[论文解读] Full Duplex Wireless Communications for Cognitive Radio Networks

Wenchi Cheng, Xi Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2011

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 19被引用 23

一句话总结

本文提出一种使用天线对消（AC）、射频干扰对消（RIC）和数字干扰对消（DIC）的全双工认知无线电网络（CRN）方案，使次用户（SUs）在传输时也能检测主用户（PUs）。与半双工CRN相比，该方法显著降低了主用户的数据包丢失率，尤其在高信噪比（SNR）条件下，即使在全双工不完美条件下也表现优异。

ABSTRACT

As a key in cognitive radio networks (CRNs), dynamic spectrum access needs to be carefully designed to minimize the interference and delay to the \emph{primary} (licensed) users. One of the main challenges in dynamic spectrum access is to determine when the \emph{secondary} (unlicensed) users can use the spectrum. In particular, when the secondary user is using the spectrum, if the primary user becomes active to use the spectrum, it is usually hard for the secondary user to detect the primary user instantaneously, thus causing unexpected interference and delay to primary users. The secondary user cannot detect the presence of primary users instantaneously because the secondary user is unable to detect the spectrum at the same time while it is transmitting. To solve this problem, we propose the full duplex wireless communications scheme for CRNs. In particular, we employ the Antennas Cancellation (AC), the RF Interference Cancellation (RIC), and the Digital Interference Cancellation (DIC) techniques for secondary users so that the secondary user can scan for active primary users while it is transmitting. Once detecting the presence of primary users, the secondary user will release the spectrum instantaneously to avoid the interference and delay to primary users. We analyze the packet loss rate of primary users in wireless full duplex CRNs, and compare them with the packet loss rate of primary users in wireless half duplex CRNs. Our analyses and simulations show that using our developped wireless full duplex CRNs, the packet loss rate of primary users can be significantly decreased as compared with that of primary users by using the half duplex CRNs.

研究动机与目标

• 为解决半双工认知无线电网络中次用户无法在传输时感知频谱而导致主用户检测延迟的关键问题。
• 通过全双工操作实现实时频谱感知，减少对主用户的干扰和延迟。
• 评估在实际不完美条件（如天线位置误差、幅度失配和带宽影响）下的全双工CRN性能。
• 在不同SNR和业务负载条件下，对比全双工CRN与半双工CRN的主用户数据包丢失率。

提出的方法

• 所提方案整合天线对消（AC）、射频干扰对消（RIC）和数字干扰对消（DIC），以抑制来自本地发射机的强自干扰信号。
• 系统使用判决门限 $\widetilde{\beta}$ 根据接收信号功率判断主用户是否存在，漏检概率 $\widetilde{p}_{MD}$ 由非中心卡方分布推导得出。
• 主用户的数据包丢失率建模为 $\rho_{PU} = \widetilde{p}_{MD}$，其中 $\widetilde{p}_{MD} = \widetilde{F}_{\widetilde{Y}|\mathcal{H}_1}(\widetilde{\beta})$，考虑了全双工不完美条件的影响。
• 分析结合了统计衰落模型，采用非中心卡方分布的包络功率，并利用不完全上伽马函数进行精确的概率计算。
• 仿真评估了真实参数下的性能：$N=100$ 个分组，$L_p=1$KB，$\lambda_p=2$ s⁻¹，$\lambda_s=5$ s⁻¹，$m=5$，以及不同SNR和延迟约束。
• 全双工不完美效应通过发射功率失配 ($\epsilon^{A}_{ant}$)、接收天线位置误差 ($\epsilon^{d}_{ant}$) 和带宽（20MHz、85MHz）在2.48GHz下建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 认知无线电网络中的全双工操作是否能降低主用户的数据包丢失率，相比半双工操作？
• RQ2 实际损伤（如天线位置误差、幅度失配和带宽）如何影响全双工CRN的性能？
• RQ3 在理想和不理想全双工CRN中，平均SNR与主用户数据包丢失率之间存在何种关系？
• RQ4 在何种SNR水平下，不理想全双工CRN的性能会超越半双工CRN的主用户数据包丢失率？
• RQ5 业务负载和延迟约束如何影响全双工CRN中主用户的数据包丢失率？

主要发现

• 在理想全双工CRN中，随着平均SNR增加，主用户的数据包丢失率趋近于零，显著优于半双工CRN。
• 即使在全双工不完美条件下，当平均SNR较高时，主用户的数据包丢失率仍低于半双工CRN。
• 全双工不完美效应（如1mm和2mm的接收天线位置误差，以及0.1Aₐₙₜ和0.2Aₐₙₜ的幅度失配）仅轻微增加主用户数据包丢失率，影响微乎其微。
• 更宽的带宽（85MHz对比20MHz）对主用户数据包丢失率的影响可忽略不计，表明对带宽变化具有鲁棒性。
• 当业务负载增加时（如 $\lambda_p = \lambda_s = 5$ s⁻¹），主用户数据包丢失率上升，尤其在严格延迟约束下（$D = NL_p/(4R)$），表明系统出现饱和。
• 所提全双工方案减少了次用户传输期间对活跃主用户的漏检，实现频谱的即时释放，从而最小化干扰。