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基于频谱检测的短波认知用户性能优化

短波一直是舰艇编队成员之间通信的重要手段之考虑蓝海海水具备较好的导电性,一般而言,利用短波地波作为编队通信手段,可保证编队成员之间的超视距通信(试验证明。在开阔海区里两节点之间通信距离可达150海里)。因为短波通信在舰艇编队信息收稿日期:201l-05—20:修回日期:2011—11—14基金项目:船舶1=业科技琐研越金(3.4.4)作者简介:彭歼志(1983).男,湖北武汉人。博士研究生。E-m¨Ipengkaizhi@hrbeu.edu.cn传输中所起到的作用,针对短波通信链路的干扰方式,如跟踪式窄带干扰、宽带干扰、阻塞干扰等多种多样,使得传统的短波通信面I临威胁与挑战。开展新一代短波反电子对抗(ECCM)通信手段的应用研究并形成短波网络化方式的信息传输架构,以适应海战场的复杂电磁环境。是未来信息系统对短波通信抗干扰网络提出的必然要求。认知无线电技术能使设备感知外界环境。并使用人工智能等技术从环境中学习。 通过实时改变某些操作参数,保证内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化,动态地检测和有效地利用空闲频谱,以达到在任何时间任何地点能进行高度可靠的通信,从而使频谱资源得到有效的利用[1’3]。 因此,将认知无线电技术应用到短波通信系统中,可使短波通信设备具备不断实时一准实时地检测短波信道传输质量,动态地选择最佳工作频率,达到改善短波通信的质量,提高短波通信频谱利用率的目的。在基于频谱检测的短波认知用户性能优化设计中,短波信道条件、认知用户检测时间、数据收一发长度、授权用户到达概率及授权用户业务持续时间等参数均会对认知用户的系统吞吐量产生影响。如检测时间的增加,可提高认知用户的检测性能,降低认知用户对授权用户造成的干扰;但检测时间增长,将导致认知用户有效数据收发时间减少,从而降低认知用户的系统吞吐量。因此在满足授权用户干扰容限要求下,找到最佳的系统可控参数配置,使认知用户的系统吞吐量达到最优,是基于频谱检测的短波认知用户性能优化需重点研究的问题。 文献[4]讨论了高斯白噪声信道中,采用能量检测法的认知用户不同调制方式下,系统吞吐量的优化问题;文献[5]分析了基于序贯序列合作检测算法的认知用户系统吞吐量优化问题;与本文思路最近似的文献[6]中,以自适应数据传输机制为基础,研究了短波信道下系统吞吐量的最优化问题。纵观国内外相关文献,在短波认知用户的系统吞吐量优化方面,频谱检测算法中各主要算法指标对短波通信系统的吞吐量影响研究还相对匮乏,但各指标与系统吞吐量的相互关系又将直接影响到基于频谱检测的短波通信系统实际应用性能。 因此,为保证基于频谱检测的短波通信系统高效性,本文通过结合短波的传输特性和认知无线电的频谱检测机制,重点分析了短波信道中认知用户的系统吞吐量优化问题,在建立短波授权用户通信业务模型基础上,求解了短波认知用户基于能量检测法的各参数与其检测性能、系统吞吐量的关系,着重研究了一定干扰容限下,认知用户的系统吞吐量最优化问题。最后依据国际电信联盟定义的理想信道、Good信道、Moderate信道和P00r信道(下文分别称为I、G、M、P信道)4种短波信道条件,针对频谱检测时间、用户数据帧长和授权用户数据量对认知用户的系统吞吐量影响进行了对比仿真评估。 l 系统模型 1.1 Watter鲫n信遵模型短波信道属于随机变参信道,存在多径、衰落、多普勒平移和多普勒扩展等特性。但是如果分析仅限于有限频带(如10kHz)和足够短的时间(如10min)内,此时大部分信道基本上是稳定的,从而能够选用一个适当的静态模型来描述它。Watterson等人[5“3通过大量实验和仿真分析,提出了高斯散射增益抽头延迟模型,模型的时变频率响应可表示为nH(厂,£)一∑exp(一j2∥i,)Gi(£)(1)I=l式中:i为路径标号;行为路径总数;fi表示第i条路径的延迟时间;Gi(£)为随机过程。本文为评估短波系统中各参数对检测性能和认知用户的系统吞吐量影响,依据cCIR一520一1标准,定义了I、G、M、P信道4种短波信道[73条件,表1给出各信道仿真参数。 1.2授权用户通信业务模型认知用户以频谱检测算法为基础,通过机会的接入方式使用所检测到的“频谱空穴”,实现认知用户间的动态通信。当授权用户出现时,为保证授权用户的正常通信,认知用户必须采取相应的频谱切换管理机制,因而带来了切换时延等开销,给认知用户的系统吞吐量造成了一定影响。因此,为有效地评估、优化认知用户的系统吞吐量,须建立授权用户的通信业务模型。本文为简化起见,假设授权用户在不同信道上的业务流量是独立同分布的;同时每一信道仅处于忙或闲两状态之一,且每一信道在各状态之间的转换相互独立。假设各信道忙、闲两状态的持续时间分别符合负指数分布F幻~e『:。 (2).( ‘Z,L厂i(f)=6e一4根据数理统计相关知识,信道忙、闲两状态的平均持续时间分别为1/口、1/6;信道忙、闲两状态所占概率分别为fD一 鱼一11 6一口+6jp一生∽’I上i一口+6结合式(2)和式(3),信道由闲状态转换到忙状态的概率及信道由忙状态转换到闲状态的概率为fPm一户(f)=1一e一丘< (4)【PK—q(£)一1一e一。在短波业务实际传输过程中,信道忙状态概率P。由接收端所需信噪比、授权用户发射功率和信道噪声功率等因素共同决定。认知用户可通过最大似然估计万方数据第4期 基于频谱检测的短波认知用户性能优化 59法、置信区间估计法等相关方法来估算信道忙状态概率。 2短波认知用户检测性能及系统吞吐量性能分析为适应基于频谱检测的短波通信体制,短波认知用户必须具备频谱检测、数据收发、信道控制3种状态。其中频谱检测状态用于检测信道状况;数据收发状态用于检测到信道空闲后用户数据的接收和发送;信道控制状态用于检测到信道繁忙时控制信道的频谱切换。 2.1短波认知用户检测性能分析短波认知用户正确检测信道状态的能力将直接关系到认知用户的吞吐量性能,同时也关系到认知用户对授权用户的干扰容限。根据基于频谱检测的短波通信系统实际应用情况和检测性能要求,本文采用能量检测法来对基于频谱检测的短波通信系统进行检测性能分析。能量检测法通过对带宽为W的带通滤波器的输出信号进行平方运算,并在观测时间段T内对其积分,将积分输出的决策统计量y与门限值A进行比较,从而判定短波信道的忙、闲状态。短波认知用户的检测性能可由误警概率、检测概率和漏检概率来衡量,依次分别为fPf=P(y>A Ho).{Pd—P(y>A H1) (5)【P。=1一Pd=P(yAH。)一Q(与≯以z)(6)Pd=P(y>A H1)=Q[c专一gJ^J2一·,√五焉]c7,P。=1一Pd (8)式中:g为信噪比;^为信道增益;T,为频谱检测时间}^为采用频率Is:为信道的加性复合高斯白噪声方差;Q(-)为标准高斯函数的互补分布函数Q(z)=圭I exp(亭)d£ (9)√Z7cJ 1 厶当检测概率一定时,虚警概率可表示为P,=Q[瓜gI^Iz+矿·(P。)以习陌而](10)若系统错误检测概率用P。表示,将Pt和P。均归纳为短波认知用户的系统错误检测概率,则通过式(11)可确定短波认知用户的最佳检测门限值A。娶:o (11)aA。 …7 2.2短波认知用户系统吞吐量性能分析系统吞吐量是衡量无线通信系统中服务质量的关键性指标,定义单位时间内系统正确接收的数据量为系统吞吐量R,当频谱检测时长为T,,数据发送时长为T。,信道切换时延为T。,认知用户平均有效数据传输时长为T¨数据收发状态信道从空闲转变为繁忙的概率设为P,,信道控制状态信道从空闲转变为繁忙的概率设为P。,信道容量设为6刚误码造成的丢包率设为P。。,则系统吞吐量R可表示为[4’10]R一—垡丛L转 (12)T5+Td+Pt芋_L产根据式(4),P,、P。可表示为限=1一e。6汀·¨th’ (13)lP。=1一e“汀。+下c’短波认知用户可能在以下两种情况下发起数据传输:①信道处于忙状态,系统误检,认知用户发起的数据传输有效数据传输时长设为T普;②信道处于闲状态,认知用户发起数据传输的有效数据传输时长设为耳’;在一通信周期内认知用户的平均有效数据传输时长T。表示为T。=TgPLb+TtrPLi(14)式中:PL“为信道忙状态时系统将其检测为闲状态的概率;PL;为信道闲状态时系统正确检测的概率。根据贝叶斯规则%=矸苦蒜‰ ㈦,Pu=瓦苦矗‰㈤, 2.3短波认知用户的系统吞吐量性能优化(1)用户频谱检测参数对系统吞吐量优化分析频谱检测状态下检测时间将对短波认知用户的系统吞吐量性能产生显著的影响。频谱检测时间增大,认知用户便能更准确地检测授权用户信号,从而避免因误检而导致的重发等开销,提高系统吞吐量;但当检测时间超过某时长后,将会导致短波认知用户的平均万方数据60铁 道 学 报 第34卷有效数据传输时长降低,带来系统吞吐量减少。根据式(12),频谱检测时间对系统吞吐量优化问题可建立成在满足授权用户干扰容限下,是否存在最优检测时间T。,使短波认知用户的系统吞吐量最优的问题。此最优化问题在数学上可表示为maXgoalfLlnction:肚一Ⅲ,T。+Td+P。专l匕}』n>兰l【Pd>PdJ式中根据优化思路,在P。、Ta、T。、口和6一定时,T。为连续变量,系统吞吐量最大值时对应的丁。为dR(T。)/dT。=O (18)将式(13)~式(16)带入式(12),可得认知用户的系统吞吐量最终表达式。但公式过于复杂,为简化分析、计算,针对授权用户的通信业务模型做一定合理假设:为保持正常通信,数据传输时间必须远远小于信道闲或信道忙时间,即满足T。《1/口、T。《1/n、T。《1/口,结合式(17),将简化条件带人式(18)后,计算可得短波认知用户的系统吞吐量最优T。 近似解为L一[6(T。+Td)一1]/(26) (19)由式(19)可知,在数据段长度和切换时延一定条件下,可通过检测授权用户业务模型中信道闲状态的持续时间6计算出最佳的检测时间丁。,带入式(17)可得短波认知用户理论上的系统吞吐量最优值。(2)用户数据收发参数对系统吞吐量优化分析认知用户数据收发状态下的数据发送时长会对短波认知用户的系统吞吐量产生显著影响。减少数据发送时间,会导致短波认知用户的有效数据发送时间减少,从而降低了认知用户的系统吞吐量;但若发送时间过长,则系统检测信道的周期增大,导致系统检测性能降低,从而造成误码率增加,系统吞吐量降低;此外,若检测周期过长,认知用户对授权用户造成的干扰也会增大,这是授权用户不允许的。因此。应在保证授权用户干扰容限下,研究数据收发状态下的数据发送时长与吞吐量关系,找到最适合的数据发送长度,完成基于频谱检测的短波通信系统吞吐量优化。类比检测参数对吞吐量优化设计,亦可将该问题建立成在满足授权用户干扰容限下,寻找最佳的数据发送时间Td,使认知用户的系统吞吐量达到最大。根据式(17),在Pd、t、Tc、n和6一定条件下,因Td为连续变量。对系统吞吐量求Td倒数,从而可求认知用户的系统吞吐量最大值R。尝罂:o (20)dTd。 …7为简化分析,对授权用户通信业务模型做相应简化后,结合式(17)和式(20),得到L近似解为Td—T。一晋(21)由式(21)可知,通过检测信道状态转移概率Pi。、Pb_;、Pr后,可求出最佳的数据收发时间,带入式(17)后得出理论上认知用户的系统吞吐量最大值。(3)用户检测发送比对系统吞吐量优化分析当认知用户的帧长度一定时,研究用户检测发送比对系统吞吐量影响,对基于频谱检测的短波通信系统的实际应用具有重要意义。相比前两节针对频谱检测参数、数据收发参数对吞吐量优化分析,为简化计算,本节将忽略信道切换时延。 在此前提下,将此优化问题表示为goalfunction:R一号等掣ma—constraint:雕盈nT川T}.{口一丁。/T;卢=(丁一T。)/T}【口+卢一1 J(22)式中,当P。、丁、口和6一定条件下,口为连续变量,将简化条件带入式(23),可得吞吐量最大值时对应的口值。坚盟一o (23)d口结合式(22)、式(23),计算得到L所占最佳比例口值为p一行而0碲 佗4’由式(24)可知,当信道条件发生变更导致系统吞吐量降低后,可通过检测信道忙、闲的状态转移概率,从而实时更新帧结构中检测发送比,保持认知用户的系统吞吐量持续维持在较高效率上。 3数值仿真分析为评估各可控参数在实际短波信道上对检测性能和认知用户的系统吞吐量影响,结合国际电信联盟(ITU)和watterson信道模型的定义,本文提出了4种短波信道[7]条件。各信道条件参数如表l所示。其他仿真参量:信道容量k一2400bit/s;认知用户检测概率Pd—o.9;信道切换时延T。一5ms。 3.1检测参数对认知用户检测性能影响(1)不同信道条件下信噪比对虚警概率影响万方数据第4期 基于频谱检测的短波认知用户性能优化 61图1为不同信道条件下,Pd=o.9,T。=5ms,T。=20 ms,,,。=8 kHz,Td=80ms时,信噪比对认知用户的虚警概率影响。仿真结果表明,随信噪比增大,认知用户的虚警概率降低。由图1知,当认知用户的虚警概率为0.1时,理想信道信噪比对应一6dB;好信道信噪比对应一4dB;中等信道信噪比对应OdB;差信道信噪比对应3dB。由此说明:信道条件越好,认知用户检测对信噪比要求越低;受延迟和衰落影响,信道条件恶化时,授权用户与噪声信号难以区分,认知用户虚警概率增加,频谱利用率降低。(2)不同信道条件下检测时间对虚警概率影响图2为不同信道条件下,当信噪比r一1dB,P。=信噪比,,dB图1不同信道条件下信噪比对虚警概率影响O.9,Tc一5 ms,,。一8 kHz,丁d一80 ms时,检测时长对认知用户的虚警概率影响。由图2可见,总体上检测时间增长,能降低认知用户检测的虚警概率。仿真结果表明:理想信道下由于不存在延迟和衰落,认知用户的虚警概率能在很短时间内达到O.1的指标;当检测时间增大到15ms时,好信道认知用户的虚警概率也能达到0.1;随着信道条件的恶化,通过检测时间增加,可缓解虚警概率降低的趋势。检测时l'日J,ms图2 不同信道条件下检测时间对虚警概率影响 3.2用户频谱检测参数对认知用户系统吞吐量优化仿真图3为不同信道条件下,数据收一发长度固定为1 s,Pd=O。9,丁d=1 s,^=8kHz,t=O.005 s时,检测时长对认知用户系统吞吐量影响。仿真结果表明:不同信道条件下,认知系统对应的最佳检测时间不同,主要原因是因为信道条件不同,多径传播、信道增益和多普勒平移等特性不同造成的。从图3可知。增加检测时间,能够降低认知用户的虚警概率,从而改善频谱利用率,达到提高短波认知用户的系统吞吐量目的;但图3也显示,当检测时间增加到一定程度后,短波认知用户的系统吞吐量反而降低,这主要是由于随检测时间的增长,短波认知用户的有效传输时间减少导致的。仿真结果表明:理想信道的最佳检测时间为2ms,好信道为3ms,中等信道为8ms,差信道为13ms;吞吐量方面,与理想信道相比好信道吞吐量为理想信道的98%,中等信道吞吐量降低了10%,差信道则降低了大约40%。一己 一—o-一理想信道皇2.=蒜露1螺鐾。旺好信道中等信道羞V倍道羹 检测时间,吣图3不同信道条件下检测时间对系统吞吐量影响 3.3 用户数据收发参数对认知用户系统吞吐量优化仿真图4为不同信道条件下,当检测时间为20ms,Pd=O.9,Tc一0.05 s,^=8 kHz,L=0.002 s时,数据收一发时间对系统吞吐量影响。仿真结果显示,理想信道、好信道、中等信道和差信道,随数据收一发长度变化,认知用户系统吞吐量变化趋势相同。横向上,当Td<5ms时,数据收一发长度短,数据有效传输时间小,检测时间开销大导致吞吐量较低;在L∈[5ms,100ms]时,数据收一发长度低于信道忙、闲的平均持续时间,因此数据收一发长度的增加,认知用户系统吞吐10036D羔¥栅吉|娶l00垛皿旺景墨lo-2 100数据收发时间/s图4不同信道条件下数据收·发时间对系统吞吐量影响l8642O●OOO0C碍鞋枷蚓万方数据62铁 道 学 报 第34卷量几乎线性增大;在Td∈[100ms,5 s]日},数据收一发长度接近于信道忙、闲的平均持续时间,通信中断概率增加,系统切换开销增大,从而导致认知用户系统吞吐量的增大趋势减缓。当L=5s附近时,认知用户的系统吞吐量最大;在Ta>5s之后,数据收一发长度增加,导致检测周期增长,信道切换开销陡增,数据传输误码率增加,这些多方面因素共同导致了短波认知用户的系统吞吐量降低。3.4用户检测发送比对认知用户系统吞吐量优化仿真图5为针对检测时间及数据发送时间对认知用户系统吞吐量的综合影响进行的仿真结果,检测时间与数据收一发长度各自对系统吞吐量影响与前两节分析吻合。 此外三维图中存在一个最高点,即存在检测时间与数据收一发长度的最佳用户检测发送比,对应着认知用户的系统吞吐量存在最大值。、卜、■一. 卜、≮、崮。植测¨问与数据发送时I酬对系统各吐量练音影响3.5授权用户业务量对认知用户系统吞吐量影响图6和图7为授权用户业务量对短波认知用户的系统吞吐量影响,图6中P。一0.9,t一5ms,,,一8kHz,Td:4 s,6一O.004(ms)~;图7中Pd一0.9,L一5 ms,t一20ms,^=8 kHz,L一4 s,n—o.004(ms)一。仿真结果表明,授权用户的通信行为对认知用户的系统吞吐量性能影响显著。从图6可知,授权用户到达率增加,认知用户的系统吞吐量相应地降低,这主要是由于授权用户到达导致认知用户的频繁切换信道开销带来的。图7定性仿真分析了授权雾蕊 1一十一珲息信造 \’D砰矗畦 \—一中等倍遒’三}干1·-I亘王、■——_一———— 一二、R1.,4芷li一,图6 4种信道条件下授权用户到达率对系统吞吐量的影响用户的业务持续时问对认知用户系统吞吐量影响,由图7可知,随授权用户的业务持续时间降低,认知用户系统吞吐量增加。10。 1旷‘(授权用户持续时问卜’吖ms一图7 4种信道条件下忙信道持续时间率对系统吞吐量影响 4结束语 短波受电离层特性影响,造成信道条件不够稳定,导致系统的传输可靠性差。基于频谱检测的短波认知用户性能优化方法,是通过研究短波信道特性和认知无线电中频谱检测机制,在分析短波授权用户业务模型基础上,通过求解衡量短波中检测性能的3种指标相互关系式,并在一定干扰容限下,构建了认知用户的系统吞吐量最优化问题,求出了最优条件解析解。本文所建立的授权用户业务通信模型,在理论分析上比较简化,关于模型的假设描述不够精确,从而导致其在实际应用中受到一定限制,需在以后研究中考虑更加通用的模型。此外由于认知用户特有的认知能力带来的频谱切换,会使认知用户间通信链接中断,在新信道接人方面也会带来额外延迟,因此后续工作也需对频谱切换的影响做进一步的评估,对频谱切换机制进行一定限制,在频谱切换带来信道容量增益和系统性能下降之间找到较好的平衡点。

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