認(rèn)知無線電頻譜檢測技術(shù)研究與要素分析

邵金俠　魏建新

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認(rèn)知無線電頻譜檢測技術(shù)研究與要素分析

邵金俠魏建新

（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

認(rèn)知無線電能否得到推廣，很大程度上取決于頻譜檢測技術(shù)的性能，NP準(zhǔn)則要求頻譜檢測時(shí)，在滿足一定的虛警概率下，要盡可能的提高檢測概率?；诙僭O(shè)條件，本文以經(jīng)典的能量檢測模型為基礎(chǔ)，分別對單用戶和多用戶的頻譜檢測進(jìn)行仿真，通過改變關(guān)鍵要素對比分析。

認(rèn)知無線電；頻譜檢測；二元假設(shè)；能量檢測模型

引　言

無論是授權(quán)頻譜還是非授權(quán)頻譜，隨著無線通信的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，頻譜，這一不可再生資源，顯得日益匱乏，如何更好地發(fā)展無線業(yè)務(wù)，充足的頻譜資源必須得以保證。認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）通過動(dòng)態(tài)檢測空閑頻譜，可以伺機(jī)與授權(quán)用戶共享無線頻譜資源，在某種程度上可以很好地緩解這一緊張形勢。頻譜檢測作為認(rèn)知無線電的核心技術(shù)，將直接影響無線通信業(yè)務(wù)的性能，無論是頻譜接入前還是接入后，不準(zhǔn)確的頻譜檢測信息都會對主用戶或認(rèn)知用戶通信造成影響、甚至干擾，所以頻譜檢測是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的關(guān)鍵所在。

CR自提出到現(xiàn)在受到諸多研究學(xué)者的追捧，主要目標(biāo)是高度可靠通信方式以及高效的頻譜利用率[1]。針對CR網(wǎng)絡(luò)不同的結(jié)構(gòu)，很多頻譜檢測模型被提出，頻譜檢測如何做到快而準(zhǔn)確，即要保證其有效性，又要兼顧可靠性，既能快速的檢測出空閑頻譜，不干擾主用戶通信，同時(shí)又能夠準(zhǔn)確的檢測，以提高頻譜的利用率。不管是單用戶檢測還是協(xié)作檢測，單門限還是多門限，檢測模型的選擇是最基礎(chǔ)，也是最關(guān)鍵的，其檢測概率、檢測時(shí)間和干擾因素將直接影響可靠性，而檢測計(jì)算的復(fù)雜度等會影響有效性，或者會影響到授權(quán)用戶，或者會降低頻譜的利用率。同時(shí)在無線認(rèn)知環(huán)境下，由于多徑傳播、陰影效應(yīng)的發(fā)生，甚至無線環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)攻擊等的存在，會對實(shí)際的信號檢測帶來威脅，所以，僅通過單一的認(rèn)知用戶得到的信息并不是最佳的，所以我們會選擇多個(gè)用戶進(jìn)行協(xié)作檢測，那么在用戶協(xié)作檢測模型中，如何選擇用戶數(shù)，對分別檢測到的數(shù)據(jù)又如何融合也是研究的重點(diǎn)，考慮到計(jì)算量和復(fù)雜度，我們選擇最經(jīng)典的能量檢測模型作為研究對象，結(jié)合二元假設(shè)分別研究不同條件下認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的頻譜檢測性能的好壞。

1　單用戶檢測模型

能量檢測模型通過對檢測到認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的信號進(jìn)行一定的信號處理，憑借計(jì)算出信號的能量值，最終結(jié)合二元假設(shè)模型，簡單判斷授權(quán)用戶是否存在。能量檢測模型信號處理原理簡單，計(jì)算量小，最主要的是不需要提前了解授權(quán)用戶的技術(shù)參數(shù)，所以使用范圍非常廣泛。這種檢測信號的方式主要的問題就是二元判決的門限閾值的確定，所以門限閾值的設(shè)定將對檢測性能有著直接的影響。

1.1 單門限檢測

假定認(rèn)知用戶存在于某授權(quán)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，伺機(jī)接入某一空閑頻譜之前，先對該頻帶進(jìn)行檢測，如果授權(quán)用戶不存在，理論上接收到的信號只有噪聲等干擾信號，反之，接收到的將是信號加干擾，所以我們只需設(shè)置一個(gè)閾值，作為檢測門限閾值，若檢測到信號的能量超過該門限閾值，則認(rèn)為授權(quán)主用戶出現(xiàn)，否則，認(rèn)為授權(quán)用戶不存在。單門限檢測流程如圖1左圖所示。

這種檢測模型可以檢測授權(quán)信號存在與否，問題難點(diǎn)在于如何設(shè)置閾值門限。如果信號表示為，那么可以用表示該信號的能量，二元假設(shè)模型如式（1）所示，可以進(jìn)行簡單的用戶存在性測試，其中表示授權(quán)用戶不存在，表示授權(quán)用戶出現(xiàn)，表示頻帶內(nèi)噪聲信號。

圖1.單（左）/雙（右）門限能量檢測流程

假定信道噪聲為AWGN模型，則其功率譜密度為常量，指定頻帶內(nèi)的能量則是恒定的，且信號和噪聲表示為相加的關(guān)系，所以此時(shí)的門限值可簡單設(shè)置噪聲能量值，此時(shí)可得出檢測概率和虛警概率：

1.2 雙門限檢測

不管是AWGN信道還是Rayleigh信道為理論上可操作噪聲模型，實(shí)際中干擾則是隨機(jī)的、未知的，當(dāng)干擾波動(dòng)比較大時(shí)，門限閾值也會有較大的波動(dòng)，影響到檢測概率，此時(shí)若門限值設(shè)置較大或較小會都會影響到檢測概率，過小，虛警概率增大，認(rèn)知用戶將錯(cuò)失接入頻譜的機(jī)會，過大，漏警概率增大，有可能檢測不到正在通信的主用戶，從而造成干擾。噪聲能量往往會在某一范圍內(nèi)（）波動(dòng)，所以門限閾值不穩(wěn)定，檢測到信號能量大于門限閾值，判定授權(quán)用戶出現(xiàn)，相反則斷定授權(quán)用戶不存在，若檢測信號能量落在附近，判定結(jié)果可能不準(zhǔn)確，若采用雙門限，，在單門限上加上保護(hù)量，則可以減少誤判，原理是：檢測到信號能量落在左側(cè)，判定授權(quán)用戶不存在，落在右側(cè)，判定授權(quán)用戶出現(xiàn)，對落在和中間部分，即為不確定空間，授權(quán)用戶可能不在，也可能出現(xiàn)，暫時(shí)不做判決，雙門限能量檢測模型如圖1的右圖所示。雙門限模型下，檢測概率和虛警概率的定義如下式：

AWGN為最簡單的噪聲模型，可以簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計(jì)算，在雙門限的性能分析中，我們假設(shè)干擾為簡單的AWGN噪聲，可得此條件下的檢測概率和虛警概率為下式：

2　多用戶協(xié)作檢測模型

在上文雙門限檢測模型中，若信號檢測量落在不確定區(qū)域，即（）之間，不能直接進(jìn)行判決，對這部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理，有的文獻(xiàn)選擇不發(fā)送任何信息，有的文獻(xiàn)雖然也選擇不判決，但會將數(shù)據(jù)發(fā)送到CR基站，由基站完成信息融合并決策，本文則將落在此區(qū)間的檢測量值根據(jù)位置就近與其它用戶的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行互動(dòng)，分簇分享檢測結(jié)果，形成多用戶協(xié)作檢測，進(jìn)而提高檢測概率，當(dāng)然在無線認(rèn)知環(huán)境中，因陰影、終端隱藏問題，很多時(shí)間會引起信號檢測的不準(zhǔn)確，只憑借單個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測，算法比較魯莽，所以協(xié)作檢測既可以解決不確定信息的處理，又能提高認(rèn)知節(jié)點(diǎn)抗陰影的能力，但是考慮參與協(xié)作的用戶數(shù)量可能會對檢測性能構(gòu)成影響，所以最后選擇分簇分布完成，并根據(jù)認(rèn)知用戶的先驗(yàn)信息進(jìn)行標(biāo)簽識別，并決定采用AND法則還是OR法則進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以完成最終判決。

圖3.協(xié)作檢測模型（左）/協(xié)作用戶篩選（右）

協(xié)作檢測中，每個(gè)用戶仍采用能量檢測獨(dú)立檢測，假定每個(gè)用戶的檢測是獨(dú)立的，需將每個(gè)用戶的判決結(jié)果通過AND或者OR法則進(jìn)行判決融合，假定n為參與協(xié)作的用戶數(shù)目，可得AND法則下的檢測概率和虛警概率如下：

同理，可得OR法則下的檢測概率和虛警概率如下：

3　仿真分析

3.1 單用戶檢測模型仿真分析

單節(jié)點(diǎn)檢測時(shí)，假設(shè)采樣點(diǎn)數(shù)為100，在AWGN信道和Rayleigh信道下，均選定=-8dB固定的信噪比下進(jìn)行仿真，同時(shí)考慮到Rayleigh信道的復(fù)雜性，對AWGN信道在不同的信噪比下，給出不同的信噪比=-8dB和=-4dB下進(jìn)行仿真并對比分析。

圖2.單用戶能量檢測性能曲線

3.2 多用戶協(xié)作檢測模型仿真分析

協(xié)作檢測時(shí)，分別對AND規(guī)則和OR規(guī)則，在用戶數(shù)為1和用戶數(shù)為3時(shí)進(jìn)行仿真，假設(shè)采樣點(diǎn)數(shù)為100，在AWGN信道下，選定=-8dB固定的信噪比下進(jìn)行仿真得到檢測概率和虛警概率的關(guān)系圖如下所示。

圖3. AND（左）/OR（右）規(guī)則下多用戶協(xié)作檢測性能曲線

根據(jù)實(shí)際的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，只要不出現(xiàn)嚴(yán)重的陰影效應(yīng)，沒有惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊，在相對和平環(huán)境中，AND和OR法則性能相當(dāng)，其檢測概率比單用戶檢測要稍好些，若無線環(huán)境惡劣，AND和OR規(guī)則的性能將差別很大，本仿真為簡化模型沒有考慮陰影效應(yīng)等；另外對于協(xié)作的用戶數(shù)的選擇，數(shù)目越多，對檢測性能的可靠性自然越好，但用戶信息交互會變得比較復(fù)雜，影響到檢測的有效性，所以考慮到有效性和可靠性的平衡，協(xié)作用戶數(shù)目不宜過多，這部分內(nèi)容將在后期研究中通過檢測時(shí)間進(jìn)行研究、分析。

[1]溫志剛.認(rèn)知無線電頻譜檢測理論與實(shí)踐[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2011.

[2]琳達(dá).E.多伊爾.認(rèn)知無線電基礎(chǔ)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2012.

[3]趙友軒.多天線認(rèn)知無線電頻譜檢測技術(shù)研究[D].解放軍信息工程大學(xué),2013.

[4]郭少華.認(rèn)知無線電頻譜檢測技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué),2014.

[5]岳文靜,陳志,鄭寶玉等.基于可靠次用戶信息的協(xié)作頻譜感知算法研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2012(05).

（責(zé)任編校：何俊華）

2016－03－12

2014年湖南科技學(xué)院校級課題“認(rèn)知無線電協(xié)作頻譜檢測關(guān)鍵要素研究”（項(xiàng)目編號14XKY110）。

邵金俠（1980－），女，湖南科技學(xué)院電子信息與工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)。魏建新（1979－），男，江蘇徐州人，湖南科技學(xué)院教育技術(shù)中心網(wǎng)絡(luò)工程師，研究方向?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)。

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1673-2219（2016）05-0112-04