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《電視技術(shù)雜志》2014年第十一期
1寬帶頻譜感知系統(tǒng)模型
設(shè)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)有N條連續(xù)的授權(quán)用戶信道，這些信道拼接在一起，構(gòu)成一段寬帶頻譜。圖1是非授權(quán)用戶系統(tǒng)模型圖。從圖1看出，非授權(quán)用戶系統(tǒng)由1個基站和N個非授權(quán)用戶組成。非授權(quán)用戶的感知有一個固定的周期，此周期包括感知時隙和傳輸時隙。在感知時隙里，采用寬帶頻譜感知方法，首先基站進(jìn)行信道的檢測，接著基站把所得到的感知信息傳遞給非授權(quán)用戶，然后非授權(quán)用戶結(jié)合感知信息對信道傳輸功率作相應(yīng)調(diào)整。在傳輸時隙里，非授權(quán)用戶利用多信道同步傳輸數(shù)據(jù)給基站。假設(shè)非授權(quán)用戶具有相同的最大發(fā)射功率。若信道感知為非占用即空閑，則非授權(quán)用戶的傳輸功率為P，相反地，若信道感知為占用即繁忙，則傳輸功率為lnP，ln為功率控制因子。這與順序感知不一樣，感知信道時單非授權(quán)用戶在串并S/P轉(zhuǎn)換器和高速模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，使用一組能量檢測器同時感知多授權(quán)用戶信道。
在以前的寬帶頻譜接入算法中，基站采用寬帶頻譜感知方法，通過一組能量檢測器，對多條授權(quán)用戶信道同時進(jìn)行檢測，致使計(jì)算量相當(dāng)大。在有些特定信道中，非授權(quán)用戶如果采用Underlay接入策略直接接入比感知后接入得到的平均吞吐量會更大。比如，某條信道有較低的空閑概率Pn(H0)，或該信道上授權(quán)用戶可容忍較大的干擾功率In，則不用感知此信道，而被看成是占用的。但是，假如該信道的信噪比gn偏低，那么非授權(quán)用戶檢測此信道就需要較長的感知時間。在寬帶頻譜感知模型中各授權(quán)用戶信道的感知時間相同，而個別信道感知時間偏大，會延長系統(tǒng)總的感知時間，進(jìn)而對系統(tǒng)吞吐量和總的傳輸時間帶來極大的影響。為了解決該問題，本文提出一種低復(fù)雜度寬帶頻譜混合接入算法。在感知時隙里，基站對信道進(jìn)行選擇性感知，使計(jì)算量得以有效控制。假設(shè)信道n未被選擇感知，非授權(quán)用戶接入傳輸功率是λnP。本文所設(shè)計(jì)的基于QoS的寬帶混合接入算法中，基站將按照一種最優(yōu)的感知信道選擇順序選擇信道。在寬帶頻譜感知的基礎(chǔ)上，全部信道的感知時間相同，此算法假定非授權(quán)用戶在檢測某條子信道時，在別的子信道不能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以確保非授權(quán)用戶間的同步。若該信道沒被選擇感知，則需要等待，當(dāng)其他信道感知結(jié)束，才開始傳輸數(shù)據(jù)。通過以上公式的分析得到:信道n的信噪比gn越低，非授權(quán)用戶感知時間越長。從這里可以看出，信道的選擇并不是最優(yōu)的，信道的感知時間直接受制于其信噪比，進(jìn)而給系統(tǒng)的吞吐量和傳輸時間帶來影響。為了使系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到最大化，本文設(shè)計(jì)一種最優(yōu)信道選擇順序:θ1，θ2，…，θN，以便于感知及檢測那些合適的信道。依據(jù)該最優(yōu)感知信道順序，非授權(quán)用戶首先進(jìn)行計(jì)算Ak+1，接著選擇合適信道。ΔUk+1=0是停止選擇信道的最優(yōu)準(zhǔn)則，非授權(quán)用戶選擇所有的信道進(jìn)行感知將會是最壞情況。
3仿真實(shí)驗(yàn)與分析
在這里，為了分析算法的優(yōu)劣，將本文提出的基于QoS的低復(fù)雜度寬帶混合接入算法(這里簡單記作QoS_WM)和文獻(xiàn)［15］中的寬帶混合接入算法(這里簡單記作WM)進(jìn)行了不同情況下的仿真對比實(shí)驗(yàn)。設(shè)每條寬帶平均分成多條子信道，每條子信道固定帶寬B=1MHz，非授權(quán)用戶的感知周期T=50ms，子信道能量檢測的判決門限值εn=2。非授權(quán)用戶按照給定的最優(yōu)感知順序，依次判決信道，最后找出最優(yōu)感知信道。信道不同，則信道的最小感知時間也不同，因而不同的算法有不同的信道選擇。圖3表示，非授權(quán)用戶系統(tǒng)在QoS_WM算法中得到的吞吐量最大。由于同時考慮感知時間和信道的期望傳輸速率這兩個因素，所以非授權(quán)用戶才選擇了更優(yōu)的感知信道。若非授權(quán)用戶僅僅依據(jù)信道的期望傳輸速率選擇信道，則那些信噪比很低的信道由于感知時間偏長而延長整個系統(tǒng)的感知時間，進(jìn)而降低系統(tǒng)吞吐量。在圖3中可以看出，干擾因子m越小時，QoS_WM算法比WM算法有明顯的優(yōu)勢。原因在于，當(dāng)m越小，即In越大時，QoS_WM算法與WM算法二者相比，非授權(quán)用戶在前者算法里找到最優(yōu)感知信道越簡便、快速，因而獲得的吞吐量越大。
4結(jié)語
本文提出了一種面向QoS的低復(fù)雜度寬帶頻譜接入算法。在該算法中，對于多授權(quán)用戶信道，非授權(quán)用戶采用寬帶頻譜感知方法進(jìn)行感知，然后以混合接入方式接入各授權(quán)用戶信道。為了改善系統(tǒng)的吞吐量和系統(tǒng)總的輸時間，給出了最優(yōu)的信道感知順序，選擇合適的感知信道，這樣系統(tǒng)總的計(jì)算量能得到有效的減小，進(jìn)而有效減少對授權(quán)用戶系統(tǒng)的干擾并最大化非授權(quán)用戶系統(tǒng)的吞吐量。接下來將研究把本文算法拓展到多個非授權(quán)用戶協(xié)同感知及傳輸?shù)膽?yīng)用中去。
作者：李文琴高任單位：長江師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院武漢大學(xué)電信學(xué)院