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1、第 33 卷第 1 期 电 子 与 信 息 学 报 Vol.33No.1 2011年1月 Journal of Electronics Data frame length; Detection frequency; Signal-to-Interference-and-Noise Ratio (SINR); Channel capacity; Opportunistic Spectrum Access (OSA) 1 引言 认知网络的目标之一是实现最高效频谱利用率 并确保用户服务质量。因此对于点对点通信而言， 无论是资源的共享策略1,2，还是资源的竞争策 2010-03-01 收到，2010-
2、06-14 改回 第 44 批博士后科学基金(20080441067)，江苏省博士后科研资助(0802017B)，第 2 批博士后特别资助基金(200902528)，国家 973 计划项目(2007CB310600)，国家 863 计划重点项目(2009AA011300)， 国家科技重大专项基金(2009ZX03003-002，2009ZX03007-004)和国家青年基金(61001080)资助课题 *通信作者：孙君 略3,4，次用户的吞吐量或者信道容量往往被选为系 统的效用函数，并作为频谱、时隙等参数优化和调 度的依据。如此看来，次用户的容量计算在认知网 络中就显得尤为重要。 无线通信技
3、术发展至今，通信信道和通信环境 已经远远超出香农时代的想象。现在的认知网络和 认知通信使得通信信道更加复杂多变。这种变化， 使得香农容量中的信号与信道加性高斯白噪声的平 均功率，即信噪比 SNR，也更加复杂多变。人们发 现研究信道干扰噪声比SINR比单独的SNR更有实 际价值，因此，进一步分析共享或者共存通信情况 下的 SINR 特性，进而分析 SINR 特性下的信道容206 电 子 与 信 息 学 报 第 33 卷 量，是分析和改进认知网络技术和性能的理论基础 和依据。 在 OSA 系统中，对认知用户(次用户)而言，其 传输帧长和对主用户的检测频率是影响次用户性能 的主要参数。如果检测时间长
4、、频率高，次用户对 主用户的检测概率高，这固然能够更好地保护主用 户，但是，也会给次用户带来传输中断频率增加、 时延增加、甚至数据业务传输的吞吐量减少等负面 影响。因此，对次用户而言，希望有一个合理的传 输帧长和检测频率，能有尽可能多的连续传输数据 的机会，以便传输更多的有用数据，并且这种性能 的改善需要以尽量减少与主用户的碰撞为前提。帧 长和检测频率的研究在文献5-7中有所涉及。文献 5从最大化次用户吞吐量角度，在次用户与主用户 的碰撞概率不大于某一门限约束条件下，得到次用 户的传输帧长。其吞吐量采用归一化吞吐量，没有 考虑到主用户在次用户传输过程中突然占用信道时 对次用户吞吐量的影响。文献
5、6从检测概率和虚警 概率角度优化次用户的传输帧长，虽然考虑到了主 用户对信道的占用特性，但也是从次用户对主用户 的影响考虑，没有考虑次用户容量受到主用户的影 响。文献7从跨层的角度设计次用户帧长和检测时 间，同样也只是采用了次用户的归一化容量。以上 成果单一从帧长角度进行设计，并没有同时将帧长 和检测频率分开来考虑。 鉴于此， 本文将首先探讨在 OSA 方式下次用户 SINR 的特性，进而探讨在 SINR 特性下，次用户信 道容量的变化。其次在得到的 SINR 和容量结果上 设计次用户的帧长和检测频率。 2 系统模型 图 1 是 OSA 系统中主次用户的系统模型。 对于主用户而言，其发送端周围
6、存在一个由其最大可允许的干扰功率决定的以主用户发送端为圆心以pd为半径的保护区域。对于次用户而言，其发送端同样存在一个由其最大可允许的干扰功率决定的以次用户发送端为圆心以sd为半径的保护区域。主用户发送端到次用户发送端的距离为 D。 若psDdd+，即次用户发送端进入主用户的 保护区域则对主用户发送端产生干扰，另一方面， 如果主用户在次用户接收端的功率大于次用户可容 忍的范围，次用户的传输质量也会下降。rpp为主用 户发送端到主用户接收端的距离；hpp为主用户发送 端到主用户接收端的无线传输信道衰落因子；rps为 主用户发送端到次用户接收端的距离；hps为主用户 发送端到次用户接收端的无线传输
7、信道衰落因子； 图 1 OSA 系统模型 rss 为次用户发送端到次用户接收端的距离；hss 为次用户发送端到次用户接收端的无线传输信道衰落因子；rsp为次用户发送端到主用户接收端的距离；hsp为次用户发送端到主用户接收端的无线传输信道衰落因子。 图 2 示出了单个主用户使用授权信道和单个次 用户检测授权信道并在授权信道上传输数据的帧结 构框图。这里假设主用户对授权信道的占用符合指 数开-关流量模型。该模型中主用户占用信道，即开 的平均持续时间为0。主用户不占用信道，即关的 平均持续时间为1，主用户由占用信道到释放信道 所用的时间为 t， 由释放信道到使用信道所用的时间 为 tt，二者均服从指
8、数分布。假设次用户帧长为 T， 传输数据之前 ms时间用于对主用户信道的检测。 当检测到主用户不存在时， 在T时间内传输次用 户数据，在数据传输过程中，主用户会随时出现， 此时主次用户数据包会发生碰撞，严重情况会使次 用户的数据包丢失。同样，在下一个帧的开始时 间内仍然是检测时间，因此，帧长 T 既决定了次用 户数据传输帧长(相应参数为次用户吞吐量)又决定 了次用户对主用户检测的频率(相应参数为碰撞概 率)。 3 次用户 SINR 分析 如图 2 所示，在 T 时间内，如果次用户在时 间内的检测结果是没有主用户在使用授权信道，那 图 2 用户使用授权信道帧结构框图 第 1 期 孙 君等： 机会
9、频谱接入系统中基于次用户容量分析的检测参数设计 207 么次用户决定在T时间内开始传输数据。 在传输 过程中，一旦主用户出现，而次用户又没有及时让 出信道，主次用户间会发生碰撞，二者性能都会受 到影响。因此，次用户帧长的设计必须将对主用户 出现的预测考虑在内，这体现在次用户对主用户的 检测频率的设计上。为此，本文从次用户 SINR 的 变化特性入手进行分析。 当主用户在次用户传输过程中出现，而次用户 无法检测到时，次用户的 SINR 关于随机变量 t 的 表达式为 22220000()()ssssss c pspsth Ph PtT th P tN B Th PN BT =+(1) 其中 P0
10、为主用户在次用户接收端的接收功率；Ps 为次用户在次用户接收端的接收功率，N0为白高斯 噪声功率，B 为信道传输带宽。该公式说明的是主 用户和次用户发生碰撞时，主用户的出现对次用户 SINR 的影响。/()tT是主用户在次用户传输过 程中再次占用信道的概率，即主次用户在次用户传 输过程中发生碰撞的概率。2( /()sssh P tT是主次 用户发生碰撞后， 次用户接收信号功率，2 0( /(psh P tT )是主次用户发生碰撞后，主用户在次用户接收 端作为对次用户的干扰的接收信号功率。并有 0 0, tts s psssPPPPrr= (2) Pt0 为主用户发送端的发送功率；Pts 为次用
11、户发送 端的发送功率。因 t 服从如下指数分布 0 01( )exp(/)df ttt= (3) 因此，发生碰撞时的 SINR 均值表示为 0 200 0000()0 2202 101001()()exp(/)d()1()(/)()()tps psTccN B T PThrt ps pspstpsttAN B TAee PhrE N B TE hPrTN B T =+(4) 其中222 00ssts pspstssh P rAh P r=。因为，2 0pstpsh Pr?，所以201t ps psPhr?，2 000()(/)()pstpsN B ThPrTN B+ ()T，2 1010()(
12、/)()pstpsE N B TE hPrT+ 0()N B T趋近于零。因此式(4)中的第 2 项可以省略。 00222 002 00()11T ssts ps c pstssT ssts pspstssh P reh P rP reP r =(5) 其中22 00/(),/()sssspspshN BhN B=，ss是当次用 户发送单位功率时， 信道 hss上的瞬时 SINR 值，ps 是当主用户发送单位功率时，信道 hps上的瞬时 SINR 值。从式(5)可以看出，在碰撞发生时，次用 户的 SINR 关于随机变量 t 的均值()c 是发送功率 Pt0和 Pts，距离参数 rss和 rps
13、，主用户占用信道的模 型参数0，T，的函数外，也是信道 hss上的瞬时 SINR值ss和信道hps上的瞬时SINR值ps的参数。 参数ss是随机变量， 当参量ps固定时， 分析()c 在 信道 hss上的均值。当信道 hss为 Rayleigh 信道时，()c 的均值为 000002 000 2 001()d11ssT ssts ps fcssss pstssT ssts pspstssssP refP rP reeP r =+(6) 其中0()ssf是变量ss在 Rayleigh 衰落信道条件下 的概率密度函数，0是次用户中断概率对应的 SINR 值，ss是次用户在信道 hss上通信的平均
14、SINR 值。式(6)中的 SINR 均值对应次用户的容量 为 ()lg 1()cfcTCBT=+ (7) 式(7)表明了在碰撞发生时，次用户可达到容量的一 个均值。同样地，在 T 时间内，主用户不出现时， 次用户 SINR 是关于随机变量 tt 的函数，其表达式 为 20(/)tt()()sstsss nchPr N B T =(8) tt 服从如下指数分布 111tt(tt)expdttf=(9) 此时，没有发生碰撞时的 SINR 均值表示为 1011111tt()()expdtt()()TncncT sstsssPeTrT = =+(10) ()nc对应的一个帧内的关于ss的瞬时信道容量为 ()lg 1()ncncTCBT=+ (11) 在 Rayleigh 衰落信道条件下()nc的均值为 208
