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基于认知无线电的空时域频谱共享研究 　　【摘 要】提出了一种更为实用的空时域结合频谱共享技术，深入探讨了影响其性能的指标，通过仿真分析可以得出，空时域结合频谱共享技术在频谱利用效率、用户通信中断概率、网络容量等方面的性能要优于传统的空域频谱共享技术及时域频谱共享技术。 　　【关键词】认知无线电 空时结合频谱共享 频谱利用效率 　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.12.010 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2016）12-0046-06 　　引用格式：刘秉瑞，李乾. 基于认知无线电的空时域频谱共享研究[J]. 移动通信， 2016，40（12）： 46-51. 　　1 引言 　　目前频谱资源严重匮乏，很难再为新的通信业务提供频谱资源，而认知无线电技术可以为通信网络提供额外的频谱资源支持[1]。认知用户通过频谱检测、功率控制等技术动态利用主用户的授权频谱资源，可以在不增加新的频谱资源的情况下极大地提升频谱利用效率[2]。 　　动态频谱共享技术是认知无线电中用来提升频谱利用效率的关键技术之一，具体分为空域上的频谱共享和时域上的频谱共享[3-4]。空域频谱共享允许认知用户在满足对主用户的干扰约束条件的前提下，接入主用户的授权频段（Licensed Band）进行频谱共享[4-5]；时域频谱共享要求认知用户通过频谱检测技术检测某一时刻的主用户空闲的授权频段进行频谱共享[4，6]。但是空域频谱共享与时域频谱共享在频谱共享范围和通信稳定性上均存在问题。 　　对于采用空域频谱共享的认知用户来说，一方面需要采取功率控制技术降低对主用户网络的干扰，这样会导致认知用户收发器之间的通信距离受到限制；另一方面如果认知用户距离主用户过近，来自主用户网络发射机（如基站、广播电视塔等）的干扰会过大，从而影响认知用户的正常通信。因此空域频谱共享的通信可靠性与主用户网络的干扰联系密切，且空域频谱共享区域的范围因此而存在限制。 　　对于采用基于频谱检测的时域频谱共享的认知用户来说，如果距离主用户网络过远，接收到的主用户信号过于微弱，无法检测到授权频段是否被主用户占用，从而失去时域频谱共享的机会。此外，如果主用户信号出现而认知用户并没有检测到，则认知用户数据的传输会与主用户数据传输发生碰撞，可能会导致认知用户通信中断。所以时域频谱共享的范围和通信可靠性受到频谱检测能力的限制。 　　目前已有学者提出了空时域结合的频谱共享技术来克服以上两种频谱共享方式的缺点。文献[7]提出了在空时域进行频谱感知的指标，但是并未对在空时域如何有效利用频谱进行设计。文献[8]提出了采用主用户保护区域的方式进行空域频谱共享，但是并未考虑时域频谱共享。文献[9]提出了基于地理位置的空时域结合频谱共享，但是仅针对用户均匀分布的情况提出了系统框架，并未对该共享方式下的系统性能进行深入研究。 　　因此，本文基于文献[9]的研究成果，提出了一种更为实用的空时频谱共享解决方案，深入探讨了影响其性能的指标，通过仿真分析可以得出，空时域结合频谱共享技术在频谱利用效率、用户通信中断概率、网络容量等方面的性能要优于传统的空域频谱共享技术及时域频谱共享技术。 　　2 系统模型 　　图1提出了主用户网络与认知用户网络的频谱共享模型，认知用户网络与主用户网络同时存在于半径为R的圆形区域内。主用户网络为广播网络，主用户发射机位于圆形区域的中心（0， 0）。主用户接收机均匀分布在主用户保护区域（PER，Primary Exclusive Region）内[5]，密度为μp。假设主用户发射机的状态服从二维连续时间马尔可夫过程，因此主用户出现在授权频段上的概率为pp，未出现在授权频段上的概率为1-pp。将主用户网络假设为广播电视网络具有一定的实际意义，这是因为广播电视频段已被作为认知无线电应用的重要频段之一[5]。认知用户分布的概率密度函数为f（r，θ），采用极坐标系，r和θ分别为认知用户的距离变量和角度变量。假设认知用户之间采用正交频分多址技术（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access）控制或者消除用户之间的干扰，则认知用户之间的干扰与主用户发射机对认知用户的干扰相比可以忽略不计。 　　假设用户发射机与接收机采用如下信道模型进行无线通信： 　　4 仿真及结果分析 　　图2给出了过渡区域与认知用户发射功率PS和主用户干扰门限Ith的关系。可以看出，过渡区域的宽度随着认知用户发射功率PS增大而增大，随着主用户干扰门限Ith的增大而减少。因此，可以通过降低认知用户发射功率PS和提升主用户干扰门限Ith的方式来消除过渡区域。 　　图3分析了认知用户协