徐世宇　尚俊娜　趙知?jiǎng)拧≮w治棟

摘 要：頻譜感知是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù),合作感知由于能在一定程度上消除多徑和陰影衰落影響而得到廣泛的關(guān)注。研究利用地理位置信息估計(jì)出認(rèn)知用戶(hù)信噪比,在此基礎(chǔ)上提出一種認(rèn)知用戶(hù)和信道分組的合作感知方法,減少了每個(gè)用戶(hù)所要感知的信道數(shù),從而實(shí)現(xiàn)感知時(shí)間的成倍降低。仿真結(jié)果表明,該方法在檢測(cè)性能下降不大的情況下能顯著地減少感知時(shí)間。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無(wú)線電；頻譜感知；合作感知；地理位置信息

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-051-03

Cooperative Spectrum Sensing Method Based on Grouping

XU Shiyu,SHANG Junna,ZHAO Zhijin,ZHAO Zhidong

(Telecommunication School,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou,310018,China)

Abstract：Spectrum sensing is a key technology of achieving cognitive radio.Much attention has been paid to cooperative sensing because it can eliminate the multi-path and shadowing effect.Location information to estimate the Signal-to-Noise Ratio (SNR)is studied,a cooperative sensing method is proposed.This method reduces the number of channel need to be sensed by every user through dividing the users and channels into several groups,thereby the sensing time is reduced.Simulation results indicate that this method can reduce sensing time greatly with only little effect on the performance.

Keywords：cognitive radio;spectrum sensing;cooperative sensing;location information

0 引 言

隨著無(wú)線電應(yīng)用的空前增長(zhǎng),頻譜資源變得日漸稀缺。另一方面,許多已分配的頻段在一定的時(shí)間和空間內(nèi)出現(xiàn)大量閑置,利用率不高。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的報(bào)告［1］估計(jì),70%的無(wú)線電頻譜利用率不高,而少數(shù)沒(méi)有被分配的頻譜由于大量使用,則已經(jīng)顯得擁擠不堪。顯然,需要一種能發(fā)現(xiàn)頻譜在時(shí)間和空間上的空閑狀態(tài)并能動(dòng)態(tài)地接入的技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,從而提高頻譜利用率。認(rèn)知無(wú)線電［2,3］就是為了達(dá)到上述目的而產(chǎn)生的一種技術(shù),它不但能感知外部無(wú)線電環(huán)境并能從以前的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí),從而能動(dòng)態(tài)地接入未被使用的頻譜,并且不影響已授權(quán)用戶(hù)的正常使用。頻譜感知作為實(shí)現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵技術(shù)之一顯得格外重要。

頻譜感知要求認(rèn)知用戶(hù)能在一段頻帶上快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出頻譜空穴來(lái)動(dòng)態(tài)地接入未被使用的頻譜,從而提高頻譜的利用率。為了不影響主用戶(hù)的正常通信從而要求認(rèn)知無(wú)線電能在低信噪比下快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出主用戶(hù)信號(hào),由于無(wú)線電環(huán)境中存在多徑和陰影等各種衰落,使得單用戶(hù)檢測(cè)存在諸如“隱蔽終端”等問(wèn)題而很難滿(mǎn)足主用戶(hù)的保護(hù)要求,合作感知能在一定程度上消除上述的多徑衰落和隱蔽終端等問(wèn)題從而能提高檢測(cè)概率。

文獻(xiàn)［4］假定各個(gè)認(rèn)知用戶(hù)知道與主用戶(hù)的距離,從而估計(jì)出信噪比,其指出參與合作的用戶(hù)數(shù)并不是越多越好,將一部分信噪比高的用戶(hù)參與感知比所有用戶(hù)都參與合作性能要好。現(xiàn)實(shí)中由于無(wú)線電傳輸環(huán)境的復(fù)雜性以及主用戶(hù)距離的不確定性,不同位置上的傳播特性也不同,信噪比很難實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得；在此提出利用地理位置信息的一種分組合作感知方案,利用地理位置信息可以得到各個(gè)認(rèn)知用戶(hù)與主用戶(hù)的距離以及無(wú)線電的傳輸環(huán)境特性,從而估計(jì)出大致的信噪比；由于通常的合作感知每個(gè)用戶(hù)要對(duì)所有信道進(jìn)行檢測(cè),感知時(shí)間長(zhǎng),現(xiàn)將認(rèn)知用戶(hù)和信道進(jìn)行分組,每組認(rèn)知用戶(hù)分別只對(duì)部分信道進(jìn)行檢測(cè),這樣相對(duì)于通常的合作感知可以大大降低檢測(cè)時(shí)間,相對(duì)于單用戶(hù)感知又可以克服多徑和陰影衰落,并且在每一組中通過(guò)對(duì)不同認(rèn)知用戶(hù)賦予不同的權(quán)值來(lái)改善檢測(cè)性能。

1 分組合作感知方法

1.1 系統(tǒng)模型

所用的系統(tǒng)模型是基于IEEE 802.22［5］中所考慮的TV頻段,如圖1所示,主用戶(hù)(PU)為固定的TV發(fā)射機(jī),其發(fā)射功率P和位置已知,其覆蓋半徑為R。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在主用戶(hù)的覆蓋范圍之內(nèi),且其覆蓋半徑為r遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R,它由一個(gè)認(rèn)知基站(BS)和N個(gè)均勻分布在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)范圍之內(nèi)的認(rèn)知用戶(hù)(CR)組成,認(rèn)知基站(BS)距主用戶(hù)發(fā)射機(jī)的距離為R1,考慮在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)不同地點(diǎn)的無(wú)線電傳播特性有所不同,從而認(rèn)知用戶(hù)接收到的來(lái)自PU信號(hào)的路徑衰落因子α也有所不同。假定每個(gè)CR都有定位功能,如裝有GPS接收機(jī)［6］,從而能確定自己和主用戶(hù)的距離和大致的無(wú)線電傳播環(huán)境(城市,郊區(qū),農(nóng)村),并可估計(jì)出各自的信噪比,第i個(gè)CR的信噪比由式(1)計(jì)算:

SNRi=Pd －αiiN0, i=1,2,…,N

(1)

其中：di為第i個(gè)CR與PU的距離；αi是它所經(jīng)歷的路徑衰落因子,通常認(rèn)為衰落因子在自由空間中為2,平原為3,丘陵為3.5,郊區(qū)和農(nóng)村為4,市區(qū)和高樓為4.5；N0為噪聲功率；N為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中總的用戶(hù)數(shù)。

圖1 系統(tǒng)模型

1.2 合作感知方案

根據(jù)主用戶(hù)的保護(hù)要求在認(rèn)知無(wú)線電中需要對(duì)主用戶(hù)進(jìn)行周期為T(mén)p的周期性感知,Tp的大小由主用戶(hù)所能容忍的干擾時(shí)間決定。一般的合作感知方法中,每個(gè)認(rèn)知用戶(hù)需要對(duì)信道逐個(gè)地進(jìn)行感知,當(dāng)信道數(shù)增加時(shí),感知時(shí)間Ts也隨之線性增長(zhǎng),每個(gè)周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間Tp－Ts也相應(yīng)減少,從而導(dǎo)致有效的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間下降。文獻(xiàn)［4］指出,當(dāng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中存在一定數(shù)量的認(rèn)知用戶(hù)時(shí),隨著參與合作的用戶(hù)數(shù)的增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)性能會(huì)先上升后下降,圖2給出了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中總用戶(hù)數(shù)為500時(shí),選取信噪比高的不同數(shù)目的用戶(hù)參與合作感知,在“與”、“或”判決準(zhǔn)則下的檢測(cè)性能,結(jié)果表明將一部分高信噪比的用戶(hù)參與感知比所有用戶(hù)都參與合作感知性能要好。文獻(xiàn)［7］指出,空間位置鄰近的用戶(hù)所經(jīng)歷的衰落往往存在相關(guān)性,所以用戶(hù)分散在大的區(qū)域里進(jìn)行合作感知比用戶(hù)集中在一小塊范圍內(nèi)進(jìn)行合作感知更有效。文獻(xiàn)［8］將合作按信噪比(SNR)不同分為3種情形考慮:當(dāng)所有用戶(hù)SNR接近時(shí),合作能顯著地改善網(wǎng)絡(luò)整體的檢測(cè)性能;當(dāng)有一部分用戶(hù)SNR相對(duì)比較高時(shí),合作對(duì)SNR高的用戶(hù)性能改善不大;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在某一用戶(hù)的SNR遠(yuǎn)高于其他用戶(hù)時(shí),合作的性能還不如一個(gè)高SNR用戶(hù)的檢測(cè)性能。

利用上述分析結(jié)果,將一部分SNR低的用戶(hù)不參與感知以節(jié)省這部分CR的功率損耗,再將參與合作感知的CR隨機(jī)均勻分成M組,將信道也分成M組,每組CR與它所要感知的信道組一一對(duì)應(yīng),這樣每個(gè)認(rèn)知用戶(hù)只需對(duì)與它所對(duì)應(yīng)的那組信道逐一地進(jìn)行感知,而不必對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有信道進(jìn)行感知,感知時(shí)間降為原來(lái)的1/M。由于能量檢測(cè)簡(jiǎn)單易行,在此單用戶(hù)檢測(cè)采用能量檢測(cè),其判決統(tǒng)計(jì)量為:

Y=∑Si=1x2i

(2)

其中:S為采樣點(diǎn)數(shù),xi為第i個(gè)采樣點(diǎn)的值；由于同一組認(rèn)知用戶(hù)中的SNR不同,因而它們的檢測(cè)性能也不同,文獻(xiàn)［9］給出了判決統(tǒng)計(jì)量Y的概率分布：

Y=χ 2 2TW ,H 0

χ 2 2TW(λ) , H 1

(3)

其中：H0表示沒(méi)有主用戶(hù)信號(hào)的情形,此時(shí)判決統(tǒng)計(jì)量服從零均值的卡方分布；H1表示存在主用戶(hù)信號(hào),判決統(tǒng)計(jì)量服從非中心系數(shù)為λ的非中心卡方分布。根據(jù)上述分布可以求得在一定虛警概率下的檢測(cè)門(mén)限,從而各個(gè)用戶(hù)檢測(cè)概率pd(i)也可求得?？梢钥紤]對(duì)各個(gè)用戶(hù)按檢測(cè)性能進(jìn)行加權(quán)來(lái)進(jìn)一步提高檢測(cè)性能,在同一組CR中并對(duì)它們的感知結(jié)果分別賦以不同的權(quán)重wi,這里取權(quán)重 :

wi=pd(i)/∑Gi=1pd(i)

(4)

其中:pd(i)為第i個(gè)用戶(hù)在一定虛警概率下的檢測(cè)概率,G=N1/M為每一組的用戶(hù)數(shù),這樣就可以得到對(duì)某一信道在合作感知下的統(tǒng)計(jì)判決量:

T=∑Gi=1wiDi

(5)

其中:G為同一組CR的用戶(hù)數(shù),Di為第i個(gè)用戶(hù)的判決結(jié)果,0表示無(wú)信號(hào),1表示有信號(hào)。當(dāng)然,由于加權(quán)時(shí)每個(gè)用戶(hù)在控制信道中不但要傳輸它所感知的那組信道的判決結(jié)果,也要傳輸它們自身檢測(cè)概率的理論值pd(i),這在一定程度上增加了系統(tǒng)的負(fù)荷。對(duì)于一個(gè)認(rèn)知用戶(hù)來(lái)說(shuō),在一個(gè)感知周期中所要傳輸?shù)呐袥Q結(jié)果的值的個(gè)數(shù)等于它所感知的信道數(shù)目,而pd(i)只有一個(gè)值,所以相對(duì)于判決結(jié)果的數(shù)據(jù)量來(lái)說(shuō)系統(tǒng)傳輸pd(i)時(shí)其負(fù)荷并沒(méi)有顯著增加。提出的分組合作感知方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1) 首先由地理位置信息得到認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的所有CR距主用戶(hù)的距離以及它們各自的無(wú)線電環(huán)境傳播特性,按式(1)估計(jì)各自信噪比,并選取N1個(gè)SNR相對(duì)較高的認(rèn)知用戶(hù)參與頻譜感知。

(2) 將這N1個(gè)用戶(hù)隨機(jī)分成數(shù)目相同的M組,同時(shí)把將要感知的信道也分成M組。

(3) 每組認(rèn)知用戶(hù)分別與對(duì)應(yīng)的一組信道進(jìn)行合作感知。

(4) 對(duì)同一組認(rèn)知用戶(hù)根據(jù)SNR計(jì)算它們各自的檢測(cè)概率,將感知結(jié)果和pd(i)通過(guò)控制信道發(fā)送給判決中心,判決中心根據(jù)式(4)得到它們各自的權(quán)重,由感知結(jié)果和權(quán)重以得到式(5)的判決統(tǒng)計(jì)量。

(5) 將判決統(tǒng)計(jì)量T與虛警概率所確定的門(mén)限進(jìn)行比較來(lái)確定可用信道。當(dāng)T>λ,主用戶(hù)存在,反之 T＜λ則判為空閑信道,其中λ為判決門(mén)限,它由虛警概率確定。

圖2 網(wǎng)絡(luò)整體檢測(cè)性能隨合作的用戶(hù)數(shù)的變化曲線

2 仿真分析

這里采用能量檢測(cè)法對(duì)分組合作感知方法進(jìn)行仿真,能量檢測(cè)的采樣點(diǎn)數(shù)為S=2 000,對(duì)每組用戶(hù)分別進(jìn)行T=10 000次仿真來(lái)得到檢測(cè)概率和虛警概率。仿真中取BS的覆蓋半徑r為33 km,BS距PU的距離為150 km,BS覆蓋范圍內(nèi)存在500個(gè)CR,TV的發(fā)射功率取P=400 W,假定不同位置上的路徑衰落因子不同,圖1中在BS覆蓋范圍內(nèi)有三角形的區(qū)域?yàn)棣?2.75,其他區(qū)域α=2.7。背景噪聲為加性高斯白噪聲,每個(gè)信道內(nèi)的功率為-95.4 dBm,在BS處主用戶(hù)的信噪比為-18.3 dB。

考慮在500個(gè)認(rèn)知用戶(hù)中選取N1=105個(gè)高信噪比的用戶(hù)參與感知,將參與感知的用戶(hù)隨機(jī)分組,每組用戶(hù)數(shù)G=15,將每組的感知性能與沒(méi)分組時(shí)選取信噪比最高的15個(gè)用戶(hù)在加權(quán)合作感知下的感知性能如圖3所示。由圖3可見(jiàn),分組后的檢測(cè)性能相對(duì)于取15個(gè)信噪比最高的用戶(hù)的加權(quán)合作感知下降不大,說(shuō)明該方法在對(duì)檢測(cè)性能影響不大的情況下能成倍地降低總的感知時(shí)間,從而能在很大程度上提高感知效率。

圖4給出了N1=200,G分別取10,15,20,25時(shí)加權(quán)合作感知的性能。從圖4可以得出,隨著每組的用戶(hù)數(shù)G增加,檢測(cè)性能也相應(yīng)地增加；但當(dāng)G值比較大時(shí),每組中增加相同數(shù)目的用戶(hù)獲得的性能增益會(huì)大大降低,所以要根據(jù)檢測(cè)性能和感知時(shí)間選取一個(gè)最佳的G來(lái)達(dá)到一個(gè)折衷。

圖3 分組前后性能對(duì)比

圖4 G取不同值時(shí)的性能

前面仿真給出的都是在加權(quán)下的合作感知性能, 圖5給出了加權(quán)前后的性能對(duì)比,這里N1=200,G=15,權(quán)重wi由式(4)求得。由圖5可見(jiàn),通過(guò)加權(quán)能進(jìn)一步改善檢測(cè)性能,而且這種改善在SNR已知下只需在傳送判決結(jié)果的同時(shí)將pd(i)也通過(guò)控制信道一起發(fā)送就可以獲得。

圖5 加權(quán)和未加權(quán)的性能對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

頻譜感知是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)之一,在此利用地理位置信息提出一種合作感知方法,通過(guò)對(duì)認(rèn)知用戶(hù)和信道進(jìn)行分組,減少每個(gè)用戶(hù)所要感知的信道數(shù),從而實(shí)現(xiàn)感知時(shí)間的降低。仿真結(jié)果表明該方法能在檢測(cè)性能影響不大的情況下使得感知時(shí)間成倍地下降。

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