一種基于模擬濾波器的頻譜感知方法研究

李 鵬，閔 慧

(1.湖南中醫藥大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410208；2.湖南信息職業技術學院軟件學院，湖南 長沙 410200)

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1 引言(Introduction)

移動數據的迅速增長給蜂窩網絡的運營商帶來了嚴峻挑戰，許多運營商面臨嚴重的頻譜短缺問題，如果不加以解決，會導致頻譜危機。這便要求對頻譜進行創新性的動態分析和訪問。

圖1 寬帶頻譜感知問題Fig.1 Broadband spectrum sensing problem

然而，當前的頻譜感知技術還存在如下不足：(1)在DSA網絡中挨個檢測所有窄帶信道(比如序列掃描技術)，以確定信號能量或某個簽名是否存在時，它總是需要次搜索，其中是信道數量，時間復雜度較高。(2)基于高性能模數轉換器(ADC)等先進設備進行寬帶掃描時，高速率ADC的成本高，功耗大，信號處理的計算量太大。例如，為了檢測出500 MHz帶寬，需要功率為2.15 W、價格為775 $、速率為1 Giga/s樣本的ADC。因此，這一帶寬掃描技術不適用于能量有限的移動設備。最近有人提出采用壓縮傳感技術進行帶寬頻譜感知。這些技術需要次奈奎斯特抽樣，搜索復雜度為(? log)，其中是頻譜的稀疏度。然而，這往往需要值先驗知識，這在DSA網絡中是不可行的，因為DSA網絡的移動設備會頻繁地加入和離開網絡。鑒于此，本文基于壓縮感知理論，提出了一種改進的頻譜感知方案，并通過仿真實驗驗證了本文方案的有效性。

2 基于模擬濾波器的頻譜感知(Spectrum sensing based on analog filter)

2.1 問題闡述

2.2 基本算法

圖2 SSS-AF檢測示例Fig.2 SSS-AF detection example

算法2：改進型SSS-AF

初始化、為0，頻譜分布全為0；

是頻帶內所有信道數量；

測量噪聲功率，設置閾值。

3 仿真實驗(Simulation experiment)

本部分基于實際采集到的信號展開一組仿真實驗。首先研究本文算法的信道感知精度。然后，比較SSS-AF相對序列掃描和壓縮傳感的算法性能。我們以這些數據為基礎，觀察本文基本型/改進型SSS-AF算法需要多少次信道感知才能構建頻譜圖。出于簡便起見，我們將兩種算法稱為SSSAF-B和SSS-AF-E。

(2)信道感知精度。通過改變每個信道感知的能量讀數數量和信號強度來測量漏警率。虛警率在結果中可以忽略不計，所以此處略。圖3給出了相關結果。當信號強度為-80 dBm或更高時，1，000 個樣本基本可以實現信號功率的準確估計。請注意，只用10 個能量讀數就可以充分檢測出-70 dBm或更高強度的信號。在信號強度非常強烈的DSA網絡中，可以顯著降低能量讀數的數量。

圖3 信道感知使用不同數量的能量讀數時獲得的漏警信號檢測率Fig.3 Detection rate of missed alarm signal when channel sensing uses different number of energy readings

(3)信道感知速度。我們計算了構建一個完整的頻譜圖需要的信道測量值總量，測試了帶有1，000 個信道的頻譜帶寬。頻譜內被占用的信道數量為1—1，000 個。仿真運行100 次，每次運行時被占用信道的位置隨機確定，結果如圖4所示。其中，Basic-8和Enhanced-8表示每8 個信道分為一組。序列掃描總是掃描所有信道，因此需要的測量值數量不變。另一方面，壓縮傳感完成信道感知需要的樣本數量低于奈奎斯特率樣本。

圖4 序列掃描、SSS-AF-B、SSS-AF-E和壓縮傳感算法的性能Fig.4 Performance of sequential scanning，SSS-AF-B，SSS-AF-E and compressed sensing algorithms

當頻譜稀疏時，SSS-AF-B性能優于序列掃描。例如，當占用50 個信道時，SSS-AF-B需要不到500 個測量值，只有序列掃描的一半，但是性能不久出現下降。原因如下：當檢測出空閑信道后，SSS-AF-B移到下一個搜索空間，搜索窗口變大。否則，如果檢測出信道在使用，它會保持在當前搜索空間的同時縮小窗口。如果頻譜使用更為密集，則它會在同一頻率周圍前后移動的同時不斷放大和縮小窗口。我們在圖4中發現，SSS-AF-B主要在頻譜占用率為一半左右時進行信道感知。當頻譜密度變大時，傳感時間下降，因為SSSAF-B在大部分時間對被占用信道進行序列傳感。當信道占用率分別為10%和30%時，本文算法的搜索速度分別上升3.4 倍和1.5 倍。

4 結論(Conclusion)

本文提出了一種新的帶寬頻譜快速感知算法。與壓縮傳感或帶寬無線電方法不同，SSS-AF算法不需要非常復雜的硬件設備。相反，我們只使用價格低、能效高的現有模擬濾波器和能量檢測器。SSS-AF算法的復雜度與壓縮傳感算法漸近相當。基于真實硬件設備的仿真結果表明，SSS-AF算法與壓縮傳感算法的性能相當，但是SSS-AF算法不需要頻譜稀疏度先驗知識。