一種基于分組的合作感知方法

徐世宇　尚俊娜　趙知勁　趙治棟

摘 要：頻譜感知是實現認知無線電的關鍵技術,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注。研究利用地理位置信息估計出認知用戶信噪比,在此基礎上提出一種認知用戶和信道分組的合作感知方法,減少了每個用戶所要感知的信道數,從而實現感知時間的成倍降低。仿真結果表明,該方法在檢測性能下降不大的情況下能顯著地減少感知時間。

關鍵詞：認知無線電；頻譜感知；合作感知；地理位置信息

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A

文章編號：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

隨著無線電應用的空前增長,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間和空間內出現大量閑置,利用率不高。根據美國聯邦通信委員會(FCC)的報告［1］估計,70%的無線電頻譜利用率不高,而少數沒有被分配的頻譜由于大量使用,則已經顯得擁擠不堪。顯然,需要一種能發現頻譜在時間和空間上的空閑狀態并能動態地接入的技術來解決這個問題,從而提高頻譜利用率。認知無線電［2,3］就是為了達到上述目的而產生的一種技術,它不但能感知外部無線電環境并能從以前的經驗中學習,從而能動態地接入未被使用的頻譜,并且不影響已授權用戶的正常使用。頻譜感知作為實現上述功能的關鍵技術之一顯得格外重要。

頻譜感知要求認知用戶能在一段頻帶上快速準確地檢測出頻譜空穴來動態地接入未被使用的頻譜,從而提高頻譜的利用率。為了不影響主用戶的正常通信從而要求認知無線電能在低信噪比下快速準確地檢測出主用戶信號,由于無線電環境中存在多徑和陰影等各種衰落,使得單用戶檢測存在諸如“隱蔽終端”等問題而很難滿足主用戶的保護要求,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題從而能提高檢測概率。

文獻［4］假定各個認知用戶知道與主用戶的距離,從而估計出信噪比,其指出參與合作的用戶數并不是越多越好,將一部分信噪比高的用戶參與感知比所有用戶都參與合作性能要好。現實中由于無線電傳輸環境的復雜性以及主用戶距離的不確定性,不同位置上的傳播特性也不同,信噪比很難實時準確獲得；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認知用戶與主用戶的距離以及無線電的傳輸環境特性,從而估計出大致的信噪比；由于通常的合作感知每個用戶要對所有信道進行檢測,感知時間長,現將認知用戶和信道進行分組,每組認知用戶分別只對部分信道進行檢測,這樣相對于通常的合作感知可以大大降低檢測時間,相對于單用戶感知又可以克服多徑和陰影衰落,并且在每一組中通過對不同認知用戶賦予不同的權值來改善檢測性能。

1 分組合作感知方法

1.1 系統模型

所用的系統模型是基于IEEE 802.22［5］中所考慮的TV頻段,如圖1所示,主用戶(PU)為固定的TV發射機,其發射功率P和位置已知,其覆蓋半徑為R。認知網絡在主用戶的覆蓋范圍之內,且其覆蓋半徑為r遠遠小于R,它由一個認知基站(BS)和N個均勻分布在認知網絡范圍之內的認知用戶(CR)組成,認知基站(BS)距主用戶發射機的距離為R1,考慮在認知網絡覆蓋區域內不同地點的無線電傳播特性有所不同,從而認知用戶接收到的來自PU信號的路徑衰落因子α也有所不同。假定每個CR都有定位功能,如裝有GPS接收機［6］,從而能確定自己和主用戶的距離和大致的無線電傳播環境(城市,郊區,農村),并可估計出各自的信噪比,第i個CR的信噪比由式(1)計算:

SNRi=Pd －αiiN0, i=1,2,…,N

(1)

其中：di為第i個CR與PU的距離；αi是它所經歷的路徑衰落因子,通常認為衰落因子在自由空間中為2,平原為3,丘陵為3.5,郊區和農村為4,市區和高樓為4.5；N0為噪聲功率；N為認知網絡中總的用戶數。

圖1 系統模型

1.2 合作感知方案

根據主用戶的保護要求在認知無線電中需要對主用戶進行周期為Tp的周期性感知,Tp的大小由主用戶所能容忍的干擾時間決定。一般的合作感知方法中,每個認知用戶需要對信道逐個地進行感知,當信道數增加時,感知時間Ts也隨之線性增長,每個周期內傳輸數據的時間Tp－Ts也相應減少,從而導致有效的數據傳輸時間下降。文獻［4］指出,當認知網絡中存在一定數量的認知用戶時,隨著參與合作的用戶數的增加整個網絡的檢測性能會先上升后下降,圖2給出了認知網絡中總用戶數為500時,選取信噪比高的不同數目的用戶參與合作感知,在“與”、“或”判決準則下的檢測性能,結果表明將一部分高信噪比的用戶參與感知比所有用戶都參與合作感知性能要好。文獻［7］指出,空間位置鄰近的用戶所經歷的衰落往往存在相關性,所以用戶分散在大的區域里進行合作感知比用戶集中在一小塊范圍內進行合作感知更有效。文獻［8］將合作按信噪比(SNR)不同分為3種情形考慮:當所有用戶SNR接近時,合作能顯著地改善網絡整體的檢測性能;當有一部分用戶SNR相對比較高時,合作對SNR高的用戶性能改善不大;當網絡中存在某一用戶的SNR遠高于其他用戶時,合作的性能還不如一個高SNR用戶的檢測性能。

利用上述分析結果,將一部分SNR低的用戶不參與感知以節省這部分CR的功率損耗,再將參與合作感知的CR隨機均勻分成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應,這樣每個認知用戶只需對與它所對應的那組信道逐一地進行感知,而不必對整個網絡中所有信道進行感知,感知時間降為原來的1/M。由于能量檢測簡單易行,在此單用戶檢測采用能量檢測,其判決統計量為:

Y=∑Si=1x2i

(2)

其中:S為采樣點數,xi為第i個采樣點的值；由于同一組認知用戶中的SNR不同,因而它們的檢測性能也不同,文獻［9］給出了判決統計量Y的概率分布：

Y=χ 2 2TW ,H 0

χ 2 2TW(λ) , H 1

(3)

其中：H0表示沒有主用戶信號的情形,此時判決統計量服從零均值的卡方分布；H1表示存在主用戶信號,判決統計量服從非中心系數為λ的非中心卡方分布。根據上述分布可以求得在一定虛警概率下的檢測門限,從而各個用戶檢測概率pd(i)也可求得。可以考慮對各個用戶按檢測性能進行加權來進一步提高檢測性能,在同一組CR中并對它們的感知結果分別賦以不同的權重wi,這里取權重 :

wi=pd(i)/∑Gi=1pd(i)

(4)

其中:pd(i)為第i個用戶在一定虛警概率下的檢測概率,G=N1/M為每一組的用戶數,這樣就可以得到對某一信道在合作感知下的統計判決量:

T=∑Gi=1wiDi

(5)

其中:G為同一組CR的用戶數,Di為第i個用戶的判決結果,0表示無信號,1表示有信號。當然,由于加權時每個用戶在控制信道中不但要傳輸它所感知的那組信道的判決結果,也要傳輸它們自身檢測概率的理論值pd(i),這在一定程度上增加了系統的負荷。對于一個認知用戶來說,在一個感知周期中所要傳輸的判決結果的值的個數等于它所感知的信道數目,而pd(i)只有一個值,所以相對于判決結果的數據量來說系統傳輸pd(i)時其負荷并沒有顯著增加。提出的分組合作感知方法的具體實現步驟如下：

(1) 首先由地理位置信息得到認知網絡中的所有CR距主用戶的距離以及它們各自的無線電環境傳播特性,按式(1)估計各自信噪比,并選取N1個SNR相對較高的認知用戶參與頻譜感知。

(2) 將這N1個用戶隨機分成數目相同的M組,同時把將要感知的信道也分成M組。

(3) 每組認知用戶分別與對應的一組信道進行合作感知。

(4) 對同一組認知用戶根據SNR計算它們各自的檢測概率,將感知結果和pd(i)通過控制信道發送給判決中心,判決中心根據式(4)得到它們各自的權重,由感知結果和權重以得到式(5)的判決統計量。

(5) 將判決統計量T與虛警概率所確定的門限進行比較來確定可用信道。當T>λ,主用戶存在,反之 T＜λ則判為空閑信道,其中λ為判決門限,它由虛警概率確定。

圖2 網絡整體檢測性能隨合作的用戶數的變化曲線

2 仿真分析

這里采用能量檢測法對分組合作感知方法進行仿真,能量檢測的采樣點數為S=2 000,對每組用戶分別進行T=10 000次仿真來得到檢測概率和虛警概率。仿真中取BS的覆蓋半徑r為33 km,BS距PU的距離為150 km,BS覆蓋范圍內存在500個CR,TV的發射功率取P=400 W,假定不同位置上的路徑衰落因子不同,圖1中在BS覆蓋范圍內有三角形的區域為α=2.75,其他區域α=2.7。背景噪聲為加性高斯白噪聲,每個信道內的功率為-95.4 dBm,在BS處主用戶的信噪比為-18.3 dB。

考慮在500個認知用戶中選取N1=105個高信噪比的用戶參與感知,將參與感知的用戶隨機分組,每組用戶數G=15,將每組的感知性能與沒分組時選取信噪比最高的15個用戶在加權合作感知下的感知性能如圖3所示。由圖3可見,分組后的檢測性能相對于取15個信噪比最高的用戶的加權合作感知下降不大,說明該方法在對檢測性能影響不大的情況下能成倍地降低總的感知時間,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時加權合作感知的性能。從圖4可以得出,隨著每組的用戶數G增加,檢測性能也相應地增加；但當G值比較大時,每組中增加相同數目的用戶獲得的性能增益會大大降低,所以要根據檢測性能和感知時間選取一個最佳的G來達到一個折衷。

圖3 分組前后性能對比

圖4 G取不同值時的性能

前面仿真給出的都是在加權下的合作感知性能, 圖5給出了加權前后的性能對比,這里N1=200,G=15,權重wi由式(4)求得。由圖5可見,通過加權能進一步改善檢測性能,而且這種改善在SNR已知下只需在傳送判決結果的同時將pd(i)也通過控制信道一起發送就可以獲得。

圖5 加權和未加權的性能對比

3 結 語

頻譜感知是實現認知無線電的關鍵技術之一,在此利用地理位置信息提出一種合作感知方法,通過對認知用戶和信道進行分組,減少每個用戶所要感知的信道數,從而實現感知時間的降低。仿真結果表明該方法能在檢測性能影響不大的情況下使得感知時間成倍地下降。

參考文獻

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［2］趙知勁,鄭仕鏈,尚俊娜.認知無線電技術［M］.北京：科學出版社,2008.

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［5］周賢偉,王建萍,王春江.認知無線電［M］.北京：國防工業出版社,2008.

［6］Huseyin Arslan.Cognitive Radio,Software Defined Radio,and Adaptive Wireless Systems［M］.Springer,2007.

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