一种空时二维联合频谱感知区域划分方案

第38卷第5期系统工程与电子技术Vol 38 No 52016年5月Systems Engineering and ElectronicsMay 2016文章编号:1001-506X(2016)05-1146-07网址:www.sys-ele.com一种空时二维联合频谱感知区域划分方案阮丽华,李勇,程伟(西北工业大学电子信息学院,陕西西安710072)摘要:认知无线电空时二维联合频谱感知技术可以有效利用认知无线电网络的二维频谱资源,该文提岀种空时异构认知网络区城划分方案的设计方法。新的设计方法依据IEEE802.22标准和应用需求,建立了一种鲁棒性空时二维感知模型,并明确定义了认知无线恵网络构架的主用户分布边界保护边界和感知边界;基于认知用户对主用户通信中断概率的条件约東,严格推导出了3种边界条件的数学闭式解。采用新的设计方案,在保证主用户通信功率和认知用户最大允许通信功率的条件下,能够灵活确定主用户分区和认知用户的 Overlay及Underlay接入模式。理论分析和仿真结果表明,新的区域划分方案在保证主用户良好通信质量的前提下,能够实现认知用户在空间维度更有效的分配和接入可用频谱资源。关键词:认知无线电网络;频谱感知;空时二维联合感知;区域划分中图分类号:TN915.01文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1001506X.2016.05.27Novel region division approach for joint space-time spectrum2-dimensions sensing in cognitive radioRUAN Li-hua, LI Yong, CHENG W(School of Electronics and In formation, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)Abstract Joint space-time sensing can effectively explore spectrum resources from 2-dimensions in cognitive radio networks, A novel region division approach is proposed to clarify the structure of the heterogeneouscognitive radio network. According to the application requirements of the IEEE 802. 22 standard, the nevproach establishes a space-time robust sensing model. Primary user(PU) distribution region, protection regioand secondary user(SU) sensing region are clearly defined. By restricting the outage probability of the primaryuser, closed-form bounds of three regions are obtained. Based on the transmission power of the Pu and themaximum transmission power of the su, the proposed approach can flexibly determine user distribution regionsind the Overlay and Underlay access modes of the SU. Numerical and simulation results verify that the pro-posed approach can guarantee the communication quality of the PU, and exhibit more flexibility and efficiency inspatial spectrum resources allocation and accessKeywords: cognitive radio networks; spectrum sensing joint space-time 2-dimensions sensing; region division0引言于实际场景感知网络模型的研究还很有限。经典的频谱感知关注时间上的频谱机会,即在某个时随着无线通信技术的迅猛发展,现有的频谱资源已无间段内,主用户空闲,认知用户可以利用授权的频段进行通法满足日益增长的业务需求,文献[1]于1999年提出了认信。然而,空时二维的频谱感知认为认知用户不仅拥有时知无线电( cognitive radio,CR)的概念。CR可以较好解间上的频谱机会,还可以根据其地理位置进行更加灵活的决目前静态频谱分配策略与频谱需求之间的矛盾。近年频谱接入。文献[4-5]提出了一种带有禁声区( no-talk re来,认知无线电多维频谱感知技术越来越受到重视,其gion,NR)的异构感知策略。文献[6]提出了认知用户采用中,空时二维联合的频谱感知是当前研究热点。现有的研功率控制技术利用空间位置进行 Underlay模式下的通信究主要围绕认知用户感知机制和门限算法等方面进行,对文献[7-8研究了空时感知模型下的检测及虚警准则,提收稿日期:2015-09-10;修回日期:2015-10-22;网络优先出版日期:2015-11-23网络优先出版地址:htp:www.cnki.net/kcms/detail/11,2422.TN.20151123.1324,008.html第5期阮丽华等:一种空时二维联合频谱感知区域划分方案1147·出了在NR区域内利用认知用户接收机协作感知的策略,OFF两种状态,分别H1和H。表示,H1概率为p,则认知并给出了奈曼皮尔逊准则下的门限公式。空时二维感知的用户感知信号可以用二元假设模型表示:网络构架在文献[9]中进行了初步研究。文献[10-13]对空时二维感知模型中认知用户感知时间结构及吞吐量关系Jw(n),Ho进行研究。本文认为感知模型的网络结构划分是空时二维√P(r,分)x(n)+w(n),H1联合频谱感知的关键问题之一,而现有研究中对于模型边式中,P(r,代表了距离主用户发射机为r的认知用户所界的定义较为模糊接收到的信号功率,是距离r和原信号发射功率:的函数;文献[9]提出了一种基于认知用户对区域边界主用户(n)表示接收到的归一化认知用户信号的采样;c(n)是噪干扰约束的空时感知区域的划分策略,给出了区域划分的声采样点,通常假定其服从0均值,方差为的高斯分布闭式表达式。然而,这种划分方式仅从数学推导的角度出(n)是认知用户对接收信号的采样发,缺乏对实际应用场景的考虑,并且边界确定方法缺乏灵传统的能量检测的检测统计量为信号N点采样能量活性。根据EEE802.22标准所规定的鲁棒性感知要求,的累加和Y,根据中心极限定理,Y在H1和H假设下分本文提出了一种新的空时异构区域划分策略,严格推导了别近似服从于两种正太分布,对于设定的判决门限入,认知空时二维认知网络的区域定义和数学表示。所提出的策略用户正确检测到主用户信号的概率,即检测概率为在保证主用户通信质量的前提下,可以灵活分配认知用户P,=PY>xH1}=Q(A=(0+P()(2)的空间频谱资源,提高频谱利用效率N(a2+P(r,)主用户空闲,而认知用户判决其存在,即虚警概率为Ⅰ空时二维联合频谱感知基本模型P,=P(Y>A1H1}=Q(-)(3)在空时二维联合频谱感知中具有异构频谱机会的认知对于空间上的频谱机会,用S表示认知用户位于保护络模型如图1所示”。区域之内,S。表示认知用户位于保护区域之外。则空间频谱机会模型可以表示为0主用户发射视S1:0h(2)保护区域(Dp)P(Y>A|H,\p+P(Y>X| H,)(1-p),DA|H1},0