認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中斷性能分析概述1.1認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)模型從上面可以看出，在Underlay認(rèn)知方式下，準(zhǔn)許次要用戶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入主要用戶網(wǎng)絡(luò)占用的授權(quán)頻段，而不會(huì)干擾主要用戶的正常通訊，并且可以在同一時(shí)間內(nèi)與主要用戶完成通信。文獻(xiàn)[21]指出，對(duì)于次要用戶，為了確保對(duì)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(yù)溫度限制，這就使他的發(fā)送功率通常不會(huì)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(dāng)次要用戶的通信雙方之間的距離較大時(shí)，不能實(shí)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(zhǎng)和路徑的損失而導(dǎo)致通信方之間的信道狀況較差的情況下，可以通過(guò)在通信雙方之間插入一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)以多次轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)來(lái)解決該問(wèn)題。由此，在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中利用中繼技術(shù)組成認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)，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(luò)系統(tǒng)的容量。圖3-1顯示的是認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)通訊模型，由兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成，分別是主網(wǎng)絡(luò)和次網(wǎng)絡(luò)。主要用戶可以有已經(jīng)授權(quán)的頻譜，完成正常通信，次要用戶在幫助主要用戶進(jìn)行通訊的同一時(shí)間完成次網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳送。具體可以分為次要用戶發(fā)射功率對(duì)主網(wǎng)絡(luò)的影響可以忽略的情況和次要用戶通過(guò)檢測(cè)主網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)接入的情況。圖3-1認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)模型1.2直接傳輸模型本節(jié)模型假設(shè)次用戶發(fā)射機(jī)和接收機(jī)存在直接連路，沒(méi)有中繼節(jié)點(diǎn)。當(dāng)主用戶工作頻繁時(shí)，次用戶的通信品質(zhì)很難得到確保，我們認(rèn)為中斷概率是測(cè)定網(wǎng)絡(luò)功能的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此本節(jié)以文獻(xiàn)[22]中的網(wǎng)絡(luò)“中斷概率”（outageprobability）為指標(biāo)分析網(wǎng)絡(luò)的中斷性能。式(3-1)為我們展示了研究者對(duì)中斷概率表達(dá)式的推演。在通信的過(guò)程中，只要信號(hào)的傳輸速率低于一個(gè)閾值，這里我們?cè)O(shè)定為R，信號(hào)的傳送就會(huì)斷開(kāi)，這種現(xiàn)象就是發(fā)生中斷事件，那么中斷概率或者說(shuō)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(shí)的通訊過(guò)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(jī)-主要用戶接收器信道的衰落參數(shù)，表示次用戶發(fā)射機(jī)-次用戶接收機(jī)信道的衰落參數(shù)，表示次用戶接收機(jī)收到的信號(hào)，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(luò)模型1.2.1功率受限模式認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)在頻譜共享時(shí)為了確保主用戶的通信品質(zhì)，會(huì)嚴(yán)厲地限定次用戶的發(fā)射功率，這個(gè)條件下的次用戶發(fā)射功率設(shè)定為。此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)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(jiǎn)得：(3-5)在高信噪比情況下：(3-6)1.2.2檢測(cè)空閑模式在這種情況下次要用戶會(huì)檢測(cè)主網(wǎng)絡(luò)的頻譜是不是被占用，當(dāng)頻譜沒(méi)有被主要用戶占用時(shí)，次要用戶會(huì)發(fā)送信號(hào)。把頻譜占用情況用變量表示，當(dāng)頻譜被主要用戶占用時(shí)，=1；當(dāng)頻譜沒(méi)有被主要用戶占用時(shí)，=0。為了便于標(biāo)記，讓和分別表示許可的頻譜在特定時(shí)間段內(nèi)未被占用和被占用的事件。用表示頻譜感知檢測(cè)到的授權(quán)頻譜的狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，=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(cè)到存在的概率和相應(yīng)的虛警概率分別定義為和。由于背景噪聲和衰落效應(yīng)，如果不丟失對(duì)有源的檢測(cè)和虛警，就不可能實(shí)現(xiàn)完全可靠的頻譜感知，這意味著當(dāng)一個(gè)光譜波段被一個(gè)占用時(shí)，它實(shí)際上是空閑的。為了保證干擾對(duì)可容忍的,都成功的探測(cè)概率和虛驚概率要在一個(gè)有意義的目標(biāo)范圍內(nèi)，例如，由文獻(xiàn)[23]中ieee802.22標(biāo)準(zhǔn)要求>0.9,<0.1。為了更好地保護(hù)，我們認(rèn)為=0.99和=0.01，除非另有說(shuō)明。此外，我們考慮了一種瑞利衰落模型來(lái)描述圖2-1中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的所有信道。最后，假設(shè)所有接收到的信號(hào)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(diǎn)的信噪比，表示中繼節(jié)點(diǎn)的信噪比，表示主要用戶發(fā)射機(jī)-主接收器信道的衰落參數(shù)，表示次用戶發(fā)射機(jī)-次用戶接收機(jī)信道的衰落參數(shù)，表示次用戶接收機(jī)收到的信號(hào)，表示次要用戶接收機(jī)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(dǎo)過(guò)程：目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)及信道為(3-7)(3-8)在次網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)主網(wǎng)絡(luò)為空閑時(shí)，主網(wǎng)絡(luò)頻譜的實(shí)際情況可能是空閑或者是非空閑，當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)頻譜實(shí)際為空閑時(shí)的概率為(3-9)當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)頻譜實(shí)際被占用時(shí)，(3-10)此時(shí)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(duì)已經(jīng)建立的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的模型進(jìn)行MATLAB仿真，分別以中斷概率和信噪比為坐標(biāo)軸繪制圖像。設(shè)置參數(shù)為：SNRmin=0;SNRmax=50;R=2，信道衰落參數(shù)都設(shè)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(shè)置隨機(jī)數(shù)的范圍：0~10000，將信道和速率的關(guān)系問(wèn)題轉(zhuǎn)化為隨機(jī)過(guò)程問(wèn)題進(jìn)行仿真，如果和之前的仿真吻合，則是計(jì)算正確，否則要重新計(jì)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(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)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(jì)算結(jié)果符合模型建立的結(jié)果，該曲線有參考價(jià)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(shì)，可以看出信噪比的截止點(diǎn)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(jī)-次要用戶接收機(jī)的信道增益等。多條圖線對(duì)比可得次要用戶發(fā)射機(jī)-主要用戶發(fā)射機(jī)的信道衰落參數(shù)增加時(shí)，系統(tǒng)中斷概率下降趨勢(shì)減慢，當(dāng)次要用戶發(fā)射機(jī)-次要用戶接收機(jī)的信道衰落參數(shù)增加時(shí)，整體中斷概率下降趨勢(shì)增加，當(dāng)次要用戶數(shù)據(jù)傳輸速率減少時(shí)，整體中斷概率下降趨勢(shì)增加。1.1.2檢測(cè)空閑模式圖3-4檢測(cè)空閑下的中斷概率仿真圖3-4給出的是認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)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