具有主用戶中斷概率約束的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)容量分析

荊齊根+劉云清+孫哲

摘 要：該文引入主用戶中斷概率作為評(píng)價(jià)主用戶傳輸質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮認(rèn)知用戶平均/峰值發(fā)射功率的約束，得到認(rèn)知系統(tǒng)的各態(tài)歷經(jīng)容量和中斷概率容量，提出了一種具有主用戶中斷概率約束的認(rèn)知無(wú)線電資源分配算法。通過(guò)數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)可以獲得認(rèn)知系統(tǒng)最優(yōu)的發(fā)射功率，以此功率進(jìn)行信息傳輸可以獲得最大的系統(tǒng)容量。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無(wú)線電 資源分配 主用戶中斷概率 各態(tài)歷經(jīng)容量 中斷概率容

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（a）-0005-02

伴隨通信行業(yè)的不斷發(fā)展，無(wú)線頻譜資源日漸短缺，目前各國(guó)的運(yùn)營(yíng)商都采用固定頻譜訪問(wèn)（FSA）策略。在FSA方式中，將每一塊頻譜與特定的帶寬分配給一個(gè)或多個(gè)專有的用戶，這樣授權(quán)用戶就可以利用分配到的頻譜資源進(jìn)行信息傳輸。但是此時(shí)無(wú)論授權(quán)用戶有無(wú)信息傳輸，認(rèn)知用戶都不允許接入頻帶中進(jìn)行信息傳輸。在這種固定的分配方式下，大多數(shù)可用的頻譜完全被分配，導(dǎo)致頻譜嚴(yán)重稀缺。另一方面，對(duì)實(shí)際中頻譜利用率的研究顯示，授權(quán)頻譜的利用率比較低[1-2]。

CR[3]技術(shù)由于其能動(dòng)態(tài)地感知系統(tǒng)中各用戶的狀態(tài)，智能地調(diào)整傳輸參數(shù)，動(dòng)態(tài)占用系統(tǒng)中的頻譜資源，被廣泛認(rèn)為是未來(lái)無(wú)線通信中最靈活的技術(shù)之一。在CR中，認(rèn)知用戶有兩種主流頻譜接入方式：機(jī)會(huì)頻譜接入（OSA）方式和頻譜共享（SS）方式[5]。OSA模型中，一個(gè)認(rèn)知用戶進(jìn)行頻譜感知檢測(cè)頻譜空穴，一旦檢測(cè)到頻譜空穴，認(rèn)知用戶重新配置其傳輸參數(shù)來(lái)占用頻譜進(jìn)行信息傳輸。一旦主用戶需要傳輸信息，認(rèn)知用戶應(yīng)該快速釋放主用戶的頻譜，切換到其他的頻帶上，以確保不對(duì)主用戶的傳輸產(chǎn)生干擾。SS接入方式是指，認(rèn)知用戶可以和主用戶共同占用同一段頻帶通信，前提是認(rèn)知用戶對(duì)主用戶的干擾應(yīng)低于一個(gè)預(yù)先設(shè)定的閾值，此閾值就是主用戶不發(fā)生中斷的最大干擾門限。

對(duì)于經(jīng)典極值理論的研究，以前人們常采用“干擾溫度”作為約束條件，在此機(jī)制中，干擾溫度等于認(rèn)知用戶在主用戶接收端產(chǎn)生的干擾功率以及主用戶接收端獲得的系統(tǒng)噪聲之和。后來(lái)人們開始引入“主用戶傳輸中斷概率”[5]作為約束條件，保障認(rèn)知用戶可以和主用戶共同在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

1 系統(tǒng)模型

該文給出了一種簡(jiǎn)化的CR網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。在這個(gè)CR網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)主鏈路和一個(gè)認(rèn)知鏈路。其中主鏈路由一個(gè)主用戶發(fā)射機(jī)（PU-TX）和一個(gè)主用戶接收機(jī)（PU-RX）組成，認(rèn)知鏈路由一個(gè)認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)（SU-TX）和認(rèn)知用戶接收機(jī)（SU-RX）組成，所有終端都利用單天線進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中假定所有涉及到的信道都為獨(dú)立的塊衰落（BF）信道，在每一個(gè)衰落狀態(tài)下，信道CSI都是已知的。在任意的一個(gè)衰落狀態(tài)下PU-TX 到PU-RX和SU-RX之間的信道功率增益分別用和表示，SU-TX到PU-RX和SU-RX之間的信道功率增益用和表示。所有的信道功率增益都假設(shè)是服從獨(dú)立同分布（i.i.d.）的隨機(jī)變量，由連續(xù)的概率密度函數(shù)、、和表示。

2 認(rèn)知系統(tǒng)各態(tài)歷經(jīng)容量實(shí)現(xiàn)算法

該節(jié)主要討論在PU中斷概率和認(rèn)知系統(tǒng)發(fā)射功率約束下，系統(tǒng)的各態(tài)歷經(jīng)容量[6]。

2.1 主用戶的傳輸

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