认知无线电合作式频谱检测算法研究与仿真*

何伟刚,黄亚群

(1.广西科技大学电气与信息工程学院,广西 柳州 545006;2.云南大学信息学院,昆明 650091)



认知无线电合作式频谱检测算法研究与仿真*

何伟刚1,黄亚群2

(1.广西科技大学电气与信息工程学院,广西 柳州 545006;2.云南大学信息学院,昆明 650091)

摘要:对合作频谱检测的AND准则和OR准则频谱检测算法进行了理论分析,对2种检测算法进行了单用户和多用户的理论仿真和蒙特卡洛仿真。仿真结果表明,这2种检测算法正确检测概率与用户数的关系符合信号的统计分布特性结果,误差随虚警概率的增大而逐渐变小;对相同用户数,OR准则的检测概率高于AND准则检测概率。这一结论可以为认知无线电合作式频谱检测策略的选择提供一定指导。

关键词:合作式频谱检测;AND准则;OR准则;检测概率;虚警概率;蒙特卡洛仿真

无线频谱是一种特殊自然资源,对人类而言是十分珍贵的。使用者要获得无线频谱的使用权,就首先要获得相关管理部门的许可。自无线通信技术诞生以来,技术发展越来越快。然而,当应用越来越广泛的时候,无线电的频谱资源已经频频告急。认知无线电作为一种新型的智能频谱共享技术可主动检测并利用授权频段中的频谱空穴[1]。认知无线网络中的用户能够自主检测网络环境中无线频谱的使用情况,能够有效地检测到当前环境中可用的认知无线频谱[2]。不仅与传统的静态检测频谱方式兼容,还能充分使已授权的频谱的利用率得到提高,更大程度地挖掘认知无线电的频谱利用率。无线环境中,信号传输会受到阴影、多径等因素的影响,认知用户的本地频谱检测不能满足所要求的可靠性;更甚者,认知用户受到严重阴影的影响时,会发生漏检,从而会对主用户系统造成干扰。为此,认知无线电需要在同频段上采用多用户分集的合作频谱感知技术来提高检测的可靠性和快速性[3-4]。合作频谱感知技术通过处理多个认知用户的检测信息来更准确地判断频谱的使用情况[5]。

本文对合作式频谱检测的“与”逻辑合并方式(AND准则)和“或”逻辑合并方式(OR准则)在理论上加以分析,以多个不同位置上感知节点为处理对象,用MATLAB对合作式频谱检测算法进行了理论仿真和蒙特卡洛数值仿真研究,并导出理论仿真和蒙特卡洛数值仿真的比对结果。仿真结果表明,这两种检测算法正确检测概率与用户数的关系符合信号的统计分布特性结果;正确检测概率与用户数有关,“或”准则的检测概率高于“与”法准则的检测概率,可以为认知无线电合作式频谱检测策略的最优选择提供一定指导。

1　认知无线电合作式频谱检测算法

在认知无线电系统中的本地检测算法中,由于授权用户与认知用户之间无法进行直接的信令交互,因此,只有通过认知用户检测授权用户信号来判断授权用户频谱是否空闲。但是在实际无线信道环境中的多径、阴影衰落以及本地干扰等因素将影响授权用户的信号传输,这样就可能造成单个认知用户所检测的主用户的信号太小而导致判断错误,从而造成对主用户的干扰。在实际的无线通信环境中,凭借单个认知用户很难准确地判断出主用户的存在与否,所以在这种环境下合作式的频谱感知会显示出其优越性。

认知无线电系统合作式频谱检测网络设置有融合中心和多个感知节点如图1所示,感知节点分布在不同位置上,网络中包括数据信道和控制信道两种信道[6]。每个感知节点通过控制信道连接到融合中心。合作频谱检测时,每个感知节点先独立进行本地感知,然后通过控制信道将感知的信息传送给融合中心,融合中心对收到的来自不同位置节点的感知信息通过适当的算法进行合并,做出授权用户信号是否存在的最终判决,并将结果通过控制信道返回给各地方节点。在信息融合中心,汇总后的检测信息常根据OR、AND等算法规则判定授权用户是否最终存在。

图1　合作式频谱检测模型

1.1AND准则

AND准则,就是融合中心节点将每个本地节点传输过来的判决结果用逻辑与的方式进行运算,从最终得出的检测概率中判定授权用户是否存在。当所有的节点都监测出授权用户信号存在的时候,中心节点就终判决为授权用户存在,否则判决授权用户不存在。

假设一个合作式频谱检测网络由N个感知节点用户和一个融合中心构成,当第i个节点检测概率与虚警概率分别为pd,i、pf,i,经过AND准则算法运算后,融合检测概率PD、虚警概率PF和丢失概率PM分别为[7]

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1.2OR准则

OR准则,就是融合中心节点将每个本地节点的判决结果用逻辑“或”的方式进行运算。当有一个本地节点判定授权用户信号存在的话,中心节点就判决为授权用户存在,否则判决授权用户不存在。

假设假设一个合作式频谱检测网络,由N个感知节点用户和一个融合中心构成,第i个节点的检测概率与虚警概率分别为pd,i、pf,i,经OR准则算法运算后,融合检测概率PD、虚警概率PF和丢失概率PM分别为[8]

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2　认知无线电合作式频谱检测算法仿真研究

在认知无线网络中认知用户接入频谱时,要能够及时检测到该频谱是否有主用户的出现,以防对主用户造成不良干扰,因此,频谱检测要求可靠性较高。如果虚警概率较低可以获得更多使用授权频谱的机会;如果检测概率高能够更好的使主用户免除干扰,因此,相对准确的公式模型可以获得更加准确的感知性能。为此,用MATLAB对合作式频谱检测算法进行了公式模型仿真和蒙特卡洛数值仿真研究,通过公式模型仿真和蒙特卡洛数值仿真的比对结果,导出两种检测算法的准确性。

假设一个认知无线电网络有一个融合中心,分别有1个或4、7个认知用户参与合作式频谱感知,融合采用AND准则,各用户采用能量检测,且各用户之间的信噪比为-10 dB。信号经过瑞利信道衰落,干扰为加性高斯噪声。根据式(1)、式(2)进行理论仿真,得出检测概率与虚警概率关系曲线如图2所示。设采样点数为50,仿真次数为10 000,进行蒙特卡洛仿真,得出检测概率与虚警概率关系曲线如图2所示。

图2　AND准则算法仿真

假设一个认知无线电网络,有一个融合中心,分别有1个或4、7个认知用户参与合作式频谱感知,融合采用OR准则,各用户采用能量检测,且各用户之间的信噪比为-10 dB。信号经过瑞利信道衰落,干扰为加性高斯噪声。根据式(3)、式(4)进行理论仿真,得出检测概率与虚警概率关系曲线如图3所示。设采样点数50,仿真次数10 000,进行蒙特卡洛仿真,得出检测概率与虚警概率关系曲线如图3所示。

图3　OR准则算法仿真分析

图4　AND准则与OR准则算法对比图

假设一个认知无线电网络,有一个融合中心,有6个认知用户参与合作式频谱感知。当认知系统中合作融合分别采用OR准则和AND准则,各用户采用能量检测,且各用户之间的信噪比为-10 dB。信号经过瑞利信道衰落,干扰为加性高斯噪声。根据式(1)、式(2)、式(4)、式(5)分别仿真单用户和6用户的虚警概率与检测概率进行对比,对比曲线如图4所示。

3　仿真实验结果分析

从图2可以看出,采用AND准则算法,理论仿真结果与蒙特卡洛仿真结果的误差随虚警概率的增大而逐渐变小,能够基本表征检测结果。当用户数量保持一定时,检测概率随着虚警概率的增大而增大,当虚警概率保持一定时,用户数量越多,检测概率就越大;当检测概率保持一定时,用户数量越多,虚警概率越小。

从图3可以看出,采用OR准则算法,理论仿真结果与蒙特卡洛仿真结果的误差随虚警概率的增大而逐渐变小,能够基本表征检测结果。当用户数量保持一定时,检测概率随着虚警概率的增大而增大,当虚警概率保持一定时,用户数量越多,检测概率就越大;当检测概率保持一定时,用户数量越多,虚警概率越小。

从图4可以看出,对于AND准则与OR准则算法,单用户理论仿真曲线,当用户数量保持一定时,检测概率随着虚警概率的增大而增大,当虚警概率保持一定时,6个认知用户检测概率明显大于1个认知用户检测概率;6个认知用户OR准则检测概率大于6个认知用户AND准则检测概率,当检测概率保持一定时,用户数量越多,虚警概率越小。

4　结语

对AND准则合并和OR准则合并频谱检测算法进行了理论分析,并对2种检测算法进行了单用户和多用户的理论仿真和蒙特卡洛仿真,得出了如下的结论:

(1)对于AND准则,当用户数量保持一定时,检测概率随着虚警概率的增大而增大,当虚警概率保持一定时,用户数量越多,检测概率就越大;当检测概率保持一定时,用户数量越多,虚警概率越小。理论仿真结果与蒙特卡罗仿真结果基本吻合,能够基本表征检测结果。

(2)对于OR准则,当用户数量保持一定和用户数逐渐变多时,可以得出与AND准则一样的结论,但是,在用户数相同时,OR准则检测概率大于AND准则检测概率。

参考文献:

[1]王悦,冯春燕,曾志民,等.认知无线电频谱检测机制研究[J].吉林大学学报(信息科学版),2008,26(3):230-237.

[2]应小凡.认知无线电通信系统关键技术研究[J].通信技术,2010,43(3):30-31,34.

[3]Mishra S M,Sahai A,Broderson R W.Cooperative Sensing among Cognitive Radios[C]//Proc IEEE International Conferenceon Comunications(ICC)2006.Istanbul,Turkey,June 2006.

[4]Cabric D,Mishra S M,Brodersen R W.Implementation Issues in Spectrum Sensing for Cognitive Radios[C]//Proc 38th Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers 2004.November,2004:772-776.

[5]薛峰,屈代明,朱光喜,等.资源受限的认知无线电系统优化合作频谱感知算法[J].计算机科学,2010,37(9):54-56.

[6]张新春,何世彪,葛利嘉,等.基于频谱差异的动态频谱检测博弈算法[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2012(1):65-68.

[7]周良臣.认知无线电体系结构分析[J].电讯技术,2010(3):71-73.

[8]惠蕾放,李建东,陈丹,等.无线网络中基于博弈论的频率复用[J].北京邮电大学学报,2011(1):83-85.

何伟刚(1962-),男,广西柳州人,副教授,硕士,主要研究方向为通信系统与信号处理。

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

中图分类号:TN92

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0746-04

收稿日期:2014-01-24修改日期:2014-02-15

项目来源:广西高等学校科研项目(201204LX259)