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💥1 概述

摘要: 本文深入研究了信标辅助双跳认知无线电（Beacon-Assisted Dual-Hop Cognitive Radio Relaying, BADHCR）无线中继选择方案的性能评估。该方案通过信标节点发现可用频道，中继节点在空闲信道上转发数据，旨在提升认知无线电网络的频谱利用效率和系统可靠性。本文详细阐述了系统模型建立、性能指标设定、仿真环境设计、仿真运行、数据收集分析、性能评估与对比以及优化与迭代等关键步骤，并通过Matlab仿真验证了方案的有效性。

关键词: 认知无线电; 双跳中继; 信标辅助; 中继选择; 性能评估; Matlab仿真

1. 引言

随着无线通信技术的快速发展，频谱资源日益紧张，传统的静态频谱分配机制已难以满足现代通信的需求。认知无线电技术作为一种有效的解决方案，允许次用户（Secondary User, SU）在不干扰主用户（Primary User, PU）的前提下，动态接入并共享主用户的频谱资源，从而显著提高了频谱利用效率。在认知无线电网络中，双跳中继技术通过引入中继节点，有效延长了通信距离，提升了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，以最大化系统性能，成为了一个亟待解决的关键问题。

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感知主用户活动，并结合信道状态信息（Channel State Information, CSI）选择最佳中继节点，有效规避了主用户活动带来的干扰，优化了数据传输路径。与传统的基于信道质量的中继选择方案相比，该方案进一步考虑了主用户活动对系统的影响，从而提高了系统性能和频谱利用率。

2. 系统模型

2.1 系统架构

考虑一个双跳认知无线电网络，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均为次用户，中继节点R_i（i=1,2,...,N）也属于次用户，负责在源节点和目的节点之间转发数据。主用户在频谱上占据一定的带宽，次用户需在不干扰主用户的情况下共享该频谱资源。

2.2 信标辅助双跳中继选择方案

本文提出的信标辅助双跳中继选择方案包含以下步骤：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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. 性能评估方法

3.1 系统模型建立

首先，构建BADHCR系统的数学模型，明确信标节点、中继节点以及认知用户的工作模式。信标节点负责发现可用频道，中继节点在空闲信道上进行数据转发。

3.2 性能指标设定

确定关键性能指标，包括数据传输速率、信道利用率、成功率、平均延时等，以全面反映网络的有效性和效率。

3.3 仿真环境设计

设置详细的通信环境，包括干扰情况、信道衰落、信道带宽、信号传输距离等因素，这些因素将直接影响中继的选择和切换策略。

3.4 仿真运行与数据收集

使用Matlab仿真软件进行大规模仿真实验，模拟不同的中继策略（如最佳路径选择、随机选择或基于信标优先的策略）。收集仿真数据，包括中继选择成功率、误码率、吞吐量等性能指标。

3.5 性能评估与对比

通过对各种性能指标的定量分析，评估每种中继选择方案的优劣。同时，与其他传统非认知无线电系统进行对比，验证BADHCR方案是否提高了整体网络性能。

4. 仿真结果与分析

4.1 中断概率分析

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。仿真结果表明，BADHCR方案通过信标辅助机制有效降低了中断概率，特别是在主用户活动频繁的场景下，性能优势更为明显。

4.2 平均比特信噪比（ABSNR）分析

ABSNR反映了系统的数据传输质量。仿真结果显示，BADHCR方案下S-R_i链路和R_i-D链路的ABSNR均有所提升，表明该方案在优化数据传输路径方面取得了显著效果。

4.3 平均误包率（APER）分析

APER指的是数据包传输过程中发生错误的概率。与不考虑主用户活动的方案相比，BADHCR方案显著降低了APER，提高了数据传输的可靠性。

4.4 吞吐量分析

吞吐量反映了单位时间内成功传输的数据量。仿真实验表明，BADHCR方案在不同中继节点数量和主用户活动概率下均表现出较高的吞吐量性能，有效提升了网络的整体效率。

5. 优化与迭代

根据仿真结果，对信标发送周期、中继切换规则等参数进行优化调整，或尝试新的中继选择算法，以进一步提升系统性能。通过不断迭代和优化，BADHCR方案将更加适应复杂多变的通信环境。

6. 结论与未来研究方向

本文对信标辅助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优势。未来研究可进一步探索以下方向：

1. 多用户场景下的性能评估：研究在多用户共存环境下BADHCR方案的性能表现。
2. 动态频谱环境下的适应性：分析BADHCR方案在动态频谱环境下的适应性和鲁棒性。
3. 与其他技术的融合：探索BADHCR方案与人工智能、区块链等新兴技术的融合应用。

📚2 运行结果

🎉3 参考文献 

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[1]吴立涛,惠晓威.认知无线电中基于协同中继的网络性能优化[J].计算机测量与控制. 2012

🌈4 Matlab代码实现

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