[论文解读] Listen-and-Talk: Full-duplex Cognitive Radio Networks

Yun Liao, Tianyu Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2014

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 11被引用 16

一句话总结

本文提出了一种新型的‘听-讲’（LAT）协议，用于全双工认知无线电网络，使次用户能够同时进行频谱感知和数据传输，从而消除传统‘先听后讲’（LBT）协议固有的传输间断问题。主要发现是，由于自干扰的存在，LAT协议中存在非单调的功率-吞吐量权衡，因此需要在LAT与LBT之间采用自适应切换机制以最大化吞吐量，该结论通过分析与数值结果得到验证。

ABSTRACT

In traditional cognitive radio networks, secondary users (SUs) typically access the spectrum of primary users (PUs) by a two-stage "listen-before-talk" (LBT) protocol, i.e., SUs sense the spectrum holes in the first stage before transmit in the second stage. In this paper, we propose a novel "listen-and-talk" (LAT) protocol with the help of the full-duplex (FD) technique that allows SUs to simultaneously sense and access the vacant spectrum. Analysis of sensing performance and SU's throughput are given for the proposed LAT protocol. And we find that due to self-interference caused by FD, increasing transmitting power of SUs does not always benefit to SU's throughput, which implies the existence of a power-throughput tradeoff. Besides, though the LAT protocol suffers from self-interference, it allows longer transmission time, while the performance of the traditional LBT protocol is limited by channel spatial correction and relatively shorter transmission period. To this end, we also present an adaptive scheme to improve SUs' throughput by switching between the LAT and LBT protocols. Numerical results are provided to verify the proposed methods and the theoretical results.

研究动机与目标

• 解决传统‘先听后讲’（LBT）协议在认知无线电网络中导致的传输间断与时间效率低下问题。
• 使次用户（SUs）实现全双工操作，以同时进行频谱感知与数据传输。
• 分析所提出的LAT协议中的性能权衡，特别是发射功率与残留自干扰对次用户吞吐量的影响。
• 设计LAT与LBT协议之间的自适应切换机制，以在检测概率约束下最大化次用户吞吐量。

提出的方法

• 提出一种新颖的‘听-讲’（LAT）协议，其中一个天线用于频谱感知，另一个天线同时发送数据，利用全双工能力。
• 采用能量检测法，并结合不完善的自干扰抑制（SIS）作为频谱感知策略，对四种假设（主用户活跃/不活跃，次用户发送/静默）下的接收信号进行建模。
• 利用检验统计量的统计特性，推导出LAT与LBT协议下虚警概率 $P_f$ 和漏检概率 $P_m$ 的解析表达式。
• 通过分析增加发射功率如何最初提升吞吐量但最终因自干扰增加而降低吞吐量，建立LAT中的功率-吞吐量权衡关系。
• 提出一种自适应切换机制，根据信道条件与残留自干扰动态选择LAT或LBT，以最大化吞吐量。
• 采用接收者操作特性（ROC）曲线与吞吐量仿真，评估在不同信噪比（SNR）、发射功率、SIS因子、空间相关性及感知时长下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 所提出的LAT协议在认知无线电网络中相较于传统LBT协议，在传输连续性与频谱效率方面有何改进？
• RQ2 发射功率对LAT协议吞吐量有何影响？由于自干扰是否存在功率-吞吐量权衡？
• RQ3 残留自干扰（SIS因子）如何影响LAT协议的感知性能与可实现吞吐量？
• RQ4 在检测概率约束下，LAT与LBT协议之间最优的切换策略是什么，以最大化次用户吞吐量？
• RQ5 LBT协议中的空间相关性与感知时长如何影响与LAT协议相比的性能权衡？

主要发现

• LAT协议通过实现同时感知与传输，消除了LBT协议中的传输间断，从而延长了有效传输时间。
• LAT协议中存在非单调的功率-吞吐量权衡：增加发射功率最初可提升吞吐量，但随后因自干扰增加而降低吞吐量。
• 在自干扰抑制（SIS）因子越大时，LAT协议中实现最大吞吐量的最优发射功率越低，表明发射功率与干扰管理之间存在关键平衡关系。
• 当残留自干扰较高时，LBT协议优于LAT协议，因其具备更优的干扰管理能力，验证了自适应切换的必要性。
• LAT与LBT协议之间的自适应切换机制在吞吐量上优于单独使用任一协议，尤其在高自干扰或低感知时间条件下表现更优。
• 仿真结果证实，ROC曲线显示残留自干扰越高或感知时长越短，感知性能越差，验证了分析模型的准确性。