一种基于中继协助的频谱切换机制的研究

Posted 2021-08-09 fpga&matlab

        在认知无线电网络（Cognitive Radio Network，简称CRN）中引入协作通信可以提高系统的分集增益。CRN中，协作通信的模式主要分为两类：PU与CR用户间的协作通信以及CR用户间的协作通信。PU与CR用户之间的协作通信可以提高系统的空间分集增益；而CR用户之间的协作通信不仅可以提高系统的空间分集增益，而且还可以提高系统的频谱分集增益。

1协作通信概述

        协作通信可以有效的解决无线通信中的低信噪比信号检测、信号编码和断续通信等难题，协作通信的目的就是充分利用网络中的空余节点资源来帮助有通信需求的节点进行可靠、高速地无线通信。目前，无线通信中的移动电话业务、数据业务、多媒体业务正在迅速发展，未来无线网络将承担更多的高质量的业务，因此对信息速率等系统性能提出了相当高的要求。 

       协作通信并不只限于两个用户之间，也可以是多用户的相互协作，即一个用户可以同时拥有很多的合作伙伴，协作分集以多个用户共享天线或其他网络资源的形式构造出虚拟阵列，利用信号处理和分布式传输等方法获得分集增益。因此，协作通信不仅仅能够在蜂窝系统中应用，在一些应用环境诸如无线Ad hoc网络，无线传感器网以及无线局域网络等也同样适用，今后还有可能将这些网络结合起来，形成一种全新的智能网络，引起移动通信领域的重大变革。

2 CR用户间的协作通信

       某个CR用户作为另一个CR用户的传输中继。对CR用户间的协作通信而言，普通协作通信考虑的因素仍然适用；另一方面，CR用户必须连续感知未被PU占用的授权频谱（伺机接入模型）或者对CR用户进行功率控制（频谱共享接入模型）来保证PU的通信质量。

3 PU与CR用户间的协作通信

        某个CR用户作为PU的传输中继。PU与CR用户之间的协作通信可以增加PU的通信机会，帮助PU尽快完成通信。由于增加了一条中继传输链路，这相当于增强了主链路的传输性能；另一方面，也为CR用户带来更多的传输机会。例如，当CR用户在帮助PU传输数据后，作为回报PU可以允许CR用户与PU共享频谱，只要CR用户的干扰功率在PU的允许范围内即可。

4 无线频谱空间

        无线频谱空间是一个多维（时域、频域、空域、信号方向、传输特性）概念，因此，在频谱空间的不同部分，其属性也有所不同。受到诸如授权用户的移动性、传输变化、传输技术、设备能力、认知用户的接入要求以及认知用户业务见缝插针的特殊使用方式的影响，这种多维性使得认知用户检测到的可用频谱可能随着位置和时间等发生变化，我们将这种现象称为频谱异构性。这种现象从用户角度看就是各个节点所“看到”的可用频谱集不同，从频谱本身看就是表现出不同的性能差异。该现象导致某些节点的可用频谱资源比较富裕，我们称之为富节点，而另外一些节点，由于其附近授权用户活动频繁，其可用频谱资源较少，未能满足认知用户的业务需求，我们将该节点称之为穷节点。认知网络中资源不均衡在现实中是存在的，并且比传统的无线通信网络还要严重。因此有必要来研究一个穷节点当前所使用的频谱上在授权用户出现的时候该如何进行频谱切换以保持它的通信连接。

        其实采用中继协作的通信方式不一定非要在CR用户完全没有可用的频谱切换的资源的时候才用的。当CR用户需要进行频谱切换并且周围有其它的CR节点的时候可以将自己能够感知到的频谱空洞和中继可用的信道共同作为切换的选择对象，对他们进行分析对比从而选出最适合的信道进行切换。这样既能够为CR用户选择出最合适的切换信道也能使得系统中的频谱资源得到更有效的利用。

5 中继协作机制

        中继协作机制在认知无线电网络中的使用是当PU出现CR用户需要进行频谱切换且CR用户没有可用的切换信道时才会被使用，这样就严格限制了协作中继通信在CR网络中的使用场景。本课题拟在CR用户需要进行频谱切换时由CR可感知到的信道和由中继节点提供的可用信道共同作为备选信道来进行CR用户的频谱切换分析，其中包括各CR节点频谱信息的共享，中继节点的选择，中继节点的频谱预留，切换的流程和系统性能的分析。所使用到的网络模型如图1所示，

 

6存在的问题

        在传统的中继协作通信系统中，当某一次用户在和基站进行通信的时候，此时，突然出现PU用户，将占用该次用户所占用的通信信道，从而使得该次用户失去当前通信信道的使用权。特别是当该次用户对通信需求量较大的时候，会大大影响其对应的相关服务质量，甚至发生服务中断。在传统的中继协作通信系统中，当发生频谱切换的时候，即使切换到相邻小区，同样面临着资源窘迫的问题，没有从根本上解决该次用户的通信要求，此外，当认知用户处于相邻小区的重叠覆盖区域时，由于可用频谱集的时变性，这种方式很可能引起乒乓切换效应。