认知中继网络感知信道估计时延的优化设计
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收 稿 日期 ：２０１６—０２—１９ 基 金 项 目 ：浙 江 省 自然科 学 基 金 资 助 项 目（ＬＹ１４Ｆ０１００１８） 作 者 简 介 ：黄 天 成 （１９９５一 ），男 ，浙 江 平 湖 人 ，本 科 生 ，信 息 工 程 ．通 信 作 者 ：姜 显 扬 讲 师．Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｘｙ＠ ｈｄｕ．ｅｄｕ．ｃａ
第 ３６卷 第 ３期 ２Ｏ１６年 ５月
杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报 （自然 科 学版 ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｄｉａｎｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａＩ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）
Ｖ０Ｉ｜３６ Ｎｏ．３ Ｍ ａｙ ２０１６
认 知 中继 网络 感 知 信道 估 计 时延 的优 化设 计
中 图分 类号 ：ＴＮ９２９．５
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００１－９１４６（２０１６）０３—００３１一Ｏ５
０ 引 言
无线 宽 带服 务 的快速 增长 推 动 了认 知无 线 电技 术 的进 步 与 发展 ＿１］，认 知用 户 可 以使 用 授 权 用户 空 闲 的频谱 资 源．引人 中继技 术 到认 知无 线 电系统 中 ，一方 面 提 高 了通 信 系统 的吞 吐量 ，另 一 方 面 提 高 了 频谱 检测 的可靠 性［２］，构成 认 知 中继 网络 （Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒｅｌａｙ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＣＲＮ）［３－４］．认 知 无 线 电基 于频 谱 感 知和 动态 频谱 接入 的原 理 ，文献 Ｉ－５－１提 出了一 种干 扰 分 区策 略 的混 合频 谱 接 人方 法 ，以折 衷 提 高频 谱 效率 和功 率 效率 为 目标 ，应 用 于认 知 中继 网络．这种 策略需 要 对授权 用 户与认 知 用户 之间 的信道 参 数进 行估 计．认 知 用户 对授 权 用户 的干 扰水 平 以及认 知 网络 的吞 吐 量都 依 赖 于频 谱 感 知 与信 道 估计 算 法 的 效率 ．干 扰信 道估 计会 带来 数据 传 输 的时延 ，一方 面 ，时延 越 长估计 越 准确 ，频 谱 效率越 高 ；但另 一方 面 ， 时延 占用 了数据 传输 的 时间 ，降低 了数 据吞 吐量 ，折 衷这 两 方 面需 要有 优 化 设 计 的权 衡 方 法．本 文在 提 出 干扰分 区策略 的混 合频 谱接 人方 法 的基 础上 ，给 出一 种认 知 中继 网络 频谱 感 知 信 道估 计 时延 长度 优 化 的模 型 ，并 应用 牛顿 迭代 法 提 出了信 道估 计 时延 的优化设 计 方法 ．
黄 天 成 ，姜 显 扬 ，夏 凯 莉 ，唐 向 宏
（杭 州 电 －７－科 技 大 学通 信 工程 学 院 ，浙 江 杭 州 ３１００１８）
摘 要 ：为 了 提 高 认 知 中继 网络 的 频谱 效 率 ，提 出 了 干扰 分 区 策 略 的混 合 频 谱 接 入 方 法 ，分 析 了影 响
干 扰 分 区策 略 的 频谱 感 知 信 道 估 计 时 延 长 度 的 因 素 ，推 导 了 系统 吞 吐 量 与 信 道 估 计 时 延 长 度 的 表
段 ＣＲ发 送从 ＣＳ接 收到 的信 号 ，ＣＤ再次 接 收信号 并按 照最 大 比法 与 Ｔ 时段 接收 到 的信号 合并 ，ＣＳ也 接 收信 号用 于信 道估 计 ．如 图 】（６）所 示 ，分 配到 的一 帧数 据 时隙总 长 为 Ｔ，包 含用 于频 谱感 知 与 信 道估 计 的时长 ｒ，用 于信息 传 输 的剩 余 时 间 ｒ， ｒ即为 图 １（ｎ）中所 示 的时段 Ｔ ＋ 的总和 ．
１ 认 知 中继 网络 系统 模 型
基 于干 扰分 区策 略 的认 知 中继 网络 系 统框 图如 图 ｌ所示 ．认 知 无 线 电 系统 由授权 用 户 和认 知用 户 组成 ，其 中 ，授 权 用 户 （Ｐｒｉｍａｒｙ Ｕｓｅｒ，ＰＵ）包 括 初 级 信 源 （Ｐｒｉｍａｒｙ Ｓｏｕｒｃｅ，ＰＳ）和 初 级 信 宿 （Ｐｒｉｍａｒｙ Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ，ＰＤ），认 知用 户 包括 认 知信 源 （Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｓｏｕｒｃｅ，ＣＳ）、认 知 中继节 点 （Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒｅｌａｙ，ＣＲ） 和认 知信 宿 （Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ，ＣＤ），如 图 １（ａ）所示 ．
３２
杭 州 电子科 技大 学 学报 （自然 科学 版 ）
２０１６钲
用 户对 授权 用户 产生 的实 际干 扰水 平 高低来 划分 频谱 接 人服 务 区间 的方法 ，即是“干扰 分 区策略 ”［５］． 图 １（ｎ）中 ，ＣＳ向 ＣＤ的信号 传输 划 分为 两个 时段 ，Ｔ 时段 ＣＳ发 送信 号 ，ＣＲ和 ＣＤ接收 信号 ；Ｔ 时
在初 级用 户 的受 干扰水 平 得到 充分 保 障 的前 提下 ，采用 填 充式 （Ｏｖｅｒｌａｙ）和 下垫 式 （Ｕｎｄｅｒｌａｙ）混 合 频 谱 接人 的 方法来 最 大化认 知 用户 的 系统吞 吐量 ．图 １（ａ）中 ，当 ＣＳ或 ＣＲ所在 位置 处 于 区间 １（内环 线 以 内）时 ，采 用 填充 式频 谱 接 入 ，仅 在授 权 用 户 的空 闲频 段 ，ＣＳ和 ＣＲ才 可 分配 功率 并 传 输数 据 ；当 ＣＳ 或 ＣＲ所在 位置 处 于 区间 ２（内环线 与外 环线 之 间）时 ，采用 下 垫式频 谱 接入 ，ＣＳ和 ＣＲ可 与授 权 用户 共 享频 谱 ，但 是 需要 控制 发射 功率 使其 对授 权 用户 的 干扰 容 限处 于 可 以接 受 的水 平 ；当 ＣＳ或 ＣＲ所 在 位 置处 于 区间 ３（外 环线 之外 ）时 ，ＣＳ和 ＣＲ可 与授权 用 户共享 频 谱而 不必 考虑其 干 扰容 限．这 种根 据认 知
达 式 ，并 进 一 步 提 出 了信 道 估 计 时 延 长 度 的 优 化 设 计 方 法 ．计 算 机 仿 真 结 果 表 明 ，该 方 法 切 实 有
效 ，具 有 一 定 的 工 程 应 用 的价 值 ．
关 键 词 ：认 知 中继 网络 ；频 谱 感 知 ；信 道估 计 ；填 充 式 频 谱 接 入 ；下 垫 式 频 谱 接 人
第 ３６卷 第 ３期 ２Ｏ１６年 ５月
杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报 （自然 科 学版 ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｄｉａｎｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａＩ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）
Ｖ０Ｉ｜３６ Ｎｏ．３ Ｍ ａｙ ２０１６
认 知 中继 网络 感 知 信道 估 计 时延 的优 化设 计
中 图分 类号 ：ＴＮ９２９．５
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００１－９１４６（２０１６）０３—００３１一Ｏ５
０ 引 言
无线 宽 带服 务 的快速 增长 推 动 了认 知无 线 电技 术 的进 步 与 发展 ＿１］，认 知用 户 可 以使 用 授 权 用户 空 闲 的频谱 资 源．引人 中继技 术 到认 知无 线 电系统 中 ，一方 面 提 高 了通 信 系统 的吞 吐量 ，另 一 方 面 提 高 了 频谱 检测 的可靠 性［２］，构成 认 知 中继 网络 （Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒｅｌａｙ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＣＲＮ）［３－４］．认 知 无 线 电基 于频 谱 感 知和 动态 频谱 接入 的原 理 ，文献 Ｉ－５－１提 出了一 种干 扰 分 区策 略 的混 合频 谱 接 人方 法 ，以折 衷 提 高频 谱 效率 和功 率 效率 为 目标 ，应 用 于认 知 中继 网络．这种 策略需 要 对授权 用 户与认 知 用户 之间 的信道 参 数进 行估 计．认 知 用户 对授 权 用户 的干 扰水 平 以及认 知 网络 的吞 吐 量都 依 赖 于频 谱 感 知 与信 道 估计 算 法 的 效率 ．干 扰信 道估 计会 带来 数据 传 输 的时延 ，一方 面 ，时延 越 长估计 越 准确 ，频 谱 效率越 高 ；但另 一方 面 ， 时延 占用 了数据 传输 的 时间 ，降低 了数 据吞 吐量 ，折 衷这 两 方 面需 要有 优 化 设 计 的权 衡 方 法．本 文在 提 出 干扰分 区策略 的混 合频 谱接 人方 法 的基 础上 ，给 出一 种认 知 中继 网络 频谱 感 知 信 道估 计 时延 长度 优 化 的模 型 ，并 应用 牛顿 迭代 法 提 出了信 道估 计 时延 的优化设 计 方法 ．
黄 天 成 ，姜 显 扬 ，夏 凯 莉 ，唐 向 宏
（杭 州 电 －７－科 技 大 学通 信 工程 学 院 ，浙 江 杭 州 ３１００１８）
摘 要 ：为 了 提 高 认 知 中继 网络 的 频谱 效 率 ，提 出 了 干扰 分 区 策 略 的混 合 频 谱 接 入 方 法 ，分 析 了影 响
干 扰 分 区策 略 的 频谱 感 知 信 道 估 计 时 延 长 度 的 因 素 ，推 导 了 系统 吞 吐 量 与 信 道 估 计 时 延 长 度 的 表
段 ＣＲ发 送从 ＣＳ接 收到 的信 号 ，ＣＤ再次 接 收信号 并按 照最 大 比法 与 Ｔ 时段 接收 到 的信号 合并 ，ＣＳ也 接 收信 号用 于信 道估 计 ．如 图 】（６）所 示 ，分 配到 的一 帧数 据 时隙总 长 为 Ｔ，包 含用 于频 谱感 知 与 信 道估 计 的时长 ｒ，用 于信息 传 输 的剩 余 时 间 ｒ， ｒ即为 图 １（ｎ）中所 示 的时段 Ｔ ＋ 的总和 ．
１ 认 知 中继 网络 系统 模 型
基 于干 扰分 区策 略 的认 知 中继 网络 系 统框 图如 图 ｌ所示 ．认 知 无 线 电 系统 由授权 用 户 和认 知用 户 组成 ，其 中 ，授 权 用 户 （Ｐｒｉｍａｒｙ Ｕｓｅｒ，ＰＵ）包 括 初 级 信 源 （Ｐｒｉｍａｒｙ Ｓｏｕｒｃｅ，ＰＳ）和 初 级 信 宿 （Ｐｒｉｍａｒｙ Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ，ＰＤ），认 知用 户 包括 认 知信 源 （Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｓｏｕｒｃｅ，ＣＳ）、认 知 中继节 点 （Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒｅｌａｙ，ＣＲ） 和认 知信 宿 （Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ，ＣＤ），如 图 １（ａ）所示 ．
３２
杭 州 电子科 技大 学 学报 （自然 科学 版 ）
２０１６钲
用 户对 授权 用户 产生 的实 际干 扰水 平 高低来 划分 频谱 接 人服 务 区间 的方法 ，即是“干扰 分 区策略 ”［５］． 图 １（ｎ）中 ，ＣＳ向 ＣＤ的信号 传输 划 分为 两个 时段 ，Ｔ 时段 ＣＳ发 送信 号 ，ＣＲ和 ＣＤ接收 信号 ；Ｔ 时
在初 级用 户 的受 干扰水 平 得到 充分 保 障 的前 提下 ，采用 填 充式 （Ｏｖｅｒｌａｙ）和 下垫 式 （Ｕｎｄｅｒｌａｙ）混 合 频 谱 接人 的 方法来 最 大化认 知 用户 的 系统吞 吐量 ．图 １（ａ）中 ，当 ＣＳ或 ＣＲ所在 位置 处 于 区间 １（内环 线 以 内）时 ，采 用 填充 式频 谱 接 入 ，仅 在授 权 用 户 的空 闲频 段 ，ＣＳ和 ＣＲ才 可 分配 功率 并 传 输数 据 ；当 ＣＳ 或 ＣＲ所在 位置 处 于 区间 ２（内环线 与外 环线 之 间）时 ，采用 下 垫式频 谱 接入 ，ＣＳ和 ＣＲ可 与授 权 用户 共 享频 谱 ，但 是 需要 控制 发射 功率 使其 对授 权 用户 的 干扰 容 限处 于 可 以接 受 的水 平 ；当 ＣＳ或 ＣＲ所 在 位 置处 于 区间 ３（外 环线 之外 ）时 ，ＣＳ和 ＣＲ可 与授权 用 户共享 频 谱而 不必 考虑其 干 扰容 限．这 种根 据认 知
达 式 ，并 进 一 步 提 出 了信 道 估 计 时 延 长 度 的 优 化 设 计 方 法 ．计 算 机 仿 真 结 果 表 明 ，该 方 法 切 实 有
效 ，具 有 一 定 的 工 程 应 用 的价 值 ．
关 键 词 ：认 知 中继 网络 ；频 谱 感 知 ；信 道估 计 ；填 充 式 频 谱 接 入 ；下 垫 式 频 谱 接 人