文摘

在多通道,认知无线电(CR),二级用户(SU)可以利用多个次等频段的主要用户(PU),当这些乐队,即子信道目前不被使用。支持这个频谱复用功能,苏需要每个子通道,只有PU的子信道中不活跃的可用的频谱访问。本文多槽频谱感知和传输方案提出了多通道CR,其感应阶段分为几个时段分配给子信道频谱感知。而保证每个子通道的频谱感知性能和限制PU的干扰,我们制定一个优化问题,苏的总吞吐量最大化共同分配最优数量的传感时段和每个子通道最优转移能力。给出理论分析证明该优化问题的可行性,给出了仿真结果显示时值得注意的改进在苏的吞吐量敏感时段和转移能力都提出了优化的方案。

1。介绍

认知无线电(CR)提出了克服频谱资源短缺是由传统的固定频谱分配方法引入[1]。在CR,二级用户(超自然)可以通过一个许可的空闲信道传输数据到主用户(PU),但是目前闲置,提供PU的正常的交流是不打扰2,3]。因此,频谱感知检测聚氨酯的活动是一个重要的方法来重用空闲的频谱和已成为关键技术之一在CR (4]。

光谱传感要求苏高效、准确地检测聚氨酯的存在,为了避免造成有害干扰PU (5]。以后,苏,PU的信号往往是未知的位置,结构,和力量,能量检测,这是广泛使用的由于它的简单实现,作为最优频谱感知方法当只探测器接收到接收信号的力量(6]。感应时间深度撞击能量检测的性能,和传感性能,反映了假警报和检测概率,可以提高感知时间的增加(7]。在CR,检测概率越高,PU遭受干扰越少,而假警报概率就越低,更多的机会苏可以访问光谱(8]。

近年来,多通道CR提出了提高吞吐量,让苏利用多个空闲子信道传输数据同步;然而,在沟通之前,苏检测聚氨酯的活动在每个子通道(9]。介绍了多波段联合检测方法(10),联合检测聚氨酯的信号在多个频段,而不是在一个乐队在平等的感应时间。在[11],作者考虑一个正交频分复用(OFDM)多通道CR系统和现在的高效算法苏的总吞吐量最大化共同优化感知阈值和功率分配,考虑到假警报和检测概率的影响。然而,感应时间不被作者认为,这可能会缩短苏的传输时间和减少其吞吐量。在[12,13],sensing-throughput权衡问题是数学分析,能量检测是用来证明制定的问题确实有一个最佳的感应时间收益率最高的吞吐量。然而,在多通道CR,如何获得最优的感应时间的所有子信道是非常重要的。

本文受假警报的约束和每个子通道的检测概率和苏总干扰功率和速率,多槽光谱遥感和多通道CR是制定转让方案。苏的总吞吐量最大化共同分配最优数量的传感时段和每个子通道最优转移能力。本文分析和数值结果清楚显示,可以实现最大吞吐量时感应时段和权力转移都是优化。

2。准备

2.1。多通道感知无线电

在多通道CR,苏可能运行多个子信道同步;因此,苏的吞吐量可以大大提高。考虑一个聚氨酯体系,基于多载波调制,操作在一个宽带频谱分成不重叠的窄带子信道。由于聚氨酯不得使用所有子信道传输在特定时间和区域,左边未使用的子信道可供苏的频谱访问,如图1。之前访问一些辅助通道,苏必须估计PU的状态(存在与否)的子通道进行频谱感知,只有当检测到聚氨酯的缺席,苏可以使用这个子通道来传输数据14]。然而,如果聚氨酯的存在未被发现的,苏也可能使用的子通道造成有害干扰聚氨酯。

2.2。苏的光谱传感

在频谱感知中,因为苏和聚氨酯两种不同的通信系统,苏很难获得任何从PU通信信息系统。因此,能量检测广泛应用于苏的光谱传感,可直接实现没有获得任何信号信息。能量检测首先计算接收信号的能量,然后把它比作一个预设阈值(15]。

如果PU缺席,只有苏的探测器接收到的噪音,如果聚氨酯存在时,混合物的噪音和聚氨酯的信号接收。因此,根据不同的活动的PU,苏的接收信号在子通道为给出如下: 其中状态和分别表示PU的缺席和存在,,是聚氨酯的信号的力量,高斯白噪声的力量吗,是聚氨酯和苏之间的子通道增益,然后呢是采样节点的数量。通过假设感应时间和采样频率和分别是由 平均的能量采样节点能量接收的信号得到如下: 很明显,都是独立同分布,根据中心极限定理,更大,服从高斯分布近似。在美国为,意思是和方差的给出如下: 在传感信噪比。能量检测比较检测阈值。聚氨酯的存在是决定,而子通道和可用的决心是空闲的。如果聚氨酯是真的缺席但聚氨酯的存在是错误检测到,产生假警报,而如果聚氨酯确实存在但聚氨酯的缺席是错误检测,检测小姐发生了。根据(2)和(4),假警报概率和探测概率给出如下: 在哪里。根据(5),与给定,可以用如下:

3所示。系统模型

3.1。相关工作

在CR,苏的框架结构通常分为感知和传输阶段。在感知阶段,苏检测到每个子通道和法官可以使用哪一个,苏,在转移阶段,使用检测到空闲子信道来传输数据。

在感知阶段(12),搜索的空闲子通道聚氨酯的子信道,而且一旦懒懒的子通道发现,苏就会停止传感和子通道传输数据通过转移阶段,如图2。此方案命名为单通道CR。

在感知阶段(16),带宽分为部分波段,每个子带是分配给一个辅助通道。因此,苏可以使用所有的感知时间和部分频段感应子通道,如图3。苏在转移阶段,可以使用所有检测到空闲子信道传输数据。此方案命名为单槽多通道CR。

在感知阶段(10),每个子通道分配给平等的连续时间槽频谱,在一个时间段,只有一个检测到子通道的苏,如图4。转移阶段,所有检测到空闲子信道可用的频谱访问。这个方案命名为equal-slot多通道CR。然而,每个子通道的增益通常是不同的,和传感性能可以进一步提高如果我们分配更多的感知时间的子通道遥感获得更好。

3.2。提出了方案

摘要感应阶段进一步划分为许多小的时段,如图5。在每一个时间段,苏能感觉到任何子通道能量检测,以及在每个时间段意味着子通道数量指数被感知。注意,在这个例子中,苏感觉谱首先在通道2,然后在通道1和3,等等,最后在通道和。实际上,感应子信道的顺序不影响最后的每个子通道的传感性能。苏在传感的结束阶段,可以获得的使用状态子信道结合遥感信息在每个时间段。感应时间的名额分配给每个子通道可以是不同的,这是根据子通道增益选择。

通过假设帧周期,每个时间段的长度,感觉子通道的时段是子通道的检测时间是由 并给出苏的传输时间 通过假设子信道是对称的,苏在子通道的数据传输包括以下两种情况。

(一)如果检测到聚氨酯的缺席准确的概率的苏苏,可以在子通道有效地转移,的速度 在哪里是苏的发射机和接收机之间的子通道增益。

(b)如果聚氨酯的存在未被发现的探测概率小姐,苏可能使用相同的子通道和聚氨酯PU造成严重干扰,的速度 很明显,。(b),如果聚氨酯真的存在,但苏检测聚氨酯不在错误的概率,苏的力量传输数据导致严重的干扰到聚氨酯。因此,苏总干涉的权力是由 应该受到让,在那里是聚氨酯所遭受的最大干扰能力。此外(b),苏和的速度传输数据在聚氨酯的存在;这些数据也可能打扰PU的正常交流,因此我们可以得到苏的最大总干扰率如下: 它也是必要限制苏的干扰率。自,我们有 作为是一个凸函数,我们得到了柯西不等式如下: 通过假设,从(13)和(14),我们可以推导出不平等现象如下: 在哪里。因此,我们可以保证通过让 我们进一步获得 在哪里。

在每一帧中,苏可能传输数据的情况下(a)和(b)的比率和在没有和聚氨酯的存在,分别在传输时间。苏的总吞吐量子信道给出如下: 在哪里和出现概率的州吗和,分别。

在本文中,我们的目标的共同分配传感时段和传输功率最大化的苏总吞吐量虚惊概率上的约束,每个子通道的探测概率和转移能力,总干扰功率和苏总干扰率,如下: 的向量和,虚警概率的上界,检测概率的下界,是苏的最大传输功率,表示最大整数比。在(19),我们组和,因为苏的传感性能必须足够好,以减少干扰的聚氨酯和提高频谱访问苏,CR表示。

3.3。解决优化问题

方程(19)是一个多参数优化问题和交替方向优化,可以解决(ADO) [16]。在每个迭代中,两个参数是固定的,另一个是优化,和两个参数通过一些迭代,直到他们两人交替优化往往是常数。

首先,我们解决(对应和都是固定的)和优化。自单调增加的改进,用到(6),的下界是由 在哪里和。

从(18),因为改善与提高和,它可以实现最大只有当,相应的方程(20.)。用(20.),我们得到,我们获得,在那里是由 在哪里表示不少于最小整数。

我们假设传感时段的总数量,在那里和。与固定的约束(19)可以忽略,,假警报的约束和检测概率可以满足。因此,(19)转换次优化问题如下:

在接下来的命题,我们将证明是一个凸函数向量呢k表示,有一组最优的最大化。

命题1。目标函数是凸的。

证明。的二阶导数在为如下: 作为用(20.),我们有,是获得。因此,根据(23),我们有为表示,是凸的。
如果是给定的,因为是一个整数向量,最优为可以获得的贪婪算法,如图4。在这个图中,用 作为一个特定的范围内是一个整数,它并不复杂搜索。与任何给定的整数,我们计算与最优向量贪婪算法获得的,然后我们选择最优最大化,如下所示:
用给定的,因为增加的范围是来自来贪婪算法的时间复杂度,如图6是。从(25),通过列举,总时间复杂度搜索一组最优的是由
其次,我们修复(对应,,都是固定的)和优化。与固定假警报的约束和检测概率可以忽略。注意的是,(19)转换次优化问题如下: 在哪里和。使用拉格朗日乘子算法来解决(27),我们获得了拉格朗日函数如下: 在哪里,,拉格朗日乘数法。根据Karush-Kuhn-Tucker(马)条件下,最优了,让,如果,,不为零,让获得相应的约束方程。因此,我们获得 注意的是,直接计算收益率 在哪里和。用次梯度的方法,我们可以进一步获得,,通过迭代过程如下: 在哪里迭代索引和吗是一个标量步长序列。一次,,都获得,我们可以得到最优转移权力为通过(30.)。
拉格朗日乘子算法的时间复杂度取决于估计精度。通过假设的停止条件迭代(31日),,,该算法的迭代复杂性为,每次迭代的时间复杂度。因此,总时间的拉格朗日乘子算法的复杂性 使用ADO方法获得最优联合多槽频谱感知和传输功率分配优化的二次优化问题(22)和(27)交替和迭代。基于ADO的联合分配算法是图中描述7。他指出,优化的目标(22)和(27)是实现目标函数的局部极大值,目标函数的值是不减少的在每个迭代中如下: 在哪里是迭代索引。方程(31日)表明,如果是收敛的,这两个和必须收敛。也就是说,如果迭代在ADO的停止条件和,最优可以获得。
作为联合分配算法的停止条件和该算法的迭代复杂性。在每次迭代中,贪婪算法的复杂性和拉格朗日乘子算法的复杂性都执行一次。因此,总时间复杂度的联合分配算法如下:
然而,由于在传统的穷举搜索方法,我们需要搜索向量和包括参数,穷举搜索方法的时间复杂度大大超过了该方案的时间复杂度。

4所示。模拟

在仿真中,帧周期年代,每个时间段的长度女士,噪声功率mW,子信道的数量子通道的收益为服从瑞利分布的意思是−10 dB,采样频率KHz,最大干扰功率和速度mW和bps / Hz,分别检测信噪比为(−−−−10日8日6日4日−2−3−5−7−9日−6−3−1−2−4−6−8]dB,出现概率的州和。

图8显示了苏的总吞吐量和探测概率的下界不同数量的传感时段。从这个图中,发现存在一个最优(总感觉时间),最大化,convex-shaped也符合命题吗1验证我们的分配方案的正确性。在传统equal-slot多通道CR (10),感应时间分配给每个子通道。相同的总感应一次,该方案的吞吐量总是比那些equal-slot多通道CR和单槽多通道CR,因为在我们的方案中,我们不同的感应时间分配给每个子通道根据他们不同的收益。我们也看到,减少大大增加,因为假警报概率的增加而增加减少了苏的频谱接入。图9显示和最大传输功率,不同的。看到,该方案优于其他两个方案,与不同。

图10表明统一时间吞吐量与帧内,不同的。它是发现的增加,可用敏感时段的数量增加,和更长的感应时间可以提高苏的传感性能。改进的传感性能,减少虚警概率可能增加苏的频谱接入,因此苏的吞吐量提高了。图11比较了实现该方案的吞吐量和单通道CR。发现该方案,使用多个子信道传输可以更多的吞吐量比单通道CR。

图12显示每个子通道的权力的转移和虚警概率的提出方案。看到,在我们的分配方案,用给定的检测概率,更大的权力分配给子信道误警概率较低,因为苏有更多的机会来访问这些子信道,和更大的力量可以帮助苏充分利用更好的子信道,以达到完美的吞吐量。但是,没有权力的子信道分配更高的假警报概率(即。,subchannels 1 and 9), because the SU often cannot access these subchannels, and the transfer power allocation in these worse subchannels will not achieve benefits.

5。结论

在本文中,我们提出一个多槽多通道CR的频谱感知和传输方案。框架分为感知和传输阶段,和感应阶段进一步划分为许多小时隙分配给每个子通道的能量检测。共同分配传感时段的优化问题和权力转移到每个子通道是苏总吞吐量的最大化,制定约束的每个子通道的假警报和检测概率和苏总干扰功率和速率。联合分配算法提出了基于交流指导优化来解决优化问题。数值结果,结果表明,存在一个最优的传感时段最大化吞吐量和联合优化传感时段和转移能力极大地提高了苏的总吞吐量。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金会批准号。61201143和61201143下,江苏省自然科学基金批准号下BK20140828,创新的基础(它的)批准号f - w - yy - 2013 - 016,中央大学的基础研究基金批准号下HIT.IBRSEM。20.1309, and the Scientific Research Foundation for Introduced Talent of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics under Grant no. 56YAH13029.