认知多中继网络中断性能优化研究-AET-电子技术应用

认知多中继网络中断性能优化研究

来源：电子技术应用2014年第5期

宋耀莲1,2，酆广增2，习玄辉3，唐菁敏1

1. 昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明 650504； 2. 南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京 210003；3. 国家新闻出版广电总局501台，云南昆明650302

摘要： 研究了认知多中继网络的中断性能优化方法，提出了认知节点发射功率最大值受限和主用户干扰功率受限条件下的最优功率分配(OPA)方法，优化设计感知时间使认知中继网络的中断性能最优。仿真结果表明，最佳功率分配方案的中断性能优于等功率分配(EPA)方案，且存在最佳的感知时间使认知多中继网络的中断性能最优，在高信噪比区域采用多个认知中继协作传输可有效提高认知无线电网络的中断性能。

关键词： 无线网络最优功率分配等功率分配频谱感知协作传输

中图分类号： TN929．53
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2014)05-0111-04

Research on outage performance optimization in cognitive multi-node relay networks

Song Yaolian1,2， Feng Guangzeng2， Xi Xuanhui3， Tang Jingmin1

1, Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technoloty, Kunming 650504, China;2. College of Telecommunications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003, China;3. 501 Station of the SAPPRFT, Kunming 650302, China

Abstract： In this paper, we investigate the optimization method of outage performance based on cognitive multi-relay networks, and propose optimal power allocation(OPA) method under the constraint of maximum of average transmit power of secondary users and the constraint of average interference power of primary user. Optimal sensing time is designed to minimize the outage probability of cognitive multi-relay networks. Finally, we conduct deep experiments which show that the outage performance of OPA scheme is superior to that of equal power allocation scheme. And there exists an optimal spectrum sensing time to optimize the outage performance of cognitive multi-relay networks. Furthermore, increasing the number of secondary relays can efficiently improve the outage performance of cognitive relay networks in high SNR region.

Key words : optimal power allocation; equal power allocation; spectrum sensing; cooperative transmission

    在认知无线电网络中，采用有效的数据传输机制可提高认知数据传输的可靠性及通信质量。由于中继协作通信能够克服多径衰落等不利因素的影响，近来，对认知无线电和协作通信两种最有前途的技术结合在一起的研究受到了广泛关注。在认知无线电网络中，认知用户首先必须检测到并接入到空闲的授权频谱，然后进行数据传输。为了改善数据传输的性能，认知无线电网络中引入了多中继传输技术。在参考文献[1]和参考文献[2]中研究了认知中继网络在不同约束情况下的最佳功率分配技术。在主用户干扰受限的情况下，联合考虑中继选择和功率分配技术使认知网络的吞吐量最大[3-4]。参考文献[5]研究了认知中继选择和功率分配方案，提出了最佳的资源分配策略。参考文献[6-7]对具有多中继的认知传输网络进行了研究，解决了频谱感知的选择融合和最好中继传输两个问题。参考文献[8-9]在新认知无线电帧结构的基础上，研究了干扰功率和发射功率受限条件下的最优功率分配策略来最大化认知无线电网络的吞吐量。上述对认知中继网络的研究中，还没有针对认知信源和认知中继总发射功率受限、认知节点发射功率最大值受限和干扰功率受限条件下的联合研究，本文提出了在三种约束条件下，联合优化感知时间和功率分配方案来使认知多中继网络的性能最优。
    本文将多中继网络模型应用到认知无线电网络中，研究认知多中继网络的最佳功率分配策略。与已有研究不同，本文联合考虑了频谱感知和认知用户数据传输两个过程，在研究认知多中继网络最佳功率分配的同时，优化设计感知时间使认知网络的中断性能最优。
1 系统模型
    协作通信可提高无线通信的可靠性，在认知无线电网络中采用多中继协作通信，可使认知网络的通信质量得到提高。在这里考虑具有N个认知中继的网络，如图1所示。CS表示认知信源，CR表示认知中继，而CD表示认知目的端，PU表示主用户。

    当认知多中继网络的容量低于数据传输速率R时，认知数据传输将发生中断。在发射功率和干扰功率受限的认知网络中要考虑到主用户的活动状况及认知用户检测错误等情况，主要考虑三种情况引起的中断。
　(1)当主用户不活动且认知信源检测结果正确时，I<R将发生中断。
   (2)主用户不活动，但认知用户判决结果错误，即发生了虚警情况。
   (3)主用户活动，认知用户却判决主用户不存在，即发生了漏检现象，认知用户继续通信，当I<R时发生中断。这种情况将导致认知用户通信与主用户通信相互干扰。
    上述三种情况不包含主用户活动，且认知用户正确检测而保持沉默的情况，这是认知用户正确使用频谱的情况，因此不称为中断。认知多中继网络的总中断概率可表示为:

认知网络中各信道的衰落系数方差分别为(1,1,9)， δ0=10 dB时,图5的仿真结果表明OPA方案的中断性能优于EPA方案,增大Pav可有效提高认知网络的中断性能，且存在最优感知时间使认知中继网络的中断概率最小。采用OPA分配方案获得的最佳感知时间略大于EPA方案。

图6比较了δ0不同时，2个认知中继时的中断性能，可知当δ0=5 dB时，单认知中继网络的中断性能优于2中继认知网络。而当?酌0=15 dB时存在最佳感知时间使2中继认知网络的中断性能优于单中继认知网络。随着δ0增大，最佳感知时间增大。
本文深入研究了认知多中继网络的中断性能优化，在给定功率约束条件下，优化感知时间和功率分配方案使认知多中继网络的中断性能最优。由仿真结果可知，在高信噪比区域，采用多个认知中继可有效提高认知无线电网络的中断性能。
参考文献
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