【性能评估】信标辅助双跳认知无线电无线中继选择方案的性能评估Matlab实现

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🔥 内容介绍

摘要: 本文对一种基于信标辅助的双跳认知无线电无线中继选择方案进行了全面的性能评估。该方案旨在提升认知无线电网络的频谱利用效率和系统可靠性，通过信标机制辅助中继节点的选择，有效规避主用户活动带来的干扰，并优化数据传输路径。本文将从中断概率、平均比特信噪比、平均误包率以及吞吐量等多个关键性能指标出发，通过理论分析和仿真实验，系统地评估该方案的性能表现，并与其他现有方案进行比较，最终得出结论并提出未来研究方向。

关键词: 认知无线电；双跳中继；信标辅助；中继选择；性能评估；中断概率；平均比特信噪比

1. 引言

随着移动互联网和物联网的快速发展，对无线频谱资源的需求日益增长，而现有的频谱分配机制却导致频谱资源利用率低下。认知无线电 (Cognitive Radio, CR) 技术作为一种有效的解决方法，允许次用户 (Secondary User, SU) 在不干扰主用户 (Primary User, PU) 的前提下共享主用户的频谱资源。在认知无线电网络中，双跳中继技术可以有效延长通信距离，提升网络覆盖范围和可靠性。然而，如何在众多潜在的中继节点中选择最佳中继节点，从而最大限度地提高系统性能，成为一个关键问题。

本文研究了一种基于信标辅助的双跳认知无线电无线中继选择方案。该方案利用信标信号来感知主用户活动，并根据信道状态信息 (Channel State Information, CSI) 和主用户活动情况选择最佳中继节点。与传统的基于信道质量的中继选择方案相比，该方案考虑了主用户活动对系统的影响，进一步提高了系统性能和频谱利用率。

2. 系统模型

考虑一个双跳认知无线电网络，其中包含一个源节点 S，一个目的节点 D 和多个中继节点 R₁, R₂, ..., R_N。源节点 S 和目的节点 D 都是次用户，而中继节点 R_i (i=1,2,...,N) 也属于次用户，负责辅助源节点 S 与目的节点 D 之间的通信。主用户在频谱上占据一定的带宽，次用户需要在不干扰主用户的情况下共享该频谱资源。

本文提出的信标辅助双跳中继选择方案包含以下步骤：

• 信标检测: 中继节点 R_i 持续监测信标信号，判断主用户是否活跃。

• 信道状态信息获取: 中继节点 R_i 获取 S-R_i 链路和 R_i-D 链路的 CSI。

• 中继选择: 基于信标检测结果和 CSI，源节点 S 选择最佳中继节点 R_i，该中继节点需满足：i) 主用户空闲；ii) S-R_i-D 链路具有最佳的端到端信道质量。

• 数据传输: 源节点 S 通过所选的中继节点 R_i 向目的节点 D 传输数据。

3. 性能分析

本文从中断概率、平均比特信噪比 (Average Bit Signal-to-Noise Ratio, ABSNR)、平均误包率 (Average Packet Error Rate, APER) 和吞吐量四个方面评估该方案的性能。

3.1 中断概率: 中断概率是指由于信道衰落或主用户干扰导致数据传输失败的概率。本文将推导出该信标辅助方案的中断概率的闭合表达式，并分析其与各种系统参数 (例如中继节点数量、信道衰落参数、主用户活动概率) 之间的关系。

3.2 平均比特信噪比: ABSNR 反映了系统的数据传输质量。本文将分析该方案下 S-R_i 链路和 R_i-D 链路的 ABSNR，并通过蒙特卡洛仿真验证理论分析结果。

3.3 平均误包率: APER 指的是数据包传输过程中发生错误的概率。该指标与 ABSNR 密切相关，本文将分析该方案下的 APER，并与其他方案进行比较。

3.4 吞吐量: 吞吐量反映了单位时间内成功传输的数据量。本文将通过仿真实验分析该方案的吞吐量性能，并与其他方案进行比较，重点考察不同中继节点数量、不同主用户活动概率对吞吐量的影响。

4. 仿真结果与分析

本文采用 MATLAB 仿真平台，对提出的信标辅助双跳中继选择方案进行仿真实验。仿真结果将验证理论分析的正确性，并从中断概率、ABSNR、APER 和吞吐量四个方面展示该方案的性能表现。同时，我们将与不考虑主用户活动或不进行中继选择的方案进行比较，以突出该方案的优势。

5. 结论与未来研究方向

本文对一种基于信标辅助的双跳认知无线电无线中继选择方案进行了全面的性能评估。仿真结果表明，该方案在提高频谱利用效率和系统可靠性方面具有显著的优势。相比于其他方案，该方案有效降低了中断概率，提高了 ABSNR 和吞吐量，并降低了 APER。

📣 部分代码

%

function out = ham(PBdB,Muy,MM,NN,KK,xR,xB,yB,xP,yP,Eta,AP,PL,Cth,tSS,tSP)

PP             = 10.^(PBdB/10);

kap            = 2*Eta*AP/(1-AP);

LSR            = xR^PL;

LRD            = (1-xR)^PL;

LBS            = sqrt(xB^2+yB^2)^PL;

LBR            = sqrt((xR-xB)^2+yB^2)^PL;

LSP            = sqrt(xP^2+yP^2)^PL;

LRP            = sqrt((xR-xP)^2+yP^2)^PL;

Theta          = 2^(2*Cth/(1-AP)) - 1;

Rho            = Theta/(1 - tSS*Theta);

Sig            = Muy/(1+tSP);

%

% OP1 OP1 OP1 OP1 OP1

%

if (1 - tSS*Theta <= 0)

    OP1 = 1;

else

    hs1            = 0;

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