一種混合加權(quán)的選擇式協(xié)作頻譜感知算法

沈 媛，周 浩

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著無線設(shè)備和無線應(yīng)用的快速發(fā)展，移動(dòng)通信、藍(lán)牙通信、無線傳感網(wǎng)、航空導(dǎo)航等一批無線電通信業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致匱乏的無線頻譜資源越發(fā)不足，以致頻譜資源的供求矛盾越發(fā)凸顯。認(rèn)知無線電隸屬于交互式智能無線通信領(lǐng)域，在實(shí)時(shí)檢測目標(biāo)頻段、不降低主用戶通信質(zhì)量的前提下，各認(rèn)知用戶被準(zhǔn)許暫未接入未被占用的空閑頻段，采用該技術(shù)可共享主用戶頻段，提高無線頻譜使用效率[1-3]。

無線環(huán)境中，單個(gè)認(rèn)知用戶感知過程中會(huì)遭受陰影效應(yīng)、多徑衰落和各類噪聲等未知因素的干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)感知性能的降低。而協(xié)作頻譜感知技術(shù)[4-5]能夠有效克服這些影響而廣泛受到關(guān)注。Chen和Ghasemi等人分別在文獻(xiàn)[6]和[7]中分析了高斯白噪聲信道下的單門限能量檢測協(xié)作頻譜感知性能，認(rèn)知用戶將頻譜感知結(jié)果匯報(bào)至融合中心，融合中心按照邏輯“或”準(zhǔn)則對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，與單認(rèn)知用戶頻譜感知結(jié)果相比，大大提高了系統(tǒng)檢測概率。Sun等人在文獻(xiàn)[8]中提出了一種基于雙門限能量檢測的匯報(bào)1bit數(shù)據(jù)的判決方法，并分析了該方案在理想報(bào)告信道和非理想報(bào)告信道下的協(xié)作感知性能，并討論了最優(yōu)認(rèn)知用戶發(fā)往融合中心的數(shù)據(jù)量以達(dá)到最好的檢測性能。在傳統(tǒng)的雙門限判決感知方法中，對于能量檢測值落在兩門限值之間的感知數(shù)據(jù)一般采取不做判決的判定方法，直接舍去其感知結(jié)果，或者在融合中心采用等權(quán)值的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。雖然上述判決方法有效地降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，但是分配相同權(quán)值給處于不同地理位置的認(rèn)知用戶，必然會(huì)降低檢測概率的可靠性，降低系統(tǒng)整體的檢測性能。在認(rèn)知用戶與融合中心之間，文獻(xiàn)[8-10]假設(shè)存在理想控制信道，額外的動(dòng)態(tài)管理理想控制信道，無疑增加系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

因此，文章考慮盡可能降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，減少對無線頻譜資源的利用，提出了一種無需專有控制信道資源的協(xié)作頻譜感知方案。本方案利用雙門限能量判決方法感知主用戶信號，各認(rèn)知用戶基于選擇式策略向融合中心發(fā)送經(jīng)過編碼的初始檢測結(jié)果。融合中心首先利用混合加權(quán)融合算法對落在兩檢測門限值之間的能量檢測值分配不同的權(quán)值，并做出1bit的融合判決，再采用“或”準(zhǔn)則與已做出1 bit判決的認(rèn)知用戶聯(lián)合得出最終的感知判決結(jié)果。

1 系統(tǒng)模型

協(xié)作頻譜感知通常分為兩個(gè)階段，如圖 1所示。（1）感知階段，其在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的占有時(shí)間記為a? t，該階段分布式認(rèn)知用戶檢測主用戶是否存在；（2）報(bào)告階段，其在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的占有時(shí)間記為(1-a)?t，各認(rèn)知用戶將初始檢測結(jié)果報(bào)告至融合中心，融合中心將依據(jù)“或”準(zhǔn)則作數(shù)據(jù)融合分析得到感知結(jié)果。

圖1 協(xié)作頻譜感知時(shí)隙圖Fig.1 Time slot graph of cooperative spectrum sensing

圖 2給出了系統(tǒng)感知系統(tǒng)模型框圖。瑞利衰落信道環(huán)境下，在協(xié)作頻譜感知時(shí)隙K的第一階段，M個(gè)協(xié)作用戶同時(shí)且獨(dú)立地進(jìn)行本地頻譜感知，當(dāng)能量檢測值 Yi>λ2時(shí)，將檢測結(jié)果判為H1，即主用戶信號存在，當(dāng)能量檢測值 Yi＜λ1時(shí)，將檢測結(jié)果判為H0，即主用戶信號不存在。當(dāng)檢測能量值落在 λ1＜Yi＜λ2區(qū)間時(shí)，則保留原始能量檢測值Yi[9]。

圖2 感知系統(tǒng)模型Fig.2 Per ception system model

式（1）中Gi表示為：

在協(xié)作頻譜感知時(shí)隙K的第二階段，認(rèn)知用戶CUi在分配到的主用戶頻段的第i個(gè)子信道上，將“H0或H1”決策或未作任何判決的初始能量檢測值選擇性地報(bào)告至融合中心。

由于認(rèn)知用戶在主用戶頻段上報(bào)告各自的初始檢測結(jié)果,有可能對主用戶通信造成干擾，且當(dāng)主用戶使用該頻段時(shí)，則認(rèn)知用戶通信中斷。當(dāng)通信發(fā)生中斷，則融合中心在相應(yīng)子時(shí)隙上則無法接收到來自認(rèn)知用戶CUi發(fā)送的信號，那么融合中心認(rèn)為認(rèn)知用戶CUi沒有發(fā)送信號。若兩者的通信沒有產(chǎn)生中斷，融合中心接收到了認(rèn)知用戶CUi發(fā)送的編碼后信號 βi(k)，但未成功解碼，則融合中心將認(rèn)定沒有發(fā)送信號。如此，融合中心將會(huì)認(rèn)為初始判決結(jié)果為主用戶信號存在，其初始判決結(jié)果可表示為： Hi(k,2)=H1。反之，倘若在對應(yīng)子時(shí)隙上融合中心收到編碼信號 βi(k)且成功解碼，則將判定認(rèn)知用戶CUi發(fā)送了信號，即初始判決結(jié)果為能量檢測判決值為落在兩門限之間或主用戶信號不存在，其可表示為：Hi(k,2)=H0或Yi。因此，融合中心接收來自認(rèn)知用戶CUi的初始感知判決結(jié)果可以表示為：

2 混合加權(quán)選擇式協(xié)作頻譜感知算法

在時(shí)隙k的第一階段，認(rèn)知用戶 CUi檢測主用戶信號，由于認(rèn)知用戶CUi處于隨機(jī)分布狀態(tài)，且各自所處環(huán)境都各不相同，其與主用戶之間的距離也各有遠(yuǎn)近，且其接收到的信噪比也不相同,基于此文章引入距離權(quán)重因子wdi和信噪比權(quán)重因子wri提高檢測性能[11]。

根據(jù)信號傳播距離的遠(yuǎn)近與接收信號的平均損失功率大小之間的關(guān)系可得：

式（4）中L表示路徑損耗指數(shù)。設(shè)定系統(tǒng)中主用戶發(fā)射機(jī)端的輸出信噪比為SNR，各認(rèn)知用戶接收到的信噪比為：

根據(jù)式（5）可知，隨著主用戶與認(rèn)知用戶之間的距離不斷增大，各認(rèn)知用戶收到的信噪比將逐漸減小，進(jìn)而各認(rèn)知用戶檢測到的主用戶信號能量也隨之減弱，導(dǎo)致檢測概率也會(huì)降低。因此距離權(quán)重因子wdj可表示為：

式（6）中dj為第 j個(gè)認(rèn)知用戶到主用戶的距離。根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，信噪比權(quán)重因子的可表示為：

式（7）中γj表示信噪比的值，其為第 j個(gè)能量檢測值落在兩門限值之間的認(rèn)知用戶接收到的。聯(lián)合式（5）和（7），得到第 j個(gè)認(rèn)知用戶的信噪比權(quán)重因數(shù)為：

聯(lián)合式（6）、（8）和（9），則每個(gè)認(rèn)知用戶的權(quán)重因子可進(jìn)一步表示為：

假設(shè)M個(gè)認(rèn)知用戶中有K個(gè)用戶的能量檢測值Yi落于門限值1λ和2λ之外，融合中心基于混合加權(quán)融合算法，對M-K個(gè)能量檢測值Yi做出決策判決Y，得到1 bit的“H1或H0”。判決準(zhǔn)則如下：

融合中心再利用“或”準(zhǔn)則與其與已做出1 bit判決的認(rèn)知用戶聯(lián)合做出最終的感知判決結(jié)果R。其可表示為：

在瑞利衰落信道環(huán)境下，用fγ(x)表示信噪比概率密度函數(shù)[11]，服從均值為的指數(shù)分布，為方便起見用μ表示時(shí)間帶寬乘積TW，則初始檢測概率Pdi、漏檢概率Pmi、虛警概率Pfi計(jì)算公式為：

其中Qu表示廣義馬庫姆函數(shù)（Marcum函數(shù)）；Г(μ)和Г(μ,λ2/2)分別表示完整和不完整伽馬函數(shù)（Gamma函數(shù)）。主用戶存在時(shí)檢測量Yi落在門限值λ1和λ2之間的概率?1,j以及主用戶不存在時(shí)檢測量Yi落在門限值λ1和λ2之間的概率?0,j表示如下：

采用邏輯“或”準(zhǔn)則，無需專有控制信道的協(xié)作頻譜感知在融合中心時(shí)的檢測概率及虛警概率分別為：

3 仿真分析

文章對無需專有控制信道的基于雙門限能量檢測算法作了相應(yīng)的仿真。在瑞利衰落信道環(huán)境下，假設(shè)信道相互獨(dú)立，各認(rèn)知用戶采用雙門限能量檢測方法獨(dú)立地進(jìn)行本地?zé)o線頻譜感知，且隨機(jī)分布于基站四周，采用同等的信號檢測開銷。主用戶發(fā)射端的信噪比設(shè)為5 dB，時(shí)間帶寬乘積μ=5，參與協(xié)作能量檢測節(jié)點(diǎn)數(shù)M=3。仿真結(jié)果如圖3、4、5、6所示。

圖3 混合加權(quán)雙門限能量協(xié)作頻譜感知ROC曲線IFig.3 ROC curve I of hybrid weighted dual threshold energy cooperative mixed spectrum sensing

圖4 混合加權(quán)雙門限能量協(xié)作頻譜感知ROC曲線IFig.4 ROC curve I of hybrid weighted dual threshold energy cooperative mixed spectrum sensing

圖5 混合加權(quán)雙門限能量協(xié)作頻譜感知ROC曲線IIFig.5 ROC curve II of mixed weighted dual threshold energy cooperative spectrum sensing

圖6 混合加權(quán)雙門限能量協(xié)作頻譜感知ROC曲線IIIFig.6 ROC curve III of mixed weighted dual threshold energy cooperative spectrum sensing

圖3為主用戶與認(rèn)知用戶間距離不大于5 km的仿真效果圖，仿真結(jié)果表明隨二者間的距離逐漸增大，檢測概率將隨之急劇減??；若超過一定距離范圍時(shí)，檢測概率將變得很低，此時(shí)檢測結(jié)果無效。

（?1,j=?0,j=0.1,α=0.2）

（?1,j=?0,j=0.1,α=0.3）

4 結(jié)論

文章采用雙門限判決方法檢測主用戶信號，利用距離加權(quán)因子和信噪比加權(quán)因子對能量檢測值落于兩門限值之間的認(rèn)知用戶分配不同的權(quán)值，利用“或”準(zhǔn)則進(jìn)行全局頻譜感知判決。仿真結(jié)果表明與傳統(tǒng)的協(xié)作頻譜感知算法相比，文章的算法提升了系統(tǒng)的全局檢測性能，降低了整體的漏警概率。與此同時(shí)，在實(shí)際認(rèn)知無線電系統(tǒng)高檢測概率要求下，在不使用專用控制信道的條件下，達(dá)到了與傳統(tǒng)協(xié)作感知方案的檢測效果，節(jié)約了專有的理想報(bào)告信道資源。