基于追踪定位的认知频谱感知解决方案

中图分类号：TN918
文献标识码：A
文章编号：1000-436X(2010)11-0117-06
Cognitive radio frequency sense solution based on tracing location
WANG Yi-ming, ZHOU Liu-lei
(School of Electronics and Information Engineering, Soochow University, Suzhou 215006, China)
1 引言
众所周知，无线通信中存在暴露和隐藏终端问 题。在认知网络中，这个问题同样存在。设 Pi 为授 权网络用户，Si 为认知网络用户，那么一般情况下， 认知用户 Si 在发射信号前，需要先检测欲使用的频 带 f p 是否已经为授权用户占用。若未被占用，则可 以发起通信请求；若已被占用，作为认知用户， Si
= =
y − sy1 x − sx1 y − sy2 sx2 − x
(1)
图 2 LOS 信道环境下的双站定位
可通过线性方程组求解用户坐标 S3 ( x, y) 。即
H = GZ ， Z = (GTG)−1G T H
(2)
其中，
第 11 期
汪一鸣等：基于追踪定位的认知频谱感知解决方案
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H
=
图 3 NLOS 信道环境下的双站/散射体定位
⎧⎪⎪tan ⎨ ⎪⎪⎩ tan
θ1i θ2i
= =
dyi dxi dyi sx2
− sy1 − sx1 − sy2 − dxi
(4)
参见式(2)，有
Hi = Gi Zi ， Zi = (GiTGi )−1GiT Hi
(5)
其中，
Hi
=
⎡sy1
⎢ ⎣
sy2
对于一般无线网络的频率冲突，通常采用 MACAW[4]的虚拟信道监听方法。假设将图 1 中的 P1 、 P2 、 P3 、 S1 、 S2 、 S3 用户看作同属于一个无 线网络， P1 发送信息给 S1 ，为此 P1 先发送 RTS 帧 作为请求， S1 收到 P1 的 RTS 帧后将以 CTS 帧作 为应答。P2 在 P1 的覆盖范围，监测到 P1 的 RTS 帧， 并据此估计出 P1 用户信号占据信道的时间，随即 启动由网络分配矢量（NAV，network allocation vector）给出的虚拟信道忙标志。 S2 不在 P1 的覆 盖范围但在 S1 的覆盖范围，虽不能监听到 P1 的信 号但能够监听到 S1 的信号，也可以通过分析 CTS 帧估计出 P1 用户信号占据信道的时间，由网络分 配矢量（NAV）给出虚拟信道忙标志，从而保证 了 P1 与 S1 的通信不受到干扰。但这种方法不适用 于认知网络应用中主用户的频谱检测。首先， MACAW 是数据链路层协议，冲突避免建立在对 帧信息的分析上，因而只能用于同一网络中不同 用户的接入信道分配，而主次用户网络之间一般 数据格式不同，信号检测往往只在物理层进行（如 能量检测），MACAW 不能直接采用。其次，这种 方法只是给发射终端提供了足够的保护范围，并 不能解决暴露终端问题，故不利于认知网络通信 容量的有效利用。因此，为解决认知网络的有效 频谱感知，需要寻找新的途径。本文提出一种寻 找一个已知自身位置的用户（无论是授权网络还 是认知网络中的终端）协同进行终端定位的频谱 感知方法，则可以有效解决此类暴露终端或隐藏 终端的问题。
频谱资源利用率，分别针对视距和非视距信道环境，提出一种基于双站协作、逐跳追踪定位的频谱感知解决方案。
该方案通过选择协作用户和改进的质心算法，获得较精确的用户定位，进而判断并逼近最终目标用户，直至确定
认知用户的频率使用权。仿真结果和理论分析进一步验证了所提方案的可行性。
关键词：暴露终端；隐藏终端；追踪定位；频谱感知
⎡sy1
⎢ ⎣
sy2
− sx1 tanθ1 ⎤
+
sx2
tan θ 2
⎥ ⎦
,G
=
⎡1 ⎢⎣1
− +
tanθ1 tanθ2
⎤ ⎥ ⎦
,
Z
=
(
y,
x)T
。
实际测试值存在误差，故对应的误差矢量
为
Ψ = H − GZ
(3)
显然，若需要定位的是授权用户 P1 ，S1 可以邀 请或选定一个协作用户，例如 S4 。 2.2 NLOS 信道下的双站/散射体定位算法
− sx1 tanθ1i ⎤
+
sx2
tan
θ2i
⎥ ⎦
,
Gi
=
⎡1 ⎢⎣1
− tanθ1i ⎤
+
tan
θ
2i
⎥ ⎦
,
Zi = (dyi , dxi )T 。
即可得到在以 S3 ( x, y) 为圆心， r 为半径的圆
盘上某个散射体的坐标 Di (dxi , dyi ) 。 测量对应误差矢量为
Ψi = Hi − Gi Zi
收稿日期：2010-07-09；修回日期：2010-10-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目（60872003）；苏州市应用基础研究计划基金资助项目（SYJG0925）；江苏省高校自 然科学研究基金资助项目（10KJB510024）；博士学科点专项科研基金资助项目（20093201110005） Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (60872003); Basic Application Research Program Funded by Suzhou City (SYJG0925); The Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China (10KJB510024) ; Doctoral Fund of Ministry of Education of China (20093201110005)
只能放弃对该频段的使用，另外寻找新的可用频 段，但在很多情形，如图 1 所示，若 P1 的信号是发 给 P2 的，S1 的信号则是发给 S3 的，则彼此并没有影 响，这时 S1 还是可以使用频带 f p ，就是频谱感知中
出现的暴露终端问题。另一种情形是当 P1 向 P3 发送 信息时，S3 欲与 S2 通信，由于 P1 的发射范围并没有 覆盖 S3 ， S3 未检测到自身所在环境里有主用户工 作，因此发起对 S2 的通信，于是 P3 收到的 P1 信号中
l
′
ji
=
(dxi − sx j )2 + (dyi − sy j )2
(7)
再利用主测试站测得的来波到达时间 TOA 值 τ1i ，求得 l1i = cτ1i ，减去散射体到达主测试站的直 线距离 l1′i ，就是移动用户 S3 到散射体的测量距离， 即
L1i = l1i − l1′i
离大于反射圆半径 r 。 测试站 S j ( j = 1, 2) 分别可以测得的参数是第 i
个散射体与第 j 个基站之间的来波到达角 θ ji ，以 及 S3 的电波经第 i 个散射体反射到达第 j 个基站 的来波到达时间（TOA）τ ji 。对于某个散射体 Di ， 由测试站 S1 、 S2 测得的 AOA 值 θ1i 、 θ2i ，由图 3 可知：
离为轴线， S3 的电波以角度 β ji 到达散射体 Di 反
射后再到达测试站 S j ( j = 1, 2) ， β ji 在以 j 轴线为
分界的 [−π, π] 上服从均匀分布，移动用户 S3 ( x, y)
到散射体 Di 的距离 Li 在小于等于反射圆半径 r 的 圆盘上服从均匀分布，且 S3 与 Sj ( j =1,2)之间的距
图 1 认知频谱检测/频谱冲突避免（MACAW）兼用
本文后续安排如下：第 2 节讨论 LOS 和 NLOS 信道的基本定位算法，第 3 节给出相应的定位精度 结果分析，第 4 节提出基于追踪定位的频谱感知策 略与步骤并讨论追踪定位性能，第 5 节为结束语。
2 定位算法
2.1 LOS 信道下的双站定位算法 假设图 2 中 S1 为已知自身位置的认知用户，被
(6)
为了确定 S3 ( x, y) 的位置，需要进一步考虑 Di
与 S3 之间的关系，根据 l = cτ ，测试站 S j（ j = 1, 2 ）
可以测得 S3 的电波经第 i 个散射体反射到达第 j 个 测试站的来波到达时间τ ji ，并求得散射体 Di 与测
试站 S j （ j = 1, 2 ）的直线距离为
第 31 卷第 11 期 2010 年 11 月
通信学报
Journal on Communications
Vol.31 No.11 November 2010
基于追踪定位的认知频谱感知解决方案
汪一鸣，周刘蕾
(苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006)
摘 要：为了解决动态频谱资源管理中存在的暴露终端和隐藏终端问题，提高频谱感知的有效性和可靠性，增加
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通信学报
第 31 卷
就包含了来自 S3 的干扰，这就是频谱感知中出现的 隐藏终端问题。综上所述表明：认知用户侦测到 f p ， 并不表明一定不能够使用 f p ；认知用户没有侦测到 f p ，也不能断定一定可以使用 f p 。以往研究是假
定授权用户的发射端和接收端、认知用户的发射端 和接收端都处于同样的环境，从而忽略频谱检测中 的隐藏终端和暴露终端问题[1]，或者在研究网络协 同通信时提及协同技术可以在有效克服多径与衰 落时也能够克服隐藏终端带来的影响[2,3]，并没有就 如何克服这一现象展开具体研究。但这个问题事 实上是存在的，尤其是当 2 个以上网络同时工作， 且网络中存在大量节点的时候，为了合理有效利 用频谱资源，必须考虑隐藏和暴露终端问题的解 决。
Abstract: A frequency sense solution based on the double-station cooperation and multi-hop tracing localization was presented for resolving the hidden and exposed problems in the dynamic spectrum resource management so as to improve reliability and efficiency of the frequency sense and increase the utilization of spectrum. In this scheme, the secondary user could detect primary user’s existing by an improved centroid localization algorithm cooperated with a known position user. The detailed steps were proposed, the simulation results were discussed and the performance of the tracing localization was analyzed. Key words: exposed terminal; hidden terminal; tracing location; spectrum sense
在 NLOS 情形，来自被定位用户的信号经过 多次折射才到达测试，情况变得复杂。考虑到
在无视距信号时，通常是经过一次折射后到达的
信号能量最强，2 次及多次折射后的信号能量往 往很弱，可以忽略[7]，因此仅考虑经过一次折射
后到达的信号。同样定义主测试站 S1 (sx1, sy1 ) ，次 测试站 S2 (sx2 , sy2 ) ，被定位移动用户 S3 ( x, y) ，第 i 个散射体 Di (dxi , dyi ) 。若以 S j ( j = 1, 2) 到 S3 的距
定位的是用户 S3 ，S1 可以邀请或选定一个协作用户 （设为 S2 ），该协作用户可以是基站也可以是已知 位置的移动台，统称测试站。主测试站 S1 和次测试 站 S2 分别通过检测来自 S3 信号的方向，获取 S3 的 来波到达角(AOA)θ [5,6]，由图 2 可得
⎧⎪⎪ tan θ1 ⎨ ⎪⎪⎩ tan θ 2