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《电视技术杂志》2014年第十一期
1宽带频谱感知系统模型
设认知无线网络区域内有N条连续的授权用户信道，这些信道拼接在一起，构成一段宽带频谱。图1是非授权用户系统模型图。从图1看出，非授权用户系统由1个基站和N个非授权用户组成。非授权用户的感知有一个固定的周期，此周期包括感知时隙和传输时隙。在感知时隙里，采用宽带频谱感知方法，首先基站进行信道的检测，接着基站把所得到的感知信息传递给非授权用户，然后非授权用户结合感知信息对信道传输功率作相应调整。在传输时隙里，非授权用户利用多信道同步传输数据给基站。假设非授权用户具有相同的最大发射功率。若信道感知为非占用即空闲，则非授权用户的传输功率为P，相反地，若信道感知为占用即繁忙，则传输功率为lnP，ln为功率控制因子。这与顺序感知不一样，感知信道时单非授权用户在串并S/P转换器和高速模数A/D转换器的基础上，使用一组能量检测器同时感知多授权用户信道。
在以前的宽带频谱接入算法中，基站采用宽带频谱感知方法，通过一组能量检测器，对多条授权用户信道同时进行检测，致使计算量相当大。在有些特定信道中，非授权用户如果采用Underlay接入策略直接接入比感知后接入得到的平均吞吐量会更大。比如，某条信道有较低的空闲概率Pn(H0)，或该信道上授权用户可容忍较大的干扰功率In，则不用感知此信道，而被看成是占用的。但是，假如该信道的信噪比gn偏低，那么非授权用户检测此信道就需要较长的感知时间。在宽带频谱感知模型中各授权用户信道的感知时间相同，而个别信道感知时间偏大，会延长系统总的感知时间，进而对系统吞吐量和总的传输时间带来极大的影响。为了解决该问题，本文提出一种低复杂度宽带频谱混合接入算法。在感知时隙里，基站对信道进行选择性感知，使计算量得以有效控制。假设信道n未被选择感知，非授权用户接入传输功率是λnP。本文所设计的基于QoS的宽带混合接入算法中，基站将按照一种最优的感知信道选择顺序选择信道。在宽带频谱感知的基础上，全部信道的感知时间相同，此算法假定非授权用户在检测某条子信道时，在别的子信道不能进行数据传输，以确保非授权用户间的同步。若该信道没被选择感知，则需要等待，当其他信道感知结束，才开始传输数据。通过以上公式的分析得到:信道n的信噪比gn越低，非授权用户感知时间越长。从这里可以看出，信道的选择并不是最优的，信道的感知时间直接受制于其信噪比，进而给系统的吞吐量和传输时间带来影响。为了使系统的吞吐量达到最大化，本文设计一种最优信道选择顺序:θ1，θ2，…，θN，以便于感知及检测那些合适的信道。依据该最优感知信道顺序，非授权用户首先进行计算Ak+1，接着选择合适信道。ΔUk+1=0是停止选择信道的最优准则，非授权用户选择所有的信道进行感知将会是最坏情况。
3仿真实验与分析
在这里，为了分析算法的优劣，将本文提出的基于QoS的低复杂度宽带混合接入算法(这里简单记作QoS_WM)和文献［15］中的宽带混合接入算法(这里简单记作WM)进行了不同情况下的仿真对比实验。设每条宽带平均分成多条子信道，每条子信道固定带宽B=1MHz，非授权用户的感知周期T=50ms，子信道能量检测的判决门限值εn=2。非授权用户按照给定的最优感知顺序，依次判决信道，最后找出最优感知信道。信道不同，则信道的最小感知时间也不同，因而不同的算法有不同的信道选择。图3表示，非授权用户系统在QoS_WM算法中得到的吞吐量最大。由于同时考虑感知时间和信道的期望传输速率这两个因素，所以非授权用户才选择了更优的感知信道。若非授权用户仅仅依据信道的期望传输速率选择信道，则那些信噪比很低的信道由于感知时间偏长而延长整个系统的感知时间，进而降低系统吞吐量。在图3中可以看出，干扰因子m越小时，QoS_WM算法比WM算法有明显的优势。原因在于，当m越小，即In越大时，QoS_WM算法与WM算法二者相比，非授权用户在前者算法里找到最优感知信道越简便、快速，因而获得的吞吐量越大。
4结语
本文提出了一种面向QoS的低复杂度宽带频谱接入算法。在该算法中，对于多授权用户信道，非授权用户采用宽带频谱感知方法进行感知，然后以混合接入方式接入各授权用户信道。为了改善系统的吞吐量和系统总的输时间，给出了最优的信道感知顺序，选择合适的感知信道，这样系统总的计算量能得到有效的减小，进而有效减少对授权用户系统的干扰并最大化非授权用户系统的吞吐量。接下来将研究把本文算法拓展到多个非授权用户协同感知及传输的应用中去。
作者：李文琴高任单位：长江师范学院数学与计算机学院武汉大学电信学院