鄒 麗，陳佳佳

1.南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019;2.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003

雙門限協(xié)作能量檢測性能分析

鄒 麗1，陳佳佳2

1.南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019;2.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003

傳統(tǒng)的單門限能量檢測，如果有突發(fā)噪聲或者其它因素，產(chǎn)生誤檢的概率會(huì)比較大。使用基于OR準(zhǔn)則的雙門限協(xié)作能量檢測算法，檢測時(shí)對(duì)每個(gè)用戶設(shè)定兩個(gè)判決門限，利用多個(gè)用戶檢測結(jié)果進(jìn)行OR準(zhǔn)則協(xié)作判決，提升檢測性能。數(shù)值仿真結(jié)果表明，這一方法能夠提高頻譜檢測概率、抑制漏檢率。當(dāng)信噪比較低、認(rèn)知用戶數(shù)N=5時(shí)，雙門限性能最高要比單門限高出22%；認(rèn)知用戶數(shù)N=10時(shí)，雙門限性能最高要比單門限高出17%。實(shí)際應(yīng)用中，低信噪比的惡劣環(huán)境居多，因此雙門限檢測具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用空間非常廣闊。

認(rèn)知無線電;單門限;雙門限;協(xié)作能量檢測

認(rèn)知無線電[1]已經(jīng)成為一個(gè)有效解決頻譜使用效率低下的理論。頻譜檢測技術(shù)是認(rèn)知無線電中非常重要的環(huán)節(jié)，而能量檢測技術(shù)[2]是頻譜檢測中最常用的方法。傳統(tǒng)的單門限能量檢測，如果有突發(fā)噪聲或者其它的干擾因素，產(chǎn)生誤檢測的概率非常大，對(duì)主用戶接入頻譜的優(yōu)先權(quán)和認(rèn)知用戶及時(shí)使用系統(tǒng)都產(chǎn)生影響。針對(duì)這種情況，可以在傳統(tǒng)單門限的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)檢測門限，成為雙門限能量檢測算法。眾所周知，認(rèn)知用戶之間的協(xié)作檢測能夠提升頻譜檢測的可靠性[3,4]。多個(gè)認(rèn)知用戶之間協(xié)作檢測能夠改進(jìn)單用戶能量檢測算法的缺陷，因此，可使用協(xié)作能量檢測算法代替單用戶能量檢測算法。

文獻(xiàn)[5]分析了單門限協(xié)作能量檢測算法性能，文獻(xiàn)[6]分析了單門限協(xié)作能量檢測算法，并和單門限單用戶能量檢測算法做比較，得出單門限協(xié)作能量檢測算法的性能；文獻(xiàn)[7]分析了雙門限單用戶能量檢測算法在高斯信道下的檢測性能。本文使用基于OR準(zhǔn)則的雙門限協(xié)作能量檢測算法，分析其檢測性能，并與單門限單用戶能量檢測算法和單門限協(xié)作用戶能量檢測算法做比較，依據(jù)現(xiàn)有的檢測性能推導(dǎo)公式，通過數(shù)值仿真，得出雙門限協(xié)作能量檢測算法優(yōu)于單門限能量檢測算法的結(jié)論。

1 單門限能量檢測

如圖1所示，單門限能量檢測算法僅僅使用一個(gè)檢測門限值(Vth)。如果接收到的信號(hào)能量V大于Vth時(shí)，判定為出現(xiàn)了主用戶，描述為事件H1；否則，就認(rèn)定主用戶沒有出現(xiàn)，描述為事件H0。

圖1 單門限能量檢測圖Fig.1 Schematic diagram of single-threshold energy detection

在無線衰落條件下，運(yùn)用能量檢測方法，能夠依次算出檢測概率、虛警概率以及漏檢概率[8]：

(1)

(2)

Pm=Pr{V≤Vth|H1}

(3)

式(1)、式(2)、式(3)中，γ代表認(rèn)知用戶所收到的信噪比，Vth代表門限值，Qu(a,b)代表階數(shù)是u的歸一化伽馬函數(shù)，也就是非完全的伽馬函數(shù)，而且是參數(shù)b的單調(diào)減函數(shù)，Γ(a)代表完全的伽馬函數(shù)。

N個(gè)認(rèn)知用戶運(yùn)用單門限協(xié)作檢測算法時(shí)，假定有幾個(gè)中心節(jié)點(diǎn)檢測到認(rèn)知用戶發(fā)送的檢測結(jié)果，接著中心節(jié)點(diǎn)將收到的檢測結(jié)果運(yùn)行協(xié)作檢測。最普遍的協(xié)作準(zhǔn)則是OR準(zhǔn)則[9]，也就是最少有一個(gè)認(rèn)知用戶探測到主用戶的信號(hào)，那么就判定出現(xiàn)了主用戶信號(hào)，當(dāng)且僅當(dāng)全部認(rèn)知用戶都沒有檢測到主用戶信號(hào)時(shí)，才判定為尚未出現(xiàn)主用戶信號(hào)。依據(jù)OR規(guī)則，能夠算出N個(gè)認(rèn)知用戶運(yùn)用單門限協(xié)作檢測時(shí)候的檢測概率、虛警概率以及漏檢概率[10]：

(4)

(5)

(6)

式(4)、式(5)、式(6)中Pd,i、Pf,i、Pm,i分別表示第i個(gè)認(rèn)知用戶的檢測概率、虛警概率以及漏檢概率。

2 雙門限能量檢測

如圖2所示，在傳統(tǒng)只有一個(gè)檢測門限的基礎(chǔ)上再添加一個(gè)檢測門限，使之成為擁有兩個(gè)檢測門限Vth0和Vth1的能量檢測算法[11]。當(dāng)然，只有當(dāng)V>Vth1或者V

圖2 雙門限能量檢測Fig.2 Schematic diagram of double-threshold energy detection

假定在狀態(tài)H0和H1下判定落在(Vth0,Vth1]內(nèi)的不確定概率分別是

(7)

(8)

雙門限單用戶獨(dú)立檢測時(shí)的檢測概率、漏檢概率、虛警概率依次求得如下[12]：

(9)

(10)

(11)

結(jié)合協(xié)作的方法以及多門限能量檢測方法，可使用一種以多用戶協(xié)作為基準(zhǔn)的雙門限協(xié)作能量檢測算法：假定認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的方式是集中的，單個(gè)認(rèn)知用戶把探測結(jié)果傳送給中心節(jié)點(diǎn)，讓中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最后的協(xié)作檢測。檢測時(shí)，單個(gè)認(rèn)知用戶獨(dú)立探測主用戶信號(hào)，并將本地探測結(jié)果發(fā)給中心節(jié)點(diǎn)，如果檢測結(jié)果位于兩個(gè)門限之間,中心節(jié)點(diǎn)運(yùn)用最大比合并的融合算法進(jìn)行計(jì)算，并運(yùn)用OR規(guī)則進(jìn)行最終判定融合。運(yùn)用OR規(guī)則是為了最大程度減小對(duì)主用戶使用產(chǎn)生的影響。

(12)

(13)

(14)

3 仿真與分析

為了說明雙門限協(xié)作能量檢測算法的正確性和有效性，本文通過MATLABR2010a處理平臺(tái)分別對(duì)比單門限能量檢測和雙門限協(xié)作能量檢測算法在不同信道下的性能，以及在瑞利衰落信道下比較在不同信噪比值下，單門限單用戶能量檢測、單門限協(xié)作能量檢測與雙門限協(xié)作能量檢測性能，并選取不同不確定度值進(jìn)行比較。數(shù)值仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 不同信道下檢測概率與虛警率之間的關(guān)系Fig.3 The relationship of detection probability and false alarm probability under different channels

從圖3可以看出：無論在高斯信道下，還是在瑞利信道下，雙門限能量協(xié)作檢測算法的性能都要好于傳統(tǒng)單門限能量協(xié)作檢測算法。同時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)單門限算法，雙門限算法有可能在提高檢測概率Pd的同時(shí)降低虛警率Pf。因而具有更廣闊的應(yīng)用空間。

圖4 △取0.01時(shí)的檢測性能曲線Fig.4 The performance of detection probability when △=0.01

圖5 △取0.1時(shí)的檢測性能曲線Fig.5 The performance of detection probability when △=0.1

從圖4、圖5可以看出：認(rèn)知用戶數(shù)N越高，檢測概率Pd也越高，在同等條件下，認(rèn)知用戶數(shù)N=10的性能要比N=5提高約50%，提升效果顯著。同時(shí)，由于認(rèn)知用戶間協(xié)作檢測可以產(chǎn)生協(xié)作增益，所以無論是單門限還是雙門限協(xié)作檢測，檢測概率都好于單用戶獨(dú)立檢測；其次，無論是認(rèn)知用戶數(shù)N為5還是10，雙門限協(xié)作檢測的性能都要好于單門限協(xié)作檢測。在信噪比較低時(shí)，認(rèn)知用戶數(shù)N=5時(shí)，雙門限性能最高要比單門限高出22%；在認(rèn)知用戶數(shù)N=10時(shí)，雙門限性能最高比單門限高出17%?？梢哉f，在低信噪比條件下，雙門限具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，當(dāng)SNR較高時(shí)，性能差距會(huì)逐漸縮小。

值得注意的是：在其他條件相同的情況下，不確定度△取0.1時(shí)的性能要比△取0.01時(shí)有較大的提升，因此我們可以推斷：不確定度△越高，協(xié)作檢測的性能就越好。

4 結(jié)論

由于能量檢測算法是根據(jù)接收到的信號(hào)能量檢測判定主用戶信號(hào)是否出現(xiàn)，所以對(duì)干擾比較敏感的單門限能量檢測算法，本文使用雙門限能量檢測算法和多個(gè)認(rèn)知用戶間協(xié)作檢測以改善單用戶能量檢測算法的不足。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明：與單門限相比，雙門限協(xié)作能量檢測算法可以降低認(rèn)知用戶對(duì)主用戶的干擾，保證了主用戶對(duì)頻譜占用的優(yōu)先權(quán)；還可以在進(jìn)一步提高檢測概率Pd的同時(shí)，降低虛警概率Pf，因而具有十分誘人的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯：張振華)

Performance Analysis of Double-Threshold Cooperation Energy Detection

ZOU Li1,CHEN Jiajia2

1.School of Electronic Information, Nantong University, Nantong Jiangsu 226019, China; 2.School of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing Jiangsu 210003, China

It has shown that single-threshold energy detection algorithm maybe cause serious detection performance while sudden noise and other interference factors existing. We used a double-threshold energy detection algorithm based on the OR rule to alleviate the interference. This algorithm set two detection thresholds to every user and cooperative detect through all users’ detection results based on OR rule. It can increase detection performance. The simulation results indicated that this algorithm could improve the probability of spectrum detection, and simultaneously depress the probability of missing detection. When the number of cognitive users was N = 5, double-threshold performance was 22% higher than single-threshold while signal to noise ratio(SNR) was lower; when the number of cognitive users was N = 10, double-threshold performance was 17% higher than single-threshold. In practical situation, environment of low SNR is mostly harsh. So double-threshold algorithm has imponderable advantages and broad applications.

Cognitive Radio; single-threshold; double-threshold; cooperative energy detection

2014-07-10

南通市應(yīng)用研究計(jì)劃基金(BK2013052)

鄒麗(1981-)，女，江蘇南通人，講師， 博士生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電、壓縮感知和寬帶無線通信技術(shù)。

TN911

A

1671-5322(2014)04-0005-04