认知无线电通信系统实现信息传输

认知无线电通信系统实现信息传输

1跃状态次用户认知无线技术是一种有效利用光谱资源的智能无线技术。它能够监测到法定许可无线电用户(主用户)使用频谱的情况。如果发现许可用户处于非活跃状态,即频谱资源处于空闲状态,认知无线电用户(次用户)就会见缝插针地使用空闲频谱进行通信。一旦许可用户想占用频谱,认知无线电用户就必须将频谱的使用权交还给许可用户,重新寻找空闲频谱。由于主用户占用频谱的随机动态性,次用户往往不能够充分感知主用户。本文建立的分布式双向开关模型增加了认知无线电对主用户的感知能力,并能根据主用户接入频谱特性动态改变认知无线电接收机和发射机工作模式,提高了通信效率。2基于采样频率的干扰噪声传统认知无线电使用接收机来感知主用户的活跃性,当发射机感知范围内存在活跃主用户时,发射机处于检测状态;一旦感知范围内出现空闲频谱,发射机会利用此频谱传递信息。由于接收机不能感知周围主用户的活跃性,接收信息时主用户信息作为干扰噪声进入接收机,因此降低了接收机两端的信噪比(SNR)。并且囿于感知范围,此系统不能充分感知整个认知无线电系统周围的住用户,在主用户活跃时,系统仍可以一定功率传送信息,信息将作为干扰噪声影响主用户之间的通信状况。传统的认知无线电系统,无法很好地解决主用户与次用户之间的协调性问题。3双开关流量模型3.1频谱洞穴检测模型我们依靠系统交互技术建立这个认知无线电模型。简单起见,我们只考虑一对次用户接收机和发射机,它们都有各自的感知区域。主用户A、B、C的位置如图1所示:假设接收机和发射机在各自的感知区域内可以很好的检测主用户状态,并且次用户发射机ST只能够检测主用户A和B的活跃性,即当A和B不活跃时,发射机可以检测到频谱空洞。同理,只有当主用户B和C不活跃时,次用户接收机能够检测到频谱空洞。由于感知区域的不同,发射机和接收机对频谱空洞的检测是不一样的。这个模型有两个显著的优点:(1)分布式特点:由于次用户发射机和接收机都有各自的感知区域,增大了只有发射机感知的区域范围。发射机和接收机通过信息共享提高了认知无线电系统的感知范围,减少了对主用户探测的不确定性。发射机和接收机之间的物理距离越大,它们之间的重叠区域越小,频谱环境的分布式越强,系统的感知范围就越大。(2)动态性特点:主用户的活跃性是动态的,整个时间段内,不同主用户在不同的频谱段内活跃性是随机的。本模型通过开关转换,提高了认知无线电系统感知主用户的动态性,减少了时间延迟,使得次用户发射机和接收机能够随时确定主用户的工作状况,减少了由于主用户的出现而带来的通信干扰。3.2信号状态的描述次用户发射机和接收机工作状态可以用一个二维状态变量St∈{0,1}来表示。如图2所示,变量St=0,开关打开接入PU,表示在发射机感知区域内,主用户处于活跃状态,没有可用的空闲频谱;St=1,开关关闭接入ST,表示发射机检测到感知区域内的空闲频谱,进入通信状态,信息被传送。接收机通过Sr来捕获其感知区域内主用户的活跃性,如果接收机在感知区域内没有检测到处于活跃状态的主用户,Sr=1,信息被接收;如果Sr=0,表示信道已被主用户占用,此信道被放弃需要寻求新的信道进行信息传输。状态变量St、Sr反映系统的分布式特性。发射机和接收机距离越远,系统的分布式越强,发射机和接收机的相关性越低。系统模型的信息交换速率反应了系统的动态特性,交换速率越高,系统的动态转换特性越强。根据以上分析,此用户发射端的输入信号X,和接收端的输出信号Y有如下关系:Z是附加在接收端的高斯白噪声。变量状态St、Sr描述了整个感知范围内信道的利用状态。由于发射机和接收机只能感知自身区域内主用户的活跃性,而相互之间无法感知;因此为了协调发射机和接收机之间的通信,我们假设发射机在发送信息的同时携带部分因子信息,这部分信息用来告知接收机发射机的感知状况。因此接收机可以知晓变量St、Sr的状态,而发射机仅仅知晓St工作状态。为了不干扰主用户之间的通信,发射机的平均发射功率被限制到P以内,当信号输入为高斯分布时,我们可以获得最大的信道容量(容量上限CS(P)):我们用变量G来表示上述因子信息。为了提高有效信息容量,由G引起的冗余信息不能够超过因子信息本身的平均信息量:H(G/Sr)是接收状态Sr下,因子信息G的平均息量。假设主用户的平均通信时间为Tc,则次用户发射机和接收机改变状态后将用Tc时间维持此状态不变。因此发射机每隔Tc时间向接收机发射因子信息G,提供当时的发射机感知状态。接收机通过因子信息G可以知晓变量St、Sr状态,因此CSt(SrG)=CSt,*。由(2)、(3)式可得到信道容量下限CSt,Sr(P):当输入处于高斯分布式,容量下限十分接近容量上限。随着Tc增加,边带下限迅速增至边带上限。因此系统模型的信道容量C(P)可以由下式近似表示:3.3基于感知范围的链路咀嚼为了研究认知无线电信道容量和系统感知范围之间的关系,我们假设次用户发射机和次用户接收机之间物理距离为d。主用户节点的随机活跃性用概率密度λ来表示。在区域A∪R2内感知到k个活跃主用户的概率:如图3所示,我们假设在主用户之间进行双向信息交换,每个主用户节点既可以发送信息又可以接收信息。次用户发射机和接收机的感知区域Ct、Cr,被假设成以ST,SR为中心的半径Rs圆形区域。在这个区域内可以对主用户进行充分感知,Rs是对次用户感知范围的度量,由主用户节点间可容忍的干扰容限来决定。因此(5)式的两个概率可由下式给出:将(7)、(8)式代入(5)式可以得到系统的信道容量C:感知半径Rs和发射机和接收机之间的距离d对系统的感知能力有直接的影响。随着Rs和d值的增加,感知范围随之增大。系统具有较强的分布式特性,其感知频谱范围得到了加强;系统对频谱的选择能力,以及对主用户的抗干扰性也随之增加。然而感知范围增加不一定带来更大的实际吞吐量。随着频谱分布式特性增强,主用户的活跃性、活跃范围也随之增加,这会增加认知无线电系统对主用户感知的不确定性,进而减小次用户链路的平均吞吐量。为了便于分析,假设P=1,我们绘制了基于感知半径Rs,和分布式距离d的链路吞吐量曲线图(如图4和图5所示)。图4、图5所有曲线都表示认知无线电链路层的吞吐量。这个结果验证了我们的推论。对于较大的感知范围,大量的频谱段加入次用户链路,传输非常可靠,重传的概率就很低。反过来,较大的感知范围也提高了主用户接入频谱的不确定性,增加了由于主用户加入导致次用户在链路中被剔除的概率;系统的分布式距离增加,频谱分布式特性增强,次用户接入新频谱的概率随之降低,因此认知无线电系统链路吞吐量有所下降。所以系统感知范围与链路吞吐量之间存在一个折衷,如图6、7所示,必须根据实际需求及环境状况,选择适当的Rs、d,获得另一系统满意的感知能力和吞吐量。4认知无线电通信模型限制无线移动通信快速发展的一个主要原因就是频谱资源紧张以及频谱分配方式缺乏灵活性。认知无线电通过使用主用户的空闲频谱而使频谱资源得到了有效利用。为了降低因为主用户出现,而对认知无线电用户带来的干