錯誤報告概率對協作檢測影響研究

何麗華

（中國移動通信集團設計院有限公司山東分公司，山東 濟南 250001）

0 引言

無線電頻譜資源由頻譜資源管理部門劃分為兩類：授權頻段與非授權頻段。在實際頻譜分配中，非授權頻段資源遠遠小于授權頻段資源，但其承載的業務量很大，而授權頻段的利用率卻不高；而同時隨著無線通信業務的快速增長，無線頻譜資源匱乏的現象日趨嚴重，感知無線電技術[1]當前被認為是解決該問題的最佳方案。它能夠自動感知周圍的無線環境并調整系統的參數（如頻率、調制方式、發送功率等）以適應環境的變化，在不對其他用戶造成干擾的情況下, 從空間、頻率、時間多維的利用頻譜資源，提高頻譜資源的利用率。感知無線電的關鍵技術包括：空閑頻譜檢測技術、感知無線電自適應傳輸技術以及感知無線電頻譜資源管理技術，這里主要針對空閑頻譜檢測做一些研究。

1 空閑頻譜檢測

感知無線電系統中，頻譜檢測算法可以劃分為兩類[2]：本地頻譜檢測以及協作檢測。本地頻譜檢測是指單個感知用戶獨立執行某種頻譜檢測算法的檢測，協作檢測是指多個感知用戶相互合作而執行的檢測。但是，單用戶的本地頻譜檢測容易受到陰影和衰落的影響；也不能避免 “隱藏終端”問題。而協作檢測則可以克服上述問題，得到更加準確的感知性能。感知無線電中的協作檢測的信道包括兩個部分：檢測信道和報告信道。早期的文獻[3-4]只是考慮了檢測信道對檢測性能的影響，而沒有將報告信道對檢測性能的影響考慮進去。現推導了OR融合規則、AND融合規則下引入錯誤報告概率對檢測性能的影響，這對感知無線電的實際應用具有重要參考價值。

2 錯誤報告概率對協作檢測的影響

實際的無線環境，報告信道和檢測信道一樣，也同樣會經歷衰落或者陰影，如圖1所示。引入錯誤報告概率來表示報告信道對判決結果的影響。

這里以協作檢測中常用的判決融合規則：OR準則AND準則作為這里的判決融合規則，且以能量檢測作為本地頻譜檢測算法。在存在錯誤報告概率的情況下，協作檢測的流程分為以下兩個階段：①感知用戶做出本地判決結果；②本地判決通過報告信道傳送到感知基站，做出最終判決。

圖1 從主用戶基站到感知用戶基站所經歷的信道

OR準則下，系統中只要有一個感知用戶支持判決 H1，基站最終判決結果就判為H1；換種說法就是當所有用戶都判決為H0時基站才判決為H0，即感知基站的統計量Y滿足：

其中 N為參加協作的感知用戶個數,dip和fip分別表示第 i個感知用戶的本地檢測概率和本地虛警概率。考慮ep時,整個系統檢測時可能出現的情況如式（4）所示，各種情況出現的概率也在式中標示出：

由此可得，N個用戶參與協作的系統中引入ep后全局檢測概率和全局虛驚概率為：

其中fQ 不能夠無限小，它是存在一個極限值的，這個極限值稱為虛警概率門限：

其中 pdi、 pfi指代如上,若 pfi=pf、pdi=pd，i = 1 ,2,…,N ,則可進一步得到：

AND規則下，系統中當所有參與協作的的感知用戶都支持H1判決時，基站最終判決結果才為H1。即當融合中心的統計量Y滿足：

不考慮ep時全局虛警概率和全局檢測概率分別為：

整個檢測系統可能出現的情況如式（15）所示，各種情況出現的概率也在式中標示出：

由此可得 N個用戶參與協作的系統中引入ep后全局檢測概率和全局虛驚概率為：

同理，若 pfi=pf、pdi=pd，i = 1 ,2,… ,N ,則可進一步得到：

此時虛警概率門限大小如式（22）所示：

3 仿真結果分析

仿真中參與協作的感知用戶個數為 8，傳輸采用 BPSK信號，信道為瑞利衰落信道，用戶報告信道的信噪比分別為15 dB、15 dB、14 dB、14 dB 、13 dB、13 dB、12 dB、10 dB。圖2分別給出了OR融合規則、AND融合規則下是否考慮錯誤報告概率兩種情況下的ROC曲線。

圖2 引入錯誤報告概率對協作檢測性能的影響

由仿真圖可以看出考慮存在錯誤報告時，系統的檢測概率受到了影響。另外需要注意的是：圖2(a)中OR規則下體現出了虛警概率門限，而圖2(b)中AND規則則沒有體現，這是與式(9)、式(22)密切相關的，也是與OR融合規則下具有較大的虛警概率這一特性密切相關的。

4 結語

與以往的檢測過程中只考慮檢測信道受陰影、多徑的影響不同，現將本地判決結果在傳送給感知基站過程中所受報告信道的影響也考慮進去，并且推導了OR融合規則、AND融合規則下引入錯誤報告概率對協作檢測性能的影響，這對感知無線電的實際應用具有重要參考價值。

[1] MITOLA III J. Cognitive Radio for Flexible Mobile Multimedia Communications[J].Mobile Networks and Applications,2001,6(05)：435-441.

[2] 何麗華,謝顯中,董雪濤,等.感知無線點中的頻譜檢測技術[J].通信技術,2007,40(05)：9-11.

[3] GHASEMI A, SOUSA E S.Collaborative Spectrum Sensing for Opportunistic Access in Fading Environments[C]. USA：IEEE,2005：131-136.

[4] PEH E, LIANG Yingchang.Optimization for Cooperative Sensing in Cognitive Radio Networks[C].USA：IEEE,2007：27-32.