錯(cuò)誤報(bào)告概率對(duì)協(xié)作檢測(cè)影響研究

何麗華

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

無(wú)線電頻譜資源由頻譜資源管理部門劃分為兩類：授權(quán)頻段與非授權(quán)頻段。在實(shí)際頻譜分配中，非授權(quán)頻段資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于授權(quán)頻段資源，但其承載的業(yè)務(wù)量很大，而授權(quán)頻段的利用率卻不高；而同時(shí)隨著無(wú)線通信業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，無(wú)線頻譜資源匱乏的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，感知無(wú)線電技術(shù)[1]當(dāng)前被認(rèn)為是解決該問(wèn)題的最佳方案。它能夠自動(dòng)感知周圍的無(wú)線環(huán)境并調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)（如頻率、調(diào)制方式、發(fā)送功率等）以適應(yīng)環(huán)境的變化，在不對(duì)其他用戶造成干擾的情況下, 從空間、頻率、時(shí)間多維的利用頻譜資源，提高頻譜資源的利用率。感知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)包括：空閑頻譜檢測(cè)技術(shù)、感知無(wú)線電自適應(yīng)傳輸技術(shù)以及感知無(wú)線電頻譜資源管理技術(shù)，這里主要針對(duì)空閑頻譜檢測(cè)做一些研究。

1 空閑頻譜檢測(cè)

感知無(wú)線電系統(tǒng)中，頻譜檢測(cè)算法可以劃分為兩類[2]：本地頻譜檢測(cè)以及協(xié)作檢測(cè)。本地頻譜檢測(cè)是指單個(gè)感知用戶獨(dú)立執(zhí)行某種頻譜檢測(cè)算法的檢測(cè)，協(xié)作檢測(cè)是指多個(gè)感知用戶相互合作而執(zhí)行的檢測(cè)。但是，單用戶的本地頻譜檢測(cè)容易受到陰影和衰落的影響；也不能避免 “隱藏終端”問(wèn)題。而協(xié)作檢測(cè)則可以克服上述問(wèn)題，得到更加準(zhǔn)確的感知性能。感知無(wú)線電中的協(xié)作檢測(cè)的信道包括兩個(gè)部分：檢測(cè)信道和報(bào)告信道。早期的文獻(xiàn)[3-4]只是考慮了檢測(cè)信道對(duì)檢測(cè)性能的影響，而沒(méi)有將報(bào)告信道對(duì)檢測(cè)性能的影響考慮進(jìn)去。現(xiàn)推導(dǎo)了OR融合規(guī)則、AND融合規(guī)則下引入錯(cuò)誤報(bào)告概率對(duì)檢測(cè)性能的影響，這對(duì)感知無(wú)線電的實(shí)際應(yīng)用具有重要參考價(jià)值。

2 錯(cuò)誤報(bào)告概率對(duì)協(xié)作檢測(cè)的影響

實(shí)際的無(wú)線環(huán)境，報(bào)告信道和檢測(cè)信道一樣，也同樣會(huì)經(jīng)歷衰落或者陰影，如圖1所示。引入錯(cuò)誤報(bào)告概率來(lái)表示報(bào)告信道對(duì)判決結(jié)果的影響。

這里以協(xié)作檢測(cè)中常用的判決融合規(guī)則：OR準(zhǔn)則AND準(zhǔn)則作為這里的判決融合規(guī)則，且以能量檢測(cè)作為本地頻譜檢測(cè)算法。在存在錯(cuò)誤報(bào)告概率的情況下，協(xié)作檢測(cè)的流程分為以下兩個(gè)階段：①感知用戶做出本地判決結(jié)果；②本地判決通過(guò)報(bào)告信道傳送到感知基站，做出最終判決。

圖1 從主用戶基站到感知用戶基站所經(jīng)歷的信道

OR準(zhǔn)則下，系統(tǒng)中只要有一個(gè)感知用戶支持判決 H1，基站最終判決結(jié)果就判為H1；換種說(shuō)法就是當(dāng)所有用戶都判決為H0時(shí)基站才判決為H0，即感知基站的統(tǒng)計(jì)量Y滿足：

其中 N為參加協(xié)作的感知用戶個(gè)數(shù),dip和fip分別表示第 i個(gè)感知用戶的本地檢測(cè)概率和本地虛警概率。考慮ep時(shí),整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)可能出現(xiàn)的情況如式（4）所示，各種情況出現(xiàn)的概率也在式中標(biāo)示出：

由此可得，N個(gè)用戶參與協(xié)作的系統(tǒng)中引入ep后全局檢測(cè)概率和全局虛驚概率為：

其中fQ 不能夠無(wú)限小，它是存在一個(gè)極限值的，這個(gè)極限值稱為虛警概率門限：

其中 pdi、 pfi指代如上,若 pfi=pf、pdi=pd，i = 1 ,2,…,N ,則可進(jìn)一步得到：

AND規(guī)則下，系統(tǒng)中當(dāng)所有參與協(xié)作的的感知用戶都支持H1判決時(shí)，基站最終判決結(jié)果才為H1。即當(dāng)融合中心的統(tǒng)計(jì)量Y滿足：

不考慮ep時(shí)全局虛警概率和全局檢測(cè)概率分別為：

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的情況如式（15）所示，各種情況出現(xiàn)的概率也在式中標(biāo)示出：

由此可得 N個(gè)用戶參與協(xié)作的系統(tǒng)中引入ep后全局檢測(cè)概率和全局虛驚概率為：

同理，若 pfi=pf、pdi=pd，i = 1 ,2,… ,N ,則可進(jìn)一步得到：

此時(shí)虛警概率門限大小如式（22）所示：

3 仿真結(jié)果分析

仿真中參與協(xié)作的感知用戶個(gè)數(shù)為 8，傳輸采用 BPSK信號(hào)，信道為瑞利衰落信道，用戶報(bào)告信道的信噪比分別為15 dB、15 dB、14 dB、14 dB 、13 dB、13 dB、12 dB、10 dB。圖2分別給出了OR融合規(guī)則、AND融合規(guī)則下是否考慮錯(cuò)誤報(bào)告概率兩種情況下的ROC曲線。

圖2 引入錯(cuò)誤報(bào)告概率對(duì)協(xié)作檢測(cè)性能的影響

由仿真圖可以看出考慮存在錯(cuò)誤報(bào)告時(shí)，系統(tǒng)的檢測(cè)概率受到了影響。另外需要注意的是：圖2(a)中OR規(guī)則下體現(xiàn)出了虛警概率門限，而圖2(b)中AND規(guī)則則沒(méi)有體現(xiàn)，這是與式(9)、式(22)密切相關(guān)的，也是與OR融合規(guī)則下具有較大的虛警概率這一特性密切相關(guān)的。

4 結(jié)語(yǔ)

與以往的檢測(cè)過(guò)程中只考慮檢測(cè)信道受陰影、多徑的影響不同，現(xiàn)將本地判決結(jié)果在傳送給感知基站過(guò)程中所受報(bào)告信道的影響也考慮進(jìn)去，并且推導(dǎo)了OR融合規(guī)則、AND融合規(guī)則下引入錯(cuò)誤報(bào)告概率對(duì)協(xié)作檢測(cè)性能的影響，這對(duì)感知無(wú)線電的實(shí)際應(yīng)用具有重要參考價(jià)值。

[1] MITOLA III J. Cognitive Radio for Flexible Mobile Multimedia Communications[J].Mobile Networks and Applications,2001,6(05)：435-441.

[2] 何麗華,謝顯中,董雪濤,等.感知無(wú)線點(diǎn)中的頻譜檢測(cè)技術(shù)[J].通信技術(shù),2007,40(05)：9-11.

[3] GHASEMI A, SOUSA E S.Collaborative Spectrum Sensing for Opportunistic Access in Fading Environments[C]. USA：IEEE,2005：131-136.

[4] PEH E, LIANG Yingchang.Optimization for Cooperative Sensing in Cognitive Radio Networks[C].USA：IEEE,2007：27-32.