基于自适应TOA的认知无线电位置意识

　　1　引言

　　认知无线电(CR,Cognitive Radio)是一项能够感知外部环境、自适应调整无线电参数并对过去经验进行学习的智能无线通信技术,位置意识是认知无线电要实现的基本功能之一[1]。根据位置信息,认知无线电可提供基于位置的业务,实现位置辅助的网络优化、环境特征化以及收发信机算法优化[2]。

　　GPS无疑是世界上最有名的定位系统,但是对于能量受限的无线网络来说,GPS并不能满足低价、小体积、低功耗的设计要求[3],而且也无法满足认知无线电需要的精度自适应性[4]。虽然UWB能够实现厘米级的定位精度,但仅适用于短距离定位[5]。到达时间(TOA,Time of Arrival)、信号强度(SS,Signal Strength)和到达角度(AOA,Angleof Arrival)是三种传统的位置估计技术[1]。AOA通常采用天线阵列实现,但对如室内UWB传播信道等强多经环境而言,天线阵列并不是一种低价的高精度解决方法[6]。SS估计器的性能取决于路径损耗因子、阴影衰落标准差等信道参数,而CR无法控制信道参数,只能通过测量信道参数来改变精度[7]。而TOA的精度主要取决于收发信机可以控制的参数,所以比较适合CR的应用。本文即研究基于TOA的CR定位,在文献[7]基础上推导可采用Underlay频谱接入定位方式的更为简洁的判决条件,并提出了增加Underlay方式成功定位几率的措施。

　　2　自适应TOA

　　在CR定位系统中,假设参考CR与目标CR同步,参考CR发射脉冲流,脉冲p(t)持续时间为Tp,一个符号传输一个脉冲,符号周期为Ts。所发射波形可以表示为

　　其中ε为符号能量。考虑加性高斯白噪声(AWGN)信道,则接收信号r(t)可以表示为

　　其中,τ为待估计的路径延迟,n(t)为零均值的高斯噪声,方差为σ2。τ的对数似然比函数为

　　其中,To=KTs为观察时间长度,其包含K个符号。由τ的Fisher信息矩阵,可得时延估计方差为[8]

　　其中,γ=ε/σ2为符号信噪比,β为p(t)的有效带宽,定义为

　　其中P(ω)为p(t)的傅立叶变换。估计的距离与时间的表达式为d^=v^τ,其中v为波形传播速率,例如声波速率为344m/s,光速则为c=3·108m/s。

　　由var(d^ )=v2var(^τ),代入式(4),可得有效带宽与定位精度关系式为

　　本文采用var(d^ )来描述定位精度。由式(6)可知,CR可以根据精度要求自适应调整有效带宽,这种定位方法即称为自适应TOA[7]。例如,当γ=10dB,K=10,ν=c时,为实现var(d^ )=4m2的精度,所需有效带宽为β=15MHz。而在相同条件下,为实现var(d^ )=1m2的精度,所需有效带宽则为β=30MHz。一旦根据精度要求确定了所需有效带宽后,CR即需使用频谱资源来传输波形,进行定位。