IEEE 802.22环境下的认知无线网络功率控制研究*

文 凯，洪 波

（重庆邮电大学 a.重庆信科设计有限公司；b.通信新技术应用研究所，重庆 400065）

1 引言

随着无线通信技术的不断发展，无线频谱已成为现代社会不可或缺的宝贵资源，而在当前的固定频谱分配方式下，授权频段的频谱利用率极为低下，造成了大量频谱资源的浪费。而近年来的调查发现，固定无线频谱分配导致局部频谱利用率只有15%～85%[1]，表明固定频谱分配很不合理。FCC提出在电视频段上，使用认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术来解决频谱资源不足的问题，并已经将5.3 GHz频段共享，同时建议共享部分电视频段资源[2]。认知无线电技术能够对不可再生的频谱资源实现再利用，进而缓解频谱的紧缺程度、有效地解决频谱稀缺的问题，被认为是解决无线频谱资源低利用率问题的最佳方案。

2004年11月第一个基于CR的无线标准IEEE 802.22[3]工作组成立，目的在于解决运营在广播电视频段的认知无线广域接入网络技术。在认知无线电中，当认知用户（Cognitive User，CU）与主用户（Primary User，PU）在相同的频段上共存时，认知用户的发射功率必须在主用户信干噪比（SINR）允许的范围内。因此，认知用户需要根据主用户可容忍的干扰限制进行严格的功率控制，从而避免影响到主用户的正常通信[4-6]。

笔者考虑认知用户和主用户在相同频段上共存的网络场景，主要目标是研究在满足主用户链路接收端峰值干扰功率约束和认知用户链路发射端总功率约束条件下的功率控制策略，并评估认知用户的传输速率和中断概率等性能指标。

2 系统模型

考虑认知用户和主用户可占用相同的信道进行数据传输，但认知用户的发射功率必须满足主用户的SINR门限值限制，同时通过外部的控制信道，认知用户能正确接收到主用户当前的信道状态信息。假设主用户发信机以固定功率Pp进行发射，最小传输速率为常数Rp，其中授权系统为广播电视系统，主发信机为基站。假设主用户和认知用户链路的信道增益分别为hp和hc，认知用户与主用户之间的干扰链路增益为g，如图1所示，且假设hp，hc和g都服从均值为1的指数分布。

为将认知用户对主用户的干扰功率限制在主用户可容忍的范围内，同时最大化认知用户的传输速率，该问题可描述为

图1 系统模型

式中：pc为认知用户的发射功率，pcmax为认知用户终端可提供的最大发射功率，Qmax表示主用户可忍受的干扰极限，表示认知用户接收端的干扰功率。文献[7]根据中心极限定理证明了当多个主用户存在时，主用户对认知用户的干扰服从白高斯分布，因此包括高斯白噪声和主用户对认知用户的干扰。

3 功率控制策略

由于主用户的信道状态随通信环境不断变化，主用户可忍受的干扰极限Qmax也随之变化，因此认知用户需要根据主用户的信噪比来确定发射功率，以避免影响主用户正常通信。主用户的信噪比表示为

在考虑了认知用户对主用户干扰的情况下，主用户的SINR可定义为

由于外部环境的不断变化，同时背景噪声的测量存在一定的偏差，因此加入1个功率保护值p*，以此来减少感知偏差带来的影响。于是，认知用户允许的最大发射功率满足

因此，当主用户的信道状态（即信噪比）确定时，根据主用户链路的信噪比进行严格的功率控制，把干扰限制在主用户可容忍的范围内，避免影响主用户的正常通信。

4 认知用户中断概率分析

由于认知用户的发射功率必须满足主用户的信干噪比约束，因此当主用户的信干噪比不断变化时，认知用户的发射功率也需随之进行变化和调整，这可能导致认知用户通信链路发生中断。在研究中，假设当认知用户的信干噪比低于门限γth时将发生链路中断，则认知用户链路的中断概率可描述为

Pr为中断概率函数，所以根据认知用户发射功率与主用户可容忍的最大干扰极限Qmax之间的关系可得到

由上述分析可知，认知用户的中断概率与主用户的信道状态、最低传输速率Rp以及认知用户的中断门限值γth有关。

5 仿真结果

仿真中，假设认知用户链路和认知用户对主用户干扰链路的信道增益都服从均值为1的指数分布，和分别为10-4W和10-3W，功率保护值p*=0.5 mW，主用户的固定发射功率为Pp=10 mW。

图2显示了当认知用户能提供的最大发射功率pcmax=40 mW时，认知用户传输速率与主用户传输速率Rp的关系。由图2可知，认知用户的传输速率随着Rp的增加而减小。此外，主用户链路信噪比越高，主用户可容忍的干扰越大，因此认知用户的传输速率也越高。

图2 不同Rp时认知用户的传输速率

图3显示了认知用户在链路中断门限值为γth=2 dB时，中断概率与主链路信噪比γp的关系。由图3可知，主链路信噪比越大，主用户可容忍的干扰极限越高，认知用户则能以更大的功率进行发射，因此认知用户的中断概率随主链路信噪比的增加而降低。在主链路的信道条件足够好时，认知用户以最大功率pcmax发射而不影响主用户的正常通信。而主链路信噪比达到一定值后，认知用户的中断概率随pcmax的增加而降低。所以主链路信噪比大于10 dB时，认知用户能提供的最大发射功率pcmax越大，中断概率越低，所以本文采用的最大化认知用户发射功率能有效降低认知用户的中断概率。

图3 认知用户中断概率与γp的关系

图4显示了认知用户中断概率与中断门限γth的关系。主链路信噪比γp越大，认知用户的发射功率越大，从而认知链路发生中断的概率也越低。由图4可知，通过本文的功率控制策略，能最大化认知用户发射功率，能降低认知用户的中断概率。

6 小结

研究了认知无线网络中的功率控制方案，使认知用户根据主用户的信道状态条件进行严格的功率控制，在保证主用户正常通信的条件下，最大化认知用户的传输速率。对认知用户的传输速率和中断概率等性能指标作了仿真评估，仿真结果表明，该方案能有效地保证主用户通信的QoS，同时保证认知用户传输速率并有效降低认知用户中断概率。

图4 认知用户中断概率与中断门限γth的关系

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