基于雙門限能量檢測性能分析

陳佳佳　孫干超

【摘 要】普通的單門限能量檢測，一旦遇到突發(fā)噪聲和其他干擾的因素，就非常有可能導(dǎo)致誤檢測。本文運用了一種新型的雙門限協(xié)作能量檢測算法。經(jīng)過多次仿真，結(jié)果均表明這種方法可以提升頻譜檢測的可能性，與此同時能夠減小漏檢率。當(dāng)信噪比較低時，認知用戶數(shù)N=5時，雙門限性能最高要比單門限高出22%；認知用戶數(shù)N=10時，雙門限性能最高要比單門限高出17%。在實際的環(huán)境中，低信噪比的惡劣環(huán)境相對較多，因此雙門限具有非常高的優(yōu)勢，應(yīng)用空間相對廣闊。

【關(guān)鍵詞】認知無線電；單門限；雙門限；能量檢測

中圖分類號： TN925 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0129-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.059

【Abstract】Ordinary single-threshold energy detection， when encountering sudden noise and other interference factors， is very likely to lead to false detection. This paper applies a new dual-threshold cooperative energy detection algorithm. After several simulations，the results show that this method can improve the possibility of spectrum detection， and at the same time can reduce the rate of missed detection.When the signal-to-noise ratio is low， when the number of cognitive users is N=5，the double-threshold performance is up to 22% higher than the single-threshold； when the number of cognitive users is N=10， the double-threshold performance is higher than the single-threshold by 17 %. In the actual environment，the harsh environment with low SNR is relatively large， so the double threshold has a very high advantage and the application space is relatively wide.

【Key words】Cognitive Radio；Single-threshold；Double-threshold；Energy detection

0 緒論

認知無線電[1]是一個非常重要的概念，可以運用于頻譜分析，能夠較好地提高頻譜使用率。認知無線電中有許多重要的概念，其中頻譜檢測技術(shù)是相當(dāng)具有研究意義的一個環(huán)節(jié)。頻譜檢測的方法有許多種，我們運用較多的就是能量檢測方法[2]。對于以往的能量檢測技術(shù)來說，通常設(shè)置一個門限，我們稱之為單門限。單門限缺點顯著：一旦遇到突發(fā)噪聲和其他干擾的因素，那么結(jié)果會與實際結(jié)果偏離很大，嚴重影響實際的運用。為了較為理想地解決以上的問題，我們可以在以往的單門限的算法體系下，再加入第二個門限，也就是所謂的雙門限能量檢測方法。

我們都知道，認知用戶與認知用戶相互間能夠產(chǎn)生協(xié)作效應(yīng)，這個效應(yīng)有可能用于增加頻譜檢測的效率。如果我們考慮多個用戶之間的協(xié)作效應(yīng)，就有可能避免這樣的缺陷。為此，在進行能量檢測方法的同時，需要結(jié)合協(xié)作的因素。綜上，結(jié)合了雙門限和協(xié)作方法的能量檢測算法有望具有更大的使用范圍和良好的性能。

1 雙門限能量檢測

1.1 雙門限能量檢測

圖1所表示的是：當(dāng)普通的一個門限檢測方法不能夠滿足需要的情況下，可以再添加一個門限值，這樣就構(gòu)建了兩個門限值Vth0和Vth1的算法[3]。我們可以很輕易地推斷出：如果時V>Vth1，有可能檢測出主信號，如果V>Vth0時，可以判定主用戶還未出現(xiàn)。如果Vth0

我們記在H0下裁定位于（Vth0，Vth1]內(nèi)和在H1情況下認為位于（Vth0，Vth1]內(nèi)的隨機概率分別是

Δ0=Pr{Vth0

Δ1=Pr{Vth0

那么在雙門限、用戶數(shù)目唯一的情況下，檢測概率、漏檢概率、虛警概率依次求得如下：

1.2 雙門限協(xié)作能量檢測

聯(lián)合協(xié)作的算法和多個門限值的算法，可以提出一種多個用戶協(xié)作的雙門限的能量檢測方法：設(shè)定認為網(wǎng)絡(luò)是相對集中的，每個認知用戶需要把檢測的值輸送個中心環(huán)節(jié)。中心環(huán)節(jié)利用收到的數(shù)據(jù)進行協(xié)作運算。首先，每個用戶各自檢測信號，如果檢測的結(jié)果認為出現(xiàn)了主用戶或是尚未出現(xiàn)主用戶，則將結(jié)果反饋給中心節(jié)點。如果檢測的值不確定（位于兩個門限的范圍之間），那么就將探測的值發(fā)給中心，由中心使用融合的算法進行分析，最后使用OR準則得出結(jié)果，可以極大地降低對主用戶影響的可能性。

2 仿真與測試

圖2是仿真圖，在這幅圖中看出：不管是高斯信道，或是在瑞利信道，雙門限能量協(xié)作檢測方法的結(jié)果都要比普通的單門限能量協(xié)作檢測方法要更好。因此有著更寬廣的使用空間。在實際的環(huán)境中，總期望在最大可能提升檢測概率Pd的情況下，有效地降低虛警率Pf。和普通的單門限的方法相比較，雙門限方法能夠在提高檢測概率Pd的情況下減小虛警率Pf。

從圖3可以看出：認知用戶的數(shù)量越高（記為N），檢測概率Pd也隨之增加，在其他情況完全相同的條件下，認知用戶數(shù)N=10的可能性比N=5大約提升了50%，極大地改善了結(jié)果。另一方面，不同的認知用戶間進行協(xié)作時，能夠獲得協(xié)作收益，因此不管是單門限或是雙門限協(xié)作檢測，使用協(xié)作的性能都好于一個用戶獨自檢測。此外，不管是認知用戶數(shù)N為5或是10，雙門限協(xié)作檢測的結(jié)果要比單門限協(xié)作檢測的結(jié)果要好。位于信噪比相對較低的環(huán)境下，認知用戶數(shù)N=5時，雙門限性能最高要比單門限高出22%；而認知用戶數(shù)N=10時，雙門限性能最高比單門限高出17%。也就是說，在信噪比相對較低的環(huán)境下，雙門限有著非常良好的性能，值得進行推廣。

3 總結(jié)

由于能量檢測算法是根據(jù)接收到的信號能量檢測判決主用戶信號是否出現(xiàn)，所以對干擾比較敏感，針對傳統(tǒng)的單門限能量檢測算法，本文提出雙門限能量檢測算法。多個認知用戶間協(xié)作檢測有助于改善單用戶能量檢測算法的不足。因此，結(jié)合多門限能量檢測算法和協(xié)作方法，本文使用了雙門限協(xié)作能量檢測算法，理論分析和計算機仿真結(jié)果表明：與單門限相比，雙門限能量檢測算法性能要好于單門限算法，降低認知用戶對主用戶的干擾，保證了主用戶對頻譜占用的優(yōu)先權(quán)。也就是說，在實際應(yīng)用中，與傳統(tǒng)單門限相比，就有可能在進一步提高檢測概率、確保主用戶對頻譜的優(yōu)先使用權(quán)的同時，降低虛警率。因而具有十分誘人的前景。

【參考文獻】

[1]Zhang Wei， Ranjan K， Mallik L， et al.Cooperative spectrum sensing optimization in cognitive radio networks[J].Proceedings of the IEEE International Communications， 2008，3（4）：3411-3415.

[2]廖楚林.認知無線電系統(tǒng)的頻譜分配算法研究[D].電子科技大學(xué)，2007.

[3]談凱，傅豐林.認知無線電的頻譜檢測技術(shù)的研究[D].西安電子科技大學(xué)，2008，4.