CHANNELS FOR DELIVERY OF SPECTRA SENSING RESULTS ON DUAL-STAGE COGNITIVE RADIO NETWORKS

Full Text

Введение Рассматриваемая архитектура сети - это целе- сообразный вариант построения радиодоступа в сетях когнитивной технологии, характерны- ми особенностями которых служат: а) большая территориальная зона радиопокрытия; б) диа- пазон сравнительно длинных волн и, соответ- ственно, габаритных антенн; в) значительный процент среди вторичных пользователей (ВП) сети составляют устройства D2D, работающие в пределах кластеров - локальных зон, каждая из которых занимает лишь малую часть территории общей зоны покрытия сети. Общий принцип сети двухъярусной архитектуры иллюстрирует рису- нок 1, на котором лицензированный первичный пользователь обозначен как ПП. Показаны кана- лы зондирования и доставки [1]. Принцип сети двухъярусной архитектуры На нижнем ярусе базовая станция (БС) каж- дого собирает результаты зондирования спектра (ЗС) отдельными ВП, зарегистрированными в нем и после приема и демодуляции сообщений, ретранслирует их на центр слияния (ЦС), цен- тральную станцию всей сети, управляющую ее работой, выполняющую объединение всех ло- кальных результатов ЗС и выносящую решение о допуске и прекращении работы ВП в сети. Сово- купность радиоканалов БС-ЦС образует второй, верхний ярус сети. Результаты ЗС i-м ВП пере- даются по каналу доставки в формате 2-битовых сообщений - аi bi. Если старший бит ai = 1, это означает: ПП обнаружен, если ai = 0, то ПП в сети отсутствует. Значения младшего бита bi указыва- ет на достоверность решения: если bi = 1, то по- казатель «правдоподобия» бита аj выше установ- ленного порогового значения, если bi = 0, то ниже. Рисунок 1. Архитектура двухъярусной сети «Infokommunikacionnye tehnologii» 2020, Vol. 18, No. 4, pp. 473-477 Рисунок 2. Модуляция 4-FSK Определим характеристики обнаружения состав- ных каналов доставки сети кооперативного ЗС [4]. Модель канала доставки В качестве модели канала доставки предлага- Вероятность ошибки приема символа в со- ставной двухпролетной линии с демодуляцией на ретрансляторе, как хорошо известно, достаточно точно может быть выражена как ется следующая модель: P  Pe1  Pe2 , (1) замирания в обоих частях составного канала полагаем релеевскими; ввиду наиболее вероятного применения тех- нологии когнитивного радио в лицензированных диапазонах телерадиовещания, в которых доми- нируют системы OFDM, предполагается в основе каналов доставки использовать OFDMA; в радиоканале между БС и ЦС сообщения передаются, используя QPSK-HM-модуляцию и когерентный метод демодуляции; в радиоканале ВП-БС на передаче модуляция ортогональная 4-FSK [2], на приеме исполь- зуется некогерентная демодуляция. где P - вероятность ошибки составной радиолинии; Pe1 - вероятность ошибки на первом про- лете ВП-БС; Pe2 - вероятность ошибки на втором пролете БС-ЦС. Так как битовые ошибки при передаче аj и bi при подсчете характеристик обнаружения имеют разный вес, рассмотрим полную диаграмму со- стояний сообщений (см. рисунок 3) в канале до- ставки от m-го ВП через i-ю БС на ЦС. Ниже введены обозначения для вероятностей сообщений, битовых ошибок и средних значений ОСШ в соответствии с моделью радиолинии из [5]: PÁ  PB (1 - 3P )  P (PB  PB  PB )  Выбор вида модуляции и демодуляции сделан 00 00 e e 11 10 01 B по следующим причинам: - на верхнем ярусе выбран более сложный и более помехоустойчивый вид модуляции, обла-  P00 (1 - 4Pe )  Pe , 01 01 e e 11 10 00 PÁ  PB (1 - 3P )  P (PB  PB  PB )   PB (1 - 4P )  P , дающий наряду с другими свойствами способно- 01 e e (2) стью не увеличивать трафик в канале доставки по сравнению с 1-битовой передачей [3]; 10 10 e e 11 01 00 PÁ  PB (1 - 3P )  P (PB  PB  PB )   PB (1 - 4P )  P , 10 e e - на нижнем ярусе со значительно большим числом ВП по сравнению с БС для снижения сложности устройств, а значит, уменьшения энер- гозатрат по опыту применения систем DMR [1] используется модуляция 4-FSK в ее ортогональij где PÂ 11 11 e e 01 10 00 PÁ  PB (1 - 3P )  P (PB  PB  PB )  11 e e  PB (1 - 4P )  P , - вероятность обнаружения сообщения ij в канале зондирования; PÁ - вероятность приема ном варианте (см. рисунок 2), идеально подхо- дящем для встраивания в OFDMA-сигналы, и не ij сообщения ij на базовой станции; ij PÖ - вероятувеличивает трафик в канале доставки. Предла- гается отображение дибитов передаваемых сообность приема сообщения ij на центральной станции; i, j  0,1 для i; 0,1 для j; щений, минимизирующее вероятность двойных Pe1  3 / (2  S1 ) - 3 / (3  4S1 )  1 / (3  4S1 ), (3) ошибок в демодуляторе по степени их влияния где S1 - среднее значение отношения «сигнал/ на достоверность обнаружения. шум» 4-FSK [3]; Stepanova N.V. 475 Рисунок 3. Диаграмма состояний сообщений Таблица. Параметры формулы (9) стей ошибок на отдельных пролетах линии ВП- ЦС в канале доставки [6; 8]. В случае двухъярусной сети КР должны со- блюдаться соотношения между пролетами, све- денные в таблицу для модели радиоканала, ис- пользованной в [7]: Пролет 1 (ВП-БС) Пролет 2 (БС-ЦС) Дистанция пролета d1m 2 d2m  d1m 8 Показатель затухания 1 2,5 2 2 Референтная дистанция d0 1 d0 1 Уровень «сигнал/шум» в т. d0 S0 40 S0 400 Smn ( )  S C d0  d 0n mn mn , (9) где S0n среднее значение ОСШ на расстоянии d0 от ПП, n = 1,2 - номера пролетов ВП-БС и БС- ЦС; Cmn среднее значение С/Ш для релеевских Pe2  1 / 2(1 - S2 / (S2  1)  1 / 4S2 , (4) замираний и белого гауссовского шума. По условиям технической целесообразности соотношения параметров для «сигнал/шум» свегде S2 - среднее значение отношения «сигнал/ дены в таблицу. шум» BPSK [2]; K1 , K2 - коэффициенты иерар- Для пролета 2 возьмем  = 4, а  = 25°. хичности битов в QPSK-HM, равные По формуле (8), полагая для Cmn  1, имеем K1  1 / sin , (5) из (2) Pe1  0,13, а из (3) Pe2  0, 037. K2  1 / cos, (6) Заключение K12 - коэффициент поправки для одновременной ошибки в обоих битах. При непосредственной передаче от ВП на ЦС для обеспечения величины Pe1  0,13 даже при K12  K1  K2 1 / 4S2 . (7) переходе на передачу более помехоустойчивой Рассматривая выражения для вероятности событий ai bj на ЦС, которые при отбрасывании сла- гаемых второго порядка малости, содержащих модуляцией QPSK потребуется увеличение мощ- ности на передаче от ВП не менее чем на поря- док. При умеренном числе ВП в одном кластере произведения к виду [9]: Pe1Pe2 , могут быть преобразованы это приведет к 100-кратному расходу энергии в расчете на один кластер [10]. Таким образом, для Ö Â Pij   Pij (1 - 4Pe1 )  Pe1 - Pe2  - - -  (8) пользователей сети когнитивного радио с критически важными показателями энергоэффектив-  K1 (1 - P )  K2 (1 - P )  K12 (1 - P ). ности должна быть рекомендована двухъярусная  j i ji  архитектура сети. P ij Можно видеть, что вероятность Ö по срав- Литература нению с ij PÂ-вероятностью обнаружения этого события в канале ЗС уменьшается на величину, пропорциональную взвешенной сумме вероятно-

About the authors

N. V Stepanova

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: puhleniw@mail.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files