何偉剛,黃亞群

(1.廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,廣西 柳州 545006;2.云南大學(xué)信息學(xué)院,昆明 650091)

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認(rèn)知無(wú)線電合作式頻譜檢測(cè)算法研究與仿真*

何偉剛1,黃亞群2

(1.廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,廣西 柳州 545006;2.云南大學(xué)信息學(xué)院,昆明 650091)

摘要:對(duì)合作頻譜檢測(cè)的AND準(zhǔn)則和OR準(zhǔn)則頻譜檢測(cè)算法進(jìn)行了理論分析,對(duì)2種檢測(cè)算法進(jìn)行了單用戶和多用戶的理論仿真和蒙特卡洛仿真。仿真結(jié)果表明,這2種檢測(cè)算法正確檢測(cè)概率與用戶數(shù)的關(guān)系符合信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布特性結(jié)果,誤差隨虛警概率的增大而逐漸變小;對(duì)相同用戶數(shù),OR準(zhǔn)則的檢測(cè)概率高于AND準(zhǔn)則檢測(cè)概率。這一結(jié)論可以為認(rèn)知無(wú)線電合作式頻譜檢測(cè)策略的選擇提供一定指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:合作式頻譜檢測(cè);AND準(zhǔn)則;OR準(zhǔn)則;檢測(cè)概率;虛警概率;蒙特卡洛仿真

無(wú)線頻譜是一種特殊自然資源,對(duì)人類而言是十分珍貴的。使用者要獲得無(wú)線頻譜的使用權(quán),就首先要獲得相關(guān)管理部門的許可。自無(wú)線通信技術(shù)誕生以來(lái),技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快。然而,當(dāng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛的時(shí)候,無(wú)線電的頻譜資源已經(jīng)頻頻告急。認(rèn)知無(wú)線電作為一種新型的智能頻譜共享技術(shù)可主動(dòng)檢測(cè)并利用授權(quán)頻段中的頻譜空穴[1]。認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的用戶能夠自主檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中無(wú)線頻譜的使用情況,能夠有效地檢測(cè)到當(dāng)前環(huán)境中可用的認(rèn)知無(wú)線頻譜[2]。不僅與傳統(tǒng)的靜態(tài)檢測(cè)頻譜方式兼容,還能充分使已授權(quán)的頻譜的利用率得到提高,更大程度地挖掘認(rèn)知無(wú)線電的頻譜利用率。無(wú)線環(huán)境中,信號(hào)傳輸會(huì)受到陰影、多徑等因素的影響,認(rèn)知用戶的本地頻譜檢測(cè)不能滿足所要求的可靠性;更甚者,認(rèn)知用戶受到嚴(yán)重陰影的影響時(shí),會(huì)發(fā)生漏檢,從而會(huì)對(duì)主用戶系統(tǒng)造成干擾。為此,認(rèn)知無(wú)線電需要在同頻段上采用多用戶分集的合作頻譜感知技術(shù)來(lái)提高檢測(cè)的可靠性和快速性[3-4]。合作頻譜感知技術(shù)通過(guò)處理多個(gè)認(rèn)知用戶的檢測(cè)信息來(lái)更準(zhǔn)確地判斷頻譜的使用情況[5]。

本文對(duì)合作式頻譜檢測(cè)的“與”邏輯合并方式(AND準(zhǔn)則)和“或”邏輯合并方式(OR準(zhǔn)則)在理論上加以分析,以多個(gè)不同位置上感知節(jié)點(diǎn)為處理對(duì)象,用MATLAB對(duì)合作式頻譜檢測(cè)算法進(jìn)行了理論仿真和蒙特卡洛數(shù)值仿真研究,并導(dǎo)出理論仿真和蒙特卡洛數(shù)值仿真的比對(duì)結(jié)果。仿真結(jié)果表明,這兩種檢測(cè)算法正確檢測(cè)概率與用戶數(shù)的關(guān)系符合信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布特性結(jié)果;正確檢測(cè)概率與用戶數(shù)有關(guān),“或”準(zhǔn)則的檢測(cè)概率高于“與”法準(zhǔn)則的檢測(cè)概率,可以為認(rèn)知無(wú)線電合作式頻譜檢測(cè)策略的最優(yōu)選擇提供一定指導(dǎo)。

1　認(rèn)知無(wú)線電合作式頻譜檢測(cè)算法

在認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中的本地檢測(cè)算法中,由于授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶之間無(wú)法進(jìn)行直接的信令交互,因此,只有通過(guò)認(rèn)知用戶檢測(cè)授權(quán)用戶信號(hào)來(lái)判斷授權(quán)用戶頻譜是否空閑。但是在實(shí)際無(wú)線信道環(huán)境中的多徑、陰影衰落以及本地干擾等因素將影響授權(quán)用戶的信號(hào)傳輸,這樣就可能造成單個(gè)認(rèn)知用戶所檢測(cè)的主用戶的信號(hào)太小而導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤,從而造成對(duì)主用戶的干擾。在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中,憑借單個(gè)認(rèn)知用戶很難準(zhǔn)確地判斷出主用戶的存在與否,所以在這種環(huán)境下合作式的頻譜感知會(huì)顯示出其優(yōu)越性。

認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)合作式頻譜檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置有融合中心和多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)如圖1所示,感知節(jié)點(diǎn)分布在不同位置上,網(wǎng)絡(luò)中包括數(shù)據(jù)信道和控制信道兩種信道[6]。每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)通過(guò)控制信道連接到融合中心。合作頻譜檢測(cè)時(shí),每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)先獨(dú)立進(jìn)行本地感知,然后通過(guò)控制信道將感知的信息傳送給融合中心,融合中心對(duì)收到的來(lái)自不同位置節(jié)點(diǎn)的感知信息通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行合并,做出授權(quán)用戶信號(hào)是否存在的最終判決,并將結(jié)果通過(guò)控制信道返回給各地方節(jié)點(diǎn)。在信息融合中心,匯總后的檢測(cè)信息常根據(jù)OR、AND等算法規(guī)則判定授權(quán)用戶是否最終存在。

圖1　合作式頻譜檢測(cè)模型

1.1AND準(zhǔn)則

AND準(zhǔn)則,就是融合中心節(jié)點(diǎn)將每個(gè)本地節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的判決結(jié)果用邏輯與的方式進(jìn)行運(yùn)算,從最終得出的檢測(cè)概率中判定授權(quán)用戶是否存在。當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都監(jiān)測(cè)出授權(quán)用戶信號(hào)存在的時(shí)候,中心節(jié)點(diǎn)就終判決為授權(quán)用戶存在,否則判決授權(quán)用戶不存在。

假設(shè)一個(gè)合作式頻譜檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)感知節(jié)點(diǎn)用戶和一個(gè)融合中心構(gòu)成,當(dāng)?shù)趇個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)概率與虛警概率分別為pd,i、pf,i,經(jīng)過(guò)AND準(zhǔn)則算法運(yùn)算后,融合檢測(cè)概率PD、虛警概率PF和丟失概率PM分別為[7]

(1)

(2)

(3)

1.2OR準(zhǔn)則

OR準(zhǔn)則,就是融合中心節(jié)點(diǎn)將每個(gè)本地節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果用邏輯“或”的方式進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)有一個(gè)本地節(jié)點(diǎn)判定授權(quán)用戶信號(hào)存在的話,中心節(jié)點(diǎn)就判決為授權(quán)用戶存在,否則判決授權(quán)用戶不存在。

假設(shè)假設(shè)一個(gè)合作式頻譜檢測(cè)網(wǎng)絡(luò),由N個(gè)感知節(jié)點(diǎn)用戶和一個(gè)融合中心構(gòu)成,第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)概率與虛警概率分別為pd,i、pf,i,經(jīng)OR準(zhǔn)則算法運(yùn)算后,融合檢測(cè)概率PD、虛警概率PF和丟失概率PM分別為[8]

(4)

(5)

(6)

2　認(rèn)知無(wú)線電合作式頻譜檢測(cè)算法仿真研究

在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)知用戶接入頻譜時(shí),要能夠及時(shí)檢測(cè)到該頻譜是否有主用戶的出現(xiàn),以防對(duì)主用戶造成不良干擾,因此,頻譜檢測(cè)要求可靠性較高。如果虛警概率較低可以獲得更多使用授權(quán)頻譜的機(jī)會(huì);如果檢測(cè)概率高能夠更好的使主用戶免除干擾,因此,相對(duì)準(zhǔn)確的公式模型可以獲得更加準(zhǔn)確的感知性能。為此,用MATLAB對(duì)合作式頻譜檢測(cè)算法進(jìn)行了公式模型仿真和蒙特卡洛數(shù)值仿真研究,通過(guò)公式模型仿真和蒙特卡洛數(shù)值仿真的比對(duì)結(jié)果,導(dǎo)出兩種檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性。

假設(shè)一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)融合中心,分別有1個(gè)或4、7個(gè)認(rèn)知用戶參與合作式頻譜感知,融合采用AND準(zhǔn)則,各用戶采用能量檢測(cè),且各用戶之間的信噪比為-10 dB。信號(hào)經(jīng)過(guò)瑞利信道衰落,干擾為加性高斯噪聲。根據(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行理論仿真,得出檢測(cè)概率與虛警概率關(guān)系曲線如圖2所示。設(shè)采樣點(diǎn)數(shù)為50,仿真次數(shù)為10 000,進(jìn)行蒙特卡洛仿真,得出檢測(cè)概率與虛警概率關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2　AND準(zhǔn)則算法仿真

假設(shè)一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò),有一個(gè)融合中心,分別有1個(gè)或4、7個(gè)認(rèn)知用戶參與合作式頻譜感知,融合采用OR準(zhǔn)則,各用戶采用能量檢測(cè),且各用戶之間的信噪比為-10 dB。信號(hào)經(jīng)過(guò)瑞利信道衰落,干擾為加性高斯噪聲。根據(jù)式(3)、式(4)進(jìn)行理論仿真,得出檢測(cè)概率與虛警概率關(guān)系曲線如圖3所示。設(shè)采樣點(diǎn)數(shù)50,仿真次數(shù)10 000,進(jìn)行蒙特卡洛仿真,得出檢測(cè)概率與虛警概率關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3　OR準(zhǔn)則算法仿真分析

圖4　AND準(zhǔn)則與OR準(zhǔn)則算法對(duì)比圖

假設(shè)一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò),有一個(gè)融合中心,有6個(gè)認(rèn)知用戶參與合作式頻譜感知。當(dāng)認(rèn)知系統(tǒng)中合作融合分別采用OR準(zhǔn)則和AND準(zhǔn)則,各用戶采用能量檢測(cè),且各用戶之間的信噪比為-10 dB。信號(hào)經(jīng)過(guò)瑞利信道衰落,干擾為加性高斯噪聲。根據(jù)式(1)、式(2)、式(4)、式(5)分別仿真單用戶和6用戶的虛警概率與檢測(cè)概率進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比曲線如圖4所示。

3　仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖2可以看出,采用AND準(zhǔn)則算法,理論仿真結(jié)果與蒙特卡洛仿真結(jié)果的誤差隨虛警概率的增大而逐漸變小,能夠基本表征檢測(cè)結(jié)果。當(dāng)用戶數(shù)量保持一定時(shí),檢測(cè)概率隨著虛警概率的增大而增大,當(dāng)虛警概率保持一定時(shí),用戶數(shù)量越多,檢測(cè)概率就越大;當(dāng)檢測(cè)概率保持一定時(shí),用戶數(shù)量越多,虛警概率越小。

從圖3可以看出,采用OR準(zhǔn)則算法,理論仿真結(jié)果與蒙特卡洛仿真結(jié)果的誤差隨虛警概率的增大而逐漸變小,能夠基本表征檢測(cè)結(jié)果。當(dāng)用戶數(shù)量保持一定時(shí),檢測(cè)概率隨著虛警概率的增大而增大,當(dāng)虛警概率保持一定時(shí),用戶數(shù)量越多,檢測(cè)概率就越大;當(dāng)檢測(cè)概率保持一定時(shí),用戶數(shù)量越多,虛警概率越小。

從圖4可以看出,對(duì)于AND準(zhǔn)則與OR準(zhǔn)則算法,單用戶理論仿真曲線,當(dāng)用戶數(shù)量保持一定時(shí),檢測(cè)概率隨著虛警概率的增大而增大,當(dāng)虛警概率保持一定時(shí),6個(gè)認(rèn)知用戶檢測(cè)概率明顯大于1個(gè)認(rèn)知用戶檢測(cè)概率;6個(gè)認(rèn)知用戶OR準(zhǔn)則檢測(cè)概率大于6個(gè)認(rèn)知用戶AND準(zhǔn)則檢測(cè)概率,當(dāng)檢測(cè)概率保持一定時(shí),用戶數(shù)量越多,虛警概率越小。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)AND準(zhǔn)則合并和OR準(zhǔn)則合并頻譜檢測(cè)算法進(jìn)行了理論分析,并對(duì)2種檢測(cè)算法進(jìn)行了單用戶和多用戶的理論仿真和蒙特卡洛仿真,得出了如下的結(jié)論:

(1)對(duì)于AND準(zhǔn)則,當(dāng)用戶數(shù)量保持一定時(shí),檢測(cè)概率隨著虛警概率的增大而增大,當(dāng)虛警概率保持一定時(shí),用戶數(shù)量越多,檢測(cè)概率就越大;當(dāng)檢測(cè)概率保持一定時(shí),用戶數(shù)量越多,虛警概率越小。理論仿真結(jié)果與蒙特卡羅仿真結(jié)果基本吻合,能夠基本表征檢測(cè)結(jié)果。

(2)對(duì)于OR準(zhǔn)則,當(dāng)用戶數(shù)量保持一定和用戶數(shù)逐漸變多時(shí),可以得出與AND準(zhǔn)則一樣的結(jié)論,但是,在用戶數(shù)相同時(shí),OR準(zhǔn)則檢測(cè)概率大于AND準(zhǔn)則檢測(cè)概率。

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何偉剛(1962-),男,廣西柳州人,副教授,碩士,主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)與信號(hào)處理。

ResearchandSimulationofDetectionAlgorithmofCognitiveRadioCooperationTypeSpectrum*

HEWeigang1,HUANGYaqun2

(1.School of Electrical and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou Guangxi 545006,China;2.School of Information Science and Engineering,Yunnan University,Kunming 650091,China)

Abstract:Spectrum detection algorithm of AND guidelines merger and OR guidelines merger were analyzed in theory,theoretical simulation and Monte Carlo simulation were done for two kinds of detection methods for the single user and multi-user.Simulation results show that the relationship between detection probability and users of the two kinds of detection algorithm conform to the statistical distribution characteristics of signal,the error of the Monte Carlo simulation and the theory simulation results decreases along with the augment of false-alarm probability gradually;The detection probability of OR guidelines merger is higher than the AND guidelines merger under the same number of users.This conclusion can provide guidance for choice of detection strategy of cognitive radio cooperation type spectrum.

Key words:cooperation type spectrum detection;AND standards;OR standards;detection probability;false alarm probability;Monte Carlo simulation

doi:EEACC:614010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.035

中圖分類號(hào):TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)04-0746-04

收稿日期:2014-01-24修改日期:2014-02-15

項(xiàng)目來(lái)源:廣西高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(201204LX259)