《電子技術(shù)應(yīng)用》
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認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)中斷性能優(yōu)化研究
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第5期
宋耀蓮1,2， 酆廣增2， 習(xí)玄輝3， 唐菁敏1
1. 昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院， 云南 昆明 650504； 2. 南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 江蘇 南京 210003；3. 國(guó)家新聞出版廣電總局501臺(tái)， 云南 昆明650302
摘要： 研究了認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷性能優(yōu)化方法，提出了認(rèn)知節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率最大值受限和主用戶干擾功率受限條件下的最優(yōu)功率分配(OPA)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)感知時(shí)間使認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷性能最優(yōu)。仿真結(jié)果表明，最佳功率分配方案的中斷性能優(yōu)于等功率分配(EPA)方案，且存在最佳的感知時(shí)間使認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷性能最優(yōu)，在高信噪比區(qū)域采用多個(gè)認(rèn)知中繼協(xié)作傳輸可有效提高認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的中斷性能。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN929．53
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)05-0111-04
Research on outage performance optimization in cognitive multi-node relay networks
Song Yaolian1,2， Feng Guangzeng2， Xi Xuanhui3， Tang Jingmin1
1, Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technoloty, Kunming 650504, China;2. College of Telecommunications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003, China;3. 501 Station of the SAPPRFT, Kunming 650302, China
Abstract： In this paper, we investigate the optimization method of outage performance based on cognitive multi-relay networks, and propose optimal power allocation(OPA) method under the constraint of maximum of average transmit power of secondary users and the constraint of average interference power of primary user. Optimal sensing time is designed to minimize the outage probability of cognitive multi-relay networks. Finally, we conduct deep experiments which show that the outage performance of OPA scheme is superior to that of equal power allocation scheme. And there exists an optimal spectrum sensing time to optimize the outage performance of cognitive multi-relay networks. Furthermore, increasing the number of secondary relays can efficiently improve the outage performance of cognitive relay networks in high SNR region.
Key words : optimal power allocation; equal power allocation; spectrum sensing; cooperative transmission

    在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，采用有效的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制可提高認(rèn)知數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约巴ㄐ刨|(zhì)量。由于中繼協(xié)作通信能夠克服多徑衰落等不利因素的影響，近來(lái)，對(duì)認(rèn)知無(wú)線電和協(xié)作通信兩種最有前途的技術(shù)結(jié)合在一起的研究受到了廣泛關(guān)注。在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶首先必須檢測(cè)到并接入到空閑的授權(quán)頻譜，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中引入了多中繼傳輸技術(shù)。在參考文獻(xiàn)[1]和參考文獻(xiàn)[2]中研究了認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)在不同約束情況下的最佳功率分配技術(shù)。在主用戶干擾受限的情況下，聯(lián)合考慮中繼選擇和功率分配技術(shù)使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大[3-4]。參考文獻(xiàn)[5]研究了認(rèn)知中繼選擇和功率分配方案，提出了最佳的資源分配策略。參考文獻(xiàn)[6-7]對(duì)具有多中繼的認(rèn)知傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，解決了頻譜感知的選擇融合和最好中繼傳輸兩個(gè)問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[8-9]在新認(rèn)知無(wú)線電幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了干擾功率和發(fā)射功率受限條件下的最優(yōu)功率分配策略來(lái)最大化認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。上述對(duì)認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的研究中，還沒(méi)有針對(duì)認(rèn)知信源和認(rèn)知中繼總發(fā)射功率受限、認(rèn)知節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率最大值受限和干擾功率受限條件下的聯(lián)合研究，本文提出了在三種約束條件下，聯(lián)合優(yōu)化感知時(shí)間和功率分配方案來(lái)使認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)的性能最優(yōu)。
    本文將多中繼網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用到認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，研究認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)的最佳功率分配策略。與已有研究不同，本文聯(lián)合考慮了頻譜感知和認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)過(guò)程，在研究認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)最佳功率分配的同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)感知時(shí)間使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的中斷性能最優(yōu)。
1 系統(tǒng)模型
    協(xié)作通信可提高無(wú)線通信的可靠性，在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中采用多中繼協(xié)作通信，可使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量得到提高。在這里考慮具有N個(gè)認(rèn)知中繼的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。CS表示認(rèn)知信源，CR表示認(rèn)知中繼，而CD表示認(rèn)知目的端，PU表示主用戶。

    當(dāng)認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)的容量低于數(shù)據(jù)傳輸速率R時(shí)，認(rèn)知數(shù)據(jù)傳輸將發(fā)生中斷。在發(fā)射功率和干擾功率受限的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中要考慮到主用戶的活動(dòng)狀況及認(rèn)知用戶檢測(cè)錯(cuò)誤等情況，主要考慮三種情況引起的中斷。
　(1)當(dāng)主用戶不活動(dòng)且認(rèn)知信源檢測(cè)結(jié)果正確時(shí)，I<R將發(fā)生中斷。
   (2)主用戶不活動(dòng)，但認(rèn)知用戶判決結(jié)果錯(cuò)誤，即發(fā)生了虛警情況。
   (3)主用戶活動(dòng)，認(rèn)知用戶卻判決主用戶不存在，即發(fā)生了漏檢現(xiàn)象，認(rèn)知用戶繼續(xù)通信，當(dāng)I<R時(shí)發(fā)生中斷。這種情況將導(dǎo)致認(rèn)知用戶通信與主用戶通信相互干擾。
    上述三種情況不包含主用戶活動(dòng)，且認(rèn)知用戶正確檢測(cè)而保持沉默的情況，這是認(rèn)知用戶正確使用頻譜的情況，因此不稱(chēng)為中斷。認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)的總中斷概率可表示為:

 

 

    認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中各信道的衰落系數(shù)方差分別為(1,1,9)， &delta;0=10 dB時(shí),圖5的仿真結(jié)果表明OPA方案的中斷性能優(yōu)于EPA方案,增大Pav可有效提高認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的中斷性能，且存在最優(yōu)感知時(shí)間使認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷概率最小。采用OPA分配方案獲得的最佳感知時(shí)間略大于EPA方案。

    圖6比較了&delta;0不同時(shí)，2個(gè)認(rèn)知中繼時(shí)的中斷性能，可知當(dāng)&delta;0=5 dB時(shí)，單認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷性能優(yōu)于2中繼認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。而當(dāng)?酌0=15 dB時(shí)存在最佳感知時(shí)間使2中繼認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的中斷性能優(yōu)于單中繼認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。隨著&delta;0增大，最佳感知時(shí)間增大。
    本文深入研究了認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷性能優(yōu)化，在給定功率約束條件下，優(yōu)化感知時(shí)間和功率分配方案使認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷性能最優(yōu)。由仿真結(jié)果可知，在高信噪比區(qū)域，采用多個(gè)認(rèn)知中繼可有效提高認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的中斷性能。
參考文獻(xiàn)
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