认知全双工技术与频谱共享的结合方案分析

唐　锟



认知全双工技术与频谱共享的结合方案分析

唐锟

（湖南科技学院电子与信息工程学院，湖南永州 425199）

文章提出了一种利用全双工中继(full-duplex relaying)技术的无线认知网络频谱共享方案。在该方案中，次用户(secondary user)利用全双工中继的发送端进行信息传输，同时全双工中继的接收端接收主用户(primary user)的传输数据，处理后通过全双工中继的发送端将主、次用户信息进行协同发送。主用户持续不断的发送数据，全双工中继在协助转发主用户信息的同时进行次用户数据的传送，从而实现有效的频谱共享。通过仿真显示，本文提出的方案不仅可以有效的增加系统的频谱效率，同时可以保证主用户的正常传输和实现次用户传输的最大传输。

认知无线电；频谱共享；协作通信；功率优化分配

随着通信技术的发展，频谱资源已经变得越来越稀缺。无线认知网络技术的出现可以实现主、次用户在相同的频谱内进行协同传输，从而提高系统的频谱效率[1]。目前，无线认知网络中的频谱共享方案已经得到广泛的研究，主要集中在如何利用有效的利用时间或空间去应对额外增加的次用户协同传输[2]。同时，在系统的发送端和接收端之间部署适合的中继节点也可以有效的实现多用户协同工作，提高频谱使用效率[3]。根据不同的传输功能，中继节点主要分为两种类型：半双工中继(half-duplex relaying)和全双工中继(full-duplex relaying)。部署半双工中继意味着需要在不同的时隙接收和发送信号，因此会增加传输时间[4]。全双工中继则可以在相同的时隙和频谱间进行数据传送，但会引入循环干扰问题(loop-interference)[5]。循环干扰问题是制约全双工技术发展的最重要的因素，因此在干扰消除方面很多研究人员从多个方面对这个问题进行了研究[6-10]，极大的推动了全双工技术的广泛应用。

从理论上看，将认知无线网络与中继节点相结合可以极大地提高系统的性能，目前已经得到广泛的研究[11]。在传统的协作频谱共享方案中，通常需要多条传输链路发送同一主用户信息来提高主用户系统的性能，因而降低了主用户系统的频谱效率和次用户系统共享频谱的概率[12]。先前的研究证明在认知中继网络中采用解码转发（decoding-and-forward）频谱共享方案可以达到与传统中继网络相同性能[13]，但其仅仅考虑的是基于半双工中继。针对上述问题，为了更有效的提高频谱效率，文章提出了一种在无线认知网络系统中基于全双工的单相协作频谱共享方案，保证主用户系统在不影响次用户系统传输的情况下持续传输数据，同时次用户在所有的传输时隙进行数据传输。

文章考虑一个次用户与一个主用户共享频谱资源，并通过全双工中继进行协同数据传输。次用户通过全双工中继的发送端进行数据传输；全双工中继的接收端接收主用户数据，并采用超位编码技术将主用户和次用户的信息进行线性编码并转发，从而实现次用户的数据传输和主用户数据的中继传输。在中继转发过程中，一方面传输的次用户信息会干扰主用户的信息接收；另一方面，中继转发主用户信息会实现空间分集增益。在次用户的接收端采用连续干扰解码和消除方法获取数据。在主用户接收端采用联合解码（MRC）技术，将次用户的数据作为噪声进行处理来获取信息。针对实现次用户系统的最小中断概率和保证主用户系统正常传输的前提，文章还提出了相应的最优功率分配算法。该算法主要在全双工中继的发送端针对主、次用户的信息进行最优化的发送功率分配。通过分析主用户系统和次用户系统的中断概率表明，文章提出的基于认知全双工的频谱共享方案可以有效的保证主用户的信息传输，同时最优化次用户的信息传输。

1　系统模型和频谱共享方案

1.1系统模型

系统模型如图1所示，其中PT、PR、ST、SR分别表示主用户发送端、主用户接收端、次用户发送端和次用户接收端。全双工中继节点包括发送部分(RT)和接收部分(RR)，其中次用户的发送端通过有线与RT连接并利用RT进行数据发送，假设该数据传输过程为无损传输。RR接收主用户发送的数据，假定经过解码后再将此数据无损的转发给RT。这样，在传输过程中，RT既作为次用户的发送端，又转发主用户数据。其中实线表示有效的数据传输信道，虚线表示干扰信道。

图1.基于全双工的认知无线网络

1.2频谱共享方案

在一个确定的时隙，主用户和次用户的传输信号分别由单位功率信号和表示，表示由和线性组成的超位编码。

2　系统性能分析

根据前述的设定，在传输时隙(=2,…,)，PT和RT同时进行信号发送。其中在RT处发送的是一个超位编码信号，其由前一个时隙的主用户数据和当前时隙的次用户数据通过功率分配因子进行线性结合的方式构成。可以表示为：

其中表示等效MIMO传输信道，矩阵大小为，具体形式如下：

在时隙，RR和SR处接收到的信号可以分别表示为:

2.1频谱共享概率

文章提出的频谱共享方案利用了全双工中继节点实现主用户和次用户数据的同时传送。因此，保证主、次用户能同时首先进行数据传输的概率进行分析。在此基础上，再对主用户系统中断概率和次用户系统中断概率进行分析。对来说，其表达式应由当频谱共享成功时主用户系统的中断概率和未能频谱共享时主用户系统的中断概率共同组成；同样，由当频谱共享成功时次用户系统的中断概率和未成功时主用户系统的中断概率共同组成。其表达式如下：

根据文章提出的频谱共享方案所描述，频谱共享成功的基础在于从时隙2开始，RR能正确的检测出当前时刻的主用户信号。为了保证RR能正确有效的完成上述过程，RR在检测当前主用户信息时可达速率应大于主用户系统的传输速率。因此，根据公式(3)可得

根据求概率公式，可得

2.2主用户系统性能分析

根据2.1的分析，如果次用户系统不能有效的中继转发主用户信息，此时主用户系统可达速率为

当主、次用户实现频谱共享时，根据公式(2)，主用户系统可实现速率为

因此，根据概率公式可得

2.3次用户系统性能分析

根据2.1的分析，次用户系统的中断概率取决于SR能正确的检测次用户的超位编码信号。在检测和消除前一时刻的主用户信息后，SR先后先检测当前时刻次用户信息和当前时刻主用户信息。为了保证次级用户系统能有效的接收次级信号，根据(4)， SR的接收速率必须满足如下条件：

2.4 优化功率分配分析

根据对公式（5）和（6）的分析，当RR进行超位编码时，如果给次用户数据分配较多的传送功率，次用户系统的性能将提高；相反，如果给主用户数据分配较多的传送功率，也会对次用户系统造成影响。因此，为了获得最小次用户系统中断概率和保证主用户系统的性能，需要找到优化功率分配因子。优化问题可以描述为如下：

3　仿真结果分析

本部分通过仿真验证所提出的频谱共享方案对主、次用户系统性能的提升。文章假设路径衰减因子，剩余自干扰信道的信道功率增益为1，高斯白噪声功率为1，主次用户数据传输的长度。假定主用户的发送端和接收端与次用户的发送端和接收端之间的距离相等。

图2. 在连续增加的次用户传输功率下，主、次用户系统在不同距离时的中断概率，，其中，，。

图2表示了当次用户系统RT的发送功率由1W到100W时主用户系统和次用户系统的中断概率曲线图，其中将无频谱共享时的主用户系统中断概率作为性能参考线。从图中可以看出，主用户系统的中断概率随着次用户系统传输功率的增加而上升，但其中断概率始终低于未采用频谱共享时的中断概率，这与理论的分析一致。当增加会导致RR在解码当前时刻的主用户信息时遭受到更大的外部干扰，从而导致频谱共享概率的降低，因而造成主用户系统的中断概率上升。对主用户系统来说，当主次用户之间的距离越远，根据最优化功率分配原则，RR会分配相对更多的功率转发主用户信息，因此性能表现更优。对次用户系统来说，系统中断概率随着的增加先降后升。因为在低传输功率时，增加对RR解码主用户信息的干扰不大，同时也增加次用户数据的传输速率，因此性能会得到改善；当增加到一定程度时，会对RR的解码造成较大的干扰，因此次用户系统的性能也随之下降。同时当距离越近，RR则为次用户数据分配较多的传输功率，因而次用户系统的性能表现越好。

图3表示了当主用户系统PT的发送功率由1W到100W时主用户系统和次用户系统的中断概率曲线图，其中将无频谱共享时的主用户系统中断概率作为性能参考线。其中的距离与系统性能的关系与图2分析一致。从图3中直接看出，主、次用户系统的性能随着的增加而提升。根据前述的理论分析，当增加时，RR接收到的信噪比也会增加，因此频谱共享概率也会被提升，主用户系统的性能因此被提高。同时主用户系统的性能一直优于无频谱共享时的主用户系统性能。增加的同时也会对SR的信息解码造成一定的干扰，但由于频谱共享概率的增加，次用户系统的性能依然能得到改善。

图3 在连续增加的主用户系统的传输功率下，主、次用户系统在不同距离时的中断概率，，其中，，。

4　结　论

文章提出了一种结合认知全双工中继节点的频谱共享方案用来改善频谱的利用率。在此频谱共享方案中，次用户利用全双工中继的发送端进行数据传输，同时转发解码出的主用户数据实现频谱共享。通过仿真分析可以看出，按照本文提出的频谱共享方案，主、次用户系统能以较低的中断概率同时进行数据传输，同时也提高了主用户系统的性能。

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（责任编校：宫彦军）

2016－05－08

湖南科技学院校科研项目（项目编号13XKYTB006）。

唐锟（1985－），湖南永州人，助教，工学硕士，研究方向为无线通信技术。

TN929.5

A

1673-2219（2016）10-0029-05