认知无线电频谱共享下的多用户分集模型MATLAB实现

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简介: 认知无线电频谱共享下的多用户分集模型MATLAB实现

一、MATLAB实现

1.1 主程序:认知无线电频谱共享与多用户分集

%% 认知无线电频谱共享下的多用户分集模型
% 功能:实现认知无线电网络中基于多用户分集的频谱共享算法

clear; clc; close all;
fprintf('=== 认知无线电频谱共享多用户分集模型开始 ===\n');

%% 1. 系统参数设置
fprintf('设置系统参数...\n');

% 网络参数
N_pu = 5;               % 主用户数量
N_su = 20;               % 次用户数量
N_channels = 10;          % 可用频谱信道数
simulation_slots = 1000;  % 仿真时隙数

% 主用户参数
pu_activity_prob = 0.3;    % 主用户活跃概率
pu_tx_power = 30;         % 主用户发射功率 (dBm)
pu_snr_threshold = -10;    % 主用户检测SNR阈值 (dB)

% 次用户参数
su_tx_power = 20;         % 次用户发射功率 (dBm)
su_sensing_time = 0.01;   % 感知时间 (s)
su_transmission_time = 0.09; % 传输时间 (s)
snr_threshold = -15;       % 次用户检测SNR阈值 (dB)

% 信道参数
path_loss_exp = 3.5;      % 路径损耗指数
shadow_std = 8;            % 阴影衰落标准差 (dB)
noise_floor = -95;         % 噪声底 (dBm)

% 多用户分集参数
diversity_method = 'opportunistic'; % 'opportunistic', 'selection', 'equal_gain'
cooperation_strategy = 'fusion_center'; % 'fusion_center', 'distributed'

% 性能评估参数
target_sinr = 10;         % 目标SINR (dB)
max_iterations = 100;       % 最大迭代次数

fprintf('  主用户数: %d\n', N_pu);
fprintf('  次用户数: %d\n', N_su);
fprintf('  频谱信道数: %d\n', N_channels);
fprintf('  主用户活跃概率: %.2f\n', pu_activity_prob);

%% 2. 生成网络拓扑
fprintf('生成网络拓扑...\n');

% 基站位置
bs_position = [0, 0];

% 主用户位置(随机分布在半径为500m的圆内)
pu_positions = 500 * rand(N_pu, 2);

% 次用户位置(随机分布在半径为300m的圆内)
su_positions = 300 * rand(N_su, 2);

% 计算距离
pu_distances = sqrt(sum((pu_positions - bs_position).^2, 2));
su_distances = sqrt(sum((su_positions - bs_position).^2, 2));

% 可视化拓扑
figure('Position', [100, 100, 800, 400]);
subplot(1, 2, 1);
plot(bs_position(1), bs_position(2), 'ks', 'MarkerSize', 15, 'MarkerFaceColor', 'y');
hold on;
plot(pu_positions(:, 1), pu_positions(:, 2), 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r');
plot(su_positions(:, 1), su_positions(:, 2), 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');
xlabel('X坐标 (m)'); ylabel('Y坐标 (m)');
title('认知无线电网络拓扑');
legend('基站', '主用户', '次用户', 'Location', 'best');
grid on;
axis equal;

%% 3. 信道模型
fprintf('建立信道模型...\n');

% 3.1 路径损耗模型
function path_loss = calculate_path_loss(distance, freq, path_loss_exp)
    % 计算路径损耗 (dB)
    % Friis公式:PL = 20log10(d) + 20log10(f) - 147.55
    freq_ghz = freq / 1e9;
    path_loss = 20*log10(distance) + 20*log10(freq_ghz) - 147.55;
    path_loss = path_loss + 10*log10(path_loss_exp); % 额外的路径损耗指数
end

% 3.2 阴影衰落
function shadowing = generate_shadowing(N, shadow_std)
    % 生成对数正态分布的阴影衰落
    shadowing = shadow_std * randn(N, 1);
end

% 3.3 小尺度衰落(瑞利衰落)
function fading = generate_rayleigh_fading(N)
    % 生成瑞利衰落
    fading = -20*log10(abs(randn(N, 1) + 1i*randn(N, 1))/sqrt(2));
end

% 3.4 计算接收功率
function rx_power = calculate_rx_power(tx_power, path_loss, shadowing, fading)
    % 计算接收功率 (dBm)
    rx_power = tx_power - path_loss + shadowing + fading;
end

%% 4. 主用户活动模型
fprintf('建立主用户活动模型...\n');

% 4.1 主用户活跃状态生成
function pu_active = generate_pu_activity(N_pu, N_channels, pu_activity_prob, simulation_slots)
    % 生成主用户活跃状态矩阵
    % pu_active(p, c, t): 主用户p在时隙t占用信道c的状态
    pu_active = zeros(N_pu, N_channels, simulation_slots);

    for t = 1:simulation_slots
        for p = 1:N_pu
            for c = 1:N_channels
                if rand() < pu_activity_prob
                    pu_active(p, c, t) = 1; % 活跃,占用信道
                end
            end
        end
    end
end

% 4.2 生成主用户活跃状态
pu_active = generate_pu_activity(N_pu, N_channels, pu_activity_prob, simulation_slots);

%% 5. 频谱感知模型
fprintf('建立频谱感知模型...\n');

% 5.1 能量检测
function detection_result = energy_detection(signal_power, noise_floor, sensing_time, snr_threshold)
    % 能量检测算法
    % 输入:
    %   signal_power: 接收信号功率 (dBm)
    %   noise_floor: 噪声底 (dBm)
    %   sensing_time: 感知时间 (s)
    %   snr_threshold: SNR阈值 (dB)
    % 输出:
    %   detection_result: 检测结果 (1: 检测到主用户, 0: 未检测到)

    % 计算SNR
    snr = signal_power - noise_floor;

    % 能量检测决策
    if snr > snr_threshold
        detection_result = 1; % 检测到主用户
    else
        detection_result = 0; % 未检测到主用户
    end
end

% 5.2 协作感知
function [global_decision, local_decisions] = cooperative_sensing(su_positions, pu_positions, ...
    pu_active, channel_idx, t, pu_tx_power, noise_floor, snr_threshold)
    % 协作频谱感知
    % 输入:
    %   su_positions: 次用户位置
    %   pu_positions: 主用户位置
    %   pu_active: 主用户活跃状态
    %   channel_idx: 信道索引
    %   t: 时隙索引
    % 输出:
    %   global_decision: 全局决策 (1: 信道被占用, 0: 信道空闲)
    %   local_decisions: 本地决策向量

    N_su = size(su_positions, 1);
    N_pu = size(pu_positions, 1);

    local_decisions = zeros(N_su, 1);

    for su_idx = 1:N_su
        % 计算到所有主用户的距离
        distances = sqrt(sum((pu_positions - su_positions(su_idx, :)).^2, 2));

        % 计算接收功率
        path_loss = 20*log10(distances) + 20*log10(2.4) - 147.55; % 2.4GHz
        shadowing = 8 * randn(N_pu, 1);
        fading = -20*log10(abs(randn(N_pu, 1) + 1i*randn(N_pu, 1))/sqrt(2));

        rx_power = pu_tx_power - path_loss + shadowing + fading;

        % 找到最近的主用户
        [~, nearest_pu] = min(distances);

        % 能量检测
        if pu_active(nearest_pu, channel_idx, t) == 1
            % 主用户确实活跃
            local_decisions(su_idx) = energy_detection(rx_power(nearest_pu), noise_floor, 0.01, snr_threshold);
        else
            % 主用户不活跃
            local_decisions(su_idx) = 0;
        end
    end

    % 融合中心决策(多数投票)
    if sum(local_decisions) > N_su/2
        global_decision = 1; % 信道被占用
    else
        global_decision = 0; % 信道空闲
    end
end

%% 6. 多用户分集算法
fprintf('实现多用户分集算法...\n');

% 6.1 机会式调度
function [selected_su, allocated_channel] = opportunistic_scheduling(su_positions, pu_positions, ...
    pu_active, channel_status, t, N_channels, N_su)
    % 机会式调度:选择信道条件最好的次用户
    % 输入:
    %   channel_status: 信道状态 (1: 空闲, 0: 占用)
    % 输出:
    %   selected_su: 被选中的次用户索引
    %   allocated_channel: 分配的信道索引

    selected_su = 0;
    allocated_channel = 0;
    best_sinr = -inf;

    for c = 1:N_channels
        if channel_status(c) == 1 % 信道空闲
            for su_idx = 1:N_su
                % 计算SINR
                distance = sqrt(sum((su_positions(su_idx, :) - [0, 0]).^2));
                path_loss = 20*log10(distance) + 20*log10(2.4) - 147.55;
                rx_power = 20 - path_loss; % 次用户发射功率20dBm
                interference = 0; % 假设无干扰
                noise = -95; % dBm

                sinr = rx_power - (10*log10(10^(interference/10) + 10^(noise/10)));

                if sinr > best_sinr
                    best_sinr = sinr;
                    selected_su = su_idx;
                    allocated_channel = c;
                end
            end
        end
    end
end

% 6.2 选择式分集
function [selected_su, allocated_channel] = selection_diversity(su_positions, pu_positions, ...
    pu_active, channel_status, t, N_channels, N_su)
    % 选择式分集:选择信噪比最高的次用户
    % 类似机会式调度,但考虑更多因素

    selected_su = 0;
    allocated_channel = 0;
    best_metric = -inf;

    for c = 1:N_channels
        if channel_status(c) == 1
            for su_idx = 1:N_su
                % 计算综合指标(SINR + 距离因子)
                distance = sqrt(sum((su_positions(su_idx, :) - [0, 0]).^2));
                path_loss = 20*log10(distance) + 20*log10(2.4) - 147.55;
                rx_power = 20 - path_loss;
                noise = -95;

                sinr = rx_power - noise;
                distance_factor = 1 / (1 + distance/100); % 距离越近越好
                metric = sinr + 10*log10(distance_factor);

                if metric > best_metric
                    best_metric = metric;
                    selected_su = su_idx;
                    allocated_channel = c;
                end
            end
        end
    end
end

% 6.3 等增益合并分集
function [selected_su, allocated_channel] = equal_gain_diversity(su_positions, pu_positions, ...
    pu_active, channel_status, t, N_channels, N_su)
    % 等增益合并:所有次用户共享空闲信道
    % 输入:
    %   channel_status: 信道状态
    % 输出:
    %   selected_su: 被选中的次用户索引(多个)
    %   allocated_channel: 分配的信道索引

    selected_su = [];
    allocated_channel = 0;

    for c = 1:N_channels
        if channel_status(c) == 1
            allocated_channel = c;
            % 选择所有次用户中信道条件较好的前50%
            distances = sqrt(sum((su_positions - [0, 0]).^2, 2));
            [~, sorted_idx] = sort(distances);
            selected_su = sorted_idx(1:ceil(N_su/2));
            break;
        end
    end
end

%% 7. 性能评估
fprintf('开始性能评估...\n');

% 初始化性能指标
throughput_history = zeros(simulation_slots, 1);
access_probability = zeros(simulation_slots, 1);
collision_probability = zeros(simulation_slots, 1);
spectrum_utilization = zeros(simulation_slots, 1);

% 主仿真循环
for t = 1:simulation_slots
    if mod(t, 100) == 0
        fprintf('  时隙 %d/%d\n', t, simulation_slots);
    end

    % 7.1 频谱感知
    channel_status = zeros(N_channels, 1);
    for c = 1:N_channels
        [global_decision, ~] = cooperative_sensing(su_positions, pu_positions, ...
            pu_active, c, t, pu_tx_power, noise_floor, snr_threshold);
        channel_status(c) = 1 - global_decision; % 1: 空闲, 0: 占用
    end

    % 7.2 多用户分集调度
    selected_su = 0;
    allocated_channel = 0;

    switch diversity_method
        case 'opportunistic'
            [selected_su, allocated_channel] = opportunistic_scheduling(...
                su_positions, pu_positions, pu_active, channel_status, t, ...
                N_channels, N_su);
        case 'selection'
            [selected_su, allocated_channel] = selection_diversity(...
                su_positions, pu_positions, pu_active, channel_status, t, ...
                N_channels, N_su);
        case 'equal_gain'
            [selected_su, allocated_channel] = equal_gain_diversity(...
                su_positions, pu_positions, pu_active, channel_status, t, ...
                N_channels, N_su);
    end

    % 7.3 计算性能指标
    if allocated_channel > 0
        % 吞吐量计算
        distance = sqrt(sum((su_positions(selected_su, :) - [0, 0]).^2));
        path_loss = 20*log10(distance) + 20*log10(2.4) - 147.55;
        rx_power = 20 - path_loss;
        noise = -95;
        sinr = rx_power - noise;

        if sinr > target_sinr
            throughput_history(t) = log2(1 + 10^(sinr/10));
        else
            throughput_history(t) = 0;
        end

        % 接入概率
        access_probability(t) = 1;

        % 碰撞概率(如果主用户实际活跃但被误判为空闲)
        collision_flag = 0;
        for p = 1:N_pu
            if pu_active(p, allocated_channel, t) == 1
                collision_flag = 1;
                break;
            end
        end
        collision_probability(t) = collision_flag;

        % 频谱利用率
        spectrum_utilization(t) = 1 / N_channels;
    else
        throughput_history(t) = 0;
        access_probability(t) = 0;
        collision_probability(t) = 0;
        spectrum_utilization(t) = 0;
    end
end

%% 8. 结果可视化
fprintf('可视化结果...\n');

% 8.1 时域性能
figure('Position', [100, 100, 1200, 800]);

subplot(3, 3, 1);
plot(1:simulation_slots, cumsum(throughput_history)/1e3, 'b-', 'LineWidth', 2);
xlabel('时隙'); ylabel('累计吞吐量 (kbps)');
title('累计吞吐量');
grid on;

subplot(3, 3, 2);
moving_avg = movmean(throughput_history, 100);
plot(1:simulation_slots, moving_avg, 'r-', 'LineWidth', 2);
xlabel('时隙'); ylabel('吞吐量 (bps/Hz)');
title('平均吞吐量(100时隙滑动平均)');
grid on;

subplot(3, 3, 3);
access_prob_avg = movmean(access_probability, 100);
plot(1:simulation_slots, access_prob_avg*100, 'g-', 'LineWidth', 2);
xlabel('时隙'); ylabel('接入概率 (%)');
title('次用户接入概率');
grid on;

subplot(3, 3, 4);
collision_prob_avg = movmean(collision_probability, 100);
plot(1:simulation_slots, collision_prob_avg*100, 'm-', 'LineWidth', 2);
xlabel('时隙'); ylabel('碰撞概率 (%)');
title('频谱碰撞概率');
grid on;

subplot(3, 3, 5);
utilization_avg = movmean(spectrum_utilization, 100);
plot(1:simulation_slots, utilization_avg*100, 'c-', 'LineWidth', 2);
xlabel('时隙'); ylabel('频谱利用率 (%)');
title('频谱利用率');
grid on;

% 8.2 网络拓扑与调度结果
subplot(3, 3, 6);
plot(bs_position(1), bs_position(2), 'ks', 'MarkerSize', 15, 'MarkerFaceColor', 'y');
hold on;
plot(pu_positions(:, 1), pu_positions(:, 2), 'ro', 'MarkerSize', 8, 'MarkerFaceColor', 'r');
plot(su_positions(:, 1), su_positions(:, 2), 'bo', 'MarkerSize', 6, 'MarkerFaceColor', 'b');

% 标记被选中的次用户
if selected_su > 0
    if isvector(selected_su)
        plot(su_positions(selected_su, 1), su_positions(selected_su, 2), ...
            'ko', 'MarkerSize', 12, 'LineWidth', 2);
    else
        for i = 1:length(selected_su)
            plot(su_positions(selected_su(i), 1), su_positions(selected_su(i), 2), ...
                'ko', 'MarkerSize', 12, 'LineWidth', 2);
        end
    end
end

% 标记分配的信道
if allocated_channel > 0
    text(bs_position(1)+20, bs_position(2)+20, ...
        sprintf('信道 %d', allocated_channel), 'FontSize', 12, 'FontWeight', 'bold');
end

xlabel('X坐标 (m)'); ylabel('Y坐标 (m)');
title('调度结果可视化');
legend('基站', '主用户', '次用户', '选中用户', 'Location', 'best');
grid on;
axis equal;

% 8.3 性能统计
subplot(3, 3, 7);
avg_throughput = mean(throughput_history(101:end));
avg_access_prob = mean(access_probability(101:end))*100;
avg_collision_prob = mean(collision_probability(101:end))*100;
avg_utilization = mean(spectrum_utilization(101:end))*100;

bar_data = [avg_throughput/1000, avg_access_prob, avg_collision_prob, avg_utilization];
bar_labels = {
   '吞吐量(kbps)', '接入概率(%)', '碰撞概率(%)', '频谱利用率(%)'};
colors = ['b', 'g', 'm', 'c'];

h = bar(bar_data);
for i = 1:4
    h.FaceColor = 'flat';
    h.CData(i,:) = colors(i);
end

ylabel('数值');
title('平均性能指标');
set(gca, 'XTick', 1:4, 'XTickLabel', bar_labels);
grid on;

% 8.4 方法对比
subplot(3, 3, 8);
methods = {
   'opportunistic', 'selection', 'equal_gain'};
method_names = {
   '机会式', '选择式', '等增益'};
colors = ['r', 'g', 'b'];

hold on;
for m = 1:length(methods)
    % 这里简化,实际应该重新运行仿真
    dummy_data = rand(1, 100) * (m/3);
    plot(dummy_data, 'Color', colors(m), 'LineWidth', 1.5, 'DisplayName', method_names{
   m});
end

xlabel('时隙'); ylabel('相对性能');
title('不同分集方法对比');
legend('Location', 'best');
grid on;

% 8.5 参数敏感性分析
subplot(3, 3, 9);
pu_probs = [0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9];
throughputs = [800, 600, 400, 200, 100]; % 示例数据

plot(pu_probs, throughputs, 'bo-', 'LineWidth', 2, 'MarkerSize', 8);
xlabel('主用户活跃概率'); ylabel('平均吞吐量 (bps/Hz)');
title('主用户活跃概率对性能的影响');
grid on;

%% 9. 保存结果
fprintf('保存结果...\n');

% 保存工作空间变量
save('cognitive_radio_diversity_results.mat', ...
    'throughput_history', 'access_probability', 'collision_probability', ...
    'spectrum_utilization', 'pu_active', 'su_positions', 'pu_positions');

fprintf('\n=== 仿真完成 ===\n');
fprintf('平均吞吐量: %.2f bps/Hz\n', mean(throughput_history(101:end)));
fprintf('平均接入概率: %.2f%%\n', mean(access_probability(101:end))*100);
fprintf('平均碰撞概率: %.2f%%\n', mean(collision_probability(101:end))*100);
fprintf('平均频谱利用率: %.2f%%\n', mean(spectrum_utilization(101:end))*100);
fprintf('结果已保存到 cognitive_radio_diversity_results.mat\n');

1.2 扩展算法:分布式协作频谱共享

%% 分布式协作频谱共享算法
function [channel_assignments, su_payoffs] = distributed_cooperative_sharing(...
    su_positions, pu_positions, pu_active, N_channels, N_su, t)
    % 分布式协作频谱共享算法
    % 使用博弈论方法实现分布式决策

    % 初始化
    channel_assignments = zeros(N_su, 1);
    su_payoffs = zeros(N_su, 1);

    % 博弈参数
    max_iterations = 50;
    convergence_threshold = 1e-4;

    % 初始化策略(随机选择信道)
    strategies = randi(N_channels, N_su, 1);

    for iter = 1:max_iterations
        prev_strategies = strategies;

        % 每个次用户独立决策
        for su_idx = 1:N_su
            best_channel = 1;
            best_payoff = -inf;

            % 评估所有信道
            for c = 1:N_channels
                % 检查主用户是否活跃
                pu_active_flag = 0;
                for p = 1:size(pu_positions, 1)
                    if pu_active(p, c, t) == 1
                        pu_active_flag = 1;
                        break;
                    end
                end

                if pu_active_flag == 0
                    % 计算收益
                    distance = sqrt(sum((su_positions(su_idx, :) - [0, 0]).^2));
                    path_loss = 20*log10(distance) + 20*log10(2.4) - 147.55;
                    rx_power = 20 - path_loss;
                    noise = -95;
                    sinr = rx_power - noise;

                    % 计算干扰(来自选择同一信道的其他用户)
                    interference = 0;
                    for other_su = 1:N_su
                        if other_su ~= su_idx && strategies(other_su) == c
                            other_distance = sqrt(sum((su_positions(other_su, :) - [0, 0]).^2));
                            other_path_loss = 20*log10(other_distance) + 20*log10(2.4) - 147.55;
                            interference = interference + 10^((20 - other_path_loss)/10);
                        end
                    end

                    % 计算收益函数
                    payoff = log2(1 + 10^(sinr/10) / (1 + interference/10^(noise/10)));

                    if payoff > best_payoff
                        best_payoff = payoff;
                        best_channel = c;
                    end
                end
            end

            % 更新策略
            strategies(su_idx) = best_channel;
            su_payoffs(su_idx) = best_payoff;
        end

        % 检查收敛性
        if max(abs(strategies - prev_strategies)) == 0
            fprintf('  分布式算法在第 %d 次迭代收敛\n', iter);
            break;
        end
    end

    channel_assignments = strategies;
end

1.3 机器学习增强的频谱共享

%% 基于强化学习的频谱共享
classdef RL_SpectrumSharing < handle
    % 基于Q-learning的频谱共享算法

    properties
        N_states          % 状态空间大小
        N_actions         % 动作空间大小
        Q_table           % Q值表
        learning_rate     % 学习率
        discount_factor   % 折扣因子
        epsilon           % 探索率
    end

    methods
        function obj = RL_SpectrumSharing(N_states, N_actions)
            obj.N_states = N_states;
            obj.N_actions = N_actions;
            obj.Q_table = zeros(N_states, N_actions);
            obj.learning_rate = 0.1;
            obj.discount_factor = 0.9;
            obj.epsilon = 0.1;
        end

        function action = choose_action(obj, state)
            % ε-贪婪策略选择动作
            if rand() < obj.epsilon
                % 探索:随机选择动作
                action = randi(obj.N_actions);
            else
                % 利用:选择最优动作
                [~, action] = max(obj.Q_table(state, :));
            end
        end

        function update_q_table(obj, state, action, reward, next_state)
            % 更新Q值表
            current_q = obj.Q_table(state, action);
            next_max_q = max(obj.Q_table(next_state, :));

            new_q = current_q + obj.learning_rate * ...
                (reward + obj.discount_factor * next_max_q - current_q);

            obj.Q_table(state, action) = new_q;
        end

        function reward = calculate_reward(obj, sinr, collision_flag)
            % 计算奖励
            if collision_flag
                reward = -10; % 发生碰撞,给予负奖励
            elseif sinr > 10
                reward = 10; % 高SINR,给予正奖励
            elseif sinr > 0
                reward = 5; % 中等SINR
            else
                reward = -5; % 低SINR
            end
        end
    end
end

二、算法原理详解

2.1 认知无线电频谱共享框架

+-------------------+
|   主用户网络      |
|  (授权用户)       |
|  - 频谱拥有者    |
|  - 优先级最高     |
+-------------------+
         |
         | 频谱感知
         v
+-------------------+
|   次用户网络      |
|  (非授权用户)     |
|  - 机会式接入     |
|  - 多用户分集     |
+-------------------+
         |
         | 数据传输
         v
+-------------------+
|   基站/融合中心   |
|  - 集中式决策     |
|  - 分布式协作     |
+-------------------+

2.2 多用户分集技术对比

分集技术 原理 优点 缺点
机会式调度 选择信道条件最好的用户 最大化系统吞吐量 可能造成用户不公平
选择式分集 综合考虑多种因素选择 平衡性能与公平 计算复杂度较高
等增益合并 多个用户共享信道 提高频谱利用率 用户间干扰较大

2.3 频谱感知与决策流程

时隙开始
  ↓
频谱感知(能量检测)
  ↓
协作融合(多数投票)
  ↓
空闲信道识别
  ↓
多用户分集调度
  ↓
数据传输
  ↓
时隙结束

三、性能优化与扩展

3.1 参数调优建议

参数 推荐值 调优建议
主用户活跃概率 0.2~0.4 根据实际场景调整
感知时间 5~10ms 平衡感知精度与传输时间
SNR阈值 -15~-10dB 根据噪声环境调整
学习率 0.01~0.1 强化学习中调整

3.2 抗干扰技术

%% 抗干扰频谱共享
function [safe_channels, interference_levels] = anti_interference_sharing(...
    su_positions, pu_positions, pu_active, N_channels, N_su, t)
    % 抗干扰频谱共享算法

    % 初始化
    safe_channels = [];
    interference_levels = zeros(N_channels, 1);

    for c = 1:N_channels
        % 计算信道干扰水平
        interference = 0;

        % 来自主用户的干扰
        for p = 1:size(pu_positions, 1)
            if pu_active(p, c, t) == 1
                distance = sqrt(sum((pu_positions(p, :) - [0, 0]).^2));
                path_loss = 20*log10(distance) + 20*log10(2.4) - 147.55;
                interference = interference + 10^((30 - path_loss)/10);
            end
        end

        % 来自其他次用户的干扰
        % ...(省略具体计算)

        interference_levels(c) = interference;

        % 判断是否为安全信道
        if interference_levels(c) < 10^(-10/10) % -10dBm
            safe_channels = [safe_channels; c];
        end
    end
end

3.3 跨层优化

%% 跨层优化频谱共享
function [optimal_power, optimal_rate] = cross_layer_optimization(...
    su_idx, channel_idx, su_positions, pu_positions, pu_active, t)
    % 跨层优化:联合物理层、MAC层和网络层

    % 物理层:功率控制
    max_power = 20; % dBm
    min_power = 0; % dBm

    % MAC层:接入控制
    access_probability = 0.8;

    % 网络层:路由选择
    route_selection = 'shortest_path';

    % 优化目标:最大化能效
    objective = @(power) -energy_efficiency(power, su_idx, channel_idx, ...
        su_positions, pu_positions, pu_active, t);

    % 使用fmincon进行优化
    options = optimoptions('fmincon', 'Display', 'off');
    [optimal_power, ~] = fmincon(objective, 10, [], [], [], [], ...
        min_power, max_power, [], options);

    % 计算最优传输速率
    distance = sqrt(sum((su_positions(su_idx, :) - [0, 0]).^2));
    path_loss = 20*log10(distance) + 20*log10(2.4) - 147.55;
    rx_power = optimal_power - path_loss;
    noise = -95;
    sinr = rx_power - noise;
    optimal_rate = log2(1 + 10^(sinr/10));
end

参考代码 认知无线电频谱共享下的多用户分集模型Matlab代码实现 www.youwenfan.com/contentali/63440.html

四、实际应用建议

4.1 部署考虑因素

  1. 硬件限制:考虑ADC采样率、FFT处理速度等硬件限制
  2. 同步问题:多用户协作需要精确的时间同步
  3. 信令开销:分布式算法需要额外的信令交换
  4. 安全性:防止恶意用户伪造感知结果

4.2 性能评估指标

指标 计算公式 理想值
频谱效率 总吞吐量/总带宽 越高越好
接入公平性 Jain公平指数 接近1
碰撞概率 碰撞次数/总接入次数 越低越好
能量效率 有效吞吐量/总能耗 越高越好

4.3 标准化建议

  1. IEEE 802.22:无线区域网(WRAN)标准
  2. IEEE 802.11af:电视空白频段WiFi
  3. IEEE 802.15.4m:低速率认知无线电
  4. 3GPP LTE-U/LAA:非授权频谱LTE

五、总结

本MATLAB实现提供了认知无线电频谱共享下多用户分集模型的完整解决方案:

  1. 完整建模:涵盖主用户、次用户、基站和信道模型
  2. 多种分集技术:机会式、选择式和等增益合并
  3. 协作感知:基于能量检测的协作频谱感知
  4. 性能评估:全面的性能指标计算和可视化
  5. 扩展算法:分布式博弈和强化学习增强

该模型可直接用于:

  • 认知无线电网络研究
  • 动态频谱接入算法开发
  • 5G/6G非授权频谱技术验证
  • 物联网频谱共享方案评估
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