认知网络能效性协作功率分配算法

贾鹤萍， 郭艳艳， 卫 霞， 杨荣草

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

认知网络能效性协作功率分配算法

贾鹤萍， 郭艳艳， 卫 霞， 杨荣草

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

当前认知无线电(cognitive radio， CR)协作策略的目的主要是为了提高认知系统的容量、 中断概率或带宽利用率， 而对于能量有限认知网络， 如传感器网络， 协作传输减少传输能量消耗和延长网络生命周期才是最关键的问题. 协作提高CR系统能效性策略和现在的研究相比， 中继节点选择及功率分配有所不同. 本文提出了一种基于共存式频谱共享情况下的CR协作功率分配策略， 目的是最小化CR系统的能量消耗.

认知无线电； 共存式频谱共享； 能量受限的认知网络； CR协作系统

Abstract: The aim of cognitive radio(CR) cooperative strategy in many existing works is to improve the capacity, outage probability or bandwidth utilization of cognitive systems. For the limited energy cognitive networks, such as sensor networks, reducing the transmission energy consumption and prolonging the network life cycle by cooperative transmission are the most critical issues. Comparing the cooperative CR system with those of the current researches, the relay node selection and power allocation are quite different. This paper proposes a cooperative power allocation strategy for cooperative CR system based on coexistence spectrum sharing with the aim of minimizing the energy consumption of CR system.

Keywords: cognitive radio； the underlay sharing-spectrum； energy-constrained cognitive networks； cooperative CR system

0 引 言

随着无线通信技术的飞速发展， 频谱资源变得越来越紧张,尤其是随着无线局域网(WLAN)技术、 无线个人域网络(WPAN)技术的发展， 越来越多的人通过这些技术以无线的方式进行通信[1]. 这些无线接入技术大多使用非授权的频段(UFB)工作， 与授权频段相比， 非授权频段的频谱资源要少很多(大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用). 于是就出现了某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大， 而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低[1]的现象. 为了解决上述频谱利用率低下的问题， 近年来， 被业界称为认知无线电(Cognitive Radio， 简称CR)的新频谱使用模式正逐渐受到人们的关注[1,2].

另一方面， 分集技术能改善无线信道衰落特性， 提高传输的可靠性[3,4]. 因此， 将认知无线电技术与协作通信技术相结合， 发挥各自优势， 寻求对无线通信的解决方案， 在提高频谱使用效率的同时， 尽可能地提高系统的信道容量或提升各用户的抗衰落性能[5-8].

对于能量有限CR网络， 如传感器网络， 协作传输减少传输能量消耗， 延长网络生命周期才是最关键的问题[9,10]. 因此本文将认知无线电技术和协作通信技术相结合， 并借用了几何分析的方法， 得到功率分配优化值， 以最小化CR系统传输能量. 利用这种算法， 只要知道CR系统内部节点间及CR节点和授权系统接收设备间的信道状态信息， CR源和中继节点就可以利用优化算法自动调整传输功率， 得到CR系统最小的传输能量消耗. 算法针对信道发生相位衰落与不发生相位衰落两种情况分别进行分析， 信道不发生相位衰落可以看作发生相位衰落的特例.

1 CR协作系统传输能量最小化的功率分配算法

考虑到共存式频谱共享模式下认知无线电系统协作传输应用场景， 授权系统包括一对发送/接收设备， CR系统中节点能量受限， 以Ad-hoc模式进行通信. 假设授权系统发送/接收设备间以固定速率R0， 固定传输功率P0进行通信， 而CR系统和授权系统同时工作在相同的信道上， CR系统的数据传输应该保证授权系统的传输不被打断. 假设CR系统的中继节点及目的节点距离授权系统的源足够远， 不受授权系统的干扰. 定义hs,p，hr,p，hs,d，hs,r，hr,d和hp分别表示CR源节点到授权系统接收设备、 CR中继到授权系统接收设备、 CR源节点到目的节点、 CR源节点到中继、 CR中继到目的节点及授权发送/接收设备间的信道增益. CR系统内部的信道为AWGN信道， 而CR系统和授权系统间， 及授权系统内的信道为独立同分布的瑞利信道.

定义认知系统的干扰温度为Q[1]， 那么， 授权系统接收设备容忍的最大峰值接收功率不能超过这个干扰温度门限Q， 假设CR系统的发送/接收节点知道精确的信道信息(CSI)(包括CR系统内部的及和授权用户之间的信道信息).

对于能量受限的CR系统， 在CR源节点和中继节点间的功率分配需要满足: 消耗最少的能量来满足自己的QoS要求， 同时不要干扰到授权系统的正常通信.

当CR源节点以传输功率PCR直接传输给目的节点时， CR系统容量和发送每比特消耗的最少能量为[9]

式中：PCR是CR源节点直接传输需要的传输功率， 由于是考虑到授权系统的峰值干扰温度限制， 必须满足

不等式两边同除以pCR， 得到

为了分析简单， 设定R=C. 采用DF模式进行协作通信， 假设中继是一个随机分布的节点， 发送/接收节点知道精确的信道信息(CSI).

CR系统的协作分为两个阶段， 在广播阶段， CR源节点广播数据给中继和目的节点， CR目的节点和中继节点同时接收； 第2阶段， CR源节点和中继节点一起协作向目的节点发送数据， CR目的节点将合并源节点和中继节点发来的信号， 这样， 可以获的两阶协作增益. 第2阶段CR用户协作的目的是为了最小化传输功率， 提高系统的能效性.

图 1 协作策略Fig.1 Cooperative strategy

在接收[μL]符号后， 中继节点能够全部正确译码源节点发送的消息， 这里[10]

当μ≥1， 中继节点不参与协作传输， 在下面的描述中， 假定总是满足μ<1.

考虑到授权系统的峰值干涉功率限制， 在第2协作阶段， 源节点和协作节点传输功率必须满足

不等式两边同除以PCR， 得到

结合式(4)和式(7)， 可以设置

也就是说， 协作传输对授权系统的峰值干涉小于直接传输对授权系统的峰值干涉. 分为两种情况(信道不发生相位衰落和发生相位衰落)进行分析.

2 情况1

假定信道不发生相位旋转， 则

式中：dij是两个节点i和j的距离；γ≥2是信道衰落因子. 在第2阶段， CR目的节点接收的信号表示为

考虑的授权系统峰值干涉限制， 第2协作阶段CR协作系统应该调整传输功率参数α1和αr需要解决下面优化问题

图 2 无相位衰落信道功率参数优化示意图Fig.2 Optimization of power parameters in phase free fading channels

从式(11)可以看出， 共存式频谱共享模式下CR节点间的功率分配优化方法和非CR系统下优化方法有所不同， 不仅和hs,d和hr,d有关， 而且与CR和授权系统间的信道状态hs,p和hr,p有关.

对于共存式频谱共享模式下CR协作策略， 优化参数α1和αr另外还要满足

也就是图 3 中的阴影部分. 因此， 要求图 2 中距离坐标原点最近的的点， 不仅位于直线hs,dα1+hr,dαr=hs,d上， 而且落入图 3 阴影部分， 需要解方程

图 3 无相位衰落情况下功率分配优化示意图Fig.3 Optimization of power distribution in phase free fading channels

如图 3 所示， 得到两组解

这里，

当α1=1和αr=0， 中继不参与协作， 源节点直接传输. 优化方法有如下两种情况:

可能的优化方案见图 3(a) 所示， 从图3(a)中可以看到， 直线hs,dα1+hr,dαr=hs,d上距离原点最近的点落在阴影区域内， 因此干扰温度限制没有影响到CR协作策略， 和非认知无线电下的优化值相同， 优化值α1和αr分别为

及传输每比特的能量消耗

CR系统协作传输每比特消耗的能量优化为

从上面的两种情况可以看出， 对于信道不发生相位衰落(no phase fading)， 当hs

3 情况2

这一节， 信道除了能量衰减外， 还经历相位衰落(phase fading)， 即

式中：θij为随机变量， 满足[0,2π]的均匀分布. 那么， 第2阶段， 目的节点接收的信号为

根据文献[10]， 协作系统容量表示为

考虑到干扰温度限制， CR协作系统得到和直接传输相同的有效容量， 需要解决下面的优化问题

图 4 相位衰落信道功率参数优化示意图 1Fig.4 First diagram for optimization of power parameters in phase fading channels

而对于共存式频谱共享模式下CR协作策略， 考虑到干扰温度限制， 优化值还必须满足

也就是优化值必须落在图 5 中的阴影部分.

图 5 展示了CR系统在信道发生相位衰落情况下的功率分配方法， 可以分为下面几种情况:

图 5 相位衰落信道协作功率分配参数优化示意图 2Fig.5 Second diagram for optimization of power parameters in phase fading channels

最小的传输每比特的能量消耗同非CR系统一样， 如式(17).

4 仿真结果

在这一节， 将仿真CR系统协作能量增益， 并把非CR协作传输策略和CR源节点直接传输两种情况作为参考. 定义系统参数见表 1.

表 1 能效性CR协作参数设置

授权系统接收设备、 CR源节点及CR目的节点位置分别为 (0,0), (1,1), (2,0). CR中继在(x,y)轴上移动； 定义能量增益为

来量化CR系统协作带来的能量增益.

首先， 设置γp=32 dB,Q=17 dB， CR中继的位置为(x,0)， 让中继在x轴上移动. 从图 6 中可以看到， 无论信道存在相位衰落与否， 相比直接传输， CR协作带来了能量增益. 另外， 信道无相位衰落比衰落时得到更好的能量增益， 于是信道无衰落可以认为是衰落的特殊情况(θij=0). 也观察到， 由于干扰温度的影响， 当中继距离授权系统接收设备比较近时， CR协作比非CR协作带来的能量增益要小.

图 6 CR中继坐标变化对能量增益的影响Fig.6 Relationship between CR relay coordinate and energy gain

图 7 CR中继节点坐标变化对授权系统链路中断概率的影响Fig.7 Relationship between CR relay coordinate and link outage probability of the authorization system

图 7 表示授权系统链路性能和CR中继节点位置的关系. 可以看到， 比较直接传输， CR系统协作减少了授权系统链路的中断概率. 这主要是由于CR协作分集有效地减少了对授权系统链路的干扰. 但是， 当CR中继距离授权系统接收设备比较近时， 授权链路性能下降.

其次， CR中继位置分别固定在坐标(0.3,0) 和(1.3,0)， 图8表明了当Q=17 dB， 授权系统接收信噪比γp变化时， 中继对授权系统中断概率的影响， 可以看出， 授权系统接收信噪比越高， 系统性能越好， 和直接传输相比， 提出的CR协作情况下可以得到更好的授权系统性能. 也可以看出， 中继节点在坐标(1.3, 0)比在坐标(0.3, 0)时授权系统链路性能更好， 这是由于坐标(0.3, 0)距离授权系统接收设备比较近.

图 9 表明了当信噪比γp=32 dB，Q变化时授权系统链路性能. 首先观察到: 干扰温度门限Q越高， 授权系统性能越差， 因此， 要进行频谱感知， 以确定合适的干扰温度门限值Q， 以保证授权系统的正常传输， 同上面的情况一样， CR协作比直接传输情况的授权系统性能要好.

图 8 授权系统接收设备接收信噪比变化对授权系统链路中断概率的影响Fig.8 Relationship between signal-to-noise ratio for receiving equipment and link outage probability of the authorization system

图 9 干扰温度门限对授权系统链路中断概率的影响Fig.9 Relationship between interference temperature threshold and link outage probability of the authorization system

5 结 论

针对能量受限的CR网络， 提出了一种基于共存式频谱共享模式的高能效CR协作优化功率分配模型， 仿真结果表明， 和直接传输相比， 提出的CR协作功率优化方法带来了CR网络的能量增益. 仿真还表明， 信道不发生相位衰落的情况下， 得到更好的协作能量增益. 另外， 和CR直接传输相比， CR的协作分集可以带来授权系统性能的提高.

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CooperativePowerAllocationAlgorithmfortheEnergyEfficiencyofCRNetwork

JIA Heping, GUO Yanyan, WEI Xia, YANG Rongcao

(College of Physics and Electronic Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

1671-7449(2017)05-0377-07

TN925.1

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.002

2017-04-03

国家自然科学基金资助项目(61178013); 山西省自然科学基金资助项目(2016011038)

贾鹤萍(1984-)， 女， 助教， 主要从事无线电物理方面的研究.