宽带认知无线电功率联合分配的研究

宽带认知无线电功率联合分配的研究

无线通信通过检测用户，并提供一个机会使用免费通话，以提高现有光谱资源的利用率。1宽桥检测、广播和谱法1.1宽带认知无线电为了提高用户通信吞吐量的需要,越来越多的授权用户采用宽带通信模式,授权用户可以在多个子信道上同时传输数据,因此通信质量会有大幅度提高.由于子信道在特定的时间和地理区域上所处的衰落环境不相同,授权用户往往仅使用质量较好的子信道进行通信,因此会剩下一些未被使用的空闲子信道,这些空闲子信道可以为认知无线电提供频谱接入.如图1所示,宽带认知无线电使用宽带授权用户未使用的空闲子信道接入频谱,通过同时利用多个空闲子信道进行通信,吞吐量会获得提高.1.2信号与能量检验认知无线电最常用的频谱检测方法是能量检测.这是因为匹配滤波器检测须要知道授权用户的先验信息,循环特征检测复杂度高、处理时间长.实际应用中,认知无线电无法获知授权用户的信息,并且为避免干扰授权用户,需要较快的检测速度.能量检测由于不需要信号的先验信息,并且执行简单、检测速度快,而被广泛的使用.考虑包括L个子信道的宽带频谱,能量检测首先对各子信道的接收信号分别进行M个点的采样.信道l(l=1,2,…,L)上的信号样本为y能量检测将子信道l上M个信号采样点的能量进行累加,获得能量统计值T通过将T式中:N(a,b)为均值为a方差为b的高斯分布;γ式中函数将式(6)带入式(4),P1.3认知无线电模型认知无线电传输前须要检测各子信道的授权用户,只有检测到子信道空闲时,认知无线电才能接入频谱.如图2所示,认知无线电采用先检测后传输的帧结构,假设帧周期为T,传输时间T认知无线电在子信道l上的数据传输分为两种情况a.认知无线电正确检测到授权用户不存在,因而可以使用子信道而不受到任何干扰,该情况发生概率为1-P式中pb.认知无线电错误检测到子信道空闲,因而与授权用户共同使用子信道并且互相产生干扰,该情况发生概率为1-P式中E式中P2检测时间和子信道功率的优化联合分配的目标是:在保证各子信道的虚警概率、检测概率及总功率满足需求的基础上,通过优化检测时间和子信道功率,最大化认知无线电的吞吐量.根据式(7)~(11),优化问题表示为式中:α和β分别为虚警概率上限和检测概率下限;p优化问题(12)是关于τ和向量p={p2.1r算法首先固定向量p,式(12)转化成关于τ的一元优化问题.由式(7)可知:P对于所有L个子信道,式(14)均要满足,即τ≥max{μ定理1式(15)属于凸优化问题.证明等价于证明当0≤τ≤T时,R(τ)能够取得最大值.R(τ)的一阶和二阶偏导数可分别表示为函数0≤Q(x)≤1,根据式(16)得到因此存在0≤τ≤T使得R′(τ)=0,即R(τ)能够获得极值,下面说明该极值为最大值采用二分搜索算法获得τ值,计算复杂度为O(lb(D)),其中D为穷举算法的复杂度步骤1求μ步骤2根据式(16),若R′(τ)≤0,则最优感知时间τ步骤3令τ′=0.5(τ步骤4若R′(τ′)≥0,则τ步骤5反复执行步骤3和4直至|τ步骤6τ2.2率向量p的优化问题描述当τ固定时,式(12)转化为关于子信道功率向量p的优化问题,表示为式中:η=T-τ;ξ式中λ为拉格朗日乘子.最优解可以由ue3ecU(p)/ue3ecp实际中p特别地,当E2.3交替方向乘子法采用交替方向优化算法求解检测时间和子信道功率的联合分配,即交替地固定其中一个变量优化另一个变量,直到两个变量均达到收敛步骤1初始化迭代次数k=0,p步骤2给定p步骤3给定τ步骤4k=k+1.步骤5重复执行步骤2~4直至|τ3力不强，力较低仿真中,宽带包含L=10个子信道,采样频率f图3是假设当T=5ms和β=0.9,最大总功率p可行性;并且联合分配算法能够使认知无线电获得最大的吞吐量.当τ较小或较大时,R均有所下降.这是因为τ较小,认知无线电的频谱检测性能低,导致发现空闲信道的能力也较低;当τ较大时,认知无线电的检测时间较长,导致传输数据的时间减少.图4是假设当T=5ms和p图5是当T=5和3ms时,联合分配和文献[3,11]提出的感知-吞吐量折中方案的认知无线电吞吐量比较.可以看出:联合分配的性能明显好于折中方案,T=5ms时吞吐量最多提高10kbit/Hz.这是因为折中方案仅通过优化检测时间最大化吞吐量,而联合分配兼顾检测时间和子信道功率,能够根据认知无线电的检测性能合理分配检测时间,以及根据各子信道的当前状况合理分配发射功率,因此吞吐量有所提高.本文提出了检测时间和子信道功率的联合分配,用来提高宽带认