[论文解读] On Achievable Performance of Cognitive Radio Systems

Majed Haddad, Mérouane Debbah+1 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2007

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文提出一种认知无线电系统，通过频谱感知和注水功率分配技术动态接入未使用的频段，以最大化频谱效率。通过使认知用户仅在主用户不活动时传输，该系统相较于传统无线电系统实现了显著的频谱效率增益，通过多带接入和干扰约束的建模分析，量化了容量提升。

ABSTRACT

In this contribution1, we investigate the idea of using cognitive radio to reuse locally unused spectrum to increase the total system capacity. We consider a multiband/wideband system in which the primary and cognitive users wish to communicate to different receivers, subject to mutual interference and assume that each user knows only his channel and the unused spectrum through adequate sensing. Under this scheme, a cognitive radio will listen to the channel and, if sensed idle, will transmit during the voids. Within this setting, we provide two simple methods for sensing the idle sub-bands over the total bandwidth. We impose the constraint that users successively transmit over available bands through proper water filling. For the first time, our study has quantified the achievable gain of using cognitive radio with respect to classical radio devices and derive the total spectral efficiency as well as the maximum number of possible pairwise communications of such a cognitive radio system. We finally show that we can improve the overall system spectral efficiency by considering cognitive communications in the system. Index Terms filling. Cognitive radio, sensing, power detection, radar detection, capacity, spectral efficiency, band factor gain, water I.

研究动机与目标

• 研究认知无线电如何通过重用本地未使用的频段来提升频谱效率。
• 建立一个主用户与认知用户共存且存在相互干扰的多带系统模型。
• 开发仅依赖本地信道知识的感知技术，使认知用户能够检测空闲子带。
• 推导此类认知无线电系统中的总可实现频谱效率及最大成对通信数。
• 在实际感知与功率分配约束下，量化认知无线电相较于经典无线电系统的性能增益。

提出的方法

• 认知用户使用能量检测和雷达检测技术进行频谱感知，以检测空闲子带。
• 系统假设每个用户仅知晓自身信道状态及通过感知获得的空闲频谱，用户间无协调。
• 采用注水功率分配方法在可用子带上分配功率，以在峰值功率约束下最大化频谱效率。
• 认知无线电系统在干扰约束下运行，确保主用户的服务质量不受影响。
• 通过建模多带接入与干扰条件，解析推导出总系统频谱效率。
• 引入带宽因子增益作为度量指标，以量化认知频谱接入带来的频谱效率提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多带环境中，认知无线电相较于传统无线电系统可实现多大的频谱效率增益？
• RQ2 当仅能获取本地信道和频谱感知信息时，认知无线电的关键性能极限是什么？
• RQ3 注水功率分配如何影响具备空闲频谱检测能力的认知无线电系统的可实现频谱效率？
• RQ4 在干扰与感知约束下，认知无线电系统中可同时进行的最大成对通信数是多少？
• RQ5 感知精度与检测技术在决定系统总容量与频谱效率方面起什么作用？

主要发现

• 与经典无线电系统相比，认知无线电系统在总频谱效率方面实现了可测量的提升，该结果通过解析建模得以量化。
• 采用能量检测与雷达检测的频谱感知技术，可在极低信令开销下可靠识别空闲子带。
• 在可用频带上实施注水功率分配，可在峰值功率约束下最大化频谱效率。
• 系统的总频谱效率受可用空闲子带数量及主用户施加的干扰约束限制。
• 带宽因子增益指标量化了认知频谱接入带来的性能提升，证明了动态频谱共享的可行性。
• 最大成对通信数受空闲子带数量与干扰约束限制，但可显著高于非认知系统。