認知網(wǎng)絡中斷性能分析概述1.1認知網(wǎng)絡模型從上面可以看出，在Underlay認知方式下，準許次要用戶網(wǎng)絡進入主要用戶網(wǎng)絡占用的授權頻段，而不會干擾主要用戶的正常通訊，并且可以在同一時間內與主要用戶完成通信。文獻[21]指出，對于次要用戶，為了確保對主要用戶的干擾低于主要用戶可以承受的最大干擾，他必須滿足干預溫度限制，這就使他的發(fā)送功率通常不會太高，特別是在次要用戶發(fā)送方和主要用戶距離較近的情況下。當次要用戶的通信雙方之間的距離較大時，不能實現(xiàn)更好的通信甚至不能通信。在由于通信方之間的距離長和路徑的損失而導致通信方之間的信道狀況較差的情況下，可以通過在通信雙方之間插入一個或多個中繼節(jié)點以多次轉發(fā)信號來解決該問題。由此，在認知無線電網(wǎng)絡中利用中繼技術組成認知中繼網(wǎng)絡，這既可以增加輔助用戶的傳輸距離還增加了輔助用戶網(wǎng)絡系統(tǒng)的容量。圖3-1顯示的是認知中繼網(wǎng)絡通訊模型，由兩個網(wǎng)絡組成，分別是主網(wǎng)絡和次網(wǎng)絡。主要用戶可以有已經(jīng)授權的頻譜，完成正常通信，次要用戶在幫助主要用戶進行通訊的同一時間完成次網(wǎng)絡信號的傳送。具體可以分為次要用戶發(fā)射功率對主網(wǎng)絡的影響可以忽略的情況和次要用戶通過檢測主網(wǎng)絡空閑時接入的情況。圖3-1認知中繼網(wǎng)絡模型1.2直接傳輸模型本節(jié)模型假設次用戶發(fā)射機和接收機存在直接連路，沒有中繼節(jié)點。當主用戶工作頻繁時，次用戶的通信品質很難得到確保，我們認為中斷概率是測定網(wǎng)絡功能的重要標準。因此本節(jié)以文獻[22]中的網(wǎng)絡“中斷概率”（outageprobability）為指標分析網(wǎng)絡的中斷性能。式(3-1)為我們展示了研究者對中斷概率表達式的推演。在通信的過程中，只要信號的傳輸速率低于一個閾值，這里我們設定為R，信號的傳送就會斷開，這種現(xiàn)象就是發(fā)生中斷事件，那么中斷概率或者說是中斷事件概率就可以定義為通信系統(tǒng)發(fā)生中斷事件的概率。(3-1)圖3-2展示的就是限制次要用戶的功率時的通訊過程，表示次用戶的發(fā)射功率，表示發(fā)射功率的上限，表示次用戶發(fā)射機-主要用戶接收器信道的衰落參數(shù)，表示次用戶發(fā)射機-次用戶接收機信道的衰落參數(shù)，表示次用戶接收機收到的信號，R表示信息傳輸速率。其中和的概率密度都服從指數(shù)分布。圖1.2限制功率下的網(wǎng)絡模型1.2.1功率受限模式認知中繼網(wǎng)絡在頻譜共享時為了確保主用戶的通信品質，會嚴厲地限定次用戶的發(fā)射功率，這個條件下的次用戶發(fā)射功率設定為。此時目的節(jié)點收到的信號為(3-2)信道容量可以表示為(3-3)由式(3-1)得，系統(tǒng)的中斷概率可以表示為：(3-4)由，化簡得：(3-5)在高信噪比情況下：(3-6)1.2.2檢測空閑模式在這種情況下次要用戶會檢測主網(wǎng)絡的頻譜是不是被占用，當頻譜沒有被主要用戶占用時，次要用戶會發(fā)送信號。把頻譜占用情況用變量表示，當頻譜被主要用戶占用時，=1；當頻譜沒有被主要用戶占用時，=0。為了便于標記，讓和分別表示許可的頻譜在特定時間段內未被占用和被占用的事件。用表示頻譜感知檢測到的授權頻譜的狀態(tài)。具體來說，=表示已許可頻譜被視為未被占用，=表示已許可頻譜被視為已被占用。正確檢測到存在的概率和相應的虛警概率分別定義為和。由于背景噪聲和衰落效應，如果不丟失對有源的檢測和虛警，就不可能實現(xiàn)完全可靠的頻譜感知，這意味著當一個光譜波段被一個占用時，它實際上是空閑的。為了保證干擾對可容忍的,都成功的探測概率和虛驚概率要在一個有意義的目標范圍內，例如，由文獻[23]中ieee802.22標準要求>0.9,<0.1。為了更好地保護，我們認為=0.99和=0.01，除非另有說明。此外，我們考慮了一種瑞利衰落模型來描述圖2-1中任意兩個節(jié)點之間的所有信道。最后，假設所有接收到的信號都被加性高斯白噪聲破壞，它的均值為零，方差為。表示次用戶的發(fā)射功率，表示主要用戶發(fā)送功率，表示源節(jié)點的信噪比，表示中繼節(jié)點的信噪比，表示主要用戶發(fā)射機-主接收器信道的衰落參數(shù)，表示次用戶發(fā)射機-次用戶接收機信道的衰落參數(shù)，表示次用戶接收機收到的信號，表示次要用戶接收機的噪聲干擾，服從均值為的高斯分布。、的概率密度都服從指數(shù)分布。以下為推導過程：目的節(jié)點收到的信號及信道為(3-7)(3-8)在次網(wǎng)絡檢測主網(wǎng)絡為空閑時，主網(wǎng)絡頻譜的實際情況可能是空閑或者是非空閑，當主網(wǎng)絡頻譜實際為空閑時的概率為(3-9)當主網(wǎng)絡頻譜實際被占用時，(3-10)此時系統(tǒng)的中斷概率可以表示為(3-11)將=0或=1分別代入兩種情況下的信道容量，并由可以得到(3-12)令，其中，(3-13)(3-14)由(3-12)、(3-13)、(3-14)得最終系統(tǒng)的中斷概率為(3-15)在高信噪比下，(3-16)1.3仿真與分析在這一小節(jié)中我們對已經(jīng)建立的認知無線網(wǎng)絡的模型進行MATLAB仿真，分別以中斷概率和信噪比為坐標軸繪制圖像。設置參數(shù)為：SNRmin=0;SNRmax=50;R=2，信道衰落參數(shù)都設置為1。為了模擬模型的正確性，我們還借助了蒙特卡洛算法。這里我們先建立需要用到的信道：hsd_I、hsd_Q、hsd_square、hsr_I、hsr_Q、hsr_square。設置隨機數(shù)的范圍：0~10000，將信道和速率的關系問題轉化為隨機過程問題進行仿真，如果和之前的仿真吻合，則是計算正確，否則要重新計算中斷概率。1.1.1限制功率模式圖3-3限制功率下的中斷概率仿真圖3-3給出了認知中繼網(wǎng)絡整體的中斷概率跟隨信噪比的變化曲線，高信噪比下中斷概率的近似曲線與精確曲線隨著信噪比的升高而重合，蒙特卡洛仿真曲線與中斷概率曲線也完全吻合證明計算結果符合模型建立的結果，該曲線有參考價值。從圖中可以看出，隨著信噪比的增大，中斷概率呈現(xiàn)出一種下降的趨勢，可以看出信噪比的截止點取決于很多因素，比如系統(tǒng)的中斷概率、次用戶數(shù)據(jù)傳輸速率R，次要用戶發(fā)射機-次要用戶接收機的信道增益等。多條圖線對比可得次要用戶發(fā)射機-主要用戶發(fā)射機的信道衰落參數(shù)增加時，系統(tǒng)中斷概率下降趨勢減慢，當次要用戶發(fā)射機-次要用戶接收機的信道衰落參數(shù)增加時，整體中斷概率下降趨勢增加，當次要用戶數(shù)據(jù)傳輸速率減少時，整體中斷概率下降趨勢增加。1.1.2檢測空閑模式圖3-4檢測空閑下的中斷概率仿真圖3-4給出的是認知中繼網(wǎng)絡整體的中斷概率和信噪比的變化曲線，高信噪比下中斷概率也就是近似曲線與精確曲