基于频谱共享的军用移动自组网协作相位控制技术

⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 6（2020）83www.elsevier.com/locate/icte基于频谱共享的军用移动自组网中的协作相位控制技术Sangku Lee，Janghyuk Youn，Bang ChulJung韩国忠南国立大学电子工程系接收日期：2020年1月5日;接收日期：2020年4月3日;接受日期：2020年4月8日2020年4月23日在线提供摘要在军事应用中，移动自组织网络由于其自治性、自配置性和灵活性而得到广泛应用。此外，由于频谱短缺，基于频谱共享的通信协议正在被积极考虑。提出了一种用于基于频谱共享的军事移动自组网的协作相位控制（CPS）技术.节点、多个次中继（SR）节点、单个次目的地（SD）节点和多个主目的地（PD）节点。在所提出的技术中，成功进行分组解码的SR节点协作地调整它们的发送信号的相位，使得在SD节点处从SR节点接收的信号被对准到某个角度，而SR节点控制发送功率，使得所有PD节点处的接收功率低于某个阈值。通过大量的计算机模拟，它表明，所提出的技术优于传统的合作中继方案的中断概率。c2020年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：认知无线电网络;频谱共享;军事移动自组织网络;协作通信;中断概率;相位控制1. 介绍移动数据业务的需求已经爆炸性地增长，并且需要相应的新频谱资源来支持这样的需求[1]。然而，发现和提供新的频段对大多数国家来说是非常具有挑战性的。由于它们在不改变频谱分配策略的情况下增加了现有未使用频谱带的利用率，因此频谱共享技术已经在学术上进行了研究[2近年来，频谱共享技术受到了业界的广泛关注例如，CBRS（公民宽带无线电服务）联盟列出了60多家商业公司合作推广和实施频谱共享技术，用于共享3.5 GHz频段的无线频谱[5，6]。特别是，蜂窝网络的频谱频段过载，而雷达等军事应用的频段利用不足[7]。因此，频谱共享机会尤其存在于用于军事∗ 通讯作者。电子邮件地址：sklee@o.cnu.ac.kr（S.Lee），jhyoon@o.cnu.ac.kr（J. Youn），bcjung@cnu.ac.kr（B.C.Jung）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2020.04.001基于频谱共享的军用无线网络已被积极研究用于网络中心战和雷达应用[8]。另一方面，移动自组织网络（MANET）由于其自治性、自配置性和自适应性，长期以来一直被认为是军事应用中有前途的通信体系结构[9]。协作通信是通过多个中继节点提供额外的空间分集来提高MANET物理层性能的最重要技术之一[10]。协作中继技术预计将在未来的移动网络中发挥重要作用，称为战场物联网（IoBT）[11，12]。在各种协作中继技术中，被称为机会中继选择（ORS）的选择性解码转发（SDF）协议被认为是基于频谱共享的协作网络中最实用和最优秀的策略之一[13，14]。然而，ORS方案需要所有的次级中继（SR）节点将解码信息反馈给次级源（SS）节点以用于最佳SR节点选择，这引起了网络的额外信号开销。针对协作中继网络，提出了另一种协作中继技术--协作相位控制（CPS），它不需要中继节点的反馈信息，2405-9595/2020韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。S、D√≤CN、、0，σS，k ，h k，j 公司简介0，σk， jS、DS，jS，jk、D⏐⏐=−--从PS如雷达来支持部署的部队。84S. Lee，J.杨和B.Jung/ICT Express 6（2020）83在系统模型中，无线信道的方差根据通信节点之间的相对距离而变化。我们假设一次源（PS）节点位于足够远离次级网络的位置，并且它们根本不会像文献[3，14，16]中关于频谱共享技术的其他研究那样对次级网络造成干扰。假设SS节点和SD节点之间的距离大于通信节点之间的其他距离，即，来自SS的直接链路的平均信道增益节点到SD节点的距离σ2非常小。此外，本发明还提供了一种方法，图1.一、基 于 频谱共享的移动自组网系统模型。[15]以全分布式的方式运行。然而，传统的CPS不是针对频谱共享环境提出的。在本文中，我们修改了传统的CPS方案对于基于频谱共享的军用移动自组网，其中成功解码来自SS节点的源消息的中继节点使用协作相位控制向次级目的地（SD）节点发送信号，同时每个SR节点调整其发射功率，使得所有接收到的干扰我们假设SS和每个SR节点分别知道从其自身到PD节点和SD节点的信道状态信息（CSI），这在文献[15，17]中被称为本地CSI假设，并且在无线通信系统中被广泛认为是实用的。假设准静态频率平坦衰落，即，无线信道系数在两跳传输时间期间是恒定的，并且对于每个两跳传输时间独立地改变。3. 协同相位控制技术我们在本节中描述了所提出的CPS技术的总体过程。在第一跳中，SS节点向所有SR节点和SD节点发送信号，并且在第k个SR节点和SD节点处接收的信号由下式给出：所有主要目的地（PD）节点处的功率低于一定的门槛。此外，SS节点控制其发送yk=PShS， k xS+nk，（1）yD=PS hS， D xS+nD，1，（2）本文的其余部分组织如下。在第2节中，我们描述了本文所考虑的系统模型。在第3节中解释了所提出的用于基于频谱共享的军事移动台的CPS技术的总体过程。在第4节中，我们详细解释了如何调整中继节点的发射功率以满足PD节点处的干扰温度条件。所提出的技术的中断概率的计算机模拟结果在第5节中示出。最后，在第6节中得出结论。2. 系统模型我们考虑了一个基于频谱共享的军事移动自组网，它具有多个解码转发（DF）中继节点，如图1所示。存在单个次源（SS）节点、单个次目的地（SD）节点、J个主目的地（PD）节点和K个次中继（SR）节点。图一、hS，k、hk， D和hk，j分别表示从SS节点到第k个SR节点、从第k个SR节点到SD节点和从第k个SR节点到第j个PD节点的无线信道。此外，来自无线网络的直接链路的无线信道SS节点到SD节点的无线信道和从SS节点到SD节点的无线信道。SS节点到第j个PD节点由hS、 D和h[p]表示，其中，P=（Pmax）和xS表示在预定条件下的发射功率。最大功率约束和SS节点的发送信号。项nk和nD，1分别表示第k个SR节点和SD节点处的加性复高斯噪声，不失一般性地假设它们遵循（0， 1）SS节点调整其发射功率，使得来自SS节点的干扰功率在第一跳处的所有PD节点处保持低于某个阈值，这将在下一节中解释每个SR节点尝试在第一跳解码从SS节点接收的分组，并且如果接收的信噪比（SNR）大于某个阈值。然后，在第一跳处成功进行分组解码的SR节点的索引集被定义为：Dk∈K：ρSk<$PS hSk2≥ρth，（3）其中，ρth22R 1和R表示假设从SS节点到SD节点的直接通信的数据速率。注意，我们假设从SS节点到SD节点的两跳通信，并且每个跳所需的数据速率等于2R。 集合K被定义为{1，2，. . . ，K}，因此D K。[p]S， j在第二跳，属于D的SR节点引导分别我们假设hS， k，hk，j，hS， D，hS， j和hk， D发射信号的相位，以便所有接收信号的相位遵循独立同分布（i.i.d.）复杂具有零均值和不同方差的高斯分布，1（二）（二）k、D我们假设PS的干扰可以忽略不计，因为军方通信系统通常被广泛地部署在战场上，CN（0，σ2），h[p]<$CN（0，σ2）和h<$CN（0，σ2）.军用移动自组网是一种可以改变位置的自组网功率也满足所有PD节点处的干扰温度条件。也就是说， hS， k公司简介，hS，D（）下一页≤⏐k k， j--2k、D2⏐k∈Dk∈DS. Lee，J.杨和B. Jung/ICT Express 6（2020）83-8685SD节点处的信号被对齐。第k个SR节点的发送信号由下式给出：xk=exp−i hk，DxS，（4）其中， hk，D表示hk，D 的相位。然后，在第二跳，SD节点的接收信号由下式给出：yD=∑<$Pk hk， D xk+nD，2=∑<$Pk<$hk， D<$xS+nD，2，（5）其中Pk（Pmax）是第k个SR节点的发射功率在最大功率约束下。对于基于频谱共享的系统的干扰温度约束，还需要控制第k个SR节点的发射功率[3，13，14]，这将在下一节中解释最后，所提出的CPS技术的中断概率由下式给出：图二. 不同最大值下建议CPS的停机概率⎡⏐⏐2（∑）2发射功率（或等效SNR）。Put=PrPShS，D+k∈DPkhk， d< 我的天（六）由于假设信道较差，4. 用于频谱共享我们首先将每个PD节点处的干扰功率约束（也称为干扰温度）定义为Q。在每一跳的第j个PD节点处的干扰约束由下式给出：Ph[p]2≤Q，（第一跳）2SS节点和PD节点之间的条件通过将Pk确定为（10），充分满足（7）5. 仿真结果在本节中，我们比较了所提出的CPS技术与传统机会中继S⏐∑√S， j⏐()选择（ORS）[13，14]方案和非常规CPS频谱共享环境（CPS（NSS））[15]k∈DPhe−jhk，d⏐ ≤Q。第二跳（七）中断概率ORS方案选择最佳SR节点在SR为了满足上述干扰约束，节点属于D.在所有模拟中，σ2=σ2=−20dB，j∈ {1，2，. . .，J}处的SS节点的发射功率，S、DS， j第一跳PS由下式给出：σS，kσk，j0 dB，R0. 5 bit/ s/ Hz，Q5 dB。图 2显示了不同最大传输功率P={Pmax，P maxαS≤Q，αmax{≤=，αSσ2Ps|D|DPK（八）功率（或等效SNR），当K=3、 5、 7且σ2=SQ/αS，PmaxαS>QSJJesus，j0分贝。值得注意的是，J⏐难以联合调整多个SR的发射功率满足（7）的第二跳干扰条件的节点并且我们分离每个SR节点的干扰约束如下所示Q所提出的CPS技术变得重要，k、D=-SR节点的数量增加。此外，它表明，性能即使Pmax增加，每个方案的SS节点和SR节点的发射功率是从属的涉及从其自身到PD节点的信道的统计分布Pk<$h k，j<$≤， j ∈ {1，2，. . . ，J}。（九）图3显示了建议的CPS技术K然后，可以计算每个SR节点的发射功率采用分布式方式，第k个发射机的发射功率SR节点由下式给出：当K3、 5、 7和Pmax10 dB时，按σ2计算它观察到，建议CPS的中断概率当σk， D较小时，ORS技术优于ORS方案。在这一数字，拟议的CPSPmax，Pmaxαk N Q/ KQ/Kαk，Pmaxαk>N Q/ K最大值k， j二、（十）随着SR节点数量的增加，好.