CN106301626A - 一种基于全双工技术的认知无线电协议 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全双工的认知无线电协议，本协议可以在限制未授权用户与授权用户的碰撞率的条件下，有效地增加未授权用户的频谱利用率。未授权用户配置两根天线，其中一根天线持续进行频谱探测，并在每个时隙末做出判决；另一根天线在判决结果为授权用户不活跃时开始传输，否则退避。未授权用户可根据自身是否活跃、以及自身传输功率自适应地调整判决门限，以提高探测准确性。

Description

一种基于全双工技术的认知无线电协议

技术领域：

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于全双工技术的认知无线电协议，可以有效提高频谱利用率。

背景技术：

近年来人们对无线通信业务需求的急剧增长，使原本稀缺的无线频谱资源变得更加紧张。而与此同时，传统的静态频谱分配方式却存在频谱利用率低下，频谱使用不均衡等问题。认知无线电作为下一代无线通信的研究热点技术之一，为提高无线频谱资源的利用率提供了一个具有广泛前景的解决方案。认知无线电是无线移动通信领域的一种革命性技术，未授权的无线用户利用此技术可以智能地感知、搜索周围可用的频谱资源，而后进行动态的频谱接入，从而提高通信系统的容量和频谱利用率。目前，未授权用户通过认知无线电技术接入频谱主要通过underlay和overlay两种方式：underlay方式下，未授权用户可随时接入授权频谱，但需保证其对授权用户的干扰在给定噪声门限以下，故未授权用户的传输功率收到严格限制；overlay方式下，未授权用户的传输功率不受限，但其只能在授权用户未使用某一信道时(出现频谱空洞时)才可接入，对授权用户的检测在此方式下是必要的。

在传统overlay方式的认知无线电协议中，未授权用户以一定时间间隔检测信道上是否有活跃的授权用户，如果未检测到，则传输一定时间的数据，而后停止数据传输，重新检测。这可被看作是半双工模式。它对于未授权用户的硬件基础没有特殊要求，但却必然导致传输的不连续性以及探测的不连续性。传输的不连续性造成频谱空洞的浪费；探测的不连续性则一方面使得未授权用户无法灵敏地检测到授权用户的状态变化，从而增加未授权用户可能干扰授权用户的时间；另一方面，若多个同步的未授权用户以同样的协议接入同一信道，则其无法检测到自身与其他未授权用户的碰撞，从而导致未授权用户潜在的无效传输时间激增。

因此，传统的协议中，为保障对授权用户的干扰在可接受范围内，同时提高自身传输效率，未授权用户需在传输时间和探测时间长度上做出权衡：若探测时间过短，则其对授权用户的检测准确率不够高，干扰授权用户风险增大；若连续传输时间过长，则其在很长时间内都无法探测授权用户是否接入，使得碰撞时间增长；若探测时间过长，则其可用的传输时间就会变短，造成频谱资源浪费、自身传输效率降低。故在传统协议中，准确的探测和高效的频谱利用率不可兼得。

发明内容：

本发明提出了一种overlay方式下的新的认知无线电协议。它利用全双工技术实现同时同频的信道探测和传输，从而可以克服传统协议下探测和传输的不连续性，实现实时的对信道状态的探测和接入，有效地缩减了与授权用户冲撞的时间期望，并提高了频谱的利用率。具体协议如下：

1)未授权用户的传输和探测分为连续定长的小时隙(如图2中secondary slot所示)，时隙长度根据授权用户到未授权用户的信道状况及自身对频谱的采样率等参数确定，以保证未授权用户利用一个时隙内探测到的信号，可得到对授权用户的足够可靠的估计。

2)未授权用户在每个时隙结束时综合该时隙采样信号，对授权用户是否活跃进行判定，其判定结果决定下一个时隙中未授权用户是否接入频谱。

3)无论一个时隙内未授权用户是否接入频谱，其均保持对目标频谱进行连续采样。

4)未授权用户对频谱的检测使用能量检测方式，即在每个时隙结束时，未授权用户计算该时隙内的平均接收功率M，并将其与选定的门限值进行比较，若平均功率高于门限，则判定授权用户在当前时隙中占用信道，否则判定授权用户当前时隙未占用信道。

5)未授权用户将根据自身的接入与否以及自身的传输自适应地改变判决策略，选择不同的判决门限。

上述协议1)中，时隙长度的设定存在一个最优解，其取值与授权用户与未授权用户之间的信道状况有关，直观而言，若信道状况较好，则其只需较短的时间即可足够准确地判断授权用户是否在使用目标信道，而若此时将时隙设定得较长，则其检测准确率没有明显提高，检测灵敏度却有明显下降；同理，若信道状况较差，而时隙设定得较短，则未授权用户对信道的检测不够可靠，与授权用户的碰撞概率及频谱资源浪费概率均会上升。

上述协议2)中，未授权用户可使用多种方法对一个时隙内的采样信号进行综合，如可使用匹配滤波(matched filter)、能量检测(energy detector)、循环平稳特征检测(cyclostationaryfeature detector)等。本发明中性能分析过程使用的是能量检测，具体实现见协议4)。

上述协议5)中，由于自干扰至今无法完全消除，未授权用户传输时，其自身传输信号将对探测产生一定影响；而其保持静默时则没有这种影响。因此，未授权用户需要根据自身是否传输调整判决门限(如图3所示，其中M指一个时隙内的平均功率)。直观而言，若某一时隙内未授权用户在传输，则其判定授权用户正在使用信道的门限应比其未传输时高。

附图说明：

图1是本发明所讨论的系统模型示意图。

图2是本发明中具体协议的示意图。

图3是本发明中未授权用户以能量检测方式探测信道的流程图。

图4是本发明中未授权用户对频谱空洞的利用情况与未授权用户与授权用户的碰撞概率之间的关系，及其与传统半双工协议的比较图。

图5是本发明协议下与传统半双工协议下未授权网络吞吐量的比较图。

具体实施方式

本发明的具体实施如图2和图3所示，它与发明内容中的协议完全对应。图2为整体协议的示意图；图3为未授权用户对授权用户的活跃性进行检测的示意图。

1)考虑图1所示系统，其中包含一个授权用户(PU)，两个未授权用户(SU₁和SU₂)，其中SU₁有需要发送给SU₂的数据包。未授权用户配置两根天线，支持全双工收发模式。

2)SU₁利用一根天线(Ant₁)对目标信道进行连续采样，其采样频率为f_s，每个时隙长度为τ(见图2中SU's Sensing一行)。在每个时隙末，SU₁综合该时隙中的采样信号并作出频谱是否被占用的判决。若SU₁判定此时授权用户正在占用信道，则其在下一时隙中保持静默；反之，下一时隙中SU₁利用另一天线Ant₂向SU₂传输数据(见图2中SU's Transmission一行，其中小圆圈表示检测结果)。

3)未授权用户对授权用户的检测使用能量检测方式，即未授权用户将一个时隙内接收到的平均能量作为检验统计量M，并与某一门限值ε比较。若某一时隙内未授权用户接收到的平均能量高于门限值，则判定此时授权用户正在占用信道；反之，则判定授权用户此时未占用信道。由于自干扰的影响，未授权用户在自身传输时接收到的平均功率比自身静默时的大。因此，为了优化检测性能，未授权用户需要根据自身活动选择相应的判决门限，如图3所示，若某一时隙内未授权用户使用了频谱，则选择较大的门限值ε₁，否则选择较小的值ε₀。

4)将授权用户与未授权用户的频谱碰撞率作为系统限制条件，其中频谱碰撞率定义为

若假设授权用户的活跃、空闲时间分布符合参数为μ、ν的泊松分布，且限制未授权用户在活跃及不活跃时具有相同的漏报概率(漏报即在频谱上存在活跃的授权用户时，未授权用户判定其不存在)，则其漏报概率限制应为P_m＝P_c-ν/2。

5)限制漏报概率P_m后，未授权用户的能量检测门限由如下两公式确定：

${\mathrm{\ϵ}}_0=(\frac{Q^{-1}(1-P_m)}{\sqrt{N}}+1)(1+{\mathrm{\γ}}_s){\mathrm{\ρ}}_u^2;$

${\mathrm{\ϵ}}_1=(\frac{Q^{-1}(1-P_m)}{\sqrt{N}}+1)(1+{\mathrm{\γ}}_s+{\mathrm{\γ}}_i){\mathrm{\σ}}_u^2,$

其中，Q^-1(·)为Q函数的逆函数，N为一个时隙内采样点的个数，γ_s为未授权用户接收到授权用户信号的信噪比，γ_i为自干扰信号到接收端的干扰-噪声比。

对于本发明，我们进行了大量仿真。并将此发明的协议与传统半双工协议进行了性能比较。

传统半双工协议下，未授权用户将每一时隙分为两部分，第一部分进行频谱探测，若检测结果表明授权用户未传输，则未授权用户在时隙的第二部分接入频谱并进行传输，否则在时隙的第二部分保持静默。

比较中，为保证公平性，我们均使用图1所示系统评估两种协议的性能，即在传统半双工协议下，SU₁同时使用两根天线Ant₁及Ant₂进行频谱探测或对SU₂的两根天线进行传输。

仿真中的假设授权用户到未授权用户的信道是瑞丽信道，剩余自干扰建模为复高斯分布，且其方差与未授权用户的传输功率成正比，比例系数为χ²。传统半双工协议中，未授权用户同时使用两根天线进行探测或传输，可被看作多输入多输出(MIMO)系统，而对应两根天线的信道存在空间相关性。以β∈[0，1]表示两天线间的空间相关性，其中β＝0代表两天线间无相关性，两信道完全独立，β＝1代表两天线完全相关。在传统半双工协议中，频谱探测所占时间以参数λ∈(0，1)表示，该参数定义为频谱探测时间占总时隙长度的比例，λ越大，对应频谱探测越准确，但未授权用户传输时间就相应地越短。

图4为本发明协议下未授权用户对频谱空洞的利用情况与未授权用户与授权用户的碰撞概率之间的关系，及其与传统半双工协议的比较图。图中频谱浪费率P_w定义为

类似地，图中碰撞率P_c定义为

根据实际情况，将未授权用户接收到授权用户信号的信噪比设为-10dB，每个时隙中频谱采样点数为300，且假设授权用户的接入与离开模型分别符合参数为1/500、6/500的泊松分布，即授权用户在任一时隙中接入的概率为1/500，在任一时隙离开的概率为6/500。图中圆形点为仿真结果，实线与虚线为本发明协议下频谱利用率的曲线，点线与点划线为传统半双工协议下频谱利用率的曲线。由图可见，本发明协议相比于传统半双工协议，由于其不需为频谱探测分配时间，故在对碰撞率要求较低时可几乎完全利用频谱空洞(见图4右半部分，传统协议的频谱浪费率有下界P_w→λ，而本发明协议可达到P_w→0)；同时，在碰撞率限制较严格时(见图4左半部分)，本协议可以达到更低的频谱浪费率。

图5为本发明协议下与传统半双工协议下未授权网络吞吐量的比较图，其中未授权用户与授权用户的碰撞概率限制为0.1。由图可见，在探测信噪比较低时，本发明协议比传统协议有较大的优势，这是由于本发明协议实现了连续的长时间探测，即同样长的时隙内，本发明协议可以综合更多的采样点，从而得到更好的探测效果。而探测信噪比大时，由于本发明协议与传统协议均可达到很好的探测效果，未授权网络的吞吐量将主要取决于传输时间与信道容量。此时，若未授权用户两天线相关性不大，且探测时间短，则传统协议的吞吐量则有可能超过本发明协议(如图中点划线所示)。然而考虑到通常状况下探测信噪比为约-15dB～-5dB，本发明协议吞吐量将明显高于传统协议。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种基于全双工的认知无线协议，其特征是，未授权用户对频谱探测和接入步骤包括：

1)未授权用户配备两根天线，可进行全双工通信；

2)未授权用户使用一根天线进行连续的频谱探测，并在每一时隙末做出判决；

3)当频谱探测结果为频谱上无活跃的授权用户时，未授权用户使用另一根天线进行传输；

2.如权利要求1步骤1)所述的全双工通信，其特征在于，一个通信节点可同时同频进行接收和发送，然而接收端将接收到一部分发送的信号(自干扰)，导致其目标接收信号质量变差。

3.如权利要求1步骤2)所述的频谱探测，是指未授权用户探测频谱上是否有活跃的授权用户，其特征是，未授权用户使用能量检测为探测方式，以时隙为单位，在每个时隙末综合整个时隙的探测信号，将其平均功率与预设的判决门限对比，若高于判决门限则判定频谱上有活跃的授权用户，否则判定频谱上无活跃的授权用户。且无论未授权用户活跃与否，其均保持对目标频谱进行采样。

4.如权利要求3所述的判决门限，其特征是，门限高低与授权用户信号在未授权用户处的信噪比、未授权用户的活跃性、未授权用户的自干扰消除能力、授权用户对与未授权用户碰撞率的限制有关。当未授权用户静默时，其应采用较低的判决门限；当未授权用户活跃是，其应采用较高的判决门限，且未授权用户发射功率越大、或自干扰消除能力越差，其门限值越高。未授权用户由于已知自身在当前时隙中的活跃性与发射功率，其可自适应地调整判决门限。

5.如权利要求3所述的判决门限，其特征是，在限制未授权用户与授权用户的碰撞率为P_c，授权用户的空闲时间满足参数为v的泊松分布，则未授权用户采用的能量判决门限计算方式如下：

其中，Q^-1(·)为Q函数的逆函数，N为一个时隙内采样点的个数，γ_s为未授权用户接收到授权用户信号的信噪比，γ_i为自干扰信号到接收端的干扰-噪声比。

6.如权利要求1步骤3)所示的未授权传输可采用多种传输调制、编码方式。