中繼式協作頻譜感知仿真平臺設計

馮景瑜， 張 亮， 盧光躍

(西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

中繼式協作頻譜感知仿真平臺設計

馮景瑜， 張 亮， 盧光躍

(西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

為了在認知用戶與數據融合中心之間的單跳直接式通信受阻時，通過鄰居節點提供的中繼輔助進行多跳通信，以完成數據融合中的感知結果報告，基于分層分簇的協作網絡建模思想，提出一種多跳中繼式協作模型，并在此基礎上，使用Matlab GUI中的GUIDE工具，設計出一種用于中繼式協作頻譜感知環境的仿真平臺。系統性能測試表明，所設計的仿真平臺可對常見協作頻譜感知算法，在多跳中繼式模式下進行有效地仿真和性能分析。

協作頻譜感知；中繼式協作；圖形用戶界面

隨著無線通信技術的快速發展，已授權的頻譜資源越來越稀缺。認知無線電[1-2]技術有效提高了可用頻譜的利用率，通過不斷感知、學習、理解和適應周圍環境變化，在不干擾主用戶的前提下機會式地使用該授權頻譜。協作頻譜感知(Cooperative Spectrum Sensing，CSS)[3]是認知無線電技術的首要環節，通過多個認知用戶(Secondary User, SU)相互協作感知主用戶(Licensed User, LU)頻譜的空閑狀態[4]，由此可提高頻譜利用率。

目前，多個認知用戶的協作頻譜感知主要可以分為單跳直接式協作[5]和多跳中繼式協作[6]。各SU之間或SU與LU之間的信道根據用途不同，可分為感知信道[7]和報告信道[8]。感知信道是SU與LU之間的點到點物理鏈路，用以檢測LU信號的信道或頻帶。報告信道是鏈接SU與融合中心(Fusion Center, FC)之間形成點到點的物理鏈路，用以傳輸認知用戶通過感知信道獲取的感知數據。

在實際的協作頻譜感知場景中，廣泛存在著報告信道都不理想的情況。目前側重于單跳式協作感知算法[9]的仿真方案，在感知信道或者報告信道不理想時，將很難保證FC得出準確的判決結果。文[10-11]提出感知信道的中繼式協作模型，利用其它感知信道理想的SU充當中繼用戶轉發感知數據，提高協作感知的整體性能。

本文擬根據已有的研究成果，使用Matlab GUI的GUIDE工具，設計一種人機交互界面，實現報告信道的中繼式協作頻譜感知仿真平臺 (Relay-based Cooperative Spectrum Sensing Simulator, RecssSim)。設計系統將建立在分層分簇的協作網絡模型中，通過改變噪聲、路徑衰落、信噪比等環境參數，仿真報告信道的多跳中繼式協作感知技術，并對或(OR)、與(AND)、多數(Majority, MAJ)等數據融合算法進行感知性能分析。

1 設計原理

1.1 中繼式協作網絡模型

在協作網絡中(圖1)，通過報告信道的多跳中繼式協作頻譜感知，可以提高SU報告本地感知結果給FC的準確性。

圖1 中繼式協作網絡

RecssSim仿真平臺的網絡模型是分層分簇的協作網絡，在空間采取經緯度分層，并劃分為多個簇，建立中繼式協作網絡模型。如圖2，按離主用戶LU的遠近劃分為3層緯度區域，按不同的方向角度分為6個經度區域。定義同一經度區域的SU為一個分簇，總共有6個分簇，為了提高中繼協作的效率，優先考慮同一分簇內的多跳中繼協作。

圖2 單主用戶的中繼式協作網絡模型

假設協作網絡中有1個主用戶LU，在這個LU的信號覆蓋邊界內有N個認知用戶SU。這N個SU中，N1個SU在第一緯度區間，N2個SU在第二緯度區間，N3個SU在第三緯度區間。只有與LU緊鄰的SU(即緯度為1)能直接較好地將本地感知結果報告給FC，其余SU僅能在LU信號覆蓋范圍內感知到LU信號，但不能準確地將感知結果報告給FC，需要通過臨近中繼節點的報告信道，多跳式地將其本地結果傳遞給FC。考慮到網絡模型的復雜度，設同一簇的同一緯度區域最多有兩個SU。

將這N個SU中，每次發起請求感知當前LU頻譜狀態的SU稱為初始感知SU。初始感知SU通過其符合條件的鄰居節點的中繼輔助，多跳式地完成對LU狀態的本地感知報告，形成一條或多條感知報告信道鏈路。

1.2 中繼式協作過程模擬

在中繼式協作頻譜感知中，多跳式傳遞感知報告的過程可抽象為3個階段。

(1) 探尋鄰居節點階段

通過各SU的經度緯度參數可以確定各SU自己本簇內的鄰居節點(Nb)。

(2) 形成中繼鏈路階段

通過基本的請求-應答(Req-Ack)握手通信機制，形成經鄰居節點輔助的中繼式報告信道鏈路。

(3) 報告本地結果階段

將初始感知SU的本地感知報告，通過已形成的報告信道鏈路傳輸給FC，最后FC依據相應的融合算法將本簇內各感知結果進行數據融合處理。

如圖3所示，初始感知SU17請求感知LU的頻譜狀態，由于不能很好地與FC進行通信，經過第一階段向其鄰居SU8、SU13、SU19、SU23發出中繼輔助請求，通過第二階段形成中繼報告信道，在SU8和SU5的中繼輔助下，可以較好地將SU17的感知結果報告給FC，從而可以判決最終LU的當前狀態。

圖3 中繼式協作過程模擬

1.2.1 探尋鄰居節點

在理想情況下，LU的發射機在各個信道均有相同表現，每個SU與LU相距的遠近不同，其感知到的能量大小也有不同。根據文[6]，約定主用戶信號能量(Es)的1/4為允許請求中繼輔助感知的本地感知臨界能量E*，所以只要SU的感知能量大于這個臨界值，就可視該SU屬于初始SU的潛在鄰居節點集合。假設這N個SU均在該臨界能量范圍內，均可以向初始SU提供中繼輔助。在這個潛在鄰居節點集合中，若某節點滿足以下兩個條件的任一種，則視其為初始SU的鄰居節點(Nb)。

(1) 該節點與初始SU處在同一經度，且緯度差值小于等于1。

(2) 該節點與初始SU處在同一緯度，且經度差值小于等于1。

由以上規則，并考慮到中繼式協作的效率，優先考慮與低緯度鄰居節點的中繼協作，這樣每次首先得到請求感知的初始SU在本簇內的鄰居列表(LNb)。

特別地，當兩個SU處在本簇內非常臨近的位置，即同經度同緯度區域時，稱該兩個SU為臨近鄰居。初始感知SU可以獲得兩種中繼輔助，一種直接從本簇內低緯度區域的鄰居節點獲得中繼輔助，稱為縱向輔助。另一種可以先從本簇內臨近鄰居，再從臨近鄰居的低緯度鄰居獲得中繼輔助，稱為橫向輔助。

1.2.2 握手形成中繼鏈路

每個SU的本地緩存信息內容如表1所示。

表1 本地SU的緩存信息

握手形成多跳的中繼式報告鏈路過程如圖4。

圖4 形成中繼輔助鏈路過程

請求感應的初始SU優先向其本簇內鄰居列表中更低緯度的鄰點縱向發送Req，再向同緯度的鄰點橫向發送Req；第一次握手成功，該鄰點會返回Ack，并返回該鄰點的相應信息給初始SU；若該鄰點仍無法直接較好與FC通信，則繼續尋找該鄰居的本簇內鄰居節點，并逐層握手，直到成功握手緯度值為1(即可以直接較與FC通信)的SU。

在此過程中，保存每一次成功握手的源節點和目的節點信息，形成從最初請求SU到可較好與FC通信SU的報告信道鏈路，記錄此鏈路為報告信道的中繼輔助鏈路列表(LC)。

1.2.3 傳輸感知信息

考慮與初始感知SU同分簇內的報告信道的中繼式協作，根據1.1節建立的網絡模型，可能形成多條中繼式報告信道鏈路，可以根據跳數信息和鄰居節點信息分為以下3類。

(1)單跳的直接報告信道鏈路。

(2)多跳的無臨近鄰居的中繼式報告信道鏈路。

(3)多跳的有臨近鄰居的中繼式報告信道鏈路。

根據形成的報告信道的鏈路數，將初始感知SU在本簇內感知到的中繼協作鏈路分為3種情況，分別如圖5、圖6和圖7所示，其中●表示初始請求感知SU，○表示中繼輔助SU，△表示可以直接較好與FC通信的可靠SU。

第一種，只形成一條報告信道鏈路。由初始感知SU直接，或經一跳、兩跳的中繼節點與FC進行通信，這種情況是無臨近鄰居的中繼式協作。

圖5 一條本簇內的中繼協作鏈路

第二種，形成兩條報告信道鏈路。由初始感知SU經一跳、兩跳或三跳的中繼節點與FC通信，其中的虛線鏈路是有臨近鄰居的中繼式協作。

圖6 兩條本簇內的中繼協作鏈路

第三種，形成四條報告信道鏈路。由初始感知SU經兩跳或三跳的中繼節點與FC通信，圖7所示也是有臨近鄰居的中繼式協作。

圖7 四條本簇內的中繼協作鏈路(兩跳或三跳)

有臨近鄰居的中繼式協作有一個重要優勢，即初始感知SU在本簇內縱向輔助中，出現故障或者問題的鄰居節點無法再提供中繼式協作時，初始感知SU就可以通過臨近鄰居先橫向輔助，再通過其臨近鄰居的縱向輔助形成中繼式報告信道鏈路，這樣可以提高一定規避危險的能力。

根據已形成的報告信道的中繼輔助鏈路列表(LC)的順序，從高緯度向低緯度 (即從源節點向目的節點)發送本地感知的LU狀態信息給FC，經過OR、AND、MAJ等硬判決數據融合算法，將初始感知SU本簇內的各SU報告感知結果進行融合，最終得到當前LU頻譜狀態判決。

2 系統界面設計

使用Matlab GUI中的GUIDE工具，設計出一個中繼協作式頻譜感知仿真平臺RecssSim。RecssSim的系統界面如圖8所示，signal_axes和noise_axes呈現主用戶的信號和信道噪聲，relaylink_axes輸出感知到中繼輔助的報告信道鏈路圖，cortrans_rate_axes輸出經過該中繼協作鏈路傳輸數據的正確率，roc_axes、pd_axes和pf_axes輸出確定中繼協作鏈路后，常用協作頻譜感知融合算法的系統性能。

同時可以設置基本的環境參量，如信噪比、信號采樣頻率、路徑是否理想等。還可以根據仿真需求，選擇仿真的協作頻譜感知算法以及蒙特卡洛次數，開關仿真結果ROC曲線的輸出，并且可以方便地保存或者導出仿真結果，進行系統和算法的性能分析。

環境參數及融合算法設置如表2所示，而仿真操作及ROC設置如表3所示。

圖8 仿真平臺控件布局設計

控件類型執行功能Tag屬性回調函數單選按鈕有無高斯白噪聲agwn＿radiobuttonagwn＿radiobutton＿Callback()有無路徑衰落pathloss＿radiobuttonpathloss＿radiobutton＿Callback()文本輸入設置信噪比snr＿editsnr＿edit＿Callback()，snr＿edit＿CreatFcn()設置采樣頻率fs＿editfs＿edit＿Callback()，fs＿edit＿CreatFcn()設置蒙特卡洛次數mtcycle＿editmtcycle＿edit＿Callback()，mtcycle＿edit＿CreatFcn()列表框選擇采用的融合算法fusionlistfusionlist＿Callback()

表3 仿真操作及ROC設置

3 系統性能測試

假設在如1.1節網絡模型中，總SU數目為N=25，其中N1=6，N2=8，N3=11，并引入常見協作頻譜感知數據融合算法OR、AND和MAJ，用于測試RecssSim系統性能。

在圖9所示的RecssSim仿真平臺上，設置信噪比為-8 dB、路徑衰落，蒙特卡洛次數為10 000后，形成了初始感知SU20到目的節點SU1之間傳遞感知結果的報告信道鏈路[20, 8, 1]。在此基礎上，可得出對OR算法的多跳中繼式協作性能分析。

圖9 RecssSim平臺下的OR算法測試結果

在圖10中，配置相同的環境參數，形成了初始感知SU23到目的節點SU3之間傳遞感知結果的四條報告信道鏈路，其中[23,10,3]和[23,13,3]無鄰近鄰居的中繼輔助鏈路，[23,19,10,3]和[23,19,13,3]為有臨近鄰居SU19的中繼輔助鏈路。然后可得出對AND算法的多跳中繼式協作性能分析。

圖10 RecssSim平臺下的AND算法測試結果

在圖11形成了初始感知SU13到目的節點SU2之間，具有兩條傳遞感知結果的的報告信道鏈路[13,2]和[13,7,2]，其中第二條有臨近鄰居。最后可得出對MAJ算法的多跳中繼式協作性能分析。

圖11 RecssSim平臺下的MAJ算法測試結果

4 結語

針對報告信道的不理想情況，提出一種多跳中繼式協作頻譜感知方案，用于保障協作頻譜感知的系統性能。在此方案的基礎上，使用Matlab GUI的GUIDE工具，設計出一種中繼式協作頻譜感知仿真平臺RecssSim。所設計的仿真平臺可通過對環境參數的配置，快速實現多跳的中繼式協作頻譜感知性能仿真，并具有較好的擴展性，可完善數據融合功能，為不同中繼式感知的融合方案提供仿真。

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[責任編輯:王輝]

Design of relay-based cooperative spectrum sensing simulator

FENG Jingyu， ZHANG Liang， LU Guangyue

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A multi-hop relay model is proposed from the perspective of hierarchical-clustering collaborative network. When the communication between cognitive users and data fusion center is blocked, this model can provide multi-hop connections via neighbor nodes’ relay-assist to report sensing results reliably. Based on this, a relay cooperative spectrum sensing simulation platform (RecssSim) is designed using the GUIDE tool of Matlab GUI. System performance analysis shows that RecssSim can simulate typical cooperative spectrum sensing algorithms effectively in the environment of multi-hop relay cooperation.

cooperative spectrum sensing, relay-cooperation, graphical user interface(GUI)

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.006

2013-11-06

國家自然科學基金資助項目(61271276, 61301091)；陜西省國際科技合作重點基金資助項目(2013KW01-03)；西安郵電大學青年教師科研基金資助項目(ZL2012-06)

馮景瑜(1984-)，男，博士，講師，從事無線通信安全、認知無線電和協作頻譜感知研究。E-mail: fjy.fengjingyu@gmail.com 張亮(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為寬帶無線通信。E-mail: zl_9520@163.com

TN911.23

A

2095-6533(2014)01-0031-07