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超密集网络中宽带频谱快速感知研究

为满足超密集网络中基站对宽带频谱资源的实时感知要求提出了一种宽带频谱感知算法。本方法根据信号结构通过保护边带获得噪声功率水平据此迭代获得平均信号功率从而得到信号与噪声的最佳判决门限感知空闲频谱。本方法运算复杂度低适用于已知信号结构下的宽带频谱感知。仿真结果表明该算法有较好的性能且能适应较低信噪比的条件。

超密集网络宽带频谱感知快速感知

1引言

超密集网络通过提高接入点密度提高了区域频谱效率是5G通信的重要发展方向。在超密集网络中基站与认知无线电的结合将提升站点的即插即用能力1 ,提供高速率、低耗能的通信服务。

频谱感知作为认知无线电技术的核心功能受到了广泛的关注主要的频谱检测方法有能量检测2-3 、匹配滤波检测4 、特征检测⑸以及波形检测⑹等。然而对于超密集网络同一资源可能被多个相邻站点使用感知信号复杂。感知基站通常处于邻居站点有效覆盖范围之

外信噪比条件较差为保证负载的实时

通信须在较短感知周期内完成感知。对于宽带频谱感知方法目前的研究成果主要是最优化频谱检测方法[7],但是其感知周期长、复杂度高、可操作性低,其判决门限获取方法复杂在超密集网络中不可行。在自组织网络中由于感知信息难以相互共享多个感知节点联合检测方法⑻难以在此适用。当前对于超密集网络中需要的快速、准确、低复杂度的宽带频谱感知技术仍需进一步研究。

本文提出了一种宽带频谱检测技术通过前端采样的子频带信息利用保护边带的噪声信息估计噪声功率与信噪比从而获得最佳判决门限。在一个符带宽内各子频段的使用情况。本文方法利用保护边带的噪声信息获得了最佳判决门限复杂度低、可行性高、实时性能好号周期内, 只需一次F FT运算,快速有效地得到感知适合超密集网络中实际需要的宽带频谱感知0

2系统模型

2.1无线感知环境

在自组织的超密集网络中各基站之间竞争共存,其配置参数一般各不相同具体如图1所示。为满足用户的需求保证网络中频谱资源能够被各个基站最优化地分配使用,每一个基站都必须实时掌握自己覆盖范围内的可用频谱资源信息从而选择最佳频谱使用策略。所以网络中的每一个基站都需要对宽带频谱中各个子频带进行感

知需要实时地、高效地感知出宽带频谱内每一个频点的使用情况。并且通常感知基站不在邻居节点覆盖范围内信噪比条件较差因此感知方法还需在低信噪比条件下有较好的性能。

对于频分复用的无线通信方式其频谱都包含一个特定的工作频段和相应的保护频带。工作频段会被划分为多个通信子频带每个子频带会占据一定带宽,保护频带则没有被任何用户使用。例如在LT E宽带通信中频带宽达20MHz,等间隔划分为110个资源块每个资源块包含12个子载波。此外有宽达数十兆赫兹的保护频带。

2.2感知信号

在LT E系统中频谱资源的分配是以资源块为单位的。以一个资源块为单位进行分析既能满足频谱感知精细度的要求又能避免信号畸变对OFDM信号正交性破坏带来的影响。综上所述感知需求就是正确感知每一单位频率资源的使用情况。

在自组织超密集网络中各站点可自由加入或退出频移资源共享系统的在感知周期内站点之间缺乏协调机制。所以基站接收到的信号往往来自多个基站令接收信号xmi (t)代表来自编号为m的邻居节点第i段频谱时域检测信号贝U

其中smi (t)表示发送信号 vmi (t)表示时域噪声M

表示邻居基站个数 H0代表没有信号 H1代表有信号。令I表示感知宽带内的频谱单元总数 ai,m为相应信道增益那么总的宽带范围的接收信号就为

3宽带频谱感知方法

超密集网络中通常感知信号是来自多个站点信号的叠加这会使得感知信号特征被破坏。对于某一频段选择能量感知来判断是否被占用是一种简单的方法。对于本文讨论的场景中全体子频带的感知因为空口信号的结构是已知的因此可以确定保护带的位置保护带不会被任何站点所使用。因此可以利用这一先验知识获得噪声功率的电平值通过迭代运算,计算出平均信号功率从而得到最佳判决门限。对所有子载波是否被占用进行最终判决具体流程如图2所示

下文中详细分析了从前端采样获得的时域信号,并推导出最佳判决门限详细叙述了迭代获取平均信号功率的方法估计出信噪比参数完成了宽带频谱的感知。

3.1宽带采样信号分析

对于感知节点而言若有任意一个邻居节点正在使用某一子频段则感知基站应避免使用该子频段令xi (t)为子频段i的总感知信号则有

令Ei(x)表示子频段i对应的时域感知信号能量⑹表示某频点或者该资源块所对应的频率范围的中心频率△3表示对应频率单元的频谱宽度Tsense为感知周期F(3)为感知信号的傅立叶变换。则由帕塞瓦尔定理可知

可令Tsense=N XTsample,其中Tsample为基站的信号采样周期 N则为感知周期内的采样点数。令为感知信号N点离散傅立叶变换值于是感知能量估计值为

其中服从卡方分布[9],但是当N足够大时(一般只需N220,在实际通信系统中很容易满足) 可以认为渐进的服从正态分布其统计特征模型如下

其中Ps为信号功率 § 2v为噪声功率。当选择一个判决门限丫之后相应的虚警率与检测率分别可表示为

若是采用F FT运算进行功率谱估计, 则在一个感

知周期内就可以得到整个宽带内所有子频带信号的能量。如果能够确定合理的判决门限丫便可判断每一

个子频带的使用情况确定感知向量。 F FT快速运算即可满足感知算法的实时性要求。

3.2判决门限的选择

综上所述该方法所得的感知结果主要与判决门限的选择有关。从公式6可以看出当接收信号在H0和H1情况下二者分布的方差不相等所以判决门限不能简单地视为二者期望的平均值。为找到综合考虑虚警率和漏检率的最佳判决门限Yoptimal,记dl=Yoptimal-N5v,d2=N62v+NPS-yoptimal分别为判决门限与HO、 Hl情况下能量期望的距离。在方差较大的H1时其期望与判决门限距离应该较远以平衡虚警率和漏检率如图3所示。于是借助切比雪夫不等式根据公式20 

由此可得最佳判决门限Yoptimal为

Yoptimal

从上述表达式可以看出最佳判决门限主要取决于信噪比和噪声功率。在实际系统中需要估计这两个参数以求得最佳判决门限。

3.3参数估计

通过上面的分析实现宽带频谱感知需要估计噪声功率和信噪比。通过对宽带采样信号的分析可通功率谱信息。那么在高斯信道条件下可以对该感知周期内的信噪比与

平均高斯噪声功率进行估计。

过F FT运获得宽带中所有子频段及其保护频带的

通常保护边带只包含了噪声信息基站的发送信号经过成型滤波后旁瓣衰减很快泄漏到保护带的能量较小可以认为是噪声的一部分。利用保护频带内的平均功率可以估计噪声功率§v2 ,其中3代表边带频率 B为保护边带宽度△3为信号子频带宽度。噪声功率的公式为

在高斯信道中估计出噪声功率之后可求得信号总功率为

其中 Ps_sum为有用信号总功率 Psum为感知带宽内感知信号总功率。令lused为实际被占用的子频带数目Ps为子频带上发射信号的平均功率。虽然邻居节点的覆盖半径有可能不一样但是考虑到功率自适应调整在各个小区边缘用户服务质量相同的情况下可以认为不同节点的发送信号传输到其覆盖边缘时的功率基本相等则Ps_sum为

为求得信号平均功率Ps,采用如下迭代方法估计lused,然后代入公式13中求解可得Ps 。迭代算法步骤如下:

其中  ?运算代表四舍五入取整 q为迭代次数。在上述迭代运算中

是对lused进行的估计值当时用对lused进行估

计则包含了部分只有噪声的子载波反之则有部分有信号子载波未被包含。令Pextra表示相应误差所对应的多余或者遗漏的功率值可表示为

可写为

于是求解使用子频带使用数量估计值为

从公式18可以看出有如下性质

从公式19可以看出经过多次迭代运算之后会使得收敛于lused,并且该方法对初始门限Y0的取值不敏感仿真结果也表明了这一点。的迭代运算结果趋近实际的子频带使用数量lused,从而求得信号平均功率与信噪比如下

4仿真结果

在进行仿真时采用OFDM调制方式的LTE宽带通信系统。在20M Hz带宽的LTE系统中包含110个资源块每一个资源库包含12个正交子载波[10]o主要仿真结果如图4、图5所示。给出了漏检率与虚警率仿真曲线分别同公式7 、公式8中的理论曲线进行对比。

图4与图5分别表示漏检率与虚警率。从仿真结果来看仿真曲线与理论曲线基本契合且在较低信噪比条件下依然能够获得较低的漏检率与虚警率从而保证频谱感知效率。并且在对lused进行估计时丫0取值从功率归一化取值范围为0.3至0.8,均可以在10次迭代计算以