本發(fā)明涉及認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和MIMO交叉技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是基于多中繼多天線的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

認(rèn)知無(wú)線電(CR)是一種在20世紀(jì)末被提出的智能無(wú)線電技術(shù)，它的出現(xiàn)促進(jìn)了頻譜資源的有效利用。通過(guò)頻譜感知和環(huán)境適應(yīng)，認(rèn)知用戶(SU)能夠在不干擾授權(quán)用戶(PU)信息傳輸?shù)那闆r下，利用空閑授權(quán)頻譜進(jìn)行信息傳輸，從而提高頻譜的利用效率。認(rèn)知無(wú)線電必須持續(xù)地感知周?chē)念l譜環(huán)境，并且需要準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)PU是否出現(xiàn)在空閑頻譜中，一旦檢測(cè)到PU重新使用空閑頻譜，SU必須尋找或等待新的空閑頻段繼續(xù)通信。

認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(CRSN)即將WSN網(wǎng)絡(luò)引入到CR領(lǐng)域，它的優(yōu)點(diǎn)是眾多的認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)授權(quán)用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、感知，并且能夠?qū)@些檢測(cè)信息進(jìn)行處理，從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到相應(yīng)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步將信息整合并傳送給遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)融合中心(FC)，SU根據(jù)FC的判決結(jié)果接入相應(yīng)的空閑信道。

中繼協(xié)助通信是一種強(qiáng)大的空間分集技術(shù)，利用中繼協(xié)助通信具有顯著的性能增益優(yōu)勢(shì)。由于中繼之間的正交信道分配(例如，載波頻率、時(shí)隙、編碼)必須避免中繼間的干擾，如果中繼數(shù)目變得很大，那么使用多中繼帶來(lái)的好處將不及多中繼引發(fā)的缺陷。中繼選擇被視為解決中繼間干擾抑制的復(fù)雜問(wèn)題的最顯著的方法之一。

波束賦形是一種基于天線陣列的信號(hào)預(yù)處理技術(shù)，利用這種技術(shù)能夠區(qū)別不同方向上的信號(hào)，并且對(duì)不同方向上的信號(hào)分配不同的權(quán)值，從而針對(duì)目標(biāo)用戶發(fā)送信號(hào)，從而提高目標(biāo)用戶的信噪比和系統(tǒng)的能量利用效率，同時(shí)又能夠減少對(duì)其他用戶的干擾。

現(xiàn)有采用多中繼的技術(shù)中，沒(méi)有利用中繼進(jìn)行頻譜感知，造成了中繼資源的浪費(fèi)，降低了頻譜感知結(jié)果的準(zhǔn)確性；并且在選用多中繼的情況下沒(méi)有進(jìn)行中繼選擇，造成了大量的中繼之間的干擾嚴(yán)重，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的提升起到了阻礙的作用。目前，多中繼多天線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)中，使用波束賦形增強(qiáng)系統(tǒng)性能的研究比較復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮波束賦形，從而使得更好地提高系統(tǒng)的信噪比等性能有了一定的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供基于多中繼多天線的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法，通過(guò)使用認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，在提升本系統(tǒng)的吞吐量的同時(shí)降低整個(gè)系統(tǒng)的中斷概率。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明所述的一種基于多中繼多天線的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法，包括以下方法：

步驟1、建立多中繼多天線認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，該模型包括一個(gè)具有N_P個(gè)天線的授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)PUS、一個(gè)具有N_P個(gè)天線的授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)PUD，一個(gè)具有N_t個(gè)天線的認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)SUS、一個(gè)具有N_r個(gè)天線的認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)SUD，M個(gè)具有N_Rt個(gè)發(fā)送天線和N_Rr個(gè)接收天線的中繼節(jié)點(diǎn)CR_i；其中，i＝1,..,M；該系統(tǒng)模型的工作過(guò)程分為頻譜感知和信息傳輸兩個(gè)階段；

步驟a、頻譜感知階段：

在頻譜感知階段，設(shè)定M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)參與頻譜感知，將頻譜感知結(jié)果發(fā)送給認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)SUS，然后認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)作為融合中心，將本地感知結(jié)果和中繼的感知結(jié)果采用或準(zhǔn)則進(jìn)行融合；

步驟b、信息傳輸階段：

在信息傳輸階段，當(dāng)步驟a中認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)融合后的感知結(jié)果為H₀狀態(tài)，此時(shí)認(rèn)知用戶直接占用信道進(jìn)行信息傳輸；當(dāng)感知結(jié)果為H₁狀態(tài)，此時(shí)認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶共存，要保證認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的通信造成的干擾低于授權(quán)用戶設(shè)置的干擾門(mén)限值；M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)作為普通中繼協(xié)助認(rèn)知用戶進(jìn)行信息傳輸；其中，H₀表示授權(quán)用戶PU沒(méi)有進(jìn)行通信，H₁表示PU正在占用信道，進(jìn)行通信；

當(dāng)授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶同時(shí)占用信道進(jìn)行信息傳輸時(shí)，授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)信干比SINR_P表示為：

其中，P_P表示授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；P_S表示在對(duì)授權(quán)用戶的信息傳輸不造成干擾的情況下，認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；G_P表示授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)與授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)平坦衰落復(fù)向量，C表示復(fù)數(shù)集合，N_P表示授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)和授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)具有的天線的數(shù)目；H_P表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)與授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)平坦衰落復(fù)向量，N_t表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)具有的天線的數(shù)目；表示授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)與授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的高斯白噪聲的方差；表示*的弗羅貝尼烏斯范數(shù)；

當(dāng)步驟a中認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)融合后的感知結(jié)果為授權(quán)用戶不存在時(shí)，使用中繼進(jìn)行協(xié)助通信，認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，先通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)解碼轉(zhuǎn)發(fā)后，再發(fā)送給認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)；

第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)的信干比γ_i1為：

認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)的信干比γ₂為：

其中，P表示授權(quán)用戶不存在時(shí)，認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；P_R表示中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；H_i表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)平坦衰落復(fù)向量，N_Rr表示中繼節(jié)點(diǎn)具有的接收天線的數(shù)目，N_t表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)具有的天線數(shù)目；G_i表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)平坦衰落復(fù)向量，N_Rt表示中繼節(jié)點(diǎn)具有的發(fā)送天線的數(shù)目，N_r表示認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)具有的天線數(shù)目；表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的高斯白噪聲的方差，表示中繼節(jié)點(diǎn)與認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的高斯白噪聲的方差，N_P，N_t，N_rN_Rr，N_Rt和M由用戶指定；

步驟2、使用最大最小中繼選擇策略進(jìn)行中繼選擇；

在確定N_P，N_t，N_r，N_Rr，N_Rt和M的大小的情況下，根據(jù)步驟1，首先計(jì)算出第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)的信噪比γ_i1，然后計(jì)算出通過(guò)中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)之后，在認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)的信噪比γ₂，最后利用最大最小中繼選擇方法選擇出最優(yōu)中繼k_opt，其中

步驟3)波束賦形通過(guò)對(duì)不同天線陣元的信號(hào)乘以不同復(fù)加權(quán)系數(shù)，然后將相乘之后的結(jié)果相加；

步驟4)根據(jù)步驟3波束賦形后得到的結(jié)果，計(jì)算授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶的中斷概率；具體如下：

步驟4.1)將授權(quán)用戶的SINR門(mén)限值設(shè)置為γ_Pth，授權(quán)用戶的信干比SINR的中斷概率P_out(γ_Pth)為：

步驟4.2)將認(rèn)知用戶的SINR門(mén)限值設(shè)置為γ_Sth，認(rèn)知用戶的SINR中斷概率P_out(γ_Sth)為：

其中，Γ(.)表示伽瑪函數(shù)，F(xiàn)(.；.；.)表示超幾何函數(shù)。

作為本發(fā)明所述的一種基于多中繼多天線的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述步驟a中，所述頻譜感知方式是混合頻譜感知方式，即同時(shí)采用譜覆蓋和譜重疊這兩種方式；譜覆蓋方式是指在授權(quán)用戶沒(méi)有使用授權(quán)頻段進(jìn)行信息傳輸時(shí)，認(rèn)知用戶暫時(shí)使用該授權(quán)頻段進(jìn)行信息傳輸；譜重疊方式是指認(rèn)知用戶的發(fā)射功率與授權(quán)用戶同時(shí)占用授權(quán)頻段。

作為本發(fā)明所述的一種基于多中繼多天線的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述步驟3中復(fù)加權(quán)系數(shù)既用于調(diào)整信號(hào)相位，也用于調(diào)整信號(hào)幅度。

作為本發(fā)明所述的一種基于多中繼多天線的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述步驟4.1中，授權(quán)用戶的中斷概率受授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)天線數(shù)量N_t和認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率P_S的影響。

作為本發(fā)明所述的一種基于多中繼多天線的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述步驟4.2中，認(rèn)知用戶的SINR中斷概率授權(quán)受N_rN_Rr和N_rN_RrN_RtN_t的影響。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明通過(guò)使用本發(fā)明提出的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，不僅可以提升認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量，而且可以降低整個(gè)系統(tǒng)的誤碼率和中斷概率；

具體來(lái)說(shuō)：

(1)多中繼參與頻譜感知，為最終認(rèn)知用戶的感知結(jié)果的判定提供了依據(jù)，提高了感知結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而提高了頻譜的利用效率；

(2)多個(gè)中繼經(jīng)過(guò)中繼選擇之后，選出了信噪比最優(yōu)的中繼，也就是信道狀態(tài)最好的信道進(jìn)行傳輸，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量；

(3)通過(guò)中繼選擇之后，那些沒(méi)有被選作最優(yōu)中繼，協(xié)作認(rèn)知用戶進(jìn)行信息傳輸?shù)闹欣^，可以進(jìn)行新的一輪的感知，提高了中繼的利用率。而且不斷地感知授權(quán)用戶信道，將信息傳送給認(rèn)知用戶，可以更好的避免沖突的產(chǎn)生，從而降低了授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶的中斷概率；

(4)通過(guò)中繼選擇，降低了多個(gè)中繼發(fā)送信息時(shí)相互之間的干擾，而且也避免了同時(shí)使用多個(gè)信道，節(jié)約了頻譜資源；

(5)利用波束賦型技術(shù)，增強(qiáng)了指向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的強(qiáng)度，提高了信噪比，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量；此外，通過(guò)波束賦型降低了其他天線上信號(hào)的強(qiáng)度，從而降低了對(duì)其他用戶的干擾。

附圖說(shuō)明

圖1是基于多中繼多天線的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法流程。

圖2是認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)例。

圖3是數(shù)字信號(hào)的波束賦形示意圖。

圖4是授權(quán)用戶的SINR中斷概率在不同天線數(shù)目情況下隨著授權(quán)用戶的SINR門(mén)限值變化的仿真圖。

圖5是認(rèn)知用戶的SINR中斷概率在不同天線數(shù)目情況下隨著認(rèn)知用戶的SINR門(mén)限值變化的仿真圖。

圖6是認(rèn)知用戶的SINR中斷概率隨著認(rèn)知用戶的SINR門(mén)限值變化的仿真圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

圖1是基于多中繼多天線的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法流程，認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(CRSN)中的認(rèn)知用戶需要準(zhǔn)確地感知授權(quán)用戶(PU)狀態(tài)的變化，增加認(rèn)知用戶(SU)的數(shù)量可以提高感知結(jié)果的準(zhǔn)確性；中繼通信是一種強(qiáng)大的空間分集技術(shù)，能夠顯著增強(qiáng)性能增益；波束賦形在提高目標(biāo)用戶的信噪比的同時(shí)，提高整個(gè)系統(tǒng)的能量效率，并且能夠降低對(duì)其他用戶的干擾。本發(fā)明所提出的系統(tǒng)模型和分析方法能夠保證基于該系統(tǒng)模型下感知結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)能夠在降低誤碼率和中斷概率的情況下增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。

一種基于多中繼多天線的認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法，包括以下方法：

步驟1、建立多中繼多天線認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，該模型包括一個(gè)具有N_P個(gè)天線的授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)PUS、一個(gè)具有N_P個(gè)天線的授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)PUD，一個(gè)具有N_t個(gè)天線的認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)SUS、一個(gè)具有N_r個(gè)天線的認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)SUD，M個(gè)具有N_Rr個(gè)發(fā)送天線和N_Rt個(gè)接收天線的中繼節(jié)點(diǎn)CR_i；其中，i＝1,..,M；該系統(tǒng)模型的工作過(guò)程分為頻譜感知和信息傳輸兩個(gè)階段；

步驟a、頻譜感知階段：

在頻譜感知階段，設(shè)定M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)參與頻譜感知，將頻譜感知結(jié)果發(fā)送給認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)SUS，然后認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)作為融合中心，將本地感知結(jié)果和中繼的感知結(jié)果采用或準(zhǔn)則進(jìn)行融合；

步驟b、信息傳輸階段：

在信息傳輸階段，當(dāng)步驟a中認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)融合后的感知結(jié)果為H₀狀態(tài)，此時(shí)認(rèn)知用戶直接占用信道進(jìn)行信息傳輸；當(dāng)感知結(jié)果為H₁狀態(tài)，此時(shí)認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶共存，要保證認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的通信造成的干擾低于授權(quán)用戶設(shè)置的干擾門(mén)限值；M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)作為普通中繼協(xié)助認(rèn)知用戶進(jìn)行信息傳輸；其中，H₀表示授權(quán)用戶PU沒(méi)有進(jìn)行通信，H₁表示PU正在占用信道，進(jìn)行通信；

當(dāng)授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶同時(shí)占用信道進(jìn)行信息傳輸時(shí)，授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)信干比SINR_P表示為：

其中，P_P表示授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；P_S表示在對(duì)授權(quán)用戶的信息傳輸不造成干擾的情況下，認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；G_P表示授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)與授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)平坦衰落復(fù)向量，C表示復(fù)數(shù)集合，N_P表示授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)和授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)具有的天線的數(shù)目；H_P表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)與授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)平坦衰落復(fù)向量，N_t表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)具有的天線的數(shù)目；表示授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)與授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的高斯白噪聲的方差；表示*的弗羅貝尼烏斯范數(shù)；

當(dāng)步驟a中認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)融合后的感知結(jié)果為授權(quán)用戶不存在時(shí)，使用中繼進(jìn)行協(xié)助通信，認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，先通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)解碼轉(zhuǎn)發(fā)后，再發(fā)送給認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)；

第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)的信干比γ_i1為：

認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)的信干比γ₂為：

其中，P表示授權(quán)用戶不存在時(shí)，認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；P_R表示中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；H_i表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)平坦衰落復(fù)向量，N_Rr表示中繼節(jié)點(diǎn)具有的接收天線的數(shù)目，N_t表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)具有的天線數(shù)目；G_i表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)平坦衰落復(fù)向量，N_Rt表示中繼節(jié)點(diǎn)具有的發(fā)送天線的數(shù)目，N_r表示認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)具有的天線數(shù)目；表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的高斯白噪聲的方差，表示中繼節(jié)點(diǎn)與認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的高斯白噪聲的方差，N_P，N_t，N_r，N_Rr，N_Rt和M由用戶指定；

步驟2、使用最大最小中繼選擇策略進(jìn)行中繼選擇；

在確定N_P，N_t，N_r，N_Rr，N_Rt和M的大小的情況下，根據(jù)步驟1，首先計(jì)算出第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)的信噪比γ_i1，然后計(jì)算出通過(guò)中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)之后，在認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)的信噪比γ₂，最后利用最大最小中繼選擇方法選擇出最優(yōu)中繼k_opt，其中

步驟3)波束賦形通過(guò)對(duì)不同天線陣元的信號(hào)乘以不同復(fù)加權(quán)系數(shù)，然后將相乘之后的結(jié)果相加；

步驟4)根據(jù)步驟3波束賦形后得到的結(jié)果，計(jì)算授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶的中斷概率；具體如下：

步驟4.1)將授權(quán)用戶的SINR門(mén)限值設(shè)置為γ_Pth，授權(quán)用戶的信干比SINR的中斷概率P_out(γ_Pth)為：

將授權(quán)用戶的SINR門(mén)限值設(shè)置為γ_Pth，授權(quán)用戶的信干比SINR的中斷概率P_out(γ_Pth)為：

其中，P_r為系統(tǒng)的實(shí)際SINR為r時(shí)的概率，和都是服從χ²分布的隨機(jī)變量，且它們的自由度分別為2和2N_t；n個(gè)服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量的平方和構(gòu)成一新的隨機(jī)變量，其分布規(guī)律稱為卡方分布，即χ²分布，其中參數(shù)n稱為自由度。

設(shè)則授權(quán)用戶的信干比SINR的中斷概率表示為：

其中，表示累計(jì)分布函數(shù)，f_Y(y)為變量y的概率密度函數(shù)，x是自由度為2的服從χ²分布的隨機(jī)變量，y是自由度為2N_t的服從χ²分布的隨機(jī)變量；

x和y的概率密度函數(shù)分別表示為：

其中，f_X(x)和f_Y(y)分別為變量x和y的概率密度函數(shù)，Γ(.)表示伽瑪函數(shù)；

則授權(quán)用戶的信干比SINR的中斷概率最終表示為：

步驟4.2)將認(rèn)知用戶的SINR門(mén)限值設(shè)置為γ_Sth，認(rèn)知用戶的SINR中斷概率P_out(γ_Sth)為：

其中，H表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)到最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)平坦衰落復(fù)向量，G表示最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)到認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)平坦衰落復(fù)向量，和都是服從χ²分布的隨機(jī)變量，且它們的自由度分別為2和2N_t；

設(shè)

則認(rèn)知用戶的SINR中斷概率表示為：

x和y的概率密度函數(shù)分別表示為：

則認(rèn)知用戶的SINR中斷概率最終表示為：

其中，F(xiàn)(.；.；.)表示超幾何函數(shù)。

在具體實(shí)施中，如圖2所示，系統(tǒng)包括一個(gè)具有N_P個(gè)天線的授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)(PUS)、一個(gè)具有N_P個(gè)天線的授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)(PUD)，一個(gè)具有N_s個(gè)天線的認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)(SUS)、一個(gè)具有N_s個(gè)天線的認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)(SUD)，M個(gè)具有N_Rr個(gè)發(fā)送天線和N_Rt個(gè)接收天線的中繼節(jié)點(diǎn)(CR_i,i＝1,..,M)。

認(rèn)知用戶(SU)要共享授權(quán)用戶(PU)頻譜，首先要進(jìn)行頻譜感知，即系統(tǒng)工作要進(jìn)行兩個(gè)部分：

第一部分，頻譜感知階段(圖1所示的實(shí)線部分)，M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)參與頻譜感知，并將頻譜感知結(jié)果發(fā)送給認(rèn)知用戶，然后認(rèn)知用戶作為融合中心，將本地感知結(jié)果和中繼的感知結(jié)果采用“OR”準(zhǔn)則進(jìn)行融合(融合準(zhǔn)則可以由自己決定)。認(rèn)知用戶最終判定的感知結(jié)果有兩種狀態(tài)，即H₀和H₁兩種狀態(tài)，H₀表示授權(quán)用戶(PU)沒(méi)有進(jìn)行通信，H₁表示PU正在占用信道，進(jìn)行通信。

第二部分，在信息傳輸階段(圖1所示的虛線部分)，如果感知結(jié)果為H₀狀態(tài)，此時(shí)認(rèn)知用戶可以直接占用信道進(jìn)行信息傳輸；如果感知結(jié)果為H₁狀態(tài)，此時(shí)認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶同時(shí)存在，只要保證認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的通信造成的干擾低于授權(quán)用戶設(shè)置的干擾門(mén)限值即可。在動(dòng)態(tài)共享頻譜時(shí)，有下面兩種方式，它們分別是overlay方式以及underlay方式。所謂overlay方式是指在授權(quán)用戶沒(méi)有使用授權(quán)頻段進(jìn)行信息傳輸時(shí)，認(rèn)知用戶可以暫時(shí)使用該授權(quán)頻段進(jìn)行信息傳輸；而underlay方式是指在授權(quán)用戶存在的情況下，認(rèn)知用戶以很低的發(fā)射功率使用授權(quán)用戶頻段進(jìn)行信息傳輸。本設(shè)計(jì)中采用的是混合頻譜感知方式(即overlay方式和underlay方式同時(shí)采用)。此時(shí)，M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)作為普通中繼協(xié)助認(rèn)知用戶進(jìn)行信息傳輸。

如果此時(shí)認(rèn)知用戶感知結(jié)果是授權(quán)用戶處于H₀狀態(tài)，即授權(quán)用戶不存在，認(rèn)知用戶可直接接入信道；如果認(rèn)知用戶感知結(jié)果是授權(quán)用戶處于H₁狀態(tài)，即授權(quán)用戶存在，同時(shí)認(rèn)知用戶的發(fā)射功率(P_SU)低于授權(quán)用戶設(shè)定的門(mén)限值(P_max)，認(rèn)知用戶可接入信道。然后從M個(gè)中繼中選擇最優(yōu)中繼(k_opt)協(xié)助認(rèn)知用戶進(jìn)行信息傳輸，首先根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算出從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)i的信號(hào)的信噪比γ_i1，然后計(jì)算出通過(guò)中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)之后，在目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)的信噪比γ₂，最后再利用最大最小中繼選擇方法選擇出所有中繼中的最優(yōu)中繼k_opt，其中選擇出最優(yōu)中繼之后，剩余的中繼繼續(xù)協(xié)助認(rèn)知用戶進(jìn)行頻譜感知，只有最優(yōu)中繼參與認(rèn)知用戶的信息傳輸。

由于本發(fā)明所提出的系統(tǒng)中所包含的授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)，授權(quán)用戶目的節(jié)點(diǎn)，認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)，認(rèn)知用戶目的節(jié)點(diǎn)以及多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都是具有多個(gè)天線的，因此在本設(shè)計(jì)中，我們采用了波束賦形的方式，利用波束賦形，既可以提高目的節(jié)點(diǎn)的信噪比，又增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的能量利用效率。

波束賦形的實(shí)現(xiàn)有多種方式，其中最基本的方式是對(duì)每個(gè)天線陣元上的傳輸信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)延遲后相加，從而使目的節(jié)點(diǎn)方向上接收到的信號(hào)強(qiáng)度得到提高，從而使目標(biāo)方向接收的信號(hào)得到增強(qiáng)，而對(duì)其他方向上的信號(hào)強(qiáng)度有著不同程度的削弱，這種方法通常用于傳輸?shù)男盘?hào)為模擬信號(hào)。

在本設(shè)計(jì)中，授權(quán)用戶源節(jié)點(diǎn)和認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)波束賦形的實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)對(duì)不同天線陣元的信號(hào)乘以不同復(fù)加權(quán)系數(shù)，然后將相乘之后的結(jié)果相加。不同天線陣元所對(duì)應(yīng)的復(fù)加權(quán)系數(shù)既可以調(diào)整相應(yīng)的信號(hào)相位，也可以調(diào)整相應(yīng)的信號(hào)幅度。對(duì)于窄帶信號(hào)，這種波束賦形方式不僅可以增強(qiáng)目標(biāo)方向上的信號(hào)強(qiáng)度，而且通過(guò)合理設(shè)置零點(diǎn)后，可以來(lái)抑制其他方向上的干擾和噪聲。

本設(shè)計(jì)以認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行的分析，如果認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息是數(shù)字信號(hào)時(shí)，根據(jù)上述的數(shù)字信號(hào)的方法進(jìn)行波束賦形，如圖3所示。

在具體實(shí)施中，下面仿真分析授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶的中斷概率。

1)分析授權(quán)用戶的中斷概率，將授權(quán)用戶的SINR門(mén)限值γ_Pth設(shè)置為[-1,1]之間的數(shù)值，取值間隔為0.1，將授權(quán)用戶的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率設(shè)置為P_P＝1.00，認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率設(shè)置為P_S＝0.35，σ_P＝1，天線數(shù)目為1、2、3和5，則授權(quán)用戶的SINR中斷概率在不同天線數(shù)目情況下隨著授權(quán)用戶的SINR門(mén)限值變化的仿真圖為圖4所示。

從圖4可以看出隨著天線數(shù)目的增加，授權(quán)用戶的中斷概率隨著授權(quán)用戶的SINR門(mén)限值的增加而上升，但是上升的速度隨著天線數(shù)目的增加而減緩。

2)分析認(rèn)知用戶的中斷概率，將認(rèn)知用戶的SINR門(mén)限值γ_Sth設(shè)置為[-1,1]之間的數(shù)值，取值間隔為0.1，將授權(quán)用戶的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率設(shè)置為P_P＝1.00，認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率設(shè)置為P_S＝0.35，中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率為P_r＝0.5，σ_P＝1，天線數(shù)目為1、2、3和5，則認(rèn)知用戶的SINR中斷概率在不同天線數(shù)目情況下隨著認(rèn)知用戶的SINR門(mén)限值變化的仿真圖為圖5所示。

從圖5可以看出隨著天線數(shù)目的增加，認(rèn)知用戶的中斷概率隨著認(rèn)知用戶的SINR門(mén)限值的增加而上升，但是上升的速度隨著天線數(shù)目的增加而減緩。

3)分析在有中繼選擇和沒(méi)有中繼選擇的情況下，認(rèn)知用戶的中斷概率，將給定認(rèn)知用戶的SINR門(mén)限值γ_Sth設(shè)置為[0.5,1.1]之間的數(shù)值，取值間隔為0.1，將授權(quán)用戶的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率設(shè)置為P_P＝1.00，認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率設(shè)置為P_S＝0.35，中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率是P_r＝0.5，σ_P＝1，天線數(shù)目為2和4，則在不同天線數(shù)目，有中繼選擇和沒(méi)有中繼選擇的情況下，認(rèn)知用戶的SINR中斷概率隨著認(rèn)知用戶的SINR門(mén)限值變化的仿真圖為圖6所示。

從圖6可以看出隨著天線數(shù)目的增加，認(rèn)知用戶的中斷概率隨著認(rèn)知用戶的SINR門(mén)限值的增加而上升，但是上升的速度隨著天線數(shù)目的增加而減緩；同時(shí)在有中繼選擇的時(shí)候，認(rèn)知用戶的中斷概率的上升速度比沒(méi)有中繼選擇的情況緩慢。