一種基于動態門限的聯合頻譜感知系統

天津理工大學中環信息學院 王奉良

沈陽建筑大學 鄭曉巖

伴隨著科學技術的進步，無線通信技術方面也取得了穩步飛快的發展。針對人們能夠利用的頻譜段的數量越來越少并且存在有些頻譜資源還處在空閑狀態的現象。本文設計了一種新型的基于動態門限的聯合頻譜感知系統，該系統基于二分法獲得最優門限值，基于差分協作壓縮頻譜估算法得到最優的用戶聯合感知數目，并通過D-S證據理論得到更好的融合度。通過仿真實驗表明，此系統可以有效地提高頻譜資源的利用率，同時能保證主用戶不被其他用戶干擾。

隨著網絡技術的不斷發展，無線通信所傳輸的網絡數據越來越多，這就需要更多的頻譜資源來承擔這些任務，而授權用戶占用了很多頻譜卻沒有全部的有效利用。針對這個問題，如何能將閑置的頻譜有效利用，那么首先就需要檢測出哪些頻譜是沒被授權的，哪些頻譜是授權用戶暫時閑置的。主要的傳統頻譜檢測方法單節點檢測包括能量檢測、匹配濾波器檢測等方法，其中能量檢測的優點是不需主用戶的先驗信息，計算量少，但容易受到陰影衰落、多經衰落和隱藏終端等周圍噪聲環境情況的影響等缺陷。匹配濾波器檢測法有著運行時所需的用時少，所得結果準確等優點，但缺點是要提前知道先驗用戶的頻譜相關信息。循環平穩特征檢測對主用戶的信息要求不高所以非常易于實現，但它也存在耗時長、無法分辨信號干擾類型、頻譜的利用率太低等缺陷。鑒于此，本文設計了一種新型的基于動態門限的聯合頻譜感知系統，首先是在相同信噪比的情況下開展對比，比較單節點頻譜檢測和多節點協作頻譜檢測，結果表明，動態門限聯合頻譜能得到更高的正確檢測概率，提高頻譜資源的利用率，獲得更多的有效的頻譜資源。

圖1 陰影效應的聯合頻譜檢測

1 系統模型

陰影效應下的聯合頻譜感知系統模型如圖1所示。圖中認知用戶1和3在接收信號并進行感知的過程中由于存在建筑物或樹木對信號有一定的遮擋效果，產生了一定區域的陰影效應致使無法準確檢測到主用戶的信號而不能進行準確地判斷主用戶是否存在，但認知用戶2能快速準確地檢測到主用戶信息并傳遞給認知用戶1和3，由此可見3個用戶分工合作檢測可以取得更準確的結果，進而提高系統檢測性能。

2 基于差分協作壓縮頻譜估算法

為了能夠充分提供次用戶之間協作方式增加分集效率，以便能提高系統的感知性能進而達到減少本地的計算量的目的，一個效率高的感知融合系統的需求不斷增加，差分協作壓縮頻譜估計算法應運而生，其核心思想是將壓縮感知用于寬帶頻譜協作感知，通過利用無線信號技術還存在弊端以及在傳輸過程中因產生大量頻譜段空閑沒有數據傳輸而造成的稀疏性等特點，并用亞娜奎斯特采樣率收集整個信號的信息，來明顯降低次用戶的采樣壓力。與此同時，根據不同的次用戶的感知頻帶信號有相同的頻譜去提供支撐這個特點，相比于以前的算法，差分協作壓縮頻譜估計算法能滿足在相鄰節點間檢測到先驗條件下，主用戶基于壓縮形式來測量向量差值的寬帶頻譜迭代估計方法，以便在協作感知性能不變的情況下，進一步使感知計算的復雜度下降。

具體算法：

（1）在t=0時，每個次用戶獲得的壓縮頻譜感知的估計值Fj(0) ( j=1.,2,,J )。

（2）次用戶需執行如下迭代過程：①廣播Fj(t) ( j=1,2,,J )為頻譜感知網絡中各節點的估計值；②通過判決門限的值得到需要進行系統估計的先驗信息Fjp(t) ( j=1,2,,J )；③通過求得測量向量差值并進行層層迭代得到Fj(t+1) ( j=1,2,,J )，整個過程逐層增長則t=t+1。

（3）在 t 取無限大時，得到次用戶的頻譜估計值Fj(t)( j=1,2,, J )；通過收斂到全局最優值的狀態，所得最優值為用戶協作的合理數目N。

3 系統總體設計（如圖2所示）

最優認知用戶協作數目N被確定后，具體步驟可以按著如下進行：

（1）最小單節點檢測錯誤概率求門限值與信噪比關系式。

（2）二分法求動態門限值。

（3）各認知用戶將接收端測到的各個信噪比發送到統一融合中心，并求出用戶協作數目N。

（4）求出選中認知用戶相對應的概率。

（5）基于OR融合準則，計算出協作頻譜檢測的相關概率。

4 性能仿真實驗

圖2 最優協作系統流程圖

為了驗證本設計所提優化系統的有效性，對所提系統方案進行仿真實驗操作，得到實驗仿真結果，各個方法之間進行了性能比較，并對能量檢測性能進行了仿真實驗操作。

4.1 基于AND融合準則協作檢測的仿真與結論

在仿真實驗中，取單個認知用戶、3個認知用戶和5個認知用戶3組實驗對象在信噪比為-8dB的情況下，對理論值和實驗結果的仿真值進行比較，結果如圖3所示。

由圖3可知，AND融合準則檢測得到在不同用戶個數情況下仿真值與理論值的落點位置幾乎重合，由此可知仿真值的結果是準確的。由圖可知，AND融合準則檢測在信噪比和虛警概率不變的情況時，隨著測試用戶數量增多，則所獲得的檢測概率不斷增大，這種方法在提升系統檢測性能方面起到了很好的效果。

AND準則中，即只有當每個認知用戶都能感知到授權用戶存在并在實時工作狀態則中心認為此用戶在，由圖片上的仿真結果顯示信噪比的值很高的情況時單用戶能量檢測的方法才會展現出此方法的最好性能體現。

4.2 基于OR融合準則協作檢測的仿真與結論

此次仿真實驗，同樣取單個認知用戶、3個認知用戶和5個認知用戶作為3組實驗對象，在信噪比為-8dB的情況下，開展仿真實驗。實驗結果如圖4所示。

圖4可知，OR融合準則檢測方法中各不同用戶個數的仿真值的落點與理論值基本重合，由此可知仿真值的結果是準確的。由圖可知，OR融合準則在已知的信噪比和其虛警概率所得結果相同的前提下，如果在用戶數量增多的情況下，則其檢測概率也會提高，OR準則所需融合條件易于實現，只要有一個認知用戶感知出授權用戶在線狀態，則融合中心系統直接判定主用戶存在，通過這種方式系統檢測性能可得到很大的提高程度，提升效率。

圖3 信噪比相同用戶數不同時理論值與仿真值對比

圖4 信噪比相同用戶數目不同時理論值與仿真值的對比

4.3 用戶協作檢測性能仿真

設整個被檢測網絡中有多個主用戶，33個認知用戶，設N=33。認知用戶接收信噪比分別為γ1= -20dB，γ2= -19dB，…，γN=12dB。

由圖5可知，在系統虛警概率不變時，由兩系統檢測錯誤概率最大差值和OR準則可以確定參加協作的最優用戶數目Nopt=4，已用方塊標于圖中。在此時，系統檢測性能達到最佳。并且隨著協作檢測用戶數目的增多，所獲得的錯誤概率還在不斷降低。

圖5 恒虛警率下系統檢測錯誤概率對比圖

總結：目前，無線通信技術取得飛速發展，人們對于數據傳輸量和有效提高頻譜資源利用率的需求不斷增加，如何解決頻譜資源日趨匱乏的問題成為大家的共同目標，認知無線電作為一種新興的技術來解決以上問題可能會有很好的成效，首先它可以通過頻譜感知技術正確的找到頻譜空洞即空閑的頻譜段，以此隨時地完成動態頻譜的空閑段落進行合理的利用，這樣的操作能同時地減少對主用戶的干擾，以達到提高頻譜利用率的目的。因為單節點頻譜感知存在局限性，其結果的可信度不高。所以利用聯合頻譜感知技術來提高認知系統的檢測性能，以此減少對授權用戶正常使用的干擾。本文采用理論分析和仿真分析的方法設計了一種新穎的基于門限動態調整的頻譜感知系統。通過仿真結果，本文所提出的動態門限的聯合頻譜感知方法能有效提高系統的感知性能。