一種應(yīng)用于電力無線專網(wǎng)的基于信任度的協(xié)作頻譜感知算法

曹津平 ，李 偉 ，張翼英

（1.國家電網(wǎng)公司信息通信分公司 北京 100761；2.華北電網(wǎng)有限公司 北京 100053）

1 引言

無線通信是一種在配用電系統(tǒng)使用非常普遍的通信方式。目前國內(nèi)電力無線通信使用較多的通信方式有GPRS、CDMA和230數(shù)傳電臺(tái)等。GPRS和CDMA都屬于公網(wǎng)無線技術(shù)，雖然不需要專門為電力業(yè)務(wù)敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)，但其網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性不如專網(wǎng)，并且需要向電信運(yùn)營商繳納高昂的租用費(fèi)用；230數(shù)傳電臺(tái)是在電力專用230 MHz頻譜上采用數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)開發(fā)的電力無線專網(wǎng)，由于數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)比較落后，采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)查詢方式，傳輸速率和頻率效率都很低，不能滿足配用電系統(tǒng)智能化的需求。

為了滿足智能配用電系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)需要，國家電網(wǎng)公司在電力專用頻譜上研究開發(fā)了一種新型電力無線寬帶系統(tǒng)（以下簡稱LTE230系統(tǒng)），該系統(tǒng)采用OFDM、載波聚合、干擾抑制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力業(yè)務(wù)的定制開發(fā)。經(jīng)過現(xiàn)場測試，與GPRS和數(shù)傳電臺(tái)相比，該系統(tǒng)具有頻譜效率高、數(shù)據(jù)吞吐量大、支持多媒體業(yè)務(wù)能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性好等綜合優(yōu)勢。

目前國內(nèi)很多地區(qū)還在使用230數(shù)傳電臺(tái)，因此在推廣應(yīng)用LTE230系統(tǒng)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)存在的情況。數(shù)傳電臺(tái)采用查詢方式工作，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)存在時(shí)，如果LTE230系統(tǒng)不進(jìn)行避讓，很可能對(duì)230數(shù)傳電臺(tái)造成較大的干擾，導(dǎo)致230數(shù)傳電臺(tái)反復(fù)重傳，增加了系統(tǒng)間互相干擾的時(shí)間，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

如何保證兩個(gè)系統(tǒng)在同一頻譜資源上穩(wěn)定運(yùn)行，是提升電力無線專網(wǎng)效率需要解決的實(shí)際問題。針對(duì)這種情況，本文提出在LTE230系統(tǒng)上采用頻譜感知技術(shù)，捕捉頻譜范圍內(nèi)的230數(shù)傳電臺(tái)信號(hào)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩者同時(shí)使用同一個(gè)頻點(diǎn)時(shí)及時(shí)進(jìn)行避讓，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的頻譜利用效率。

為保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，本文將230數(shù)傳電臺(tái)設(shè)為授權(quán)用戶，LTE230系統(tǒng)設(shè)為感知用戶。參考文獻(xiàn)[1～5]提出了一種基于信任度的加權(quán)協(xié)作頻譜檢測算法，通過分析本地檢測性能與感知用戶和信噪比之間的關(guān)系，進(jìn)而給出各感知用戶可信度的權(quán)重，并將信任度權(quán)重代入進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和判決。仿真結(jié)果表明，相較傳統(tǒng)的硬判決協(xié)作頻譜檢測方法，本文提出的算法獲得的檢測結(jié)果更有效。

2 電力無線專網(wǎng)的二元假設(shè)模型

頻譜感知即頻譜檢測技術(shù)，包括“頻譜空穴”的搜尋和判定以及頻譜狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可避免授權(quán)用戶受到有害干擾，是認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)提高頻譜資源利用率的重要前提[6]。

由于是否存在可用頻譜主要取決于頻譜上授權(quán)用戶的占用情況，因此頻譜感知模型通常用描述授權(quán)用戶信號(hào)的二元假設(shè)模型來表示。

設(shè)xi(t)為第i個(gè)感知用戶接收到的信號(hào)，si(t)為其接收到的230數(shù)傳電臺(tái)的發(fā)射信號(hào)，ni(t)為對(duì)應(yīng)通道的加性高斯白噪聲，則電力無線專網(wǎng)的頻譜感知模型可表示為：

其中，H0表示230數(shù)傳電臺(tái)信號(hào)不存在，H1表示230數(shù)傳電臺(tái)信號(hào)存在。

該二元假設(shè)模型存在兩類檢測錯(cuò)誤概率：虛警概率Pf和漏檢概率Pd。虛警概率是授權(quán)用戶實(shí)際上沒有出現(xiàn)，但被錯(cuò)誤判斷為存在授權(quán)用戶的概率；檢測概率為實(shí)際存在授權(quán)用戶，并正確地判斷出存在授權(quán)用戶的概率，即：

實(shí)際應(yīng)用中，通常用Pf和Pd衡量頻譜感知的性能，Pf過高會(huì)損失一些原本可用的頻譜機(jī)會(huì)，導(dǎo)致頻譜利用率下降；Pd過低會(huì)增加影響授權(quán)用戶正常運(yùn)行的干擾。

依據(jù)奈曼—皮爾遜準(zhǔn)則，要提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜感知性能，在Pf一定的條件下，應(yīng)盡量提高Pd。在進(jìn)行頻譜檢測性能分析時(shí)，通常用接收機(jī)操作特性曲線（receiver operation characteristic，ROC）來描述虛警概率與檢測概率之間的相互關(guān)系[7]。

3 協(xié)作頻譜感知算法

由于各感知用戶分布在不同位置，信息之間存在冗余和矛盾。在實(shí)際應(yīng)用中，僅憑借單用戶本地檢測很難達(dá)到要求的性能指標(biāo)。協(xié)作檢測通過信息融合協(xié)調(diào)使用多個(gè)感知用戶的檢測信息，加以互補(bǔ)，降低其不確定性，從而獲得對(duì)授權(quán)用戶狀態(tài)的一致性描述，從而明顯提升系統(tǒng)性能。

在協(xié)作頻譜感知中，感知用戶將本地檢測結(jié)果依據(jù)控制信道帶寬的要求上報(bào)給融合決策中心（fusion center，F(xiàn)C）或相鄰用戶，比較常見的融合方式有“與”準(zhǔn)則、“或”準(zhǔn)則和“K”秩法。

“與”準(zhǔn)則可描述為：對(duì)每個(gè)感知用戶檢測到的結(jié)果進(jìn)行“與”邏輯合并。從物理層次上表現(xiàn)為所有參與檢測的節(jié)點(diǎn)都做出授權(quán)信號(hào)存在的判斷時(shí)才判定信號(hào)存在，否則判定不存在[7]。其檢測概率Qd、虛警概率Qf分別為：

“或”準(zhǔn)則可描述為：對(duì)每個(gè)感知用戶檢測得到的結(jié)果進(jìn)行“或”邏輯合并。從物理層次上表現(xiàn)為只要有一個(gè)認(rèn)知用戶做出授權(quán)用戶存在的判斷，就判定授權(quán)用戶存在[7]。檢測概率Qd、虛警概率Qf分別為：

“K”秩法可描述為：假設(shè)感知用戶數(shù)為N，當(dāng)有K個(gè)以上的感知用戶判斷授權(quán)用戶信號(hào)存在時(shí)，則判定授權(quán)用戶存在，否則認(rèn)為授權(quán)用戶不存在。

“K”秩法的假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/p>

其中，Di為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果。

假設(shè)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測概率與虛警概率分別為Pd,i、Pf,i，則可得到采用“K”秩法后系統(tǒng)的檢測概率Qd、虛警概率Qf分別為：

其中，N表示參與協(xié)作感知的感知節(jié)點(diǎn)數(shù)。

“K”秩法是介于“與”準(zhǔn)則和“或”準(zhǔn)則之間的一種方式，K值的大小與檢測性能直接相關(guān)。當(dāng)K=1或N時(shí)，“K”秩法分別等效于“或”準(zhǔn)則和“與”準(zhǔn)則[7]。

“與”準(zhǔn)則、“或”準(zhǔn)則和“K”秩法均屬于傳統(tǒng)的硬判決協(xié)作頻譜感知，實(shí)現(xiàn)簡單。在對(duì)感知用戶的處理上是完全信任，等權(quán)重，如果系統(tǒng)中存在偏差較大的感知用戶或不可信用戶，可能會(huì)造成合成結(jié)果失效。

4 基于信任度的協(xié)作感知

很多文獻(xiàn)從各個(gè)角度對(duì)協(xié)作感知技術(shù)展開研究[7～16]，但一般的協(xié)作感知算法中，感知用戶的測量結(jié)果被完全信任，在處理一些偏差較大的本地檢測時(shí)，以相同的權(quán)重來分配沖突信息，從而使得合成結(jié)果存在失效問題[1]。這樣處理不利于對(duì)實(shí)際情況做出客觀判別，從而導(dǎo)致檢測結(jié)果受主觀因素的影響較大。

為提高頻譜感知的檢測性能，本文提出一種基于信任度的協(xié)作頻譜。這種算法基于對(duì)影響檢測性能的幾種主要因素的分析，對(duì)本地檢測結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，以提高參與融合決策的感知用戶的性能，實(shí)現(xiàn)整體檢測性能的提升。

4.1 影響協(xié)作感知性能的主要因素

在實(shí)際應(yīng)用中，多用戶分布式協(xié)作檢測的性能與很多因素密切相關(guān)，如參與協(xié)作感知的用戶特征、信道條件以及融合中心的決策方法等[6]。下面以能量檢測法為例，分析影響受信用戶檢測性能的主要因素。

（1）感知用戶特征

協(xié)作感知中，執(zhí)行本地檢測的感知用戶是參與合作的主體，感知用戶的位置、數(shù)量和行為等特征都將直接影響系統(tǒng)的整體檢測性能[6]。

在協(xié)作感知中，能以正常、積極、合作的行為方式參與協(xié)作感知的感知用戶被認(rèn)為是受信用戶。

在一般的協(xié)作感知算法中，都認(rèn)為感知用戶能以正常、積極、合作的方式參與協(xié)作檢測。但在實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)存在一些感知用戶由于設(shè)備損壞或工作環(huán)境惡劣造成的機(jī)械故障，而導(dǎo)致檢測行為失效，通常表現(xiàn)有兩種：一種是常0（always no）用戶，即總是判定授權(quán)用戶不存在；另一種是常1（always yes）用戶，即總是判定授權(quán)用戶存在。

常0用戶的存在降低了協(xié)作頻譜感知的檢測概率，造成感知用戶在存在授權(quán)用戶的情況下使用頻譜資源，干擾了授權(quán)用戶的正常通信；常1用戶的存在降低了協(xié)作頻譜感知的虛警概率，造成感知用戶在不存在授權(quán)用戶的情況下也不能使用頻譜資源。

除了失效用戶外，還可能存在干擾用戶，以不確定方式干擾正常協(xié)作檢測的感知用戶，需要對(duì)其進(jìn)行甄別，以防止其對(duì)協(xié)作檢測性能的影響。

（2）信噪比

按照頻譜感知二元假設(shè)模型采用能量檢測法時(shí)，定義：

由于x(n)服從高斯分布，并且T(x)是N個(gè)高斯變量平方和的均值，所以T(x)服從自由度為N的卡方分布。根據(jù)中心極限定理，當(dāng)N足夠大（N＞＞1）時(shí)，卡方分布將近似于整體分布，此時(shí)，檢測統(tǒng)計(jì)量遵從以下分布：

圖1對(duì)6個(gè)信噪比不同的感知用戶的檢測性能進(jìn)行對(duì)比，6個(gè)感知用戶的信噪比分別為-20 dB、-18 dB、-15 dB、-12 dB、-10 dB和-8 dB，噪聲為高斯白噪聲，采樣點(diǎn)為10 000點(diǎn)。

圖1 不同信噪比用戶的檢測性能

由圖1可以看出，授權(quán)用戶的檢測性能與傳輸過程中信道的信噪比密切相關(guān)。在虛警概率相同的情況下，信噪比高的感知用戶的檢測概率更高。

4.2 算法描述

為了提高感知性能，本文采用協(xié)作感知，協(xié)作感知的系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 協(xié)作感知系統(tǒng)模型

各感知用戶的虛警概率和檢測概率分別為：

在各感知用戶本地檢測的基礎(chǔ)上，通過對(duì)檢測結(jié)果的匯聚和融合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)本地感知用戶的協(xié)作感知。

為提升系統(tǒng)的檢測性能，考慮對(duì)參與感知的LTE230用戶進(jìn)行預(yù)處理，剔除不受信的感知用戶，選擇信任度高的若干個(gè)感知用戶參與協(xié)作感知；在協(xié)作感知過程中，根據(jù)感知用戶的信噪比設(shè)定權(quán)值，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并得到最終的判定結(jié)果。協(xié)作頻譜感知流程如圖3所示。

圖3 基于信任度的協(xié)作頻譜感知流程

4.2.1 本地檢測

協(xié)作頻譜感知算法建立在本地檢測的基礎(chǔ)上，本地檢測選擇最簡單易行的能量檢測法。能量檢測算法是一種基于功率的檢測算法[15]，通過測量一段觀測空間（頻域或時(shí)域）內(nèi)接收信號(hào)的總能量來判決是否存在授權(quán)用戶的信號(hào)，是一種非相關(guān)的次優(yōu)檢測算法[16]。

設(shè)能量判決門限為λ，則LTE230終端根據(jù)以下判決條件判斷是否存在數(shù)傳電臺(tái)的信號(hào)：

判決器將檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量T(x)與預(yù)定判決門限γ進(jìn)行比較并做出判決，可以得到LTE230系統(tǒng)的虛警概率為：

檢測概率為：

4.2.2 剔除不受信用戶

由于感知用戶特征影響檢測的性能，在本地檢測的基礎(chǔ)上，需要剔除非可信用戶，提高后級(jí)協(xié)作感知的可靠性。

假設(shè)干擾用戶的檢測概率為Pd=P{H1t|H1}，其中H1t表示干擾用戶向融合中心傳送230數(shù)傳電臺(tái)信號(hào)是否存在的判決結(jié)果，H1表示230數(shù)傳電臺(tái)信號(hào)真實(shí)存在。由于干擾用戶的判決結(jié)果不是來自于對(duì)230數(shù)傳電臺(tái)信號(hào)的檢測，與230數(shù)傳電臺(tái)是否存在并不相關(guān)，因此干擾用戶的檢測概率可以表示為：

同理，干擾用戶的虛警概率可以表示為：

從以上分析可知，干擾用戶按照一定的概率判定授權(quán)用戶是否存在，它的檢測概率和虛警概率由干擾用戶本身概率決定，并且檢測概率等于虛警概率。

考慮到同一門限值下，有230數(shù)傳電臺(tái)時(shí)的功率值會(huì)大于僅有噪聲時(shí)的功率值，因此可用Pd/Pf進(jìn)行判斷干擾用戶的存在。

通過比較各LTE230終端的虛警概率和檢測概率，剔除失效用戶和干擾用戶。

4.2.3 設(shè)置數(shù)據(jù)源可信度

由于并不是參與協(xié)作感知的用戶數(shù)越多，檢測性能就越好。實(shí)際的檢測性能與參與感知的用戶質(zhì)量有關(guān)。對(duì)性能高的感知用戶賦予更高的信任度將提升協(xié)作感知的整體性能。當(dāng)參與協(xié)作感知的用戶數(shù)量過大時(shí)，融合中心需要的計(jì)算量很大，時(shí)間較長。因此，根據(jù)實(shí)際情況，選擇其中信任度較高的感知用戶。

考慮各感知用戶與融合決策中心以及本地檢測之間的相互關(guān)聯(lián)性對(duì)協(xié)作感知組合結(jié)果的影響，參照參考文獻(xiàn)[5]，引入Jousselme等人提出的證據(jù)間距離函數(shù)。定義認(rèn)知用戶可信度的可靠性系數(shù)為：

其中，μi1為第i個(gè)感知用戶在有授權(quán)用戶時(shí)接收信號(hào)的均值，μi0為第i個(gè)感知用戶在不存在授權(quán)用戶時(shí)接收信號(hào)的均值，γi為第i個(gè)LTE230感知用戶接收信號(hào)的信噪比。

4.2.4 集中決策

5 仿真結(jié)果及分析

為有效評(píng)估基于信任度協(xié)作感知算法的性能，將檢測性能與“與”準(zhǔn)則、“或”準(zhǔn)則、“K”秩法等協(xié)作感知方式進(jìn)行仿真比較。仿真環(huán)境包括1個(gè)230數(shù)傳電臺(tái)（授權(quán)用戶）、10個(gè)LTE230終端（感知用戶）、1個(gè)數(shù)據(jù)融合中心單元。假設(shè)噪聲為AWGN，授權(quán)用戶信號(hào)服從高斯分布，采樣點(diǎn)數(shù)N=10 000。

圖4中，10個(gè)LTE230感知用戶與230數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射機(jī)之間的信噪比依次為-20 dB、-20 dB、-20 dB、-15 dB、-15 dB、-15 dB、-12 dB、-12 dB、-12 dB、-10 dB，分別采用基于信任度的協(xié)作感知算法和常用的“與”準(zhǔn)則、“或”準(zhǔn)則和“K”秩法進(jìn)行性能比較。從圖4中可以看出，基于信任度的協(xié)作算法性能最優(yōu)，在虛警概率相同的情況下，獲得的檢測概率最高。

圖4 基于信任度協(xié)作感知算法的性能比較Ⅰ

圖5 基于信任度協(xié)作感知算法的性能比較Ⅱ

圖5中，依然是對(duì)10個(gè)LTE230感知用戶進(jìn)行協(xié)作感知，設(shè)感知用戶1的信噪比為-10 dB，其余9個(gè)感知用戶的信噪比均為-20 dB，分別采用以上幾種方法進(jìn)行比較。從圖5中可以看出，當(dāng)各通道條件差距較大時(shí)，基于信任度的協(xié)作感知優(yōu)勢更加明顯。

6 結(jié)束語

針對(duì)新型電力無線寬帶系統(tǒng)在推廣應(yīng)用階段可能面臨的頻譜沖突問題，本文提出了一種基于信任度的加權(quán)協(xié)作頻譜檢測算法。通過分析不同感知用戶對(duì)協(xié)作感知性能的影響，提出先剔除影響檢測性能的失效用戶和干擾用戶，選擇信任度高的感知用戶參與協(xié)作感知，并給出失效用戶和干擾用戶的判定原則；最后根據(jù)感知用戶信噪比對(duì)檢測性能的影響，對(duì)應(yīng)設(shè)定各認(rèn)知用戶可信度的權(quán)重，并對(duì)此權(quán)重系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和判決。仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的硬判決協(xié)作頻譜檢測方法，本文提出的算法獲得的檢測結(jié)果更有效。

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