認知中繼選擇系統(tǒng)發(fā)射功率受限時的性能研究*

姬士龍， 郭　輝， 王利紅

(河南理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454000)

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認知中繼選擇系統(tǒng)發(fā)射功率受限時的性能研究*

姬士龍， 郭輝， 王利紅

(河南理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454000)

基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，對一個雙跳認知中繼選擇系統(tǒng)的中斷性能進行了研究。該系統(tǒng)采用半雙工的通信模式，所有節(jié)點均配置單個天線，次級系統(tǒng)同時受到來自于主接收用戶最大干擾功率和最大傳輸功率的雙重限制。在獨立非同一分布的瑞利信道環(huán)境下，推導(dǎo)出了中斷概率的準確閉合表達式和高傳輸功率時的漸進閉合表達式，并利用蒙特卡羅仿真實驗對理論分析結(jié)果的正確性進行了驗證。實驗結(jié)果表明：中繼個數(shù)的增加降低了中斷概率，提升了系統(tǒng)的性能，但是提升空間有限。另外，最大干擾門限和最大傳輸功率的變化關(guān)系給系統(tǒng)性能的提升帶來瓶頸。

認知協(xié)作通信； 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)； 瑞利衰落； 最大傳輸功率； 干擾限制

0　引　言

協(xié)作通信技術(shù)作為一種新的空間分集技術(shù)的出現(xiàn)，使未來無線系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)覆蓋傳輸成為可能。它能夠很好地應(yīng)對多徑衰落對信號傳輸產(chǎn)生的有害影響和降低系統(tǒng)的中斷概率，并且可以擴大信息傳輸?shù)母采w范圍。最近，認知無線電網(wǎng)絡(luò)引起了業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[1～3]，它能夠顯著地提高頻譜的利用效率。在認知無線電網(wǎng)絡(luò)中定義了兩個群體：主用戶和次級用戶。其中，主用戶被授予了一定的頻帶，次級用戶可以感知到主用戶空閑的頻帶(即所謂的頻譜漏洞)，并在不對主用接收用戶造成任何有害干擾的情況下共享主用戶空閑的頻帶進行通信，這樣極大地提高了頻譜的利用率[4]。

近年來，協(xié)作分集被運用到認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，形成了協(xié)作頻譜共享無線電網(wǎng)絡(luò)，許多的研究者對其進行了廣泛的研究?？紤]主用戶的最大干擾限制，文獻[5]對認知無線電網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的中繼選擇算法進行了研究。文獻[6]研究了基于完全信道信息和部分信道信息的最佳中繼選擇策略認知中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷概率,推導(dǎo)了這兩種策略中斷概率的封閉表達式。針對認知無線電網(wǎng)絡(luò)傳輸速率不足及對主用戶造成干擾等問題，文獻[7]提出一種能夠滿足認知用戶對主用戶干擾限制要求的中繼選擇算法，提高了系統(tǒng)吞吐量?？紤]所有的中繼節(jié)點都參與通信的情況下，文獻[8]提出了一種最優(yōu)的功率分配算法。文獻[9]采用放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify-and-forward,AF)協(xié)議，在瑞利衰落環(huán)境下研究了偏中繼選擇系統(tǒng)的中斷性能?；诙嗦钒l(fā)送協(xié)作，文獻[10]研究了DF系統(tǒng)的中斷性能。最近，文獻[11]基于一種最佳中繼選擇策略，在瑞利衰落環(huán)境下采用AF協(xié)議對中繼選擇系統(tǒng)的性能進行了研究，推導(dǎo)出了中斷概率的近似閉合表達式。同時，針對DF協(xié)議，文獻[12]在韋伯衰落信道中對最佳中繼選擇系統(tǒng)進行了研究。然而，文獻[11,12]都忽略了次級系統(tǒng)最大發(fā)射功率對整個系統(tǒng)的影響。

基于上文的分析，本文在頻譜共享環(huán)境下，考慮一個同時受主用戶干擾門限和最大發(fā)射功率雙重限制的中繼選擇系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的性能進行了研究。并在獨立非同一分布的瑞利衰落信道中推導(dǎo)出了中斷概率的準確閉合表達式，同時，為了對系統(tǒng)性能作進一步的研究，推導(dǎo)出了中斷概率的漸進閉合表達式?；诘玫降谋磉_式，對系統(tǒng)的性能進行了研究。

1　系統(tǒng)和信道模型

如圖1所示，考慮一個雙跳的認知無線電網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)包括一個信源S，K個DF中繼Rk(k=1,2,…,K)，一個信宿D(zhuǎn)和一個主用戶接收機PR。所有的終端均采用半雙工模式，并且使用單天線。圖中，hS,P，hS,k，hk,P，hk,D(k=1,2,…，K)分別表示S到PR，S到Rk，Rk到PR，Rk到D的信道系數(shù)。

次級用戶通信系統(tǒng)占用2個時隙：第一個時隙內(nèi)，信源S以發(fā)射功率PS向信宿D(zhuǎn)和K個中繼發(fā)送信號。第二個時隙內(nèi)，中繼Rk對信源S發(fā)送過來的信號進行解碼，然后重新編碼后以發(fā)射功率Pk將編碼后的信號發(fā)送給信宿D(zhuǎn)。為了不對主網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，信源S和中繼Rk的發(fā)射功率必須滿足：PS|hS,P|2≤Q，Pk|hk,P|2≤Q，其中,|·|表示絕對值，Q表示為PR所能忍受的最大干擾功率(最大干擾門限)。同時，也要受到次級系統(tǒng)最大發(fā)射功率Pm的限制。那么，信源S和中繼Rk的發(fā)射功率分別表示為

(1)

(2)

則第k條鏈路的第一跳(S→Rk)和第二跳(Rk→D)的接收信噪比分別可以表示為

(3)

(4)

式中N0為加性高斯白噪聲的功率。此時，第k條中繼鏈路的信噪比可表示為

γk=min(U1k,U2k)

(5)

本文假設(shè)所有的鏈路都服從獨立而不同分布的瑞利衰落，因此，信道增益|hS,P|2，|hS,k|2，|hk,P|2，|hk,D|2服從功率均值分別為ΩS,P，ΩS,k，Ωk,P，Ωk,D的指數(shù)分布。這樣，在信宿D(zhuǎn)處系統(tǒng)的端到端瞬時信噪比可以表示為

(6)

2　中斷性能分析

2.1準確分析

中斷概率OP通常被定義為：次級用戶接收機D處的瞬時信噪比γD低于預(yù)設(shè)定的門限值γth時的概率。因此，該系統(tǒng)的中斷概率可以表示為

(7)

式中Pr{·}為概率，F(xiàn)γk(·)為γk的累積分布函數(shù)。

由式(3)和式(4)可知，U1k和U2k相互獨立，則γk的累積分布函數(shù)為

Fγk(γ)=Pr(min(U1k,U2k)<γ)

=1-Pr(U1k>γ)Pr(U2k>γ)

=FU1k(γ)+FU2k(γ)-FU1k(γ)FU2k(γ)

(8)

下面分別求解FU1k(·)和FU2k(·)的閉合表達式

(9)

由于X∈{|hS,P|2,|hS,k|2,|hk,D|2,|hk,P|2}服從參數(shù)為Ω∈{ΩS,P,ΩS,k,Ωk,D,Ωk,P}的瑞利分布，故其概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)可以分別表示為

(10)

(11)

式中exp(·)為以e為底的指數(shù)函數(shù)。 將式(10)和式(11)代入式(9)，可以計算得到的U1k的累積分布函數(shù)為

(12)

同理，可以求得U2k的累積分布函數(shù)為

(13)

因此，將式(8)、式(12)和式(13)代入式(7)便可得到中斷概率的準確閉合表達式

Pout=

(14)

2.2漸進分析

下面來討論系統(tǒng)在高信噪比時(Pm→∞)中斷概率的漸進表達式。此時由式(1)和式(2)可知，信源S和中繼Rk的發(fā)射功率將完全由Q,hS,P和hk,P確定。經(jīng)過計算可得，當(dāng)Pm→∞時，式(12)和式(13)的累積分布函數(shù)的漸進表達式可分別表示如下

(15)

(16)

將式(8)、式(15)和式(16)代入式(7)，可以得到漸進分析下中斷概率的表達式為

(17)

實際上，中斷概率在Pm→∞時的漸進結(jié)果即表示了“中斷地板效應(yīng)”中地板值的大小。

3　數(shù)值仿真與分析

圖2　中斷概率與中繼個數(shù)的關(guān)系Fig 2　Relationship between break off probability and numbers of relay

在圖3中，本文繪出了中斷概率與主用戶干擾門限的關(guān)系曲線來研究干擾門限對系統(tǒng)中斷概率的影響。圖中曲線顯示，當(dāng)主用戶放寬對次級用戶的限制，中斷概率降低，系統(tǒng)性能得到改善，當(dāng)次級系統(tǒng)的最大發(fā)射功率增加到大于等于主用戶干擾門限值的時候，主用戶的干擾門限成為決定性因素，從而導(dǎo)致了“中斷地板效應(yīng)”的出現(xiàn)。另外，在圖3中給出了無干擾限制(即：主用戶能承受的干擾無限大)時中斷概率的變化曲線。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主用戶對次級用戶的通信不產(chǎn)生任何限制的情況下，系統(tǒng)的性能是無比優(yōu)越的，“中斷地板”也不會出現(xiàn)。在圖4中，以(Q/N0)的變化為橫坐標來研究中斷概率與次級用戶最大發(fā)射功率的關(guān)系。圖中可以看到,次級用戶最大發(fā)射功率的增加帶來了系統(tǒng)性能的提升，由于對于固定的發(fā)射功率，當(dāng)主用戶干擾門限值增加到大于等于最大發(fā)射功率值的時候，次級系統(tǒng)的發(fā)射功率起主導(dǎo)作用，所以,“中斷地板效應(yīng)”依然會出現(xiàn)。然而，當(dāng)發(fā)射功率趨于無窮大的時候，“中斷地板”消失，系統(tǒng)則呈現(xiàn)出優(yōu)越的性能。

圖3　中斷概率與主用戶干擾門限的關(guān)系Fig 3　Relationship between break off probability and interference threshold of primary user

圖4　中斷概率與最大傳輸功率的關(guān)系Fig 4　Relationship between break off probability and the maximum transmission power

4　結(jié)束語

本文在瑞利衰落環(huán)境下，對一個基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼選擇系統(tǒng)的性能進行了研究?？紤]次級通信系統(tǒng)受到來自主用戶干擾門限和最大發(fā)射功率的雙重限制的情況下，推導(dǎo)出了在準確分析和漸進分析下中斷概率的閉合表達式;同時利用計算機模擬仿真驗證了分析結(jié)果的正確性。實驗結(jié)果表明:中繼個數(shù)的增加帶來了系統(tǒng)性能的提升，但提升空間有限;另外，主用戶的干擾門限和最大發(fā)射功率的變化關(guān)系在某種程度上導(dǎo)致了“中斷地板效應(yīng)”的出現(xiàn)，使系統(tǒng)性能的改善出現(xiàn)了瓶頸。

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姬士龍(1987 -)，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為協(xié)作通信。

Research on property of cognitive relay selection system with transmission power constraint*

JI Shi-long, GUO Hui, WANG Li-hong

(School of Computer Science and Technology,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

Break off performance of a dual-hop cognitive relay selection system is researched based on decode-and-forward(DF)protocol.The system uses half-duplex communication mode and all nodes are equipped with single antenna.Also,both the maximum interference power from primary receiver and the maximum transmission power constraint secondary system.Moreover,both the exact closed-form expression for break off probability and high transmission power asymptotic closed-form expressions are derived in non-identical Rayleigh fading channel environments.The correctness of theoretical analysis result is verified via Monte-Carlo simulations.Experimental results show that break off probability is reduced and the system performance is improved as numbers of relays increase,but improvement is limited.Moreover,changing relationship between the maximum interference threshold and the maximum transmission power brings bottleneck to improvement of system.

cognitive cooperative communications; decode-and-forward;Rayleigh fading; the maximum transmission power; interference constraint

2015—11—05

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(12B510011，12A520022)；河南理工大學(xué)博士基金資助項目(B2013—036，B2009—21)

TN 929.5

A

1000—9787(2016)08—0063—04

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0063—04