·1102· 工程科学学报，第37卷，第8期 可得<此时卫星传输中断是由自身链路性能 避免由于信道误检引起认知用户发送功率过大导致的 卫星链路中断，证明利用信道相关系数作为非理想信 恶化导致的，因此认知用户可以自由使用卫星频谱，最 道下功率调整依据的合理性 大发送功率P=P 0.8 Q.（gsp'8m）、 =0.9:◆本文算法y=0.8:-。本文算法 (2) P'gsp +1-p2 >Psw:与理想信道环境类似， 0.7 日文献71算法 一文腻7算法 C ★文献14算法 。文献14算法 0.6 该条件下认知用户由于自身最大发送功率的限制使得 0.5 y。=0.7:·本文算法 *文献7算法 Psmm =Ps 0.4 4文献14]算法 (3)0≤ .（gsp'8m ≤P4:由式(18)可知，认知 0.3 必02：×本文算法 8s+1-p2 用户最大允许发送功率Ps Q（gsp'8p) p8p+1-p2 、。。e韩 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 3 仿真结果与分析 时延约束因子，0 图2理想信道下有效容量随8的变化曲线 假设地面认知卫星网络链路帧长T,=106s,卫星 Fig.2 Curves between C and 8 with PCSI 信道带宽B=10Hz,噪声功率谱密度N。=10-6W· Hz1,则TB=N。B=1,卫星归一化发射功率P,=1W, 08 y=09:0p-0,8.本文算法y.=0.7: 认知用户的归一化最大发射功率P4=1W.根据文 7 p=0.5.本文算法 6-p=0.8,本文算法 *p=0.8,文献7算法日-p=0.5,本文算法 献0]，不同衰落程度的卫星链路参数如表1所示. 0.6米 tp-0.8,文献7]算法口p=0.8,文献7算法 qp=0.5.文献7算法 0.5 表1不同信道衰落条件下卫星链路参数 --p=0.8,文献14算法 --p=0.5,文献14算法 Table 1 Satellite link parameters under different fading environments 0.4 y=0.2: 信道衰落类型 bo 2 0.3 *×p-0.8,本文算法 m 米装 重度衰落 0.063 0.739 8.97×10-4 ←个平平平甲平平平平平甲甲平*帝量 中度衰落 0.126 10.1 0.835 二 轻度衰落 0.158 19.4 1.29 so 02 0.40.6 0.8 1.0 时延约束因子，0 将表1中的参数代入式(3)可以计算得出卫星链 图3非理想信道下有效容量与（的变化曲线 路的信道增益g和gs·利用上述仿真条件，本文在 Fig.3 Curves between C.g and with IPCSI MATLAB环境下对所提功率控制算法的性能进行建模 与仿真分析. 3.2卫星接收门限对有效容量的影响 3.1时延约束因子对有效容量的影响 图4给出了不同功率控制策略所获得信道有效容 图2和图3分别给出不同信道环境和判决门限下 量随卫星接收信噪比门限y的变化曲线，其中文献 归一化的信道有效容量与时延约束因子0之间的变化 ,14]中功率控制策略采用的发射功率P。=0.6.对 曲线，其中对比算法为文献7,14]所提出的功率控制 于文献4幻中等功率分配策略而言，只有当卫星链路 策略.在理想信道下，信道有效容量C随着约束条件 信噪比远大于判决门限或低于判决门限时认知用户才 的提高而减小，但在相同条件下本文所提功率控制算 能获得发送许可，否则P、=0,因此其信道有效容量存 法获得的有效容量始终大于文献7,14]的功率控制 在两次跃变，如图4所示.文献]中功率控制算法虽 策略.值得注意的是：当门限y>0.9时，卫星链路信 然性能优于文献4]中算法，但在相同条件下其所能 噪比无法达到门限要求；y<0.4时，卫星链路所允许 达到的最大信道有效容量仍然低于本文算法.对于本 的干扰功率大于认知用户的最大发射功率P4,此时 文功率控制算法而言，认知用户的最大允许发送功率 无论是理想信道状态信息还是非理想信道状态信息信 根据其对卫星链路信道特性的检测结果动态调整，因 道环境，认知用户均可以最大发送功率P。进行数据 此认知用户的信道有效容量随着判决门限的变化而缓 传输从而使得C达到最大值.在非理想信道下，信道 慢变化，当y过大或过小时，认知用户以最大功率 相关系数·越大，认知用户所获得的信道有效容量也 Ps4进行数据发送，否则Ps随着Y和p的变化动态调 越大，因为较大的P使得认知用户所检测到的卫星链 整.虽然在理想信道环境下所有算法所获得的信道有 路衰落特性更加准确.此外信道相关系数的引入使得 效容量均优于非理想信道环境，但是在实际应用中，认 认知用户在非理想信道下采用保守的功率调整策略， 知用户不可能完全准确地获得所有信道状态信息，即工程科学学报，第 37 卷，第 8 期 可得PP gPP N0B ＜ γth此时卫星传输中断是由自身链路性能 恶化导致的，因此认知用户可以自由使用卫星频谱，最 大发送功率 PS_max = PS_pk ． ( 2) Qav ( gSP，gPP ) ρ 2 g^ SP + 1 － ρ 2 ＞ PS_pk : 与理想信道环境类似， 该条件下认知用户由于自身最大发送功率的限制使得 PS_max = PS_pk ． ( 3) 0≤Qav ( gSP，gPP ) ρ 2 g^ SP + 1 － ρ 2≤PS_pk : 由式( 18) 可知，认知 用户最大允许发送功率 PS_max = Qav ( gSP，gPP ) ρ 2 g^ SP + 1 － ρ 2 ． 3 仿真结果与分析 假设地面认知卫星网络链路帧长 Tf = 10 － 6 s，卫星 信道带宽 B = 106 Hz，噪声功率谱密度 N0 = 10 － 6 W· Hz － 1，则 TfB = N0B = 1，卫星归一化发射功率 PP = 1 W， 认知用户的归一化最大发射功率 PS_pk = 1 W． 根据文 献［10］，不同衰落程度的卫星链路参数如表 1 所示． 表 1 不同信道衰落条件下卫星链路参数 Table 1 Satellite link parameters under different fading environments 信道衰落类型 b0 m Ω 重度衰落 0. 063 0. 739 8. 97 × 10 － 4 中度衰落 0. 126 10. 1 0. 835 轻度衰落 0. 158 19. 4 1. 29 将表 1 中的参数代入式( 3) 可以计算得出卫星链 路的信道增益 gPP和 gPS ． 利用上述仿真条件，本文在 MATLAB 环境下对所提功率控制算法的性能进行建模 与仿真分析． 3. 1 时延约束因子对有效容量的影响 图 2 和图 3 分别给出不同信道环境和判决门限下 归一化的信道有效容量与时延约束因子 θ 之间的变化 曲线，其中对比算法为文献［7，14］所提出的功率控制 策略． 在理想信道下，信道有效容量 Ceff随着约束条件 的提高而减小，但在相同条件下本文所提功率控制算 法获得的有效容量始终大于文献［7，14］的功率控制 策略． 值得注意的是: 当门限 γth ＞ 0. 9 时，卫星链路信 噪比无法达到门限要求; γth ＜ 0. 4 时，卫星链路所允许 的干扰功率大于认知用户的最大发射功率 PS_pk，此时 无论是理想信道状态信息还是非理想信道状态信息信 道环境，认知用户均可以最大发送功率 PS_pk进行数据 传输从而使得 Ceff达到最大值． 在非理想信道下，信道 相关系数 ρ 越大，认知用户所获得的信道有效容量也 越大，因为较大的 ρ 使得认知用户所检测到的卫星链 路衰落特性更加准确． 此外信道相关系数的引入使得 认知用户在非理想信道下采用保守的功率调整策略， 避免由于信道误检引起认知用户发送功率过大导致的 卫星链路中断，证明利用信道相关系数作为非理想信 道下功率调整依据的合理性． 图 2 理想信道下有效容量随 θ 的变化曲线 Fig． 2 Curves between Ceff and θ with PCSI 图 3 非理想信道下有效容量与 θ 的变化曲线 Fig． 3 Curves between Ceff and θ with IPCSI 3. 2 卫星接收门限对有效容量的影响 图 4 给出了不同功率控制策略所获得信道有效容 量随卫星接收信噪比门限 γth 的变化曲线，其中文献 ［7，14］中功率控制策略采用的发射功率 PS = 0. 6． 对 于文献［14］中等功率分配策略而言，只有当卫星链路 信噪比远大于判决门限或低于判决门限时认知用户才 能获得发送许可，否则 PS = 0，因此其信道有效容量存 在两次跃变，如图 4 所示． 文献［7］中功率控制算法虽 然性能优于文献［14］中算法，但在相同条件下其所能 达到的最大信道有效容量仍然低于本文算法． 对于本 文功率控制算法而言，认知用户的最大允许发送功率 根据其对卫星链路信道特性的检测结果动态调整，因 此认知用户的信道有效容量随着判决门限的变化而缓 慢变化，当 γth 过大或过小时，认知用户以最大 功 率 PS_pk进行数据发送，否则 PS随着 γth和 ρ 的变化动态调 整． 虽然在理想信道环境下所有算法所获得的信道有 效容量均优于非理想信道环境，但是在实际应用中，认 知用户不可能完全准确地获得所有信道状态信息，即 · 2011 ·