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《電視技術雜志》2014年第十一期
1寬帶頻譜感知系統模型
設認知無線網絡區域內有N條連續的授權用戶信道，這些信道拼接在一起，構成一段寬帶頻譜。圖1是非授權用戶系統模型圖。從圖1看出，非授權用戶系統由1個基站和N個非授權用戶組成。非授權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用戶，然后非授權用戶結合感知信息對信道傳輸功率作相應調整。在傳輸時隙里，非授權用戶利用多信道同步傳輸數據給基站。假設非授權用戶具有相同的最大發射功率。若信道感知為非占用即空閑，則非授權用戶的傳輸功率為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用戶在串并S/P轉換器和高速模數A/D轉換器的基礎上，使用一組能量檢測器同時感知多授權用戶信道。
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，對多條授權用戶信道同時進行檢測，致使計算量相當大。在有些特定信道中，非授權用戶如果采用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，會延長系統總的感知時間，進而對系統吞吐量和總的傳輸時間帶來極大的影響。為了解決該問題，本文提出一種低復雜度寬帶頻譜混合接入算法。在感知時隙里，基站對信道進行選擇性感知，使計算量得以有效控制。假設信道n未被選擇感知，非授權用戶接入傳輸功率是λnP。本文所設計的基于QoS的寬帶混合接入算法中，基站將按照一種最優的感知信道選擇順序選擇信道。在寬帶頻譜感知的基礎上，全部信道的感知時間相同，此算法假定非授權用戶在檢測某條子信道時，在別的子信道不能進行數據傳輸，以確保非授權用戶間的同步。若該信道沒被選擇感知，則需要等待，當其他信道感知結束，才開始傳輸數據。通過以上公式的分析得到:信道n的信噪比gn越低，非授權用戶感知時間越長。從這里可以看出，信道的選擇并不是最優的，信道的感知時間直接受制于其信噪比，進而給系統的吞吐量和傳輸時間帶來影響。為了使系統的吞吐量達到最大化，本文設計一種最優信道選擇順序:θ1，θ2，…，θN，以便于感知及檢測那些合適的信道。依據該最優感知信道順序，非授權用戶首先進行計算Ak+1，接著選擇合適信道。ΔUk+1=0是停止選擇信道的最優準則，非授權用戶選擇所有的信道進行感知將會是最壞情況。
3仿真實驗與分析
在這里，為了分析算法的優劣，將本文提出的基于QoS的低復雜度寬帶混合接入算法(這里簡單記作QoS_WM)和文獻［15］中的寬帶混合接入算法(這里簡單記作WM)進行了不同情況下的仿真對比實驗。設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。非授權用戶按照給定的最優感知順序，依次判決信道，最后找出最優感知信道。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，非授權用戶系統在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，所以非授權用戶才選擇了更優的感知信道。若非授權用戶僅僅依據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的感知時間，進而降低系統吞吐量。在圖3中可以看出，干擾因子m越小時，QoS_WM算法比WM算法有明顯的優勢。原因在于，當m越小，即In越大時，QoS_WM算法與WM算法二者相比，非授權用戶在前者算法里找到最優感知信道越簡便、快速，因而獲得的吞吐量越大。
4結語
本文提出了一種面向QoS的低復雜度寬帶頻譜接入算法。在該算法中，對于多授權用戶信道，非授權用戶采用寬帶頻譜感知方法進行感知，然后以混合接入方式接入各授權用戶信道。為了改善系統的吞吐量和系統總的輸時間，給出了最優的信道感知順序，選擇合適的感知信道，這樣系統總的計算量能得到有效的減小，進而有效減少對授權用戶系統的干擾并最大化非授權用戶系統的吞吐量。接下來將研究把本文算法拓展到多個非授權用戶協同感知及傳輸的應用中去。
作者：李文琴高任單位：長江師范學院數學與計算機學院武漢大學電信學院