基于免疫克隆算法的認知無線電多信道聯合感知方法

夏巧橋田茂汪鼎文陳曦

?

基于免疫克隆算法的認知無線電多信道聯合感知方法

夏巧橋①田 茂①汪鼎文②陳 曦*②

①(武漢大學電子信息學院 武漢 430072)②(武漢大學微電子與信息技術研究院 武漢 430072)

該文研究了認知無線電多信道聯合感知的數學模型，并將此模型轉換為以認知系統總吞吐率最大化為目標的帶約束優化問題，進而提出一種基于免疫克隆的多信道聯合感知算法。仿真實驗表明所提算法在收斂速度以及穩定性上均明顯優于已有的基于遺傳算法的感知方法，并且所提算法在對主用戶造成相同的干擾條件下能提供更高的系統總吞吐率。

認知無線電；頻譜感知；免疫克隆算法；遺傳算法；多信道聯合感知

1 引言

2 認知無線電多信道聯合感知建模

圖1 多信道頻譜占用模型

2.1 單信道感知

單信道感知可以描述為如式(1)的一個二元假設問題：

由于能量檢測方法最為簡單且能快速地對未知信號進行檢測，因此采用該方法對PU狀態進行感知，相應的判決準則為

2.2 多信道聯合感知

(6)

同時，每個子信道上受到干擾也必須被限制在一定范圍之內。

綜上所述，CR系統的目標為，在保證對PU的總干擾和每個信道的干擾控制在一定范圍內的同時，SU獲得的總吞吐量最大化。該模型可以表示為式(9)的最優化問題：

3 基于免疫克隆算法的多信道聯合感知

本文設計的基于免疫克隆的多信道聯合感知算法流程圖如圖3所示，基本步驟如下：

圖3 免疫克隆算法流程圖

步驟2 干擾約束的處理： 由于隨機產生的抗體極有可能不是可行解，因此必須進行約束處理，對不可行解進行修正。在產生抗體的時候已經考慮了式(10)表示約束，因此只需修正抗體滿足式(9)中約束即可，具體流程如下：

(3)輸出經過約束處理的抗體。

步驟4 終止條件判斷： 終止條件為算法預先設置的最大進化代數，當達到最大進化代數時，親和度函數最高的抗體即為所求解的最優門限向量。否則進入步驟5。

步驟5 抗體濃度計算： 為了避免抗體種群空間中抗體之間的相似度過高，導致種群進化停滯，必須對相似度高的個體進行抑制。本文定義抗體之間的距離為

算法優勢分析：在文獻[9]中，若各階段中產生的個體不符合約束條件時，則丟棄該個體并重新生成直至新個體滿足約束條件為止。但是，當進化進入后期時，大多數個體基本上已處于約束條件邊界附近，進行交叉以及變異操作時，往往需要進行很多次重復操作才可以生成新的可行個體，這無疑使得進化效率降低，后期進化緩慢。本文采用約束修正方法對不可行個體進行修正，大量實驗表明，一般僅需幾次修正就可使其滿足約束條件，從而降低了算法的時間復雜度，提高了進化效率。另外，智能算法最為重要的思想就是使種群進化的同時，抑制超級個體的出現，從而保持種群的多樣性。本文采用具有自適應性質的克隆算子[16,17]，該算子通過濃度抑制和克隆擴張使種群進化的同時保持了種群的多樣性，抑制了早熟現象；而文獻[9]的算法并不具備該特性。另外，本文在變異操作中采用非一致性變異算子，使得算法兼顧全局搜索和局部搜索，算法在進化初期主要進行全局搜索，而后期則主要進行局部搜索。因此本文算法相比文獻[9]的算法能更有效地避免陷入局部最優，從而找到更優解。

4 仿真結果及分析

5 結束語

頻譜感知是認知無線電的一項關鍵技術。本文以多信道聯合感知為框架，提出了一種基于免疫克隆的多信道聯合感知算法，并與基于遺傳算法的感知方法性能進行了比較。仿真結果表明，本文算法在收斂速度和穩定性上均明顯優于基于遺傳算法的感知方法，且本文算法在相同的干擾情況下能獲得更高的系統吞吐率；另外，隨著信道數目的增加，本文算法對系統性能的改善更為明顯，進一步驗證了基于免疫克隆的多信道聯合感知算法的有效性與優越性。

圖4 算法收斂速度對比

表1仿真試驗中具體參數

0.500.300.450.650.250.600.400.70 c1.918.174.233.867.166.050.821.30 612524623139451409909401

圖6 不同漏警概率上限時的算法性能

圖7 不同信道數目時的算法性能

[1] Sahai A and Cabric D. A tutorial on spectrum sensing: fundamental limits and practical challenges[C]. Proceedings of IEEE Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN), Baltimore, MD, 2005.

[2] Tian Z and Giannakis G B. A wavelet approach to wideband spectrum sensing for cognitive radios[C]. Proceedings of the 1st International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications (CROWNCOM), Mykonos Island, Greece, 2006: 1-5.

[3] Hur Y, Park J, Woo W,.. A wideband analog multi- resolution spectrum sensing technique for cognitive radio systems[C]. Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Island of Kos, Greece, 2006: 4090-4093.

[4] Quan Z, Cui S, Sayed A H,.. Optimal multiband joint detection for spectrum sensing in cognitive radio networks[J]., 2009, 57(3): 1128-1140.

[5] Tariq S, Ghafoor A, and Farooq S Z. Analysis of joint multiband sensing-time M-QAM signal detection in cognitive radios[J]., 2012, 34(6): 892-899.

[6] Farooq S Z and Ghafoor A. Analysis of multiband sensing- time joint detection framework for cognitive radio systems[C]. 2012 IEEE Vehicular Technology Conference (VTC), Quebec City, 2012: 1-5.

[7] Hossain K, Assra A, and Champagne B. Multiband joint detection with correlated spectral occupancy in wideband cognitive radios[C]. 2012 International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), Paris, 2012: 541-545.

[8] Hossain K, Champagne B, and Assra A. Cooperative multiband joint detection with correlated spectral occupancy in cognitive radio networks[J]., 2012, 60(5): 2682-2687.

[9] Sanna M and Murroni M. Optimization of non-convex multiband cooperative sensing with genetic algorithms[J]., 2011, 5(1): 87-96.

[10] El-Saleh A A, Ismail M, and Ali M A M. Genetic algorithm- assisted soft fusion-based linear cooperative spectrum sensing[J]., 2011, 8(18): 1527-1533.

[11] Newman T R, Barker B A, Wyglinski A M,.. Cognitive engine implementation for wireless multicarrier transceivers[J]., 2007, 7(9): 1129-1142.

[12] Shang R, Jiao L, Liu F,.. A novel immune clonal algorithm for MO problems[J]., 2012, 16(1): 35-50.

[13] Hong Y Y, Lin J K, Wu C P,.. Multi-objective air- conditioning control considering fuzzy parameters using immune clonal selection programming [J]., 2012, 3(4): 1603-1610.

[14] 王曉飛, 陳岳兵, 張希, 等. 基于免疫克隆選擇的認知無線網絡頻譜分配研究[J]. 電子與信息學報, 2011, 33(7): 1561-1567.

Wang Xiao-fei, Chen Yue-bing, Zhang Xi,.. Immune- clonal-selection based spectrum assignment for cognitive radio networks[J].&, 2011, 33(7): 1561-1567.

[15] 朱思峰, 劉芳, 柴爭義. 基于免疫計算的 WCDMA 網絡基站選址優化[J]. 電子與信息學報, 2011, 33(6): 1492-1495.

Zhu Si-feng, Liu Fang, and Chai Zheng-yi. A novel immune algorithm for WCDMA base station locations optimization [J].&, 2011, 33(6): 1492-1495.

[16] 柴爭義, 劉芳. 基于免疫克隆選擇優化的認知無線網絡頻譜分配[J]. 通信學報, 2010, 31(11): 92-100.

Chai Zheng-yi and Liu Fang. Spectrum allocation of cognitive wireless network based on immune clone selection optimization[J]., 2010, 31(11): 92-100.

[17] 孫大為, 常桂然, 李鳳云, 等. 一種基于免疫克隆的偏好多維 QoS云資源調度優化算法[J]. 電子學報, 2011, 39(8): 1824-1831.

Sun Da-wei, Chang Gui-ran, Li Feng-yun,.. Optimizing multi-dimensional QoS cloud resource scheduling by immune clonal with preference[J]., 2011, 39(8): 1824-1831.

夏巧橋： 男，1987年生，博士生，研究方向為認知無線電、智能 算法.

田 茂： 男，1957年生，教授，博士生導師，研究方向為移動通信、探地雷達.

汪鼎文： 男，1981年生，副教授，研究方向為智能計算、圖像處理.

Immune Clone Algorithm Based Multiband Joint Detection Method for Cognitive Radio

Xia Qiao-qiao①Tian Mao①Wang Ding-wen②Chen Xi②

① (,,430072,)②(,,430072,)

This paper studies the mathematical model of Multiband Joint Detection (MJD). The MJD problem can be formulated as a constrained optimization problem with the goal of maximizing the aggregated opportunistic throughput of a cognitive radio system under some constraints on the interference to the Primary User (PU). An Immune Clone Algorithm (ICA) is proposed to solve this problem. The performance of the proposed method is analyzed and compared with the Genetic Algorithm (GA) based technique through computer simulations. Experiment results show that the proposed method offers higher aggregated opportunistic throughput rates under the same interference to PU than GA, and the results demonstrate the stability and effectiveness of the method.

Cognitive Radio (CR); Spectrum sensing; Immune Clone Algorithm (ICA); Genetic Algorithm (GA); Multiband joint detection

TN92

A

1009-5896(2014)01-0055-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00340

2013-03-15收到，2013-08-12改回

國家自然科學基金(61072135)資助課題

陳曦 robertcx@whu.edu.cn