基于可靠度和信息共享的分布式頻譜檢測算法

趙艷麗，謝顯中

(重慶郵電大學(xué)寬帶接入網(wǎng)絡(luò)研究所，重慶 400065)

認(rèn)知無線電(CR)能夠自動(dòng)地檢測周圍的環(huán)境情況，智能地調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境的變化，在不對授權(quán)用戶造成干擾的情況下從空間、頻率、時(shí)間等多維地利用空閑頻譜資源進(jìn)行通信［1－2］。認(rèn)知無線電技術(shù)可以解決頻譜利用率低的問題，當(dāng)認(rèn)知用戶檢測到不存在主用戶的時(shí)候，認(rèn)知用戶可以機(jī)會(huì)式接入頻譜;否則，當(dāng)檢測到主用戶存在時(shí)，認(rèn)知用戶要立刻為主用戶騰空信道。因此，對主用戶進(jìn)行準(zhǔn)確和快速的檢測非常關(guān)鍵。

為了確定主用戶是否存在，已有很多空閑頻譜檢測方法，包括本地檢測和協(xié)作檢測［3－4］。如果認(rèn)知用戶只知道主用戶有限的信息(比如只知道本地噪聲功率)，那么能量檢測是最優(yōu)的。在本文中假定主用戶信號(hào)是未知的，對本地頻譜檢測采用能量檢測方法。

最近，基于可靠度的方案由于性能良好而受到重視［5－10］，但大都針對集中式頻譜檢測方法，利用基于可靠度的方案提高整個(gè)系統(tǒng)的檢測性能。本文探討分布式頻譜檢測問題，借鑒文獻(xiàn)［10］的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)能量檢測的特點(diǎn)，以信噪比作為可靠度，給出了一種新的基于信息共享的分布式頻譜檢測算法。在該算法中，認(rèn)知用戶共享本地檢測的判決結(jié)果和可靠度，可靠度低的用戶用比他可靠度高的用戶的判決結(jié)果來更新自己的判決，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚€(gè)認(rèn)知用戶的判決結(jié)果只要都不存在主用戶時(shí)就可以進(jìn)行通信，這樣便于快速建立連接。ROC曲線的仿真結(jié)果表明檢測性能有較好的改進(jìn)。

1 系統(tǒng)模型

在傳統(tǒng)的協(xié)作頻譜檢測中，所有的認(rèn)知用戶獨(dú)立地做出自己的本地判決，并沒有參照其他鄰居用戶，因此本地認(rèn)知性能是有限的。相反，如果認(rèn)知用戶在進(jìn)行本地判決的時(shí)候參照了其他用戶的判決結(jié)果，則認(rèn)知性能會(huì)有很大的提升［8］。

假設(shè)一個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)認(rèn)知用戶進(jìn)行本地頻譜認(rèn)知，每個(gè)感知用戶都具有信噪比估計(jì)的功能。分布式頻譜檢測模型如圖1所示，時(shí)隙T0為本地頻譜檢測階段(Sense)，然后為信息共享階段(Share)。

在一次認(rèn)知的初始階段T0時(shí)隙，每個(gè)認(rèn)知用戶先進(jìn)行自己的本地頻譜檢測，然后依次把自己的認(rèn)知結(jié)果和可靠度廣播出去。本地頻譜檢測采用能量檢測，根據(jù)能量檢測的特點(diǎn)，選擇信噪比(SNR)作為可靠度。為了簡化復(fù)雜度，在廣播前先對信噪比進(jìn)行4級(jí)量化，這樣只需要廣播2 bit的信息即可。

圖1 分布式頻譜檢測模型

信息共享階段包括n個(gè)時(shí)隙。假設(shè)第一個(gè)用戶CR1的信噪比最高，第n個(gè)用戶CRn的信噪比最低。則在T1時(shí)隙CR1把自己的判決結(jié)果和信噪比廣播出去，其他的用戶用他的結(jié)果來更新自己的判決。當(dāng)CR1廣播完自己的數(shù)據(jù)后便不再參與協(xié)作，而只是接收并記錄來自其他用戶的判決結(jié)果和信噪比，直到下次認(rèn)知時(shí)間的到來。對于可靠度最低的第n個(gè)用戶CRn來說，它接收來自其他用戶的判決結(jié)果和信噪比，并用他們的結(jié)果來更新自己的判決，在最后一個(gè)時(shí)隙把自己最終的判決結(jié)果和信噪比廣播出去。

2 基于信息共享的分布式頻譜認(rèn)知算法

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)模型，基于可靠度和信息共享的分布式頻譜檢測算法步驟如下:

1)每個(gè)認(rèn)知用戶接收來自主用戶的信息，用能量檢測的方法給出自己的本地判決H0(主用戶不存在)或者H1(主用戶存在)，并估計(jì)出自己的本地信噪比，根據(jù)本地信噪比為每一個(gè)認(rèn)知用戶設(shè)定定時(shí)器Tj，使得信噪比高的用戶定時(shí)時(shí)間短，信噪比低的用戶定時(shí)時(shí)間長。

2)當(dāng)?shù)趈個(gè)認(rèn)知用戶的定時(shí)器滿時(shí)，他把自己的認(rèn)知結(jié)果和本地信噪比廣播出去，其他用戶接收他的認(rèn)知結(jié)果和信噪比，并記錄下來。如果接收到用戶的信噪比高于自己的信噪比，則用信噪比高的用戶的判決結(jié)果來更新自己的結(jié)果，反之，不更新。

3)當(dāng)所有認(rèn)知用戶都更新完自己的結(jié)果后，對于要進(jìn)行通信的兩個(gè)用戶，只用檢查他們的最終判決結(jié)果。若他們最終的判決結(jié)果都是不存在主用戶，則他們兩個(gè)可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，否則不能進(jìn)行通信。

根據(jù)上述步驟，具體過程如下:

1)本地能量檢測

所有的認(rèn)知用戶在本地都采用能量檢測的方法［11］，第j個(gè)用戶在第k個(gè)時(shí)隙頻譜檢測的二進(jìn)制假設(shè)可以表示為

式中:s(k)表示主用戶發(fā)送的信號(hào);xj(k)表示第j個(gè)次級(jí)用戶接收到的信號(hào);hj是信道增益，假設(shè)他在檢測周期內(nèi)保持不變;vj(k)是均值為0，方差為σ2j的加性高斯白噪聲。

所有的認(rèn)知用戶計(jì)算經(jīng)過一段觀察時(shí)間T，在固定的帶寬W內(nèi)接收到信號(hào)的能量，也就是第j個(gè)認(rèn)知用戶在第i次認(rèn)知時(shí)接收到信號(hào)的能量為

式中:u=TW，是時(shí)間和帶寬的乘積。則第j個(gè)認(rèn)知用戶第i次認(rèn)知的二進(jìn)制假設(shè)可以改寫為

λj是第j個(gè)認(rèn)知用戶的本地能量檢測門限值。

2)本地檢測的可靠度估計(jì)

在能量檢測中，如果信噪比特別低，就會(huì)發(fā)生錯(cuò)判，直接影響系統(tǒng)的性能。由圖2仿真結(jié)果可以看出，信噪比高的用戶檢測結(jié)果的可靠度也高，信噪比低的用戶的檢測結(jié)果可靠度也低，因此可以把認(rèn)知用戶的信噪比看作是它的可靠度判斷標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 信噪比不同的5個(gè)用戶的ROC曲線

3)定時(shí)器和廣播時(shí)隙分配

由于在分布式方案中沒有融合中心，而且各個(gè)認(rèn)知用戶不可能知道其他用戶的信噪比，所以可在每個(gè)用戶作出本地判決后根據(jù)本地信噪比設(shè)定一個(gè)定時(shí)器。定時(shí)器未滿時(shí)就接收來自其他用戶的判決結(jié)果和信噪比，當(dāng)定時(shí)器計(jì)滿時(shí)把自己的本地判決和量化后的信噪比廣播出去。由此，信噪比不同，定時(shí)器定時(shí)的時(shí)間長度也不同，這樣就相當(dāng)于給各個(gè)用戶的信噪比進(jìn)行排序并給每個(gè)用戶分配了廣播時(shí)隙。根據(jù)提出的算法，可以讓信噪比低的用戶的定時(shí)器時(shí)間長，信噪比高的用戶的定時(shí)器時(shí)間短。因此，定

式中:A是個(gè)時(shí)間常量;γj是認(rèn)知用戶j的本地信噪比。

4)認(rèn)知用戶之間信息的共享及判決結(jié)果的修正

認(rèn)知用戶在定時(shí)器計(jì)滿時(shí)把自己的判決結(jié)果和信噪比廣播出去，根據(jù)提出的算法，第j個(gè)感知用戶可以用比他信噪比高的用戶信息來更新自己的判決結(jié)果，具體的更新算法如

式中:Ωj是比第j個(gè)認(rèn)知用戶的信噪比高的用戶集合;ω0，ωj和ωk分別是

式中λj和γj都是已知的，則可以對第j個(gè)認(rèn)知用戶的認(rèn)知結(jié)果進(jìn)行更新，最后記錄更新后的結(jié)果。

3 仿真結(jié)果

這里考慮一個(gè)5用戶的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)用戶用能量檢測的方法獨(dú)立地檢測主用戶的存在。這里假設(shè)5個(gè)用戶的接收信噪比分別為－24 dB，－22 dB，－19 dB，－17 dB和－15dB，信道為瑞利衰落信道。

圖2給出了這5個(gè)用戶的ROC曲線。由圖2可以看出，信噪比越高檢測性能越好，所以可以用認(rèn)知用戶的信噪比作為該用戶的檢測可靠度標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)本文的算法，信噪比低的用戶用信噪比高的用戶的結(jié)果來更新自己的判決結(jié)果。圖3是仿真了第1個(gè)用戶更新前和更新后的ROC曲線。假設(shè)有4個(gè)用戶，信噪比分別是－22 dB，－19 dB，－17 dB和－15 dB，u=1。從圖3可以看出，可靠度更新后的檢測性能有了很大提升。

圖3 第1個(gè)用戶更新前后的性能比較

圖4給出了可靠度最低的用戶的性能隨參與協(xié)作的用戶數(shù)的變化，可以看出參與協(xié)作的用戶數(shù)越多，該用戶的性能越好。這是因?yàn)閰⑴c協(xié)作的用戶數(shù)越多，比他可靠度高的用戶數(shù)就越多，則用他們的結(jié)果更新后的結(jié)果就越可靠。因?yàn)檎J(rèn)知用戶只用比他可靠度高的用戶結(jié)果更新自己的結(jié)果，因此增加信噪比他低的用戶并不會(huì)對他的性能有任何改善。

圖4 性能隨參與協(xié)作的用戶數(shù)的變化

圖5為認(rèn)知用戶的性能隨信噪比門限值變化的ROC曲線。信噪比門限較小相當(dāng)于讓和該用戶信噪比值相近的認(rèn)知用戶都參與協(xié)作，這可能需要較長的時(shí)間。但是門限較大就相當(dāng)于忽略了一些比該用戶信噪比略大的用戶，即減少了參與協(xié)作的用戶數(shù)，從圖4可以看出這會(huì)使系統(tǒng)的性能有所下降，因此應(yīng)該取一個(gè)折中。從圖5的仿真結(jié)果可以看出，門限值為3是一種最優(yōu)的選擇。

圖5 性能隨信噪比門限值的變化

4 總結(jié)

在本文中，提出了一種基于可靠度和信息共享的協(xié)作頻譜檢測算法，這種算法可以明顯地提高認(rèn)知用戶的本地檢測性能。把這個(gè)算法應(yīng)用到分布式頻譜檢測中，對于兩個(gè)要進(jìn)行通信的用戶來說，只要他們都檢測出不存在主用戶，就可以迅速地建立連接，從而實(shí)現(xiàn)了快速通信。

［1］HAYKIN S.Cognitive radio:brain－empowered wireless communications［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2005，23(2):201－220.

［2］潘建國.認(rèn)知無線電技術(shù)的研究和進(jìn)展［J］.電視技術(shù)，2007，31(10):7－9.

［3］YUCEK T，ARSLAN H.A survey of spectrum sensing algorithms for cognitive radio applications［J］.IEEE Communications Surveys and Tutorials，2009，11(1):116－130.

［4］RAHUL T，SHRIDHAR M M，ANANT S.What is a spectrum hole and what does it take to recognize one［J］.Proceedings of the IEEE，2009，97(5):824－848.

［5］PENG Qihang，ZENG Kun，WANG Jun.A distributed spectrum sensing scheme based on credibility and evidence theory in cognitive radio context［C］//Proc.IEEE 17th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications.［S.l.］:IEEE Press，2006:1－5.

［6］ZHENG Yi，XIE Xianzhong，YANG Lili.Cooperative spectrum sensing based on SNR comparison in fusion center for cognitive radio［C］//Proc.2009 International Conference on Advanced Computer Control.［S.l.］:IEEE Press，2009:212－216.

［7］LI Yibing，LIU Xing，MENG Wei.Multi－node spectrum detection based on the credibility in Cognitive Radio System［C］//Proc.IEEE 5th International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing.［S.l.］:IEEE Press，2009:1－4.

［8］CHEN Qian，GAO Feifei，NALLANATHAN A，et al.Improved cooperative spectrum sensing in cognitive radio［C］//Proc.IEEE 70rd Vehicular Technology Conference(VTC).［S.l.］:IEEE Press，2008:1418－1422.

［9］WANG Chinliang，CHEN Hanwei，CHOU Yuren.A credibility－based cooperative spectrum sensing technique for cognitive radio systems［C］//Proc.IEEE 73rd Vehicular Technology Conference(VTC).［S.l.］:IEEE Press，2011:1－5.

［10］HIEP V V，INSOO K.Cooperative spectrum sensing with collaborative user using individual sensing credibility for cognitive radio network［J］.IEEE Transac.Consumer Electronics，2011，57(2):320－326.

［11］DIGHAM F F，ALOUNIN M S，SIMON M K.On the energy detection of unknown signals over fading channels［C］//Proc.IEEE International Conference Communications(ICC).［S.l.］:IEEE Press，2003:3575－3579.