文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.025
中文引用格式： 李方偉，彭著勛，朱江. 基于分布式頻譜圖的混合頻譜共享研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：92-94，98.
英文引用格式： Li Fangwei，Peng Zhuxun，Zhu Jiang. Hybrid spectrum sharing based on distributed spectrum map[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：92-94，98.
0 引言
無(wú)線電頻譜已成為一種寶貴的資源，認(rèn)知無(wú)線電[1]用來(lái)提高頻譜利用率。當(dāng)前的認(rèn)知無(wú)線電采用頻譜感知[2]來(lái)檢測(cè)頻譜空洞。然而，在overlay/underlay混合認(rèn)知無(wú)線電中，次用戶需要檢測(cè)主發(fā)射機(jī)的位置和發(fā)射功率[3]。但這對(duì)認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，為了支持認(rèn)知無(wú)線電，無(wú)線環(huán)境地圖（REM）[4]被提出。REM包含無(wú)線電環(huán)境中的若干信息，如地形信息、無(wú)線電法規(guī)等。
頻譜態(tài)勢(shì)圖是REM當(dāng)中的重要部分，它能幫助次用戶在空間上發(fā)現(xiàn)和使用頻譜空洞。頻譜態(tài)勢(shì)圖能通過(guò)不同實(shí)體的測(cè)量獲得，比如終端、基站和接入點(diǎn)。但是要求在每一個(gè)點(diǎn)都測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度是不現(xiàn)實(shí)的，因此插值技術(shù)被用來(lái)制作頻譜態(tài)勢(shì)圖。文獻(xiàn)[5-6]分別采用克里金插值和樣條插值建立頻譜態(tài)勢(shì)圖。但是在這些研究當(dāng)中都需要感知節(jié)點(diǎn)通過(guò)公共控制信道向融合中心發(fā)送感知信息，融合中心執(zhí)行插值算法，然后融合中心再向各個(gè)次用戶發(fā)送控制信息。這個(gè)過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間和消耗較多的能量。文獻(xiàn)[7]采用分布式方法，但是基于最近鄰的方法，僅僅與最近的節(jié)點(diǎn)通信，有限的本地?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)致重建的頻譜圖精度較低。本文提出一種次用戶自組織的分布式制圖方案。該方案僅僅需要鄰居節(jié)點(diǎn)之間交換感知信息，因此更適合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
在獲得分布式頻譜態(tài)勢(shì)圖的基礎(chǔ)上，本文提出一種次用戶分布式混合頻譜共享方案。次用戶根據(jù)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度大小，將區(qū)域劃分為主用戶非活躍區(qū)域和活躍區(qū)域。在非活躍區(qū)域， 次用戶采用overlay方式接入。在活躍區(qū)域，為了避免對(duì)主用戶產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，次用戶采用underlay方式接入。采用分布式混合頻譜接入方案，無(wú)論主用戶是否工作，信道是否空閑，次用戶都可隨時(shí)接入授權(quán)頻段。在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率發(fā)射，以較高的效率實(shí)現(xiàn)主次用戶的頻譜共享。與單一的共享方式相比，系統(tǒng)容量有所提高。仿真實(shí)驗(yàn)證明，該方案性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測(cè)避讓方法。
1 模型
1.1 網(wǎng)絡(luò)模型
在一個(gè)區(qū)域上，M個(gè)主用戶可以共用頻帶，但是要求主用戶之間距離比較遠(yuǎn)，避免互相之間造成干擾。認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)在該區(qū)域上均勻隨機(jī)分布的可移動(dòng)次用戶組成。假設(shè)次用戶已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鄰居并且基于Delaunay三角網(wǎng)生長(zhǎng)法與鄰居組成無(wú)重疊的三角網(wǎng)絡(luò)。次用戶通過(guò)GPS定位并且能夠感知特定頻率的信號(hào)強(qiáng)度，然后次用戶將感知到的信號(hào)強(qiáng)度和位置信息通過(guò)公共控制信道發(fā)送給構(gòu)成三角網(wǎng)的鄰居。在獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的信息后，執(zhí)行插值算法生成自組織三角區(qū)域的頻譜態(tài)勢(shì)圖。
1.2 傳播模型
假設(shè)傳播模型由路徑衰落和瑞麗衰落組成。第i個(gè)次用戶的接收信號(hào)強(qiáng)度為：
其中，Pj是主用戶j的發(fā)射功率，M是活躍的主用戶個(gè)數(shù)，α是路徑損耗系數(shù)，dji是主用戶j到次用戶i的距離，g1是主次用戶之間鏈路的功率衰減系數(shù)，No B是零均值加性高斯白噪聲功率。
是隨機(jī)變量函數(shù)g(x)的數(shù)學(xué)期望，而f(x)是隨機(jī)變量x的概率密度函數(shù)。
2 分布式頻譜圖
Delaunay三角剖分廣泛地應(yīng)用在有限元分析、信息可視化、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域。Delaunay三角網(wǎng)具有優(yōu)良的幾何特性，如空外圓性質(zhì)、最小角最大的性質(zhì)等，是公認(rèn)的最優(yōu)三角網(wǎng)。構(gòu)建三角網(wǎng)的算法可以分為分治法、逐點(diǎn)插入法和三角網(wǎng)生長(zhǎng)法3 類。由于次用戶自組織通信是從局部發(fā)起的，所以選擇三角網(wǎng)生長(zhǎng)法更符合實(shí)際情況。
2.1 基于Delaunay三角網(wǎng)的組網(wǎng)方案
次用戶通過(guò)公共控制信道尋找鄰近的次用戶，并且與最近的次用戶連接成為一條Delaunay邊，然后按照Delaunay三角網(wǎng)的判別法則尋找包含此Delaunay邊的另一端點(diǎn)，依次處理所有生成的邊，直到最終完成。
基于Delaunay三角網(wǎng)生長(zhǎng)算法的組網(wǎng)過(guò)程如下：
(1)需要接入授權(quán)頻帶的任意次用戶尋找離自己最近的次用戶，然后連接起來(lái)作為定向基線。
(2)按照Delaunay 三角網(wǎng)生長(zhǎng)法的法則，找出第三個(gè)次用戶創(chuàng)建Delaunay三角形，然后將新生成的三角形的兩個(gè)邊作為新的基線。
(3)重復(fù)第(2)、(3)步，直到所有的基線都被用過(guò)為止。
2.2 分布式插值算法
組成三角形的三個(gè)次用戶接收信號(hào)強(qiáng)度為Ii，i=1、2、3。三角形區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度為：
![O{XR6S35N09]TF2T5[JV@9W.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982707406553857691176.png "O{XR6S35N09]TF2T5[JV@9W.png")
其中![{H7TUIFEBWXK9B86{AKS]GM.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982710365553856406022.png "{H7TUIFEBWXK9B86{AKS]GM.png")
是插值基函數(shù)，代表相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，(x，y)是位置坐標(biāo)。
對(duì)每一個(gè)由次用戶組成的三角形區(qū)域，都采用上面的方法求得三角形內(nèi)部信號(hào)強(qiáng)度，從而獲得整個(gè)區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度。
2.3 評(píng)估分布式制圖方案
通過(guò)計(jì)算重建頻譜態(tài)勢(shì)圖的均方誤差（MSE）來(lái)評(píng)估分布式制圖的性能。均方誤差越小說(shuō)明重建圖和原始圖越接近，重建的精度越高。
其中A是特定區(qū)域的面積。
3 分布式混合頻譜共享方案
傳統(tǒng)的認(rèn)知無(wú)線電采用檢測(cè)避讓方法，無(wú)論主用戶在任何位置被檢測(cè)到，整個(gè)次用戶網(wǎng)絡(luò)為了不干擾主用戶將避免使用授權(quán)頻帶。在所設(shè)場(chǎng)景中，能量分布是主網(wǎng)絡(luò)通信造成的，信號(hào)強(qiáng)度大的區(qū)域可能是主用戶活躍區(qū)域。定義一個(gè)主用戶能量干擾閾值Ith，次用戶檢測(cè)區(qū)域內(nèi)
時(shí)，該區(qū)域不存在活躍主用戶，定義該區(qū)域?yàn)橹饔脩舴腔钴S區(qū)域，次用戶在該區(qū)域采用overlay方式接入。檢測(cè)區(qū)域
時(shí)，該區(qū)域存在活躍用戶，定義該區(qū)域?yàn)橹饔脩艋钴S區(qū)域。次用戶在該區(qū)域采用underlay方式接入。
次用戶所在區(qū)域![OTQKJWA@~]ZF%YCU3(C_GQP.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982726181653855173497.png "OTQKJWA@~]ZF%YCU3(C_GQP.png")
時(shí)，可以獲得的容量為：
其中，B是信道帶寬，No為信道加性噪聲的功率譜密度；Po是次用戶在overlay狀態(tài)下的發(fā)射功率，Pu是次用戶在underlay狀態(tài)下的發(fā)射功率；Pmax是次用戶最大發(fā)射功率，Qav是主用戶的干擾容限；r是次用戶檢測(cè)范圍半徑，d是活躍主用戶與次用戶之間的距離；g0是次用戶之間鏈路的功率衰減系數(shù)，g1是主次用戶之間鏈路的功率衰減系數(shù)；I是次用戶接收到的信號(hào)強(qiáng)度。
采用拉格朗日乘數(shù)法求解次用戶在overlay和underlay狀態(tài)下的最優(yōu)發(fā)射功率。次用戶在overlay狀態(tài)下的最優(yōu)發(fā)射功率為：
4 仿真分析
假設(shè)若干具有信號(hào)強(qiáng)度傳感功能的次用戶均勻隨機(jī)分布在100 m×100 m的區(qū)域上。次用戶已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鄰居并且與鄰居組成無(wú)重疊的三角網(wǎng)絡(luò)，次用戶與鄰居可以互相通信。表1所示為仿真參數(shù)，采用MATLAB進(jìn)行仿真。
4.1 重建頻譜態(tài)勢(shì)圖
圖1為本文分布式制圖方案構(gòu)建的頻譜態(tài)勢(shì)圖。在100 m×100 m區(qū)域上有3個(gè)活躍的主用戶，顏色的深淺代表信號(hào)強(qiáng)度的大小。頻譜態(tài)勢(shì)圖重建誤差主要是受插值節(jié)點(diǎn)的密度、陰影衰落和噪聲等影響。
圖1 頻譜態(tài)勢(shì)圖
根據(jù)式(3)計(jì)算重建頻譜圖的均方誤差。圖2比較了本文方法和文獻(xiàn)[7]的方法，隨著次用戶個(gè)數(shù)的增加，均方誤差均下降，但本文方法均方誤差明顯低于文獻(xiàn)[7]的方法，主要原因是文獻(xiàn)[7]雖然采用分布式制圖，但僅僅與最近的節(jié)點(diǎn)通信，有限的本地?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)致重建的頻譜圖精度較低。
圖2 頻譜圖重建誤差比較
4.2 分布式混合頻譜共享方案仿真
次用戶20個(gè)，信道帶寬B=64 kHz，在瑞利衰落環(huán)境下進(jìn)行仿真，g0、g1是服從參數(shù)?姿=1的指數(shù)分布。仿真結(jié)果如圖3所示。隨著主用戶非活躍區(qū)域的增加，underlay系統(tǒng)的容量逐漸下降，overlay系統(tǒng)的容量逐漸上升，系統(tǒng)總的容量也在逐漸上升，且一直保持在較高水平。
圖3 混合頻譜共享性能
5 結(jié)論
分布式頻譜圖能在分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下有效提高頻譜利用率。與集中式頻譜制圖相比，分布式頻譜制圖不需要融合中心，能更好地適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。在分布式頻譜圖的基礎(chǔ)上，本文提出了一種次用戶分布式混合頻譜共享方案，該方案性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測(cè)避讓算法。本文創(chuàng)新點(diǎn)主要表現(xiàn)在：(1)提出次用戶自組織分布式頻譜制圖方案；(2)在分布式頻譜圖的基礎(chǔ)上，提出混合頻譜共享方案。次用戶根據(jù)周圍環(huán)境，動(dòng)態(tài)選擇overlay或者underlay接入方案，有效提高了系統(tǒng)容量。
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