兼顧能量有效性與傳輸可靠性的認知中繼節(jié)點選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兼顧能量有效性與傳輸可靠性的認知中繼節(jié)點選擇方法，充分考慮了認知無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在協(xié)作感知與協(xié)作傳輸階段的能耗問題，以及節(jié)點在協(xié)作傳輸過程中的誤碼問題。本發(fā)明通過構(gòu)造感知階段與傳輸階段的加權(quán)能耗目標函數(shù)，同時以協(xié)作感知時的漏檢概率與協(xié)作傳輸時的誤碼率要求作為約束條件，通過數(shù)值計算求解非線性凸優(yōu)化問題得到在不同歸一化感知時隙長度、不同接收信噪比要求和不同調(diào)制方式等場景下的最優(yōu)認知中繼節(jié)點數(shù)。在認知無線網(wǎng)絡(luò)中，本發(fā)明有效折衷了頻譜感知準確度與節(jié)點能量有效性，同時兼顧了節(jié)點能量有效性與傳輸可靠性，因而具有實際的應(yīng)用意義。
【專利說明】兼顧能量有效性與傳輸可靠性的認知中繼節(jié)點選擇方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息與通信工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及無線通信系統(tǒng)中的認知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多認知節(jié)點在協(xié)作感知與協(xié)作傳輸中的能量有效性和傳輸可靠性研究，實現(xiàn)頻譜感知準確度與傳輸能量有效性之間的有效折衷，具體是一種兼顧能量有效性與傳輸可靠性的認知中繼節(jié)點選擇方法。

【背景技術(shù)】
[0002]認知無線電(Cognitive Rad1, CR)亦稱為感知無線電，它可在不影響主用戶(Primary Users, PUs)通信的前提下,智能地利用大量空閑頻譜以滿足次用戶(SecondaryUsers, SUs)即認知用戶(Cognitive Users, CUs)的可靠通信,從而提高無線頻譜的利用率，實現(xiàn)頻譜資源共享。認知用戶能夠?qū)崟r感知無線通信系統(tǒng)周圍的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過對環(huán)境的理解、主動學習來動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以適應(yīng)外部環(huán)境的變化。
[0003]認知無線電具備極高的頻譜使用效率，允許在時間、頻率以及空間上進行多維信道復用，它通過機會通信方式提高頻譜利用率，充分利用有限的頻譜資源，實現(xiàn)動態(tài)頻譜共享。CR技術(shù)將大大降低了由于頻段和帶寬的限制對無線技術(shù)發(fā)展的束縛，代表著無線通信技術(shù)的新發(fā)展，并已作為B4G和物聯(lián)網(wǎng)標準中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0004]在追求高頻譜利用率、高傳輸效率的同時，CR對能量有效性、提高系統(tǒng)抗干擾性能等方面提出了更高的要求。研究表明，節(jié)點進行頻譜感知與傳輸?shù)墓膯栴}是CR網(wǎng)絡(luò)能耗開銷的主要問題。隨著CR節(jié)點密度的增加和網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的擴大，CR的能耗問題已日益受到關(guān)注，“綠色化”已經(jīng)成為未來CR網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向之一。
[0005]構(gòu)造綠色節(jié)能的CR網(wǎng)絡(luò)是未來CR的發(fā)展趨勢。在綠色CR網(wǎng)絡(luò)中，必須考慮在CR節(jié)點能量有效性的前提下，利用多個CR節(jié)點進行協(xié)作感知與協(xié)作傳輸以提高感知準確度與傳輸可靠性。綠色CR網(wǎng)絡(luò)目的是在保證主用戶通信服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)的前提下，通過CR無線能效管理，在提高頻譜利用率和保障CR節(jié)點可靠傳輸?shù)耐瑫r盡可能減少CR網(wǎng)絡(luò)的能耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明公開了一種兼顧能量有效性和傳輸可靠性的認知中繼節(jié)點選擇方法?？紤]到CR網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量受限，且節(jié)點協(xié)作傳輸中可能產(chǎn)生的誤碼問題，提出了一種在頻譜感知漏檢概率和協(xié)作傳輸誤碼率約束下基于能量有效性的最優(yōu)中繼節(jié)點選擇方法(EnergyAwareness Optimal Relay Select1n, EA0RS)。該方法通過構(gòu)造感知階段與傳輸階段的加權(quán)能耗目標函數(shù)，同時考慮協(xié)作感知時的漏檢概率與協(xié)作傳輸時的誤碼率，通過數(shù)值計算求解非線性凸優(yōu)化問題得到最優(yōu)中繼數(shù)。具體而言，該方法構(gòu)造的加權(quán)能耗目標函數(shù)、協(xié)作感知漏檢概率函數(shù)與協(xié)作傳輸誤碼率函數(shù)均是中繼節(jié)點的凸函數(shù)，即構(gòu)造的優(yōu)化問題為非線性凸優(yōu)化問題，從而通過數(shù)值計算確定在不同歸一化感知時隙長度、不同接收信噪比要求和不同調(diào)制方式等場景下的最優(yōu)認知中繼節(jié)點數(shù)。同時，與基于壓縮感知的協(xié)作檢測方案相比，在相同感知時隙長度與調(diào)制方式下，該方法的能耗明顯低于基于壓縮感知的協(xié)作檢測方案。該方法有效折衷了頻譜感知準確度與節(jié)點能量有效性。該方法對于實現(xiàn)在認知無線網(wǎng)絡(luò)中高效協(xié)作感知與可靠協(xié)作傳輸?shù)耐瑫r保障節(jié)點的能量有效性，具有一定的意義。
[0007]本發(fā)明方法的具體步驟如下:
[0008](I)頻譜感知階段1:PU發(fā)射機與I3U接收機在通信的同時，SU發(fā)射機與N個認知中繼節(jié)點(SUR)對頻譜占用情況進行協(xié)作檢測，以獲取可利用的空閑頻譜。
[0009](2)頻譜感知階段2:N個認知中繼節(jié)點將本地頻譜感知結(jié)果通過N個正交報告信道匯報給SU發(fā)射機。SU發(fā)射機根據(jù)一定的準則進行感知數(shù)據(jù)融合與全局檢測。
[0010](3)協(xié)作傳輸階段1:SU發(fā)射機兼顧N個認知中繼節(jié)點在協(xié)作感知與協(xié)作傳輸過程中的能耗、協(xié)作感知的漏檢概率門限與協(xié)作傳輸?shù)恼`碼率要求，在頻譜感知漏檢概率和協(xié)作傳輸誤碼率約束下基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法(EAORS)選擇K個最佳認知中繼節(jié)點。同時，認知用戶發(fā)射機將信號發(fā)送給所選的K個認知中繼節(jié)點。
[0011](4)協(xié)作傳輸階段2:所選的K個認知中繼節(jié)點將信號協(xié)作傳輸至認知用戶接收機，認知用戶接收機通過最大比合并準則進行信號重構(gòu)。
[0012]在本方法中，步驟(I)和步驟(2)為協(xié)作感知階段，采用參數(shù)α表征歸一化感知時隙長度，步驟(3)和步驟(4)為協(xié)作傳輸階段，采用參數(shù)1-α表征歸一化傳輸時隙長度。其中，步驟(3)是本方法實現(xiàn)的關(guān)鍵。
[0013](一)認知用戶協(xié)作感知階段
[0014]在認知用戶協(xié)作感知階段，SU發(fā)射機(SU Transmitter, SUT)與N個認知中繼節(jié)點(SU Relay, SUR)獨立地進行本地頻譜檢測，而后N個SUR將本地頻譜感知結(jié)果通過N個正交報告信道匯報給SUT進行感知數(shù)據(jù)融合與全局檢測。假設(shè)SUT與各SUR本地頻譜檢測采用能量檢測，SUT采用“OR-rule”數(shù)據(jù)融合準則對頻譜占用情況進行全局檢測。
[0015]考慮SUT與各SUR進行本地能量檢測時，檢測閾值均為λ，當感知信道為Rayleigh衰落信道時的虛警概率、檢測概率與漏檢概率分別表示如下:
Rl!'(m,-—)
L 」Pr, (mU) = Ε[?χ{Υ > AI HuS] = Pr{^ >1|=
Jr(W!)

= /T[Pr{F > 11 //,}] = Pr> 1}
[0017]f I (A)" (Ι + γΤ '[ f 2 ) I f Iy 丫
=CXD —— I y — — -j- j -1 CXD--- —?xd|--/ —1-1
I 2jhn!{2j i 7 J [ 2(l + r)J rI 2 20+7) J
[0018]Prm (m, λ , y ) = 1-Prd (m, λ , y )
[0019]其中m = BT為時間帶寬積，Y為SUT與各SUR的接收信噪比(Signal to NoiseRat1, SNR)。!L為自由度為2m的中心卡方分布，I:J2/)為自由度為2m的非中心卡方分布，非中心參數(shù)為2 Y。
[0020]各SUR通過獨立的報告信道向SUT匯報本地感知結(jié)果。本地感知結(jié)果可以表示為二進制判決形式，即Cli e {O, 1}，{0}表示I3U不占用頻譜而{1}表示I3U正在占用頻譜。SUT采用“OR-rule”進行數(shù)據(jù)融合，以實現(xiàn)對I3U干擾最小化。由于SUT與N個SUR共同參與協(xié)作檢測，故協(xié)作感知節(jié)點數(shù)為N+1?？紤]到報告信道出現(xiàn)差錯將影響SUR匯報本地感知結(jié)果的可靠性，假設(shè)報告信道差錯率為Pre，且各協(xié)作節(jié)點具有相同的本地虛警概率與漏檢概率，則SUT采用“OR-rule”進行數(shù)據(jù)融合后的總虛警概率與總漏檢概率分別為
[0021]Q, (^) = 1- Π((1 - Pr, )(1 -Pr,) + Pr, Pr )


1=1
[0022]Qk (N) = fl (Pr? (1 - Μ) + (1- Prw) Prf)


I?]
[0023]由于感知信道與報告信道對于各SUR均為獨立同分布，即各報告信道差錯率相同，故總虛警概率具有下界氐_ =〗-(1-Pt；廣1U-㈧+!m,.)=(iV+l)Pi;，總漏檢概率可以簡化為 Qm(N) = (Prm(1-Pre)+ (1-Prm)Pre) (N+1)0
[0024]在協(xié)作感知階段，節(jié)點能耗主要體現(xiàn)在各SUR向SUT進行匯報本地感知結(jié)果與SUT進行數(shù)據(jù)融合。考慮到N個認知中繼SUR將本地二進制判決感知結(jié)果采用二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)調(diào)制方式匯報給認知用戶發(fā)射機進行數(shù)據(jù)融合與判決。假設(shè)認知中繼節(jié)點與認知用戶發(fā)射機之間報告信道差錯率為Piv在高信噪比(SNR)條件下，N個認知中繼構(gòu)成N個虛擬發(fā)射天線，則報告信道平均差錯率的上界為
/-1?,、
Pr,-其中I為認知中繼SUR匯報本地感知信息的每比特平均能量，N0為加性高斯噪聲單邊功率譜密度。因此，協(xié)作感知階段的節(jié)點能耗為a Cnrai^其中G為




I Pr, I
鏈路增益裕量，dsensing為SUR與SUT之間報告信道的平均距離，η為信道路徑衰耗指數(shù)。
[0025](二)認知用戶協(xié)作傳輸階段
[0026]在認知用戶協(xié)作傳輸階段，SUT根據(jù)SUR在協(xié)作感知與協(xié)作傳輸過程中的能耗、協(xié)作感知階段的漏檢概率門限與協(xié)作傳輸階段的誤碼率要求，基于EAORS方法選擇K個最佳認知中繼節(jié)點，即最優(yōu)認知中繼節(jié)點選擇方案兼顧了能量有效性與傳輸可靠性。而后，SUT將傳輸信號發(fā)送給所選的K個SUR。所選的K個SUR將信號協(xié)作傳輸至認知用戶接收機(SUDestinat1n, SUD),認知用戶接收機通過最大比合并準則進行信號重構(gòu)。
[0027]協(xié)作傳輸階段的能耗主要包括節(jié)點功放能耗Ppa和電路能耗P。，則每比特傳輸?shù)?br>
(P+ P )
總能耗為￡；u,剛M,,,, = 一1^，其中Rb為保障認知鏈路Qo S要求的節(jié)點傳輸比特率。節(jié)點電路能耗包括發(fā)送電路能耗Pet和接收電路能耗P。,。在SUT根據(jù)EAORS方案選擇最優(yōu)SUR之前，潛在協(xié)作傳輸?shù)墓?jié)點集合為N個SUR與SUT，假設(shè)所有SUR與SUT均參與協(xié)作，則總電路能耗為P。= (N+1) (Pct+Pcr)。協(xié)作傳輸時的功放能耗為4 =,其中^
為平均每比特發(fā)送能耗，它與協(xié)作傳輸誤碼率要求(傳輸可靠性)相關(guān)，CltransmissimSSUR集合與SUD之間距離，衰落信道的路徑衰耗指數(shù)η = 3。因此，協(xié)作傳輸階段的總能耗為
(^二― --隨著協(xié)作節(jié)點數(shù)的增加，協(xié)作分集增益與感知準確度
馬將顯著改善，但是電路能耗也將相應(yīng)增加，因此需要在頻譜感知準確度與節(jié)點能耗開銷之間進行有效折衷。
[0028]考慮協(xié)作傳輸信號采用M進制相移鍵控(M-ary Phase Shift Keying, MPSK)或M 進制正交幅度調(diào)制(M_ary Quadrature Amplitude Modulat1n，MQAM)，各 SUR 傳輸信道為獨立同分布(independent identical distribut1n，1.1.d)，且 SUR 轉(zhuǎn)發(fā)功率相同，SUD米用最大比合并(Maximum Rat1 Combinat1n, MRC)準則進行接收，則SUD的即時接收SNR為?由于潛在協(xié)作傳輸?shù)墓?jié)點集合為N個SUR與SUT,故發(fā)射功率

(N +1) Nn
在N+1個認知節(jié)點上均勻分配。I |H| |F為協(xié)作傳輸信道矩陣的Frobenius范數(shù)，信道矩陣中的元素服從均值為零方差為σ 2的循環(huán)對稱復高斯分布。各信道鏈路均為1.1.d的
Rayleigh平坦衰落，則= “fhf服從自由度為2 (N+1)的中心卡方分布，其概率密度函數(shù)為=?當SUT發(fā)送數(shù)據(jù)采用MPSK/MQAM調(diào)制時，SUD接收誤碼率(Bit
Error Rate, BER)閉式解為=其中，Prb，AWGN( Yb)為在加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道下米用 MPSK/MQAM 調(diào)制時，當接收SNR為Y1JA BER表達式。根據(jù)文獻，在AWGN信道下釆用MPSK/MQAM調(diào)制的BER閉式解為 P^.au-onmfsk (7b) = J.i?〔、I\aw—, (Th) =I—3 其中，./ \
=,調(diào)制指數(shù)為b = 1g2M0將它們代入1^(紙幻表達式，查閱積分公式表，分別得到采用MPSK調(diào)制時協(xié)作傳輸?shù)腂ER閉式解為
I (S )Λ、1 A' fh1-tkY1 Y
[0029]P%(MPSK(.^/,) = 377 1^(1 + /?2)1 Σ2—* ' , 1 + {? + β2)?
2J M V k J\J
[0030]其中β為“.和B= iV + 1°當采用MQAM調(diào)制時協(xié)作傳輸?shù)腂ER閉式解為
rnsm UJ
[0031]2I f, /,.^2V-1Yv''^ 灸Y r 2、--4 丫
聊Γ?7- l — (U々；Σ2rI+l1+^ ) _
z D VJK K JK}
[0032]其中 β 為 j-t n-N + 1 ?
y ?7;,
[0033]考慮在高SNR條件下，N+1個認知節(jié)點構(gòu)成虛擬發(fā)射天線，采用MPSK/MQAM調(diào)制時協(xié)作傳輸?shù)腂ER上界分別為P?),細K^T^f7;7,,,,,,%r:■)、





ν(Λ 十 1)Λυ J
4? ? V I 5bF f)
卜4r因此，可以得到當采用MPSK調(diào)制時，每比特平
I 27Λ -l)?oJ均傳輸能量上界為
r (N + l)Nn
[0034]￡?霞 5 工^


Ο?- -V τ-1


1 'i'.MPSK,
[0035]當采用MQAM調(diào)制時，每比特平均傳輸能量上界為
[0036]

ι.~^~-{ 4 J
w.v J
[0037](三)EAORS方法優(yōu)化問題的構(gòu)造與求解
[0038]將協(xié)作感知與協(xié)作傳輸?shù)哪芎姆謩e采用歸一化感知與傳輸時隙權(quán)值因子進行加權(quán)求和，構(gòu)造加權(quán)的每比特傳輸總能耗目標函數(shù) E(N) = QEsensing+(1-Q)Etransmissi0no 當 SUT 發(fā)送數(shù)據(jù)采用 MPSK 調(diào)制時，根據(jù)協(xié)作感知和協(xié)作傳輸階段的能耗分析，構(gòu)造的總能耗目標函數(shù)為
/ ) ( \
Eurm(N) = aG\ ^ ^ltm+ (I^a)+ G震., 0 同理，當采用 MQAM 調(diào)
i Pr V--ρΓ Λ.1、1 1: J、1 l^Mi5SKJ
制時，總能耗目標函數(shù)為 EmoamW = ?C ^T1 KLini 十(1-?)| 手上生GEliMQXMdlmsidsitm I?
1.J ' RiJ
其中K、訓為采用MQAM調(diào)制時的每比特平均傳輸能量上界。同時，基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法優(yōu)化問題需要滿足感知階段漏檢概率門限和傳輸階段誤碼率要求。該優(yōu)化問題構(gòu)造如下:
m1 E(N).
[0039]s.t.QJN) < Oa^,.Pr*AWPW N>Q
[0040]其中，感知階段總漏檢概率為Qm(N) = (Prm(1-Pre) + (1-Prm)Pre)(N+1)，Qm；req 為總漏檢概率門限要求。當采用MPSK和MQAM調(diào)制時，協(xié)作傳輸階段的BER閉式解分別表示為Prb，ipSI^Prb，MQAM,它們均為認知中繼節(jié)點數(shù)N和接收比特信噪比Yb的函數(shù)。Pr1^etl為協(xié)作傳輸階段的BER要求。當采用MPSK和MQAM調(diào)制時，總能耗目標函數(shù)E (N)分別為Empsk(N)和 EMQam (N)。
[0041]本發(fā)明所提的兼顧能量有效性與傳輸可靠性的認知中繼節(jié)點選擇方法通過求解上述非線性凸優(yōu)化問題，在保證感知準確度與傳輸可靠性的同時搜索使總能耗目標函數(shù)達到最小時的最優(yōu)SUR節(jié)點數(shù)K。可以證明，總能耗目標函數(shù)Empsk(N)與Emqam(N)、協(xié)作感知階段總漏檢概率Qm(N)、協(xié)作傳輸階段BER閉式解Pi^mpsk和Prb，MQAM均為認知中繼節(jié)點數(shù)N的凸函數(shù)，故該優(yōu)化問題為非線性凸優(yōu)化問題。本發(fā)明所提基于能量有效性的最優(yōu)中繼節(jié)點選擇方法(EAORS)通過數(shù)值計算搜索當總能耗目標函數(shù)達到最小值時的最優(yōu)SUR節(jié)點數(shù)K，該數(shù)值解即為非線性凸優(yōu)化問題的最優(yōu)解。
[0042]此外，若當總能耗達到最小值時的最優(yōu)SUR節(jié)點數(shù)為非整數(shù)，還需要進行SUR節(jié)點數(shù)的取整運算。具體如下:
[0043](I)通過計算Λ E (K) = minE (N) -E (K)，得到最小能耗差量值；
[0044](2)如果Λ E (K) =0，則無需最優(yōu)SUR節(jié)點數(shù)的取整運算；
[0045](3)如果AE(K) < 0，在最優(yōu)SUR節(jié)點集合中增加一個節(jié)點，即最優(yōu)SUR節(jié)點集合為{SURk|k = 1,2,...，K+1}；
[0046](4)如果Λ E (N) > 0，在最優(yōu)SUR節(jié)點集合中減去一個節(jié)點，即最優(yōu)SUR節(jié)點集合為{SURk|k = 1,2,…，K-1}。
[0047]因此，通過本發(fā)明中EAORS方法構(gòu)造非線性凸優(yōu)化問題并進行數(shù)值求解，得到最優(yōu)認知中繼節(jié)點數(shù)，可以有效兼顧協(xié)作感知與協(xié)作傳輸?shù)哪芰坑行耘c傳輸可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1為認知無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作感知與協(xié)作傳輸系統(tǒng)模型與時隙分配圖。
[0049]圖2為在不同歸一化感知時隙長度與接收信噪比下采用BPSK/QPSK調(diào)制時的加權(quán)總能耗仿真圖。
[0050]圖3為在不同歸一化感知時隙長度與接收信噪比下采用16QAM調(diào)制時的加權(quán)總能耗仿真圖。
[0051]圖4為在不同傳輸距離條件下采用BPSK/QPSK調(diào)制時的協(xié)作傳輸能耗仿真圖。
[0052]圖5為采用BPSK/QPSK調(diào)制時基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法與基于壓縮感知的協(xié)作檢測方案對比仿真圖。
[0053]圖6為采用16QAM調(diào)制時基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法與基于壓縮感知的協(xié)作檢測方案對比仿真圖。

【具體實施方式】
[0054]下面結(jié)合附圖和附表對本發(fā)明實施例作詳細說明。
[0055]圖1為認知無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作感知與協(xié)作傳輸系統(tǒng)模型與時隙分配圖。在圖1(a)中，PU發(fā)射機與I3U接收機在通信的同時，SU發(fā)射機與N個SUR對PU頻譜占用情況進行協(xié)作檢測，以獲取可利用的空閑頻譜。在圖1(b)中，N個SUR將本地頻譜感知結(jié)果通過N個正交報告信道匯報給SUT。SUT根據(jù)一定的準則進行感知數(shù)據(jù)融合與全局檢測。在圖1(c)中，SUT兼顧N個SUR在協(xié)作感知與協(xié)作傳輸過程中的能耗、協(xié)作感知的漏檢概率門限與協(xié)作傳輸?shù)恼`碼率要求，在頻譜感知漏檢概率和協(xié)作傳輸誤碼率約束下基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法(EAORS)選擇K個最佳認知中繼節(jié)點。同時，SUT將信號發(fā)送給所選的K個SUR0在圖1 (d)中，所選的K個SUR將信號協(xié)作傳輸至SUD，SUD通過最大比合并準則進行信號重構(gòu)。其中，圖1(a)和圖1(b)為協(xié)作感知階段，采用參數(shù)α表征歸一化感知時隙長度，圖1(c)和圖1(d)為協(xié)作傳輸階段，采用參數(shù)l-α表征歸一化傳輸時隙長度。兼顧能量有效性與傳輸可靠性的認知無線網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點選擇方法主要體現(xiàn)在圖1(c)中。
[0056]圖2、圖3和表I分別給出了在不同歸一化感知時隙長度與接收信噪比下采用BPSK/QPSK/16QAM調(diào)制時的加權(quán)總能耗和在不同SNR要求和歸一化感知時隙長度下本發(fā)明方法選擇的最優(yōu)中繼節(jié)點數(shù)。表I為在不同SNR要求和歸一化感知時隙長度下本發(fā)明方法選擇的最優(yōu)中繼節(jié)點數(shù)。
[0057]表I
[0058]
BPSKΙα = 0.2|α = 0.8|QPSKΙα = 0.2 I α = 0.8|l6QAM Ια = 0.2 I α = 0.8
Y b = 5dB 33y b = 5dB~44yb = 5dB~22
Yb = 1dB~ 44y b = 1dB 66yb = 1dB 33
Yb = 15dB~77yb = 15dB 99yb = 15dB 44
y b = 20dB~ ?12y b = 20dB TlTlyb = 20dB 66
[0059]由圖表可知，在給定調(diào)制方式下，最優(yōu)中繼節(jié)點數(shù)隨著接收SNR要求的提高而增力口，即SNR要求的提高保障了傳輸鏈路的可靠性，但所需更多的SUR以滿足認知鏈路傳輸BER約束。對于一定調(diào)制方式，歸一化感知時隙長度對于最優(yōu)SUR節(jié)點數(shù)的影響并不明顯，即在EAORS方案中，在相同接收SNR但不同感知時隙長度時所選擇的最優(yōu)SUR節(jié)點數(shù)幾乎相同。比較BPSK、QPSK和16QAM，當給定感知時隙長度，對于不同SNR要求的情況，采用16QAM所選取的SUR節(jié)點數(shù)均小于BPSK和QPSK，即為了達到最小的加權(quán)總能耗，采用16QAM調(diào)制所需SUR節(jié)點數(shù)最少，這是因為在這三種帶寬受限調(diào)制方式下，高階調(diào)制具有更高的帶寬效率，根據(jù)認知用戶接收機SNR要求，可以采用自適應(yīng)調(diào)制選擇最優(yōu)SUR節(jié)點，以滿足節(jié)點能量有效性。
[0060]圖4為在不同傳輸距離條件下采用BPSK/QPSK調(diào)制時的協(xié)作傳輸能耗仿真圖。圖中假設(shè)接收SNR要求為20dB，由圖可知，對于同一調(diào)制方式，增加傳輸距離將不可避免地增加傳輸能耗。為達到節(jié)點傳輸能耗最小化，當傳輸距離從50m增加到200m時，對于BPSK和QPSK，需要增加約12個SUR節(jié)點參與協(xié)作。此外，在相同傳輸距離時，為達到最小傳輸能耗，兩種調(diào)制方式所選擇的最優(yōu)SUR節(jié)點數(shù)基本相同。表2為在不同SNR要求時采用BPSK/QPSK/16QAM調(diào)制的每比特加權(quán)最小總能耗。
[0061]表2
[0062]
SNR 要求IbpskIqpskIi6qam
Yb = 5dB7.6998 XlCT5 6.9805 XlCT5 2.1326 XICT5
Yb= 1dBL 5106XICT4 L 3115X1CT4 3.7013X 1CT5
Yb= 15dB3.0964XICT4 2.7232XICT4 6.9312X 1CT5
y b = 20dB6.981XICT4 6.246 XICT4 L 4754X1CT4
[0063]在表2中假設(shè)傳輸距離為100m。對于相同調(diào)制方式，每比特加權(quán)最小總能耗隨著接收SNR要求的提高而增加。通過表2可以發(fā)現(xiàn)，當SNR要求從5dB增加到20dB時，對于 BPSK/QPSK/16QAM，每比特加權(quán)總能耗分別增加了 6.21102X l(T4J/bit、5.54795X 1^4J/bit、1.26214X 10_4J/bit。高SNR要求意味著協(xié)作SUR需要提高發(fā)射功率以保證認知鏈路傳輸QoS。此外，在相同SNR要求下，16QAM的每比特能耗低于QPSK和BPSK，即高階調(diào)制的每比特能耗更小。然而，高階調(diào)制需要更復雜的射頻前端，其功放能耗將隨之增加。因此需要在加權(quán)總能耗與選取的調(diào)制方式之間進行有效折衷。
[0064]圖5為采用BPSK/QPSK調(diào)制時基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法與基于壓縮感知的協(xié)作檢測方案對比仿真圖?；趬嚎s感知的協(xié)作檢測方案構(gòu)造的加權(quán)能耗目標函數(shù)與本方法構(gòu)造的總能耗目標函數(shù)具有相同的形式。當報告信道差錯率為Pre = 10_4，在不同的歸一化感知時隙長度下，本方法均優(yōu)于基于壓縮感知的協(xié)作頻譜檢測方案，即具有更低的加權(quán)總能耗。對于給定調(diào)制方式，本方法中的總漏檢概率對總能耗的影響并不明顯，在相同的歸一化感知時隙長度下，QPSK的每比特能耗均低于BPSK。然而，不同歸一化感知時隙長度對于同一調(diào)制方式每比特能耗的影響顯著。感知時隙長度參數(shù)α越大，則每比特能耗越小。這是因為感知時隙長度參數(shù)越大意味著傳輸時隙長度越小，則加權(quán)總能耗將隨之下降。此外，總漏檢概率對本方法每比特加權(quán)總能耗的影響并不明顯，但對于基于壓縮感知的協(xié)作檢測方案，當漏檢概率大于某一閾值時，其能耗將顯著增加。
[0065]圖6為采用16QAM調(diào)制時基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法與基于壓縮感知的協(xié)作檢測方案對比仿真圖。與圖5相同，報告信道差錯率為Pre= 10_4，在不同的歸一化感知時隙長度下，本方法優(yōu)于基于壓縮感知的協(xié)作頻譜檢測方案，即在低漏檢概率范圍內(nèi)(高檢測概率情況下)本方法具有更低的加權(quán)總能耗。此外，在16QAM調(diào)制方式下，對于相同的歸一化感知時隙長度，本方法的每比特加權(quán)總能耗均低于QPSK與BPSK，這與表2給出的結(jié)果一致。此外,感知時隙長度參數(shù)α越大，則每比特能耗越小。本方法中每比特加權(quán)總能耗隨感知階段總漏檢概率的變化也不明顯。
[0066]綜上所述，本發(fā)明公開了一種兼顧能量有效性與傳輸可靠性的認知中繼節(jié)點選擇方法，充分考慮了認知無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在協(xié)作感知與協(xié)作傳輸階段的能耗問題，以及節(jié)點在協(xié)作傳輸過程中的誤碼問題。本發(fā)明通過構(gòu)造感知階段與傳輸階段的加權(quán)能耗目標函數(shù)，同時以協(xié)作感知時的漏檢概率與協(xié)作傳輸時的誤碼率要求作為約束條件，通過數(shù)值計算求解非線性凸優(yōu)化問題得到在不同歸一化感知時隙長度、不同接收信噪比要求和不同調(diào)制方式等場景下的最優(yōu)認知中繼節(jié)點數(shù)。在認知無線網(wǎng)絡(luò)中，本發(fā)明有效折衷了頻譜感知準確度與節(jié)點能量有效性，同時兼顧了節(jié)點能量有效性與傳輸可靠性，因而具有實際的應(yīng)用意義。
[0067]本【技術(shù)領(lǐng)域】中的普通技術(shù)人員應(yīng)當認識到，以上實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的范圍內(nèi)，對以上實施例的變化、變形都將落在本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.兼顧能量有效性與傳輸可靠性的認知中繼節(jié)點選擇方法，其特征在于該方法具體包括以下步驟: 步驟(I)主用戶網(wǎng)絡(luò)與認知網(wǎng)絡(luò)在交叉頻譜共享場景下共存；主用戶發(fā)射機與主用戶接收機在通信的同時，認知用戶發(fā)射機與N個認知中繼節(jié)點對主用戶頻譜占用情況進行協(xié)作檢測，以獲取可利用的空閑頻譜； 步驟(2)N個認知中繼節(jié)點將本地頻譜感知結(jié)果通過N個正交報告信道匯報給認知用戶發(fā)射機；認知用戶發(fā)射機進行感知數(shù)據(jù)融合與全局檢測； 步驟(3)認知用戶發(fā)射機兼顧N個認知中繼節(jié)點在協(xié)作感知與協(xié)作傳輸過程中的能耗、協(xié)作感知的漏檢概率門限與協(xié)作傳輸?shù)恼`碼率要求，在頻譜感知漏檢概率和協(xié)作傳輸誤碼率約束下根據(jù)基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法選擇K個最佳認知中繼節(jié)點；同時，認知用戶發(fā)射機將信號發(fā)送給所選的K個認知中繼節(jié)點； 步驟(4)所選的K個認知中繼節(jié)點將信號協(xié)作傳輸至認知用戶接收機，認知用戶接收機通過最大比合并準則進行信號重構(gòu)； 步驟(5)令步驟(I)和步驟(2)為協(xié)作感知階段，歸一化感知時隙長度為參數(shù)α ;步驟(3)和步驟(4)為協(xié)作傳輸階段，歸一化傳輸時隙長度為參數(shù)l-α。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認知中繼節(jié)點選擇方法，其特征在于:步驟(3)中基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法優(yōu)化問題的構(gòu)造與求解具體流程如下: 步驟1:節(jié)點協(xié)作感知能耗分析:考慮到N個認知中繼將本地感知結(jié)果以二進制相移鍵控BPSK調(diào)制方式匯報給認知用戶發(fā)射機進行數(shù)據(jù)融合與判決；假設(shè)認知中繼節(jié)點與認知用戶發(fā)射機之間報告信道的傳輸差錯率為Pre，在高信噪比條件下，N個認知中繼構(gòu)成N個虛擬發(fā)射天線，則;其中^為認知中繼匯報本地感知信息的每比特平均能量，Ntl為加性高斯噪聲單邊功率譜密度；因此，協(xié)作感知階段的節(jié)點能耗為
( I
V.λ?K； G ^^;其中G為鏈路增益裕量，dsensing為認知中繼與認知用戶發(fā)射機之間的 VJ報告信道平均距離，η為信道路徑衰耗指數(shù)； 步驟2:節(jié)點協(xié)作傳輸能耗分析:協(xié)作傳輸階段的能耗主要包括功放能耗和電路能耗，同時考慮傳輸數(shù)據(jù)采用M進制相移鍵控MPSK或M進制正交幅度調(diào)制MQAM ;在認知用戶發(fā)射機與N個認知中繼均參與協(xié)作的情況下，電路能耗為P。= (N+1) (Pct+Pcr)，功放能耗為& = GfXroraiw，其中dt—為協(xié)作中繼節(jié)點與認知用戶接收機之間平均距離；因


i(N + l)(P +P }) —此，協(xié)作傳輸階段的總能耗為——十;其中，當認知用戶發(fā)射



F ^ OV+ !).￥?機發(fā)送數(shù)據(jù)采用MPSK調(diào)制時，每比特平均傳輸能量上界為--L-；當采用MQAM






Λ‘I






. 1 iI1-MFSK







I調(diào)制時,每比特平均傳輸能量上界為.^mqam --—1-1I ?其中PrbjMPSK和

Jh'"'' '■ 、JPrhma分別為MPSK和MQAM調(diào)制時的傳輸誤碼率，MQAM調(diào)制指數(shù)b = 1g2M ； 步驟3:基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法優(yōu)化問題的構(gòu)造:將協(xié)作感知與協(xié)作傳輸?shù)哪芎姆謩e采用歸一化感知與傳輸時隙權(quán)值因子進行加權(quán)求和，構(gòu)造加權(quán)的每比特傳輸總能耗目標函數(shù)E(N) = a Esensing+(1-α )Etransffliss1n ;當認知用戶發(fā)射機發(fā)送數(shù)據(jù)采用MPSK調(diào)制時，根據(jù)步驟I協(xié)作感知階段能耗分析和步驟2協(xié)作傳輸階段能耗分析，構(gòu)造的總能耗目標函數(shù)為:“G1.....Ιψ.......+；同理，當采用 MQAM 調(diào)
I PrN IIPr % ^
V rie /Vri^MPSK)
/ \ ,、，?μ ,一 , N-Nn, (Ι(Ν + ?)(.Ρα+Ρα)} _.1制時，總能耗目標函數(shù)為盡《).?<(友)=<26: —'X"" +(1_β) -ο-+ GAwmAenista 5prWV * J

X e J同時，基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法優(yōu)化問題需要滿足感知階段漏檢概率門限和傳輸階段誤碼率要求；該優(yōu)化問題構(gòu)造如下:

mill E(N).t.0m (-V) ^.& Pr“見;，Ν>? 其中，感知階段漏檢概率為Qm(N) = (Prm(1-Pre)+ (1-Prm)Pre)(N+1), Q1^rai為漏檢概率門限要求；當采用MPSK和MQAM調(diào)制時，傳輸階段誤碼率Prb(N，yb)分別表示為Prb，MPSK和Prb，MQAM，它們均為認知中繼節(jié)點數(shù)N和接收比特信噪比Yb的函數(shù)；Prb rai為傳輸階段的誤碼率要求；當采用MPSK和MQAM調(diào)制時，總能耗目標函數(shù)E (N)分別表示為Empsk(N)和Emqm (N); 步驟4:基于能量有效性的最優(yōu)中繼選擇方法優(yōu)化問題的求解:可以證明，總能耗目標函數(shù)Empsk(N)與Emqam(N)、感知階段漏檢概率Qm、傳輸階段誤碼率Pi^mpsk和Prb，MQAM均為認知中繼節(jié)點數(shù)N的凸函數(shù)，故步驟3的優(yōu)化問題為非線性凸優(yōu)化問題；通過數(shù)值計算方法搜索當總能耗目標函數(shù)達到最小值時的最優(yōu)認知中繼節(jié)點數(shù)K，該數(shù)值解為非線性凸優(yōu)化問題的最優(yōu)解；此外，若當總能耗達到最小值時的最優(yōu)認知中繼節(jié)點數(shù)為非整數(shù)，還需要進行中繼節(jié)點數(shù) 的取整運算；因此，通過構(gòu)造非線性凸優(yōu)化問題并進行數(shù)值求解，得到最優(yōu)認知中繼節(jié)點數(shù)，可以有效兼顧協(xié)作感知與協(xié)作傳輸?shù)哪芰坑行院蛡鬏斂煽啃浴?br> 【文檔編號】H04B17/00GK104202789SQ201410390294
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】許曉榮, 章堅武, 曹海燕 申請人:杭州電子科技大學