闊永紅，賀冰濤，陳 健

(西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

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攜能通信協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)吞吐量分析和優(yōu)化

闊永紅，賀冰濤，陳 健

(西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

在攜能通信協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，針對主用戶和認(rèn)知用戶的非飽和數(shù)據(jù)傳輸問題，研究主用戶網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)吞吐量之間的相互作用關(guān)系，并對認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)吞吐量的優(yōu)化．首先，提出一種“概率協(xié)作”的傳輸策略，采用排隊論的方法對該場景進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層建模和分析，求解出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)吞吐量域，并以此反映主用戶網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)的相互作用關(guān)系．其次，通過求解“概率協(xié)作”策略中認(rèn)知用戶的最優(yōu)協(xié)作傳輸概率，在保證主用戶系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，最大化認(rèn)知用戶的穩(wěn)態(tài)吞吐量．仿真結(jié)果和分析表明，采用“概率協(xié)作”的傳輸策略能使認(rèn)知用戶獲得最大的穩(wěn)態(tài)吞吐量，同時，主用戶網(wǎng)絡(luò)相比于無協(xié)作時的系統(tǒng)性能也有了較大的提升．

攜能通信;認(rèn)知無線電;協(xié)作通信;穩(wěn)態(tài)吞吐量

協(xié)作認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(Cooperative Cognitive Radio Network， CCRN)中認(rèn)知節(jié)點(diǎn)通過對授權(quán)節(jié)點(diǎn)協(xié)作與授權(quán)網(wǎng)絡(luò)共享頻段，是一種高頻譜利用率的雙贏通信技術(shù)[1-2]．然而，在現(xiàn)實(shí)中充當(dāng)協(xié)作中繼的認(rèn)知用戶并不是充足供能的基站，而是一些低功耗的節(jié)點(diǎn)[3]，這些節(jié)點(diǎn)由于僅裝載儲能有限的電池進(jìn)行通信，很大程度上制約了網(wǎng)絡(luò)的生存時間[4]．基于攜能通信的協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)[3]在傳統(tǒng)的CCRN中采用無線攜能通信技術(shù)(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer， SWIPT)，可使認(rèn)知用戶在感知和接收主用戶射頻信號的同時，通過能量回收技術(shù)(Energy Harvesting， EH)從承載信息的無線電射頻信號中獲得傳輸能量，實(shí)現(xiàn)能量與信息的并行傳輸，可有效解決CCRN中節(jié)點(diǎn)能量受限的問題，延長節(jié)點(diǎn)生存時間，為進(jìn)一步提升譜效和能效提供了有效的手段．

在采用攜能通信技術(shù)的CCRN中已有大量文獻(xiàn)[3，5-6]采用香農(nóng)容量來表征系統(tǒng)的最大可達(dá)速率，并以此來衡量和分析系統(tǒng)性能．在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸中主用戶和認(rèn)知用戶并非時刻都有數(shù)據(jù)需要傳輸，即數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生時刻和傳輸持續(xù)的時間具有不確定性，這使得用戶緩存器中的數(shù)據(jù)包隊列是非飽和的，而采用香農(nóng)容量并不能描述在該情況下系統(tǒng)的長程性能(隊列的穩(wěn)定性及時延等[7])．針對數(shù)據(jù)的非飽和傳輸問題，文獻(xiàn)[8]在基于攜能通信認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中采用排隊論的方法進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)層的系統(tǒng)性能優(yōu)化，在保證主用戶系統(tǒng)穩(wěn)定的同時，通過優(yōu)化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的傳輸概率使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)吞吐量最大化．然而，該研究并未涉及主用戶與認(rèn)知用戶間的相互協(xié)作．針對協(xié)作通信中非飽和數(shù)據(jù)傳輸問題的研究，文獻(xiàn)[9]在三節(jié)點(diǎn)的攜能通信協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中，分析了中繼節(jié)點(diǎn)能量收集與數(shù)據(jù)包協(xié)作傳輸間的切換對系統(tǒng)性能的影響．文獻(xiàn)[2，10]在傳統(tǒng)的CCRN中分別對單認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)和多認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)的協(xié)作場景，通過穩(wěn)態(tài)吞吐量域直觀反映了該多接入網(wǎng)絡(luò)中，主用戶穩(wěn)態(tài)吞吐量和認(rèn)知用戶穩(wěn)態(tài)吞吐量之間的相互作用關(guān)系．在采用攜能通信的CCRN中，認(rèn)知用戶的穩(wěn)態(tài)吞吐量不僅會受到主用戶業(yè)務(wù)傳輸強(qiáng)度的影響，同時也會受到自身傳輸能量的制約．一方面，隨著主用戶傳輸?shù)念l繁，認(rèn)知用戶可以更多地從主用戶傳輸?shù)男盘栔蝎@得傳輸能量用于自身的數(shù)據(jù)傳輸，但主用戶頻繁占用信道使得認(rèn)知用戶的傳輸機(jī)會減少; 另一方面，由于認(rèn)知用戶對主用戶的協(xié)作增大了認(rèn)知用戶的傳輸機(jī)會，但同時認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)又要消耗部分的能量進(jìn)行協(xié)作傳輸．因此，在非飽和通信情況下，對攜能通信的CCRN的穩(wěn)態(tài)吞吐量的分析，需要聯(lián)合考慮主用戶活動、認(rèn)知用戶能量狀態(tài)及認(rèn)知用戶的傳輸機(jī)會．

綜上所述，針對攜能通信的協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的非飽和數(shù)據(jù)通信問題，筆者分析主用戶網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)吞吐量之間的相互作用關(guān)系，并最大化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)吞吐量，使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠承載較高的數(shù)據(jù)包到達(dá)率．首先，在該場景中提出一種部分協(xié)作策略[11]，即對主用戶進(jìn)行概率性的協(xié)作，并采用排隊論求解出該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)吞吐量域，來反映主用戶網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)吞吐量之間的相互作用關(guān)系; 其次，在保證主用戶網(wǎng)絡(luò)隊列穩(wěn)定的前提下，通過求解最優(yōu)協(xié)作概率c，使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)吞吐量最大化; 最后，通過仿真分析了在不同協(xié)作策略下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)吞吐量域，及不同能量轉(zhuǎn)化效率對系統(tǒng)性能的影響．

圖1 系統(tǒng)模型

1 系統(tǒng)模型

在圖1所示的系統(tǒng)中，由主用戶基站PU、主用戶接收端PD和認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)SU、認(rèn)知用戶接收端SD構(gòu)成．圖中PU有1個無限長緩存器QPU，用來存儲主用戶隨機(jī)到達(dá)的等長數(shù)據(jù)包．SU有2個無限長緩存器，QPU→SU用來存儲主用戶目的端PD未成功接收而SU成功接收的主用戶數(shù)據(jù)包;QSU用來儲存認(rèn)知用戶隨機(jī)到達(dá)的等長數(shù)據(jù)包．QPU、QSU中數(shù)據(jù)包的到達(dá)過程均為伯努利過程．PU為能量非受限節(jié)點(diǎn)，SU僅通過射頻能量回收技術(shù)從PU發(fā)送的射頻信號中獲取能量，并儲存在無限長的能量儲存裝置QE中，其能量的轉(zhuǎn)化效率為η[8]．

主用戶和認(rèn)知用戶的信道接入方式設(shè)定如下[8，10]:

(1) 當(dāng)主用戶有數(shù)據(jù)傳輸時(緩存器QPU的數(shù)據(jù)包隊列非空)會占用授權(quán)信道進(jìn)行傳輸，認(rèn)知用戶只能在未被主用戶占用的時段內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸．

(2) 主用戶或認(rèn)知用戶的目的端成功接收到各自用戶發(fā)送的信息后，會通過完美的反饋信道來廣播ACK應(yīng)答消息; 若未成功接收，則廣播NACK，且在下一個時隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的重傳．

(3) 對主用戶目的端未成功接收到的數(shù)據(jù)包，若該數(shù)據(jù)包能成功被認(rèn)知用戶接收，認(rèn)知用戶可選擇不協(xié)作而直接將該數(shù)據(jù)包丟棄，此時主用戶需進(jìn)行重傳．也可選擇協(xié)作主用戶重傳，將該數(shù)據(jù)包儲存在協(xié)作緩存器QPU→SU，并等待空閑時刻傳出，此時主用戶會將該傳輸失敗的數(shù)據(jù)包從隊列中移除不重傳該數(shù)據(jù)包．

(4) 認(rèn)知用戶的傳輸包含兩個緩存器的傳輸(QPU→SU、QSU)，當(dāng)認(rèn)知用戶獲得空閑時間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，要優(yōu)先傳輸儲存在節(jié)點(diǎn)中主用戶的數(shù)據(jù)，即只有當(dāng)協(xié)作緩存器QPU→SU中沒有數(shù)據(jù)包時才可傳輸自己的數(shù)據(jù)包．同時認(rèn)知用戶能量受限，因此，只有當(dāng)能量儲存裝置QE非空時，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸．

(5)pPU→PD、pPU→SU、pSU→PD、pSU→SD分別表示主用戶PU數(shù)據(jù)包成功被目的端PD接收的概率、主用戶PU數(shù)據(jù)包成功被認(rèn)知用戶SU接收的概率、儲存在QPU→SU中的數(shù)據(jù)包成功被主用戶目的端PD接收的概率、認(rèn)知用戶自身數(shù)據(jù)包成功被認(rèn)知用戶目的端SD接收的概率．

筆者將一個等長數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r間作為一個時隙，且一個數(shù)據(jù)包傳輸所消耗的能量為一個單元塊，相比于傳輸所消耗的能量，可忽略感知和信號處理所消耗的能量[12]．

2 穩(wěn)態(tài)吞吐量的建模和分析

本節(jié)對攜能通信的協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并求出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)吞吐量域．由Loynes定理可得系統(tǒng)能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)的條件:

其中，λPU、λPU→SU和λSU分別為主用戶數(shù)據(jù)包的到達(dá)率、協(xié)作數(shù)據(jù)包的到達(dá)率和認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包的到達(dá)率；μPU、μPU→SU和μSU分別為主用戶數(shù)據(jù)包的服務(wù)率、協(xié)作數(shù)據(jù)包的服務(wù)率和認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)包的服務(wù)率．主用戶和認(rèn)知用戶的最大穩(wěn)態(tài)吞吐量可定義為滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性條件下，主用戶節(jié)點(diǎn)和認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)所分別能承載的數(shù)據(jù)包的最大到達(dá)強(qiáng)度，即λPU及λSU的上界．系統(tǒng)的吞吐量域為所有滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件的服務(wù)率對(λPU， λSU)所組成的集合．下面針對主用戶網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)分別求出μPU和μSU及系統(tǒng)的吞吐量域．

2.1 主用戶網(wǎng)絡(luò)

在該協(xié)作場景中，主用戶網(wǎng)絡(luò)的平均服務(wù)率μPU可表示為

當(dāng)PU發(fā)送的數(shù)據(jù)包未能被PD成功解碼而被SU成功解碼后，SU可以概率c選擇協(xié)助主用戶傳輸該數(shù)據(jù)包．c ∈ [0，1]，當(dāng)c取0時，表示認(rèn)知用戶不協(xié)助主用戶；當(dāng)c取1時，表示認(rèn)知用戶完全對主用戶進(jìn)行協(xié)作．認(rèn)知用戶通過協(xié)作可盡快清空主用戶隊列為認(rèn)知用戶創(chuàng)造更多傳輸機(jī)會，但由于節(jié)點(diǎn)的能量受限，使得一部分空閑時間并不能被用來傳輸認(rèn)知用戶的數(shù)據(jù)．因此，在下一節(jié)會對c進(jìn)行優(yōu)化，使認(rèn)知用戶的傳輸能量和傳輸機(jī)會達(dá)到最優(yōu)折中．

主用戶的數(shù)據(jù)包的到達(dá)率為λPU，則主用戶占用信道的概率UPU可以表示為主用戶隊列QPU非空的概率，由Little定理可得

2.2 認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)

認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)的平均服務(wù)率μSU可表示為

其中，Pr[QPU=0]=1-UPU．為求得認(rèn)知用戶協(xié)作緩存器中隊列為空的概率Pr[QPU→SU=0]，應(yīng)求出協(xié)作緩存器中數(shù)據(jù)包的到達(dá)率λPU→SU及服務(wù)率μPU→SU．

其中，ψ表示數(shù)據(jù)包未成功被PD接收，但成功被SU接收事件；Pr[QE≠ 0]為認(rèn)知用戶能量隊列非空概率，即認(rèn)知用戶有能量進(jìn)行傳輸?shù)母怕剩捎谡J(rèn)知用戶是通過主用戶發(fā)射的信號獲取能量，在一個時隙內(nèi)可接收到單位能量的概率為UPU．認(rèn)知用戶的能量到達(dá)率 λE= UPUη，η為能量轉(zhuǎn)化效率，認(rèn)知用戶能量隊列非空的概率Pr[QE≠ 0]可由文獻(xiàn)[13]得到:

綜上可得，認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)的平均服務(wù)率μSU為

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)吞吐量域

由系統(tǒng)的穩(wěn)定條件可得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)吞吐量域為

其中，Δ=c pPU→SU(1-pPU→PD)．在該系統(tǒng)中主用戶網(wǎng)絡(luò)所能達(dá)到的最大穩(wěn)態(tài)吞吐量受協(xié)作概率c的影響，認(rèn)知用戶可達(dá)到的最大穩(wěn)態(tài)吞吐量由主用戶的業(yè)務(wù)傳輸強(qiáng)度(數(shù)據(jù)包到達(dá)率λPU)、協(xié)作概率c和能量轉(zhuǎn)化率η共同決定．對于固定能量轉(zhuǎn)化率的認(rèn)知用戶為使其能達(dá)到最優(yōu)的性能，需要根據(jù)主用戶的傳輸行為來自適應(yīng)地調(diào)整自己的協(xié)作策略，從而最大化自身的穩(wěn)態(tài)吞吐量．

3 協(xié)作概率優(yōu)化

由上述分析，下面在保證主用戶隊列穩(wěn)定的前提下，通過優(yōu)化協(xié)作概率c，最大化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)吞吐量，即

將式(10)寫為有關(guān)λPU和λSU的表達(dá)式為

分別將F(1)、F(2)對c求導(dǎo)，有

通過求導(dǎo)可知，F(xiàn)(1)為單調(diào)遞減函數(shù)，F(xiàn)(2)的增減性只取決于pPU→PD和pSU→PD的關(guān)系．下面針對 pPU→PD> pSU→PD和 pPU→PD≤ pSU→PD兩種情況分別對最優(yōu)的協(xié)作概率c進(jìn)行求解．

(1) pPU→PD>pSU→PD: 主用戶自身傳輸成功的概率高于認(rèn)知用戶協(xié)助傳輸成功的概率，此時λPU的取值范圍為(0，pPU→PD)．F(1)、F(2)均為單調(diào)遞減函數(shù)，在該條件下最大化問題即為根據(jù)約束條件求c的下界．將約束條件式(11b)、(11c)和式(11d)寫為如下形式:

對于任意的λPU∈(0，pPU→PD)，由式(14a)與式(14d)可求得c的下界為負(fù)數(shù)，又 c ∈ [0，1]，最優(yōu)的協(xié)作概率c均為其下界取值0．這表明當(dāng)主用戶自身傳輸成功的概率高于認(rèn)知用戶協(xié)助傳輸成功的概率時，為使認(rèn)知用戶穩(wěn)態(tài)吞吐量最大化，認(rèn)知用戶不應(yīng)當(dāng)對主用戶進(jìn)行協(xié)作．這是因為，雖然認(rèn)知用戶對主用戶協(xié)作能盡快清空主用戶的數(shù)據(jù)包使認(rèn)知用戶獲得更多的頻譜接入時間，但在空閑的時間內(nèi)認(rèn)知用戶要優(yōu)先傳輸主用戶未能成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，而認(rèn)知用戶協(xié)作主用戶重傳所耗費(fèi)的時間卻高于主用戶自身重傳所耗費(fèi)的時間，這樣一方面使得認(rèn)知用戶傳輸自己數(shù)據(jù)包的機(jī)會減小，另一方面，使認(rèn)知用戶只能用更少的能量來傳輸自身數(shù)據(jù)包．

(2) pPU→PD≤pSU→PD: 即認(rèn)知用戶協(xié)助傳輸成功的概率高于主用戶自身傳輸成功的概率，此時λPU的取值范圍為(0，pSU→PD)．F(1)為單調(diào)遞減函數(shù)，F(xiàn)(2)為單調(diào)非減函數(shù)，μSU的最大值可在F(1)和F(2)的交點(diǎn)處取得．令 F(1)= F(2)，可求得交點(diǎn)處對應(yīng)的協(xié)作概率c，記作cst1．

在該條件下μSU的最大化問題，需根據(jù)約束條件求c的取值范圍并判斷cst1與c的取值范圍的關(guān)系來求解最優(yōu)的協(xié)作概率c．將約束條件式(11d)化簡，可得

不等式(16)左右兩邊的正負(fù)性會受到λPU取值的影響從而使c的取值范圍發(fā)生變化，下面將在λPU不同的取值區(qū)間分別對最優(yōu)的協(xié)作概率c進(jìn)行求解．

(1) 當(dāng)pSU→PD> λPU>pPU→PD時，可將約束條件式(11b)、(11c)和式(11d)寫為如下形式:

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)有cst3> cst2，cst3> cst4，由此可得

可由約束條件求得c的上界為min(cst3，1)，c的下界為max(0，cst2，cst4)．當(dāng)交點(diǎn)cst1大于c的上界時，最優(yōu)的c應(yīng)取上界; 當(dāng)交點(diǎn)cst1處于c取值范圍內(nèi)時，最優(yōu)的c應(yīng)取交點(diǎn)cst1; 當(dāng)交點(diǎn)cst1小于c的下界時，最優(yōu)的c應(yīng)取下界．在該條件下的最優(yōu)協(xié)作概率c可表示為

(2) 當(dāng)pPU→PD≥λPU時，可將約束條件式(11b)、(11c)和式(11d)簡化為如下形式:

同理可得，在該條件下的最優(yōu)協(xié)作概率c為

認(rèn)知用戶的最優(yōu)協(xié)作概率受主用戶的傳輸和能量轉(zhuǎn)化率的聯(lián)合約束，下面結(jié)合仿真結(jié)果做具體分析．

4 仿真結(jié)果與分析

從上面的分析中可知，在pPU→PD>pSU→PD時，認(rèn)知用戶最優(yōu)的協(xié)作概率恒為0．為研究協(xié)作對系統(tǒng)性能的影響，下面將對主用戶傳輸成功概率低于認(rèn)知用戶協(xié)助傳輸成功概率 (pPU→PD≤ pSU→PD)的情況進(jìn)行仿真．不同傳輸路徑下數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)母怕始僭O(shè)如下: pPU→PD= 0.5，pPU→SU= 0.8，pSU→PD= 0.9，pSU→SD= 0.8[2]．

圖2給出了在能量轉(zhuǎn)化率η=0.8時，不同協(xié)作策略下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)吞吐量域．圖3給出了在能量轉(zhuǎn)化率 η=0.8 時，不同協(xié)作策略下主用戶未占用信道的概率和認(rèn)知用戶能量非空的概率曲線．從圖2中可看出，采用最優(yōu)協(xié)作概率的“概率協(xié)作傳輸”策略相比于無協(xié)作傳輸和完全協(xié)作傳輸策略有更大的穩(wěn)態(tài)吞吐量域．

圖2 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)吞吐量域

圖3 信道占用狀態(tài)與能量狀態(tài)

結(jié)合圖2和圖3進(jìn)行分析，當(dāng)λPU≤0.28(式(22)中cst1≤0)時，“概率協(xié)作傳輸”策略的最優(yōu)協(xié)作概率為0，即“無協(xié)作傳輸”．由圖3可知，此時認(rèn)知用戶雖有大量傳輸機(jī)會，但認(rèn)知用戶可獲得的射頻能量較少導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)吞吐量較低．當(dāng)λPU由0.00增大到0.28時，認(rèn)知用戶損失了部分傳輸機(jī)會，卻獲得更多能量用于自身數(shù)據(jù)包傳輸，使認(rèn)知用戶的吞吐量逐漸上升．當(dāng)λPU繼續(xù)增大時，認(rèn)知用戶可獲得的傳輸能量逐漸趨于飽和態(tài)，即能量隊列中總有剩余能量，但主用戶更多地占用信道卻使認(rèn)知用戶的傳輸機(jī)會大幅減少．“概率協(xié)作傳輸”策略將以一定的概率協(xié)作主用戶清空主用戶隊列，“完全協(xié)作傳輸”策略相比于“概率協(xié)作傳輸”策略可使認(rèn)知用戶獲得更多傳輸機(jī)會，但一方面使認(rèn)知用戶從主用戶信號中獲得總能量的頻率減少，另一方面卻需消耗更多能量進(jìn)行協(xié)作傳輸．“概率協(xié)作傳輸”策略通過動態(tài)調(diào)整認(rèn)知用戶的協(xié)作概率，將認(rèn)知用戶的傳輸能量和傳輸機(jī)會很好地折中．當(dāng) λPU≥ 0.5時，認(rèn)知用戶最優(yōu)協(xié)作概率為1，即“完全協(xié)作傳輸”．

圖4給出了不同能量轉(zhuǎn)化率下認(rèn)知用戶的最優(yōu)協(xié)作概率取值．圖中λPU的取值受到式(11)的約束，因此，在不同能量轉(zhuǎn)化率下的可取的最大值不同．當(dāng)能量轉(zhuǎn)化率較低 (η= 0.1，η= 0.4)時，認(rèn)知用戶的最大協(xié)作概率均不能達(dá)到1，即不能采用“完全協(xié)作傳輸”策略，這是由于在較低的能量轉(zhuǎn)化率下認(rèn)知用戶獲得的能量較少，認(rèn)知用戶只能對主用戶傳輸失敗的部分?jǐn)?shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)作．若對主用戶傳輸失敗的所有數(shù)據(jù)包都進(jìn)行協(xié)作，則會使認(rèn)知用戶的服務(wù)率小于數(shù)據(jù)包的到達(dá)率，不能滿足QPU→SU隊列的穩(wěn)定條件．從圖中可看出，隨η的增大，c的曲線會在更小的λPU下有數(shù)值且以更快的速度增長到1．這是由于在較高的能量轉(zhuǎn)化率下，認(rèn)知用戶在較小的λPU便可獲得較為充足的能量， 因此， 可以將一部分能量用來協(xié)助主用戶傳輸， 盡快清空主用戶的數(shù)據(jù)包，使自身獲得更多傳輸機(jī)會，并利用協(xié)作所獲得的傳輸機(jī)會來傳輸自身的數(shù)據(jù)包．

圖4 不同能量轉(zhuǎn)化率下的協(xié)作概率

圖5 不同能量轉(zhuǎn)化率下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)吞吐量域

圖5給出了采用概率協(xié)作策略時，不同能量轉(zhuǎn)化率下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)吞吐量域．能量轉(zhuǎn)化率越高，系統(tǒng)可獲得的吞吐量域越大．但從圖中可看出，認(rèn)知用戶的穩(wěn)態(tài)吞吐量增加的幅度越來越?。谳^低的能量轉(zhuǎn)化率下，增大能量轉(zhuǎn)化率意味著認(rèn)知用戶有更多的能量來傳輸自己的數(shù)據(jù)包，但隨著轉(zhuǎn)化率的不斷增大，傳輸機(jī)會的限制使得認(rèn)知用戶并不能將收集到的全部能量用于自身的數(shù)據(jù)傳輸．

5 結(jié) 束 語

在攜能通信協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中考慮更為實(shí)際的非飽和通信，對該系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層的建模分析．通過求解該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)吞吐量域直觀反映主用戶和認(rèn)知用戶吞吐量之間的相互影響．針對認(rèn)知用戶的傳輸機(jī)會和能量之間的折中問題，提出概率協(xié)作傳輸策略最大化認(rèn)知用戶的穩(wěn)態(tài)吞吐量．通過仿真分析，在保證主用戶隊列穩(wěn)定的前提下，采用“概率協(xié)作”傳輸策略的系統(tǒng)的性能優(yōu)于“無協(xié)作傳輸”和“完全協(xié)作傳輸”策略; 增大能量轉(zhuǎn)化效率可提升認(rèn)知用戶的穩(wěn)態(tài)吞吐量，但這種影響會隨著能量轉(zhuǎn)化率的增大而減弱．

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(編輯：李恩科)

Stable-throughput analysis and optimization of cooperative cognitive radio networks based on information and energy cooperation

KUOYonghong，HEBingtao，CHENJian

(School of Telecommunications Engineering, Xidian Univ., Xi’an 710071, China)

According to the unsaturated data traffic in wireless communications, this paper studies the interaction between primary users (PUs) and secondary users (SUs) in a cooperative cognitive radio network which is based on information and energy cooperation, and optimizes the stable-throughput of SUs. A probabilistic cooperation scheme has been proposed and the stable-throughput region has been characterized in order to reflect the interaction between PUs and SUs by using the Queuing Theory. Then by deriving the optimal value of the relaying probability, the stable-throughput of secondary users can be maximized under the constraint of the primary queue stability. Simulation results and theoretical analysis show that the probabilistic cooperation scheme can achieve maximal stable-throughputs for SUs, and meanwhile PUs can also have a better performance compared to the non-cooperative case.

simultaneous wireless information and power transfer;cognitive radio;cooperative communication;stable-throughput

2015-06-27

時間：2016-04-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(61440056)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃資助項目(B08038)

闊永紅(1967-), 女，教授，博士，E-mail：yhkuo@mail.xidian.edu.cn．

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.tn.20160401.1622.002.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.06.001

TN92

A

1001-2400(2016)06-0001-07