CN104734794A - 一种认知无线网络数据量与能量消耗比最大化频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，公开了一种认知无线网络数据量与能量消耗比最大化频谱感知方法。在基于时隙的认知无线网络中，每个时隙被划分为感知时间和数据传输时间。增加感知时间可获得更高的感知准确率，但会造成数据传输时间减少使次级用户的数据传输量降低，因而感知时间和数据传输量之间存在一个权衡。本发明通过给出一种频谱感知算法，计算出次级用户对每个时隙的最优感知时间，在保证了主用户通信质量的前提下，最大化了次级用户的传输数据量和能量消耗的比值，从而提高了无线频谱资源的利用率并减少了次级用户的能量消耗。

Description

一种认知无线网络数据量与能量消耗比最大化频谱感知方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种认知无线网络数据量与能量消耗比最大化频谱感知方法。

背景技术

传统的无线频谱分配方案导致本已十分稀缺的无线频谱资源并没有得到充分利用。认知无线电技术正是为提高无线频谱资源利用率而设计，频谱感知是认知无线电的一个关键技术。次级用户通过频谱感知来检测无线信道的使用情况。当次级用户所感知的信道没有被主用户使用时(信道空闲)，则次级用户可以在此信道上进行数据传输。而当检测到主用户正在使用此信道时(信道繁忙)，次级用户则立即停止使用此信道传输数据。次级用户在传输数据之前，必须通过频谱感知来判断信道是否被主用户所占用，因此，在一个基于时隙的认知无线网络中，每一个时隙被分成两个部分：感知时间和数据传输时间。每个时隙的长度是固定的，增加感知时间可以获得更高的感知准确率，减少对主用户造成干扰的可能性，但由于数据传输时间的减少，使得次级用户的数据传输量降低。由此可见，感知时间和数据传输量之间存在一个权衡。现存的方法把关注点放在感知准确率的最优化从而减少对主用户造成的干扰和数据传输量的最优化，而没有考虑次级用户能量消耗的问题。

发明内容

本发明的目的在于，给出一种频谱感知算法，在保证主用户通信质量的情况下，使次级用户传输数据量与消耗能量的比值达到最大。

本发明的技术方案是，基于时隙的认知无线网络，如图1所示，时隙长度为p，在每个时隙开始时，次级用户对该时隙进行感知，感知时间为q。采用能量检测的频谱感知技术，次级用户通过将感知时间内所接收的信号能量与一个临界值进行比较，来判断是该时隙是否被主用户占用。用E表示次级用户在感知时间q，带宽为W的信道上所接收的能量，根据奈奎斯特准则，最小的采样率为2W，采集的信号样本数N＝2Wq，代表主用户信道功率，带表噪声功率，次级用户接收到的能量近似于高斯分布：

有时次级用户并不能得到正确的感知结果。如果信道繁忙时，次级用户错误判断了感知结果进行数据传输，则会导致数据传输失败，并对主用户造成干扰。当信道空闲时，次级用户错误的判断为信道繁忙，则会失去数据传输机会并降低了频率利用率。因此，频谱感知的性能可以用两个主要参数来衡量，正确检测概率P_d和错误警报概率P_f：

$P_d=Q\left(\frac{\mathrm{\λ}-N({\mathrm{\σ}}_x^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2)}{\sqrt{2N{({\mathrm{\σ}}_x^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2)}^2}}\right)$

$P_f=Q\left(\frac{\mathrm{\λ}-N{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2}{\sqrt{2N{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^4}}\right)$

其中Q(z)为Q函数，λ为能量检测的临界值。

若将错误报警率设定为一个恒定的常数，根据以上两式可得

$\mathrm{\λ}=(Q^{-1}\left(\stackrel{\‾}{P_f}\right)\sqrt{2N}+N){\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2$

$P_d=Q\left(\frac{Q^{-1}\left(\stackrel{\‾}{P_f}\right)\sqrt{2N}-N\·{\mathrm{SNR}}_p}{\sqrt{2N}(1+N\·{\mathrm{SNR}}_p)}\right)$

其中为主用户的信噪比

根据香农定理可知，次级用户最大的数据传输率

$C=W{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\σ}}_y^2}{{\mathrm{\σ}}_w^2})=W{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_s)$

其中代表次级用户的信号功率，为次级用户的信噪比

假设各个时隙之间是否有主用户到达是相互独立的，主用户占用或不占用某一时隙的概率为P₀或P₁。只有当信道空闲并且频谱感知没有错误报警的情况下，次级用户才能成功传输数据，因此，次级用户传输的数据量T为：

T＝P₀(1-P_f)C(p-q)

用e_s表示次级用户进行频谱感知时每单位时间消耗的能量，e_d表示次级用户进行数据传输时每单位时间消耗的能量。有以下四种情况：

1.信道空闲并且无错误报警，该情况发生的概率为P₀(1-P_f)，次级用户能量消耗为e_sq+e_d(p-q)。

2.信道空闲并且发生错误报警，该情况发生的概率为P₀P_f，次级用户能量消耗为e_sq。

3.信道繁忙并且没有被感知到，该情况发生的概率为P₁(1-P_d)，次级用户能量消耗为e_sq+e_d(p-q)。

4.信道繁忙并且被正确感知到，该情况发生的概率为P₁P_d，次级用户的能量消耗为e_sq。

因此，次级用户的总能量消耗为：

E＝[P₀(1-P_f)+P+1+(1-P_d)][e_sq+e_d(p-q)]+(P₀P_f+P₁P_d)e_sq

我们的方法通过找到最优的感知时间q，来使R＝T/E达到最大值，从而使得次级用户使用最少的能量传输尽可能多的数据。令

$\frac{d_R}{d_q}=\frac{T^{\′}E-T{E}^{\′}}{E^2}=0$

通过解此方程，可以计算出最优感知时间q。

本发明的有益效果是：在保证了主用户通信质量的前提下，即检测概率P_d在允许范围内，最大化了次级用户的传输数据量和能量消耗的比值，从而提高了无线频谱利用率并减少了次级用户的能量消耗。

附图说明

图1是基于时隙的认知无线网络时隙划分示意图；

图2是感知时间q取不同值时次级用户数据传输量与能量消耗比值R变化情况。

具体实施方式

下面结合技术方案和图2，叙述本发明的一个具体实例。

给定信道带宽W＝1Khz，每个时隙长度p＝10ms，错误报警概率P_f＝0.05，e_s＝10，e_d＝100，主用户信噪比SNR_p＝20/3，次级用户信噪比SNR_s＝10/3，时隙空闲的概率P₀＝0.4。以下是本发明的具体步骤：

第一步，通过将给定条件代入公式可计算出P_d＝0.9139。

第二步，将P_d及其它给定条件代入公式求解此方程，得到感知时间q＝3.3ms。

第三步，通过公式和公式T＝P₀(1-P_f)C(p-q)，求得次级用户的数据传输量T＝5.3860，能量消耗E＝0.3222，从而R＝T/E＝16.7155，为次级用户的数据传输量与能量消耗比最大值。

图2给出了感知时间q从0ms到10ms时的次级用户数据传输量与能量消耗比值情况，从图中可以看出，当q＝3.3ms时，R达到最大值。

Claims (1)

1.一种认知无线网络数据量与能量消耗比最大化频谱感知方法，其特征在于，

时隙长度为p，在每个时隙开始时，次级用户对该时隙进行感知，感知时间为q；采用能量检测的频谱感知技术，次级用户通过将感知时间内所接收的信号能量与一个临界值进行比较，来判断是该时隙是否被主用户占用；用E表示次级用户在感知时间q，带宽为W的信道上所接收的能量，根据奈奎斯特准则，最小的采样率为2W，采集的信号样本数N＝2Wq，代表主用户信道功率，带表噪声功率，次级用户接收到的能量近似于高斯分布：

频谱感知的性能用两个主要参数来衡量：正确检测概率P_d和错误警报概率P_f；

$P_d=Q\left(\frac{\mathrm{\λ}-N({\mathrm{\σ}}_x^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2)}{\sqrt{2N{({\mathrm{\σ}}_x^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2)}^2}}\right)$

$P_f=Q\left(\frac{\mathrm{\λ}-N{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2}{\sqrt{2N{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^4}}\right)$

其中Q(z)为Q函数，λ为能量检测的临界值；

将错误报警率设定为一个恒定的常数，根据以上两式得：

$\mathrm{\λ}=(Q^{-1}\left(\stackrel{\‾}{P_f}\right)\sqrt{2N}+N){\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2$

$P_d=Q\left(\frac{Q^{-1}\left(\stackrel{\‾}{P_f}\right)\sqrt{2N}-N\·{\mathrm{SNR}}_p}{\sqrt{2N}(1+N\·{\mathrm{SNR}}_p)}\right)$

其中为主用户的信噪比；

根据香农定理，次级用户最大的数据传输率：

$C=W{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\σ}}_y^2}{{\mathrm{\σ}}_w^2})=W{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_s)$

其中代表次级用户的信号功率，为次级用户的信噪比；

假设各个时隙之间是否有主用户到达是相互独立的，主用户占用或不占用某一时隙的概率为P₀或P₁；只有当信道空闲并且频谱感知没有错误报警的情况下，次级用户才能成功传输数据，因此，次级用户传输的数据量T为：

T＝P₀(1-P_f)C(p-q)

用e_s表示次级用户进行频谱感知时每单位时间消耗的能量，e_d表示次级用户进行数据传输时每单位时间消耗的能量；有以下四中情况：

(1)信道空闲并且无错误报警，该情况发生的概率为P₀(1-P_f)，次级用户能量消耗为e_sq+e_d(p-q)；

(2)信道空闲并且发生错误报警，该情况发生的概率为P₀P_f，次级用户能量消耗为e_sq；

(3)信道繁忙并且没有被感知到，该情况发生的概率为P₁(1-P_d)，次级用户能量消耗为e_sq+e_d(p-q)；

(4)信道繁忙并且被正确感知到，该情况发生的概率为P₁P_d，次级用户的能量消耗为e_sq；因此，次级用户的总能量消耗为：

E＝[P₀(1-P_f)+P+1+(1-P_d)][e_sq+e_d(p-q)]+(P₀P_f+P₁P_d)e_sq

通过找到最优的感知时间q，来使R＝T/E达到最大值，从而使得次级用户使用最少的能量传输尽可能多的数据；令

$\frac{d_R}{d_q}=\frac{T^{\′}E-T{E}^{\′}}{E^2}=0$

通过解此方程，计算出最优感知时间q。