一種空時(shí)二維聯(lián)合頻譜感知區域劃分方案

第38卷第5期系統工程與電子技術(shù)Vol 38 No 52016年5月Systems Engineering and ElectronicsMay 2016文章編號:1001-506X(2016)05-1146-07網(wǎng)址:www.sys-ele.com一種空時(shí)二維聯(lián)合頻譜感知區域劃分方案阮麗華,李勇,程偉(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,陜西西安710072)摘要:認知無(wú)線(xiàn)電空時(shí)二維聯(lián)合頻譜感知技術(shù)可以有效利用認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )的二維頻譜資源,該文提岀種空時(shí)異構認知網(wǎng)絡(luò )區城劃分方案的設計方法。新的設計方法依據IEEE802.22標準和應用需求,建立了一種魯棒性空時(shí)二維感知模型,并明確定義了認知無(wú)線(xiàn)恵網(wǎng)絡(luò )構架的主用戶(hù)分布邊界保護邊界和感知邊界;基于認知用戶(hù)對主用戶(hù)通信中斷概率的條件約東,嚴格推導出了3種邊界條件的數學(xué)閉式解。采用新的設計方案,在保證主用戶(hù)通信功率和認知用戶(hù)最大允許通信功率的條件下,能夠靈活確定主用戶(hù)分區和認知用戶(hù)的 Overlay及Underlay接入模式。理論分析和仿真結果表明,新的區域劃分方案在保證主用戶(hù)良好通信質(zhì)量的前提下,能夠實(shí)現認知用戶(hù)在空間維度更有效的分配和接入可用頻譜資源。關(guān)鍵詞:認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò );頻譜感知;空時(shí)二維聯(lián)合感知;區域劃分中圖分類(lèi)號:TN915.01文獻標志碼:ADOI:10.3969/j.issn.1001506X.2016.05.27Novel region division approach for joint space-time spectrum2-dimensions sensing in cognitive radioRUAN Li-hua, LI Yong, CHENG W(School of Electronics and In formation, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)Abstract Joint space-time sensing can effectively explore spectrum resources from 2-dimensions in cognitive radio networks, A novel region division approach is proposed to clarify the structure of the heterogeneouscognitive radio network. According to the application requirements of the IEEE 802. 22 standard, the nevproach establishes a space-time robust sensing model. Primary user(PU) distribution region, protection regioand secondary user(SU) sensing region are clearly defined. By restricting the outage probability of the primaryuser, closed-form bounds of three regions are obtained. Based on the transmission power of the Pu and themaximum transmission power of the su, the proposed approach can flexibly determine user distribution regionsind the Overlay and Underlay access modes of the SU. Numerical and simulation results verify that the pro-posed approach can guarantee the communication quality of the PU, and exhibit more flexibility and efficiency inspatial spectrum resources allocation and accessKeywords: cognitive radio networks; spectrum sensing joint space-time 2-dimensions sensing; region division0引言于實(shí)際場(chǎng)景感知網(wǎng)絡(luò )模型的研究還很有限。經(jīng)典的頻譜感知關(guān)注時(shí)間上的頻譜機會(huì ),即在某個(gè)時(shí)隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,現有的頻譜資源已無(wú)間段內,主用戶(hù)空閑,認知用戶(hù)可以利用授權的頻段進(jìn)行通法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的業(yè)務(wù)需求,文獻[1]于1999年提出了認信。然而,空時(shí)二維的頻譜感知認為認知用戶(hù)不僅擁有時(shí)知無(wú)線(xiàn)電( cognitive radio,CR)的概念。CR可以較好解間上的頻譜機會(huì ),還可以根據其地理位置進(jìn)行更加靈活的決目前靜態(tài)頻譜分配策略與頻譜需求之間的矛盾。近年頻譜接入。文獻[4-5]提出了一種帶有禁聲區( no-talk re來(lái),認知無(wú)線(xiàn)電多維頻譜感知技術(shù)越來(lái)越受到重視,其gion,NR)的異構感知策略。文獻[6]提出了認知用戶(hù)采用中,空時(shí)二維聯(lián)合的頻譜感知是當前研究熱點(diǎn)?，F有的研功率控制技術(shù)利用空間位置進(jìn)行 Underlay模式下的通信究主要圍繞認知用戶(hù)感知機制和門(mén)限算法等方面進(jìn)行,對文獻[7-8研究了空時(shí)感知模型下的檢測及虛警準則,提收稿日期:2015-09-10;修回日期:2015-10-22;網(wǎng)絡(luò )優(yōu)先出版日期:2015-11-23網(wǎng)絡(luò )優(yōu)先出版地址:htp:www.cnki.net/kcms/detail/11,2422.TN.20151123.1324,008.html第5期阮麗華等:一種空時(shí)二維聯(lián)合頻譜感知區域劃分方案1147·出了在NR區域內利用認知用戶(hù)接收機協(xié)作感知的策略,OFF兩種狀態(tài),分別H1和H。表示,H1概率為p,則認知并給出了奈曼皮爾遜準則下的門(mén)限公式?？諘r(shí)二維感知的用戶(hù)感知信號可以用二元假設模型表示:網(wǎng)絡(luò )構架在文獻[9]中進(jìn)行了初步研究。文獻[10-13]對空時(shí)二維感知模型中認知用戶(hù)感知時(shí)間結構及吞吐量關(guān)系Jw(n),Ho進(jìn)行研究。本文認為感知模型的網(wǎng)絡(luò )結構劃分是空時(shí)二維√P(r,分)x(n)+w(n),H1聯(lián)合頻譜感知的關(guān)鍵問(wèn)題之一,而現有研究中對于模型邊式中,P(r,代表了距離主用戶(hù)發(fā)射機為r的認知用戶(hù)所界的定義較為模糊接收到的信號功率,是距離r和原信號發(fā)射功率:的函數;文獻[9]提出了一種基于認知用戶(hù)對區域邊界主用戶(hù)(n)表示接收到的歸一化認知用戶(hù)信號的采樣;c(n)是噪干擾約束的空時(shí)感知區域的劃分策略,給出了區域劃分的聲采樣點(diǎn),通常假定其服從0均值,方差為的高斯分布閉式表達式。然而,這種劃分方式僅從數學(xué)推導的角度出(n)是認知用戶(hù)對接收信號的采樣發(fā),缺乏對實(shí)際應用場(chǎng)景的考慮,并且邊界確定方法缺乏靈傳統的能量檢測的檢測統計量為信號N點(diǎn)采樣能量活性。根據EEE802.22標準所規定的魯棒性感知要求,的累加和Y,根據中心極限定理,Y在H1和H假設下分本文提出了一種新的空時(shí)異構區域劃分策略,嚴格推導了別近似服從于兩種正太分布,對于設定的判決門(mén)限入,認知空時(shí)二維認知網(wǎng)絡(luò )的區域定義和數學(xué)表示。所提出的策略用戶(hù)正確檢測到主用戶(hù)信號的概率,即檢測概率為在保證主用戶(hù)通信質(zhì)量的前提下,可以靈活分配認知用戶(hù)P,=PY>xH1}=Q(A=(0+P()(2)的空間頻譜資源,提高頻譜利用效率N(a2+P(r,)主用戶(hù)空閑,而認知用戶(hù)判決其存在,即虛警概率為Ⅰ空時(shí)二維聯(lián)合頻譜感知基本模型P,=P(Y>A1H1}=Q(-)(3)在空時(shí)二維聯(lián)合頻譜感知中具有異構頻譜機會(huì )的認知對于空間上的頻譜機會(huì ),用S表示認知用戶(hù)位于保護絡(luò )模型如圖1所示”。區域之內,S。表示認知用戶(hù)位于保護區域之外。則空間頻譜機會(huì )模型可以表示為0主用戶(hù)發(fā)射視S1:0h(2)保護區域(Dp)P(Y>A|H,\p+P(Y>X| H,)(1-p),DA|H1},0