主用戶的正常通信從而要求認(rèn)知無線電能在低信噪比下快速準(zhǔn)確地檢測出主用戶信號，由于無線電環(huán)境中存在多徑和陰影等各種衰落，使得單用戶檢測存在諸如“隱蔽終端”等問題而很難滿足主用戶的保護(hù)要求，合作感知能在一定程度上消除上述的多徑衰落和隱蔽終端等問題從而能提高檢測概率。
文獻(xiàn)假定各個(gè)認(rèn)知用戶知道與主用戶的距離，從而估計(jì)出信噪比，其指出參與合作的用戶數(shù)并不是越多越好，將一部分信噪比高的用戶參與感知比所有用戶都參與合作性能要好。現(xiàn)實(shí)中由于無線電傳輸環(huán)境的復(fù)雜性以及主用戶距離的不確定性，不同位置上的傳播特性也不同，信噪比很難實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得；在此提出利用地理位置信息的一種分組合作感知方案，利用地理位置信息可以得到各個(gè)認(rèn)知用戶與主用戶的距離以及無線電的傳輸環(huán)境特性，從而估計(jì)出大致的信噪比；由于通常的合作感知每個(gè)用戶要對所有信道進(jìn)行檢測，感知時(shí)間長，現(xiàn)將認(rèn)知用戶和信道進(jìn)行分組，每組認(rèn)知用戶分別只對部分信道進(jìn)行檢測，這樣相對于通常的合作感知可以大大降低檢測時(shí)間，相對于單用戶感知又可以克服多徑和陰影衰落，并且在每一組中通過對不同認(rèn)知用戶賦予不同的權(quán)值來改善檢測性能。

1 分組合作感知方法
1．1 系統(tǒng)模型
所用的系統(tǒng)模型是基于IEEE 802．22中所考慮的TV頻段，如圖1所示，主用戶(PU)為固定的TV發(fā)射機(jī)，其發(fā)射功率P和位置已知，其覆蓋半徑為R。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在主用戶的覆蓋范圍之內(nèi)，且其覆蓋半徑為r遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R，它由一個(gè)認(rèn)知基站(BS)和N個(gè)均勻分布在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)范圍之內(nèi)的認(rèn)知用戶(CR)組成，認(rèn)知基站(BS)距主用戶發(fā)射機(jī)的距離為R1，考慮在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)不同地點(diǎn)的無線電傳播特性有所不同，從而認(rèn)知用戶接收到的來自PU信號的路徑衰落因子α也有所不同。假定每個(gè)CR都有定位功能，如裝有GPS接收機(jī)，從而能確定自己和主用戶的距離和大致的無線電傳播環(huán)境(城市，郊區(qū)，農(nóng)村)，并可估計(jì)出各自的信噪比，第i個(gè)CR的信噪比由式(1)計(jì)算：

其中：di為第i個(gè)CR與PU的距離；αi是它所經(jīng)歷的路徑衰落因子，通常認(rèn)為衰落因子在自由空間中為2，平原為3，丘陵為3．5，郊區(qū)和農(nóng)村為4，市區(qū)和高樓為4．5；N0為噪聲功率；N為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中總的用戶數(shù)。

1．2 合作感知方案
根據(jù)主用戶的保護(hù)要求在認(rèn)知無線電中需要對主用戶進(jìn)行周期為Tp的周期性感知，Tp的大小由主用戶所能容忍的干擾時(shí)間決定。一般的合作感知方法中，每個(gè)認(rèn)知用戶需要對信道逐個(gè)地進(jìn)行感知，當(dāng)信道數(shù)增加時(shí)，感知時(shí)間Ts也隨之線性增長，每個(gè)周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間Tp一Ts也相應(yīng)減少，從而導(dǎo)致有效的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間下降。文獻(xiàn)指出，當(dāng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中存在一定數(shù)量的認(rèn)知用戶時(shí)，隨著參與合作的用戶數(shù)的增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的檢測性能會(huì)先上升后下降，圖2給出了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中總用戶數(shù)為500時(shí)，選取信噪比高的不同數(shù)目的用戶參與合作感知，在“與”、“或”判決準(zhǔn)則下的檢測性能，結(jié)果表明將一部分高信噪比的用戶參與感知比所有用戶都參與合作感知性能要好。文獻(xiàn)指出，空間位置鄰近的用戶所經(jīng)歷的衰落往往存在相關(guān)性，所以用戶分散在大的區(qū)域里進(jìn)行合作感知比用戶集中在一小塊范圍內(nèi)進(jìn)行合作感知更有效。文獻(xiàn)將合作按信噪比(SNR)不同分為3種情形考慮：當(dāng)所有用戶SNR接近時(shí)，合作能顯著地改善網(wǎng)絡(luò)整體的檢測性能；當(dāng)有一部分用戶SNR相對比較高時(shí)，合作對SNR高的用戶性能改善不大；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在某一用戶的SNR遠(yuǎn)高于其他用戶時(shí)，合作的性能還不如一個(gè)高SNR用戶的檢測性能。