文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.025
中文引用格式: 李方偉,,彭著勛,朱江. 基于分布式頻譜圖的混合頻譜共享研究[J].電子技術應用,,2015,,41(9):92-94,98.
英文引用格式: Li Fangwei,,Peng Zhuxun,,Zhu Jiang. Hybrid spectrum sharing based on distributed spectrum map[J].Application of Electronic Technique,2015,,41(9):92-94,,98.
0 引言
無線電頻譜已成為一種寶貴的資源,,認知無線電[1]用來提高頻譜利用率。當前的認知無線電采用頻譜感知[2]來檢測頻譜空洞,。然而,,在overlay/underlay混合認知無線電中,次用戶需要檢測主發(fā)射機的位置和發(fā)射功率[3]。但這對認知無線電是一個巨大的挑戰(zhàn),,為了支持認知無線電,,無線環(huán)境地圖(REM)[4]被提出。REM包含無線電環(huán)境中的若干信息,,如地形信息,、無線電法規(guī)等。
頻譜態(tài)勢圖是REM當中的重要部分,,它能幫助次用戶在空間上發(fā)現(xiàn)和使用頻譜空洞,。頻譜態(tài)勢圖能通過不同實體的測量獲得,比如終端,、基站和接入點,。但是要求在每一個點都測量信號強度是不現(xiàn)實的,因此插值技術被用來制作頻譜態(tài)勢圖,。文獻[5-6]分別采用克里金插值和樣條插值建立頻譜態(tài)勢圖,。但是在這些研究當中都需要感知節(jié)點通過公共控制信道向融合中心發(fā)送感知信息,融合中心執(zhí)行插值算法,,然后融合中心再向各個次用戶發(fā)送控制信息,。這個過程需要較長的時間和消耗較多的能量。文獻[7]采用分布式方法,,但是基于最近鄰的方法,,僅僅與最近的節(jié)點通信,有限的本地數(shù)據(jù)導致重建的頻譜圖精度較低,。本文提出一種次用戶自組織的分布式制圖方案,。該方案僅僅需要鄰居節(jié)點之間交換感知信息,因此更適合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)靈活的認知無線網(wǎng)絡,。
在獲得分布式頻譜態(tài)勢圖的基礎上,,本文提出一種次用戶分布式混合頻譜共享方案。次用戶根據(jù)檢測區(qū)域內(nèi)的信號強度大小,,將區(qū)域劃分為主用戶非活躍區(qū)域和活躍區(qū)域,。在非活躍區(qū)域, 次用戶采用overlay方式接入,。在活躍區(qū)域,,為了避免對主用戶產(chǎn)生嚴重的干擾,次用戶采用underlay方式接入,。采用分布式混合頻譜接入方案,,無論主用戶是否工作,信道是否空閑,,次用戶都可隨時接入授權頻段,。在整個時間段內(nèi)進行動態(tài)功率發(fā)射,,以較高的效率實現(xiàn)主次用戶的頻譜共享。與單一的共享方式相比,,系統(tǒng)容量有所提高,。仿真實驗證明,該方案性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測避讓方法,。
1 模型
1.1 網(wǎng)絡模型
在一個區(qū)域上,,M個主用戶可以共用頻帶,但是要求主用戶之間距離比較遠,,避免互相之間造成干擾。認知無線網(wǎng)絡由N個在該區(qū)域上均勻隨機分布的可移動次用戶組成,。假設次用戶已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鄰居并且基于Delaunay三角網(wǎng)生長法與鄰居組成無重疊的三角網(wǎng)絡,。次用戶通過GPS定位并且能夠感知特定頻率的信號強度,然后次用戶將感知到的信號強度和位置信息通過公共控制信道發(fā)送給構(gòu)成三角網(wǎng)的鄰居,。在獲得鄰居節(jié)點的信息后,,執(zhí)行插值算法生成自組織三角區(qū)域的頻譜態(tài)勢圖。
1.2 傳播模型
假設傳播模型由路徑衰落和瑞麗衰落組成,。第i個次用戶的接收信號強度為:
其中,,Pj是主用戶j的發(fā)射功率,M是活躍的主用戶個數(shù),,α是路徑損耗系數(shù),,dji是主用戶j到次用戶i的距離,g1是主次用戶之間鏈路的功率衰減系數(shù),,No B是零均值加性高斯白噪聲功率,。是隨機變量函數(shù)g(x)的數(shù)學期望,而f(x)是隨機變量x的概率密度函數(shù),。
2 分布式頻譜圖
Delaunay三角剖分廣泛地應用在有限元分析,、信息可視化、計算機圖形學等領域,。Delaunay三角網(wǎng)具有優(yōu)良的幾何特性,,如空外圓性質(zhì)、最小角最大的性質(zhì)等,,是公認的最優(yōu)三角網(wǎng),。構(gòu)建三角網(wǎng)的算法可以分為分治法、逐點插入法和三角網(wǎng)生長法3 類,。由于次用戶自組織通信是從局部發(fā)起的,,所以選擇三角網(wǎng)生長法更符合實際情況。
2.1 基于Delaunay三角網(wǎng)的組網(wǎng)方案
次用戶通過公共控制信道尋找鄰近的次用戶,,并且與最近的次用戶連接成為一條Delaunay邊,,然后按照Delaunay三角網(wǎng)的判別法則尋找包含此Delaunay邊的另一端點,,依次處理所有生成的邊,直到最終完成,。
基于Delaunay三角網(wǎng)生長算法的組網(wǎng)過程如下:
(1)需要接入授權頻帶的任意次用戶尋找離自己最近的次用戶,,然后連接起來作為定向基線。
(2)按照Delaunay 三角網(wǎng)生長法的法則,,找出第三個次用戶創(chuàng)建Delaunay三角形,,然后將新生成的三角形的兩個邊作為新的基線。
(3)重復第(2),、(3)步,,直到所有的基線都被用過為止。
2.2 分布式插值算法
組成三角形的三個次用戶接收信號強度為Ii,,i=1,、2、3,。三角形區(qū)域內(nèi)任意點的信號強度為:
其中是插值基函數(shù),,代表相應節(jié)點的權重,(x,,y)是位置坐標,。
對每一個由次用戶組成的三角形區(qū)域,都采用上面的方法求得三角形內(nèi)部信號強度,,從而獲得整個區(qū)域的信號強度,。
2.3 評估分布式制圖方案
通過計算重建頻譜態(tài)勢圖的均方誤差(MSE)來評估分布式制圖的性能。均方誤差越小說明重建圖和原始圖越接近,,重建的精度越高,。
其中A是特定區(qū)域的面積。
3 分布式混合頻譜共享方案
傳統(tǒng)的認知無線電采用檢測避讓方法,,無論主用戶在任何位置被檢測到,,整個次用戶網(wǎng)絡為了不干擾主用戶將避免使用授權頻帶。在所設場景中,,能量分布是主網(wǎng)絡通信造成的,,信號強度大的區(qū)域可能是主用戶活躍區(qū)域。定義一個主用戶能量干擾閾值Ith,,次用戶檢測區(qū)域內(nèi)時,,該區(qū)域不存在活躍主用戶,定義該區(qū)域為主用戶非活躍區(qū)域,,次用戶在該區(qū)域采用overlay方式接入,。檢測區(qū)域
時,該區(qū)域存在活躍用戶,,定義該區(qū)域為主用戶活躍區(qū)域,。次用戶在該區(qū)域采用underlay方式接入,。
次用戶所在區(qū)域時,可以獲得的容量為:
其中,,B是信道帶寬,,No為信道加性噪聲的功率譜密度;Po是次用戶在overlay狀態(tài)下的發(fā)射功率,,Pu是次用戶在underlay狀態(tài)下的發(fā)射功率,;Pmax是次用戶最大發(fā)射功率,Qav是主用戶的干擾容限,;r是次用戶檢測范圍半徑,,d是活躍主用戶與次用戶之間的距離;g0是次用戶之間鏈路的功率衰減系數(shù),,g1是主次用戶之間鏈路的功率衰減系數(shù),;I是次用戶接收到的信號強度。
采用拉格朗日乘數(shù)法求解次用戶在overlay和underlay狀態(tài)下的最優(yōu)發(fā)射功率,。次用戶在overlay狀態(tài)下的最優(yōu)發(fā)射功率為:
4 仿真分析
假設若干具有信號強度傳感功能的次用戶均勻隨機分布在100 m×100 m的區(qū)域上。次用戶已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鄰居并且與鄰居組成無重疊的三角網(wǎng)絡,,次用戶與鄰居可以互相通信,。表1所示為仿真參數(shù),采用MATLAB進行仿真,。
4.1 重建頻譜態(tài)勢圖
圖1為本文分布式制圖方案構(gòu)建的頻譜態(tài)勢圖,。在100 m×100 m區(qū)域上有3個活躍的主用戶,顏色的深淺代表信號強度的大小,。頻譜態(tài)勢圖重建誤差主要是受插值節(jié)點的密度,、陰影衰落和噪聲等影響。
圖1 頻譜態(tài)勢圖
根據(jù)式(3)計算重建頻譜圖的均方誤差,。圖2比較了本文方法和文獻[7]的方法,,隨著次用戶個數(shù)的增加,均方誤差均下降,,但本文方法均方誤差明顯低于文獻[7]的方法,,主要原因是文獻[7]雖然采用分布式制圖,但僅僅與最近的節(jié)點通信,,有限的本地數(shù)據(jù)導致重建的頻譜圖精度較低,。
圖2 頻譜圖重建誤差比較
4.2 分布式混合頻譜共享方案仿真
次用戶20個,信道帶寬B=64 kHz,,在瑞利衰落環(huán)境下進行仿真,,g0、g1是服從參數(shù)?姿=1的指數(shù)分布,。仿真結(jié)果如圖3所示,。隨著主用戶非活躍區(qū)域的增加,,underlay系統(tǒng)的容量逐漸下降,overlay系統(tǒng)的容量逐漸上升,,系統(tǒng)總的容量也在逐漸上升,,且一直保持在較高水平。
圖3 混合頻譜共享性能
5 結(jié)論
分布式頻譜圖能在分布式網(wǎng)絡架構(gòu)下有效提高頻譜利用率,。與集中式頻譜制圖相比,,分布式頻譜制圖不需要融合中心,能更好地適應無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的變化,。在分布式頻譜圖的基礎上,,本文提出了一種次用戶分布式混合頻譜共享方案,該方案性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測避讓算法,。本文創(chuàng)新點主要表現(xiàn)在:(1)提出次用戶自組織分布式頻譜制圖方案,;(2)在分布式頻譜圖的基礎上,提出混合頻譜共享方案,。次用戶根據(jù)周圍環(huán)境,,動態(tài)選擇overlay或者underlay接入方案,有效提高了系統(tǒng)容量,。
參考文獻
[1] AKYILDIZ I F,,LEE W Y,VURAN M C,,et al.NeXt gen-eration/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks:a survey[J].Computer Networks,,2006,50(13):2127-2159.
[2] KHAN F,,NAKAGAWA K.Comparative study of spectrum sensing techniques in cognitive radio networks[C].Computer and Information Technology(WCCIT),,2013 World Congress on.IEEE,2013:1-8.
[3] CHAKRAVARTHY V,,LI X,,WU Z,et al.Novel overlay/underlay cognitive radio waveforms using SD-SMSE frame-work to enhance spectrum efficiency-part I:theoretical framework and analysis in AWGN channel[J].Communica-tions,,IEEE Transactions on,,2009,57(12):3794-3804.
[4] JAYAWICKRAMA B A,,DUTKIEWICZ E,,F(xiàn)ANG G,et al.Downlink power allocation algorithm for licence-exempt LTE systems using Kriging and Compressive Sensing based spec-trum cartography[C].Global Communications Conference (GLOBECOM),,2013 IEEE.IEEE,,2013:3766-3771.
[5] ALAYA-FEKI A,BEN JEMAA S,,SAYRAC B,,et al.Informed spectrum usage in cognitive radio networks:Inter-ference cartography[C].Personal,,Indoor and Mobile Radio Communications,2008.PIMRC 2008.IEEE 19th International Symposium on.IEEE,,2008:1-5.
[6] MATEOS G,,BAZERQUE J A,GIANNAKIS G B.Spline-based spectrum cartography for cognitive radios[C].Signals,,Systems and Computers,,2009 Conference Record of the Forty-Third Asilomar Conference on.IEEE,2009:1025-1029.
[7] MARANO S,,MATTA V,,WILLETT P.Nearest-neighbor estimation in sensor networks[C].Signal Processing Conference (EUSIPCO),2013 Proceedings of the 22nd European.IEEE,,2014:870-874.