中繼式協(xié)作頻譜感知仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

馮景瑜， 張 亮， 盧光躍

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

中繼式協(xié)作頻譜感知仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

馮景瑜， 張 亮， 盧光躍

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

為了在認(rèn)知用戶與數(shù)據(jù)融合中心之間的單跳直接式通信受阻時(shí)，通過鄰居節(jié)點(diǎn)提供的中繼輔助進(jìn)行多跳通信，以完成數(shù)據(jù)融合中的感知結(jié)果報(bào)告，基于分層分簇的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)建模思想，提出一種多跳中繼式協(xié)作模型，并在此基礎(chǔ)上，使用Matlab GUI中的GUIDE工具，設(shè)計(jì)出一種用于中繼式協(xié)作頻譜感知環(huán)境的仿真平臺(tái)。系統(tǒng)性能測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)可對(duì)常見協(xié)作頻譜感知算法，在多跳中繼式模式下進(jìn)行有效地仿真和性能分析。

協(xié)作頻譜感知；中繼式協(xié)作；圖形用戶界面

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，已授權(quán)的頻譜資源越來越稀缺。認(rèn)知無線電[1-2]技術(shù)有效提高了可用頻譜的利用率，通過不斷感知、學(xué)習(xí)、理解和適應(yīng)周圍環(huán)境變化，在不干擾主用戶的前提下機(jī)會(huì)式地使用該授權(quán)頻譜。協(xié)作頻譜感知(Cooperative Spectrum Sensing，CSS)[3]是認(rèn)知無線電技術(shù)的首要環(huán)節(jié)，通過多個(gè)認(rèn)知用戶(Secondary User, SU)相互協(xié)作感知主用戶(Licensed User, LU)頻譜的空閑狀態(tài)[4]，由此可提高頻譜利用率。

目前，多個(gè)認(rèn)知用戶的協(xié)作頻譜感知主要可以分為單跳直接式協(xié)作[5]和多跳中繼式協(xié)作[6]。各SU之間或SU與LU之間的信道根據(jù)用途不同，可分為感知信道[7]和報(bào)告信道[8]。感知信道是SU與LU之間的點(diǎn)到點(diǎn)物理鏈路，用以檢測(cè)LU信號(hào)的信道或頻帶。報(bào)告信道是鏈接SU與融合中心(Fusion Center, FC)之間形成點(diǎn)到點(diǎn)的物理鏈路，用以傳輸認(rèn)知用戶通過感知信道獲取的感知數(shù)據(jù)。

在實(shí)際的協(xié)作頻譜感知場(chǎng)景中，廣泛存在著報(bào)告信道都不理想的情況。目前側(cè)重于單跳式協(xié)作感知算法[9]的仿真方案，在感知信道或者報(bào)告信道不理想時(shí)，將很難保證FC得出準(zhǔn)確的判決結(jié)果。文[10-11]提出感知信道的中繼式協(xié)作模型，利用其它感知信道理想的SU充當(dāng)中繼用戶轉(zhuǎn)發(fā)感知數(shù)據(jù)，提高協(xié)作感知的整體性能。

本文擬根據(jù)已有的研究成果，使用Matlab GUI的GUIDE工具，設(shè)計(jì)一種人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)報(bào)告信道的中繼式協(xié)作頻譜感知仿真平臺(tái) (Relay-based Cooperative Spectrum Sensing Simulator, RecssSim)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)將建立在分層分簇的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模型中，通過改變?cè)肼?、路徑衰落、信噪比等環(huán)境參數(shù)，仿真報(bào)告信道的多跳中繼式協(xié)作感知技術(shù)，并對(duì)或(OR)、與(AND)、多數(shù)(Majority, MAJ)等數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行感知性能分析。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 中繼式協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模型

在協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中(圖1)，通過報(bào)告信道的多跳中繼式協(xié)作頻譜感知，可以提高SU報(bào)告本地感知結(jié)果給FC的準(zhǔn)確性。

圖1 中繼式協(xié)作網(wǎng)絡(luò)

RecssSim仿真平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)模型是分層分簇的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，在空間采取經(jīng)緯度分層，并劃分為多個(gè)簇，建立中繼式協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模型。如圖2，按離主用戶LU的遠(yuǎn)近劃分為3層緯度區(qū)域，按不同的方向角度分為6個(gè)經(jīng)度區(qū)域。定義同一經(jīng)度區(qū)域的SU為一個(gè)分簇，總共有6個(gè)分簇，為了提高中繼協(xié)作的效率，優(yōu)先考慮同一分簇內(nèi)的多跳中繼協(xié)作。

圖2 單主用戶的中繼式協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中有1個(gè)主用戶LU，在這個(gè)LU的信號(hào)覆蓋邊界內(nèi)有N個(gè)認(rèn)知用戶SU。這N個(gè)SU中，N1個(gè)SU在第一緯度區(qū)間，N2個(gè)SU在第二緯度區(qū)間，N3個(gè)SU在第三緯度區(qū)間。只有與LU緊鄰的SU(即緯度為1)能直接較好地將本地感知結(jié)果報(bào)告給FC，其余SU僅能在LU信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)感知到LU信號(hào)，但不能準(zhǔn)確地將感知結(jié)果報(bào)告給FC，需要通過臨近中繼節(jié)點(diǎn)的報(bào)告信道，多跳式地將其本地結(jié)果傳遞給FC?？紤]到網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜度，設(shè)同一簇的同一緯度區(qū)域最多有兩個(gè)SU。

將這N個(gè)SU中，每次發(fā)起請(qǐng)求感知當(dāng)前LU頻譜狀態(tài)的SU稱為初始感知SU。初始感知SU通過其符合條件的鄰居節(jié)點(diǎn)的中繼輔助，多跳式地完成對(duì)LU狀態(tài)的本地感知報(bào)告，形成一條或多條感知報(bào)告信道鏈路。

1.2 中繼式協(xié)作過程模擬

在中繼式協(xié)作頻譜感知中，多跳式傳遞感知報(bào)告的過程可抽象為3個(gè)階段。

(1) 探尋鄰居節(jié)點(diǎn)階段

通過各SU的經(jīng)度緯度參數(shù)可以確定各SU自己本簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)(Nb)。

(2) 形成中繼鏈路階段

通過基本的請(qǐng)求-應(yīng)答(Req-Ack)握手通信機(jī)制，形成經(jīng)鄰居節(jié)點(diǎn)輔助的中繼式報(bào)告信道鏈路。

(3) 報(bào)告本地結(jié)果階段

將初始感知SU的本地感知報(bào)告，通過已形成的報(bào)告信道鏈路傳輸給FC，最后FC依據(jù)相應(yīng)的融合算法將本簇內(nèi)各感知結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。

如圖3所示，初始感知SU17請(qǐng)求感知LU的頻譜狀態(tài)，由于不能很好地與FC進(jìn)行通信，經(jīng)過第一階段向其鄰居SU8、SU13、SU19、SU23發(fā)出中繼輔助請(qǐng)求，通過第二階段形成中繼報(bào)告信道，在SU8和SU5的中繼輔助下，可以較好地將SU17的感知結(jié)果報(bào)告給FC，從而可以判決最終LU的當(dāng)前狀態(tài)。

圖3 中繼式協(xié)作過程模擬

1.2.1 探尋鄰居節(jié)點(diǎn)

在理想情況下，LU的發(fā)射機(jī)在各個(gè)信道均有相同表現(xiàn)，每個(gè)SU與LU相距的遠(yuǎn)近不同，其感知到的能量大小也有不同。根據(jù)文[6]，約定主用戶信號(hào)能量(Es)的1/4為允許請(qǐng)求中繼輔助感知的本地感知臨界能量E*，所以只要SU的感知能量大于這個(gè)臨界值，就可視該SU屬于初始SU的潛在鄰居節(jié)點(diǎn)集合。假設(shè)這N個(gè)SU均在該臨界能量范圍內(nèi)，均可以向初始SU提供中繼輔助。在這個(gè)潛在鄰居節(jié)點(diǎn)集合中，若某節(jié)點(diǎn)滿足以下兩個(gè)條件的任一種，則視其為初始SU的鄰居節(jié)點(diǎn)(Nb)。

(1) 該節(jié)點(diǎn)與初始SU處在同一經(jīng)度，且緯度差值小于等于1。

(2) 該節(jié)點(diǎn)與初始SU處在同一緯度，且經(jīng)度差值小于等于1。

由以上規(guī)則，并考慮到中繼式協(xié)作的效率，優(yōu)先考慮與低緯度鄰居節(jié)點(diǎn)的中繼協(xié)作，這樣每次首先得到請(qǐng)求感知的初始SU在本簇內(nèi)的鄰居列表(LNb)。

特別地，當(dāng)兩個(gè)SU處在本簇內(nèi)非常臨近的位置，即同經(jīng)度同緯度區(qū)域時(shí)，稱該兩個(gè)SU為臨近鄰居。初始感知SU可以獲得兩種中繼輔助，一種直接從本簇內(nèi)低緯度區(qū)域的鄰居節(jié)點(diǎn)獲得中繼輔助，稱為縱向輔助。另一種可以先從本簇內(nèi)臨近鄰居，再從臨近鄰居的低緯度鄰居獲得中繼輔助，稱為橫向輔助。

1.2.2 握手形成中繼鏈路

每個(gè)SU的本地緩存信息內(nèi)容如表1所示。

表1 本地SU的緩存信息

握手形成多跳的中繼式報(bào)告鏈路過程如圖4。

圖4 形成中繼輔助鏈路過程

請(qǐng)求感應(yīng)的初始SU優(yōu)先向其本簇內(nèi)鄰居列表中更低緯度的鄰點(diǎn)縱向發(fā)送Req，再向同緯度的鄰點(diǎn)橫向發(fā)送Req；第一次握手成功，該鄰點(diǎn)會(huì)返回Ack，并返回該鄰點(diǎn)的相應(yīng)信息給初始SU；若該鄰點(diǎn)仍無法直接較好與FC通信，則繼續(xù)尋找該鄰居的本簇內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)，并逐層握手，直到成功握手緯度值為1(即可以直接較與FC通信)的SU。

在此過程中，保存每一次成功握手的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)信息，形成從最初請(qǐng)求SU到可較好與FC通信SU的報(bào)告信道鏈路，記錄此鏈路為報(bào)告信道的中繼輔助鏈路列表(LC)。

1.2.3 傳輸感知信息

考慮與初始感知SU同分簇內(nèi)的報(bào)告信道的中繼式協(xié)作，根據(jù)1.1節(jié)建立的網(wǎng)絡(luò)模型，可能形成多條中繼式報(bào)告信道鏈路，可以根據(jù)跳數(shù)信息和鄰居節(jié)點(diǎn)信息分為以下3類。

(1)單跳的直接報(bào)告信道鏈路。

(2)多跳的無臨近鄰居的中繼式報(bào)告信道鏈路。

(3)多跳的有臨近鄰居的中繼式報(bào)告信道鏈路。

根據(jù)形成的報(bào)告信道的鏈路數(shù)，將初始感知SU在本簇內(nèi)感知到的中繼協(xié)作鏈路分為3種情況，分別如圖5、圖6和圖7所示，其中●表示初始請(qǐng)求感知SU，○表示中繼輔助SU，△表示可以直接較好與FC通信的可靠SU。

第一種，只形成一條報(bào)告信道鏈路。由初始感知SU直接，或經(jīng)一跳、兩跳的中繼節(jié)點(diǎn)與FC進(jìn)行通信，這種情況是無臨近鄰居的中繼式協(xié)作。

圖5 一條本簇內(nèi)的中繼協(xié)作鏈路

第二種，形成兩條報(bào)告信道鏈路。由初始感知SU經(jīng)一跳、兩跳或三跳的中繼節(jié)點(diǎn)與FC通信，其中的虛線鏈路是有臨近鄰居的中繼式協(xié)作。

圖6 兩條本簇內(nèi)的中繼協(xié)作鏈路

第三種，形成四條報(bào)告信道鏈路。由初始感知SU經(jīng)兩跳或三跳的中繼節(jié)點(diǎn)與FC通信，圖7所示也是有臨近鄰居的中繼式協(xié)作。

圖7 四條本簇內(nèi)的中繼協(xié)作鏈路(兩跳或三跳)

有臨近鄰居的中繼式協(xié)作有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，即初始感知SU在本簇內(nèi)縱向輔助中，出現(xiàn)故障或者問題的鄰居節(jié)點(diǎn)無法再提供中繼式協(xié)作時(shí)，初始感知SU就可以通過臨近鄰居先橫向輔助，再通過其臨近鄰居的縱向輔助形成中繼式報(bào)告信道鏈路，這樣可以提高一定規(guī)避危險(xiǎn)的能力。

根據(jù)已形成的報(bào)告信道的中繼輔助鏈路列表(LC)的順序，從高緯度向低緯度 (即從源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn))發(fā)送本地感知的LU狀態(tài)信息給FC，經(jīng)過OR、AND、MAJ等硬判決數(shù)據(jù)融合算法，將初始感知SU本簇內(nèi)的各SU報(bào)告感知結(jié)果進(jìn)行融合，最終得到當(dāng)前LU頻譜狀態(tài)判決。

2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

使用Matlab GUI中的GUIDE工具，設(shè)計(jì)出一個(gè)中繼協(xié)作式頻譜感知仿真平臺(tái)RecssSim。RecssSim的系統(tǒng)界面如圖8所示，signal_axes和noise_axes呈現(xiàn)主用戶的信號(hào)和信道噪聲，relaylink_axes輸出感知到中繼輔助的報(bào)告信道鏈路圖，cortrans_rate_axes輸出經(jīng)過該中繼協(xié)作鏈路傳輸數(shù)據(jù)的正確率，roc_axes、pd_axes和pf_axes輸出確定中繼協(xié)作鏈路后，常用協(xié)作頻譜感知融合算法的系統(tǒng)性能。

同時(shí)可以設(shè)置基本的環(huán)境參量，如信噪比、信號(hào)采樣頻率、路徑是否理想等。還可以根據(jù)仿真需求，選擇仿真的協(xié)作頻譜感知算法以及蒙特卡洛次數(shù)，開關(guān)仿真結(jié)果ROC曲線的輸出，并且可以方便地保存或者導(dǎo)出仿真結(jié)果，進(jìn)行系統(tǒng)和算法的性能分析。

環(huán)境參數(shù)及融合算法設(shè)置如表2所示，而仿真操作及ROC設(shè)置如表3所示。

圖8 仿真平臺(tái)控件布局設(shè)計(jì)

控件類型執(zhí)行功能Tag屬性回調(diào)函數(shù)單選按鈕有無高斯白噪聲agwn＿radiobuttonagwn＿radiobutton＿Callback()有無路徑衰落pathloss＿radiobuttonpathloss＿radiobutton＿Callback()文本輸入設(shè)置信噪比snr＿editsnr＿edit＿Callback()，snr＿edit＿CreatFcn()設(shè)置采樣頻率fs＿editfs＿edit＿Callback()，fs＿edit＿CreatFcn()設(shè)置蒙特卡洛次數(shù)mtcycle＿editmtcycle＿edit＿Callback()，mtcycle＿edit＿CreatFcn()列表框選擇采用的融合算法fusionlistfusionlist＿Callback()

表3 仿真操作及ROC設(shè)置

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

假設(shè)在如1.1節(jié)網(wǎng)絡(luò)模型中，總SU數(shù)目為N=25，其中N1=6，N2=8，N3=11，并引入常見協(xié)作頻譜感知數(shù)據(jù)融合算法OR、AND和MAJ，用于測(cè)試RecssSim系統(tǒng)性能。

在圖9所示的RecssSim仿真平臺(tái)上，設(shè)置信噪比為-8 dB、路徑衰落，蒙特卡洛次數(shù)為10 000后，形成了初始感知SU20到目的節(jié)點(diǎn)SU1之間傳遞感知結(jié)果的報(bào)告信道鏈路[20, 8, 1]。在此基礎(chǔ)上，可得出對(duì)OR算法的多跳中繼式協(xié)作性能分析。

圖9 RecssSim平臺(tái)下的OR算法測(cè)試結(jié)果

在圖10中，配置相同的環(huán)境參數(shù)，形成了初始感知SU23到目的節(jié)點(diǎn)SU3之間傳遞感知結(jié)果的四條報(bào)告信道鏈路，其中[23,10,3]和[23,13,3]無鄰近鄰居的中繼輔助鏈路，[23,19,10,3]和[23,19,13,3]為有臨近鄰居SU19的中繼輔助鏈路。然后可得出對(duì)AND算法的多跳中繼式協(xié)作性能分析。

圖10 RecssSim平臺(tái)下的AND算法測(cè)試結(jié)果

在圖11形成了初始感知SU13到目的節(jié)點(diǎn)SU2之間，具有兩條傳遞感知結(jié)果的的報(bào)告信道鏈路[13,2]和[13,7,2]，其中第二條有臨近鄰居。最后可得出對(duì)MAJ算法的多跳中繼式協(xié)作性能分析。

圖11 RecssSim平臺(tái)下的MAJ算法測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

針對(duì)報(bào)告信道的不理想情況，提出一種多跳中繼式協(xié)作頻譜感知方案，用于保障協(xié)作頻譜感知的系統(tǒng)性能。在此方案的基礎(chǔ)上，使用Matlab GUI的GUIDE工具，設(shè)計(jì)出一種中繼式協(xié)作頻譜感知仿真平臺(tái)RecssSim。所設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)可通過對(duì)環(huán)境參數(shù)的配置，快速實(shí)現(xiàn)多跳的中繼式協(xié)作頻譜感知性能仿真，并具有較好的擴(kuò)展性，可完善數(shù)據(jù)融合功能，為不同中繼式感知的融合方案提供仿真。

[1] Zhao Qing, Sadler B M. A survey of dynamic spectrum access[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2007, 24(3): 79-89.

[2] 宋云飛, 盧光躍. 基于采樣協(xié)方差矩陣的頻譜感知算法仿真分析[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 16(5): 12-16.

[3] Ganesan G, Li Y G. Cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks[C]//Proc. IEEE DySPAN. Baltimore, US: IEEE, 2005: 137-143.

[4] 馮景瑜, 盧光躍, 包志強(qiáng). 認(rèn)知無線電安全研究綜述[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào), 2012, 17(2): 47-52.

[5] Ganesan G, Li Y G. Cooperative spectrum sensing in cognitive radio, part I: two user networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 6(6): 2204-2213.

[6] Ganesan G, Li Y G. Cooperative spectrum sensing in cognitive radio, part II: multiuser networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 6(6): 2214-2222.

[7] Akyildiz I F, Lo B F, Balakrishnan R. Cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks: a survey[J]. Physical Communication, 2011, 4(1): 40-62.

[8] Lo B F, Akyildiz I F, Al-Dhelaan A M. Efficient recovery control channel design in cognitive radio ad hoc networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2010, 59(9): 4513-4526.

[9] Shen J, Liu S, Zeng L, et al. Optimisation of cooperative spectrum sensing in cognitive radio network[J]. IET Communications, 2009, 3(7): 1170-1178.

[10] Ikki S S, Ahmed M H. On the performance of cooperative-diversity networks with the Nth best-relay selection scheme[J]. IEEE Transactions on Communications, 2010，58(11): 3062-3069.

[11] Atapattu S, Tellambura C, Jiang Hai. Energy Detection Based Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2011, 10(4): 1232-1241.

[責(zé)任編輯:王輝]

Design of relay-based cooperative spectrum sensing simulator

FENG Jingyu， ZHANG Liang， LU Guangyue

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A multi-hop relay model is proposed from the perspective of hierarchical-clustering collaborative network. When the communication between cognitive users and data fusion center is blocked, this model can provide multi-hop connections via neighbor nodes’ relay-assist to report sensing results reliably. Based on this, a relay cooperative spectrum sensing simulation platform (RecssSim) is designed using the GUIDE tool of Matlab GUI. System performance analysis shows that RecssSim can simulate typical cooperative spectrum sensing algorithms effectively in the environment of multi-hop relay cooperation.

cooperative spectrum sensing, relay-cooperation, graphical user interface(GUI)

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.006

2013-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271276, 61301091)；陜西省國(guó)際科技合作重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(2013KW01-03)；西安郵電大學(xué)青年教師科研基金資助項(xiàng)目(ZL2012-06)

馮景瑜(1984-)，男，博士，講師，從事無線通信安全、認(rèn)知無線電和協(xié)作頻譜感知研究。E-mail: fjy.fengjingyu@gmail.com 張亮(1986-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閷拵o線通信。E-mail: zl_9520@163.com

TN911.23

A

2095-6533(2014)01-0031-07