低功耗认知无线电超宽带系统的频谱感知优化算法研究

© 2013 Liaoyuan Zeng，Sean McGrath. 出版社：ElsevierB.V.信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 4（2013）68 - 732013年电子工程与计算机科学低功耗认知无线电超宽带系统曾燎原a， *，Sean McGrathba电子科技大学，西苑大道2006地址：成都市高新区西区，邮编：611731b利默里克大学，Castletroy，Co. Limerick，爱尔兰摘要对于认知无线电（CR）系统中的能量检测，成功检测主用户（PU）所需的频谱感测时间与PU的信号强度成反比。当PU工作在低SNR状态时，具有固定传输窗口的CR系统的有效传输时间可以非常短，以便CR系统充分利用频谱。本文提出了一种感知时间优化算法，旨在最大限度地提高超宽带（UWB）的CR系统的频谱效率，通过寻找最佳的折衷之间的感知窗口的长度和检测概率在低信噪比制度。与固定时间的感知方法相比，优化算法可以显著延长基于UWB的CR系统的传输时间，从而在保证对PU的保护的同时有效地利用检测到的频带。© 2013作者。出版社：Elsevier B.V. 在CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：认知无线电; OFDM; UWB;频谱感知* 通讯作者。联系电话：电话：028 -61830054传真：028 -61830064电子邮件地址：lyzeng@uestc.edu.cn2212-6678 © 2013作者出版社：Elsevier B.V.在CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.011Liaoyuan Zeng and Sean McGrath / IERI Procedia 4（2013）68691. 介绍超宽带（UWB）工作在与具有较高接入优先级的无线系统重叠的频谱中。UWB的发射功率要求不大于-41.3 dBm/MHz以保护主用户（PU）不受干扰[1]，这可能导致低频谱效率（SE），因为重叠频谱未被PU充分利用[2]。为了增强SE，UWB系统可以集成认知无线电（CR）技术，以基于感测结果机会性地接入PU由于PU信号的特性在实践中通常是未知的，因此通常通过非相干检测方法将能量检测应用于重叠频谱的可用性验证，这需要使用傅立叶变换引擎[4]。因此，基于正交频分复用（OFDM）方案的UWB系统可以利用能量检测技术来感测频谱。为了成功检测重叠频谱中的PU，UWB的能量检测器所需的频谱感测时间可以由PU的信噪比（SNR）和检测概率/虚警阈值来确定。对于传输窗口固定的UWB系统[5]，感测时间的持续时间可以确定有效传输时间，这可以显著影响系统的SE。过多的感测时间可以满足PU的保护要求，但可能导致有效传输时间不足，这可能限制CR-UWB对频谱的使用。在本文中，我们提出了一种感测时间优化算法，旨在寻找的权衡最优的感测时间和感测性能，其中包括虚警概率（PFA）和检测概率（PD），而PU操作在低信噪比制度。通过定义最优的感知时间长度，可以最大化CR-UWB的有效传输时间与整个传输窗口的比例，从而在保证PU工作的同时，充分利用特定类型传输方案的重叠频谱。然后，重叠频谱的SE可以被最大化。对于感知时间优化算法，文[6][7]的工作建立了基本原则。在文献[6]中，作者利用Lagrange对偶优化方法，以感知窗口长度为依据，对功率分配方案和频谱感知方案进行了优化，从而优化了CR系统的吞吐量。找到两个拉格朗日乘子的值所需的迭代非常高。在[8]中，作者使用泰勒近似来找到PFA和PD之间的关系，并通过线性规划算法优化感知时间来最小化CR系统的总中断概率[9]。 该算法不能用于低PU SNR状态，否则产生的感测时间将是相当大的。在这项工作中，我们将SE优化问题建模为凸优化问题。约束条件在于CR-UWB的PD和PFA，决策变量是系统的能量检测器的感知时间。通过使用线性规划算法来解决优化问题，并且假设有效传输窗口中使用的传输方案是基于离散注水的算法[10]。2. 系统模型在工作中，重叠频谱共享的方法被使用。我们假设采用理想的陷波器，因此CR-UWB因此，最大化系统的SE的问题70Liaoyuan Zeng and Sean McGrath / IERI Procedia 4（2013）68p S2FQ1（P）2（2N）Dp2Np（Top s）TopQ1（P）2（2N）Dp2NpP1参数最大值S 贝夫（Top s）B（1TopPf）（1P（H1））（一）S.T. Pd Pd10PfPf2（第一季）（P））2其中，s f d表示在CR-UWB接入重叠频谱期间发送的比特数B表示当CR-UWB完全接入重叠光谱，T op 是预定义的传输窗口，S 表示感测时间，Pf是PFA，P（H 1）表示一个PU在T op期间激活的概率 在PU的光谱中。的概率一 PU 是 期间激活Top 是 假定 到 遵循 一 泊松 过程 [第十一届] 和 计算P（H1）p（x;t）e试验），测试x！t）x，其中x表示在时间段t期间出现的预期次数。在约束条件下，P d 表示PD的值，p 表示CR中接收到的PU信号UWB侧， f s 表示UWB系统的采样率，1P d 代表目标PFA和PD，分别因此，Q（x）exp2dy是一维高斯Q函数[12]。注Pf、Pd 和相关文章[3]PfQ，B不受影响S ，则目标函数P1可以等价于P2参数最大值 F （）1Q.s比S假设PU是基于WiMAX的现有系统，图1示出了CR-UWB随着s的值增长超过最佳时间点，SE单调减小，因为有效传输时间，Tops 缩短了。图1表明，S 存在于特定的Pd 和p值。y22XLiaoyuan Zeng and Sean McGrath / IERI Procedia 4（2013）6871Q1（P）DS2f（Q1（P）s d p2f）的S sp）的。2（2）p sSS sf）f4（S s（f）3/ 2图1：UWB信道模型1（CM1）3. 感知时间优化算法以Pd为约束条件，用线性规划法求s的最优值，的根f比率dF比（s）D0，其中S f（）Q（ ）1（Q（ ）） Q（f（）0（二）比SsTs s，哪里 f（s）表示函数S 并且可以表示为f（）和S、f（s）f（s）然而，确定封闭形式的最佳s是非常复杂的。因此，使用数值方法来近似最优s。4. 数值结果在CM1中进行了数值仿真，其中CM1代表视距UWB信道。当CR-UWB检测到频谱空洞时，CR-UWB将在有效传输时间内应用基于离散注水的算法以获得最大SE值。此外，对于PU在重叠频谱中的行为，被设置为1000/s（即，每秒一千次）。结果将使用固定感测时间实现的SE与通过使用感测时间优化方法实现的SE进行比较。图2表明，提出的频谱1Top第一季（P）2（2D p2sfsSS pf）的72Liaoyuan Zeng and Sean McGrath / IERI Procedia 4（2013）68图2：优化的SE与p 在CM1感测算法显著增加了SE，特别是在PU的低SNR状态下。注意，当p为-19 dB时，系统的SE是使用固定感测时间算法实现的SE的两倍。随着p的增加，两条线当PU以高SNR工作时（即，-10 dB），间隙较小，因为p 导致小S 对于预定义的Pd。5. 结论针对低信噪比下基于OFDM的CR-UWB系统，提出了一种新的感知时间优化算法。该算法基于能量检测方法，通过数值计算方法找到最优的感知时间长度，使得在目标PD和PFA约束下，在固定的CR-UWB传输窗口下，最大化有效传输时间。该算法与现有的频谱共享和管理算法相结合，使CR-UWB频谱共享算法比固定感知时间的感知算法有了很大的改进。参考[1]. D. Porcino和H.超宽带无线电技术：未来的潜力和挑战。IEEE通信料盒、2003; 41：66-74.[2].一. F. Akyildiz，W. Y.李，M。C. Vuran和S. Mohanty，下一代/动态频谱接入/认知无线电无线网络：一项调查。计算机网络，2006; 50：2127-2159.[3].J. Mitola III，Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications.在Proc. IEEEMoMuC，San Diego，California，1999：3-10中。[4] F. F. Digham，M. S. Alouini和M. K.西蒙，在衰落信道上的未知信号的能量检测。IEEE Trans.Commun.，2007; 55：21-24.[5]. L. Yang和G. B. Giannakis，超宽带通信：一个时代已经到来的想法。IEEE信号处理。Mag.2004; 21：26-54.[6]. S. Stotas和A. Nallanathan，多频带认知无线电网络中的最优感知时间和功率分配。IEEE Trans.Commun.，2011; 59：226-235.Liaoyuan Zeng and Sean McGrath / IERI Procedia 4（2013）6873[7] E. C. Y. Peh，Y. C. Liang，Y. L. Guan，Optimization of cooperative sensing in cognitive radionetworks：a sensing-throughput tradeoff view. IEEE运输车辆技术人员：2009; 58：5294-5299.[8]. Y. Zou，Y. D.姚湾，澳-地Zheng，认知传输的中断概率分析：频谱感知开销的影响。IEEE无线通信，2010; 9：2676-2688.[9] D. P. Palomar，J. M. Cioffi和A. L. Miguel，Joint Tx-Rx beamforming design for multicarrier MIMOchannels：A unified framework for convex optimization。IEEE传输信号处理，2003; 51：2381-2401.[10] B. S.克龙戈尔德河Kanna和L. J. Douglas，多载波通信系统的计算有效最优功率分配算法。IEEETrans. Commun.，2000; 48：23-27.[11]. S. Huang，X. Liu和Z.丁，认知无线电网络中的主动频谱接入。在Proc. IEEE INFOCOM，Phoenix，AZ，2008：1427-1435中。[12].Vogel，K.和H. Risken，根据旋转正交相位的概率分布确定准概率分布。物理评论，1989;40：2847-2849。