認知無線電合作式頻譜檢測算法研究與仿真*

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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認知無線電合作式頻譜檢測算法研究與仿真*

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:對合作頻譜檢測的AND準(zhǔn)則和OR準(zhǔn)則頻譜檢測算法進行了理論分析,對2種檢測算法進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種檢測算法正確檢測概率與用戶數(shù)的關(guān)系符合信號的統(tǒng)計分布特性結(jié)果,誤差隨虛警概率的增大而逐漸變小;對相同用戶數(shù),OR準(zhǔn)則的檢測概率高于AND準(zhǔn)則檢測概率。這一結(jié)論可以為認知無線電合作式頻譜檢測策略的選擇提供一定指導(dǎo)。

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

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

本文對合作式頻譜檢測的“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,以多個不同位置上感知節(jié)點為處理對象,用MATLAB對合作式頻譜檢測算法進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)值仿真的比對結(jié)果。仿真結(jié)果表明,這兩種檢測算法正確檢測概率與用戶數(shù)的關(guān)系符合信號的統(tǒng)計分布特性結(jié)果;正確檢測概率與用戶數(shù)有關(guān),“或”準(zhǔn)則的檢測概率高于“與”法準(zhǔn)則的檢測概率,可以為認知無線電合作式頻譜檢測策略的最優(yōu)選擇提供一定指導(dǎo)。

1　認知無線電合作式頻譜檢測算法

在認知無線電系統(tǒng)中的本地檢測算法中,由于授權(quán)用戶與認知用戶之間無法進行直接的信令交互,因此,只有通過認知用戶檢測授權(quán)用戶信號來判斷授權(quán)用戶頻譜是否空閑。但是在實際無線信道環(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)用戶的信號傳輸,這樣就可能造成單個認知用戶所檢測的主用戶的信號太小而導(dǎo)致判斷錯誤,從而造成對主用戶的干擾。在實際的無線通信環(huán)境中,憑借單個認知用戶很難準(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顯示出其優(yōu)越性。

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

圖1　合作式頻譜檢測模型

1.1AND準(zhǔn)則

AND準(zhǔn)則,就是融合中心節(jié)點將每個本地節(jié)點傳輸過來的判決結(jié)果用邏輯與的方式進行運算,從最終得出的檢測概率中判定授權(quán)用戶是否存在。當(dāng)所有的節(jié)點都監(jiān)測出授權(quán)用戶信號存在的時候,中心節(jié)點就終判決為授權(quán)用戶存在,否則判決授權(quán)用戶不存在。

假設(shè)一個合作式頻譜檢測網(wǎng)絡(luò)由N個感知節(jié)點用戶和一個融合中心構(gòu)成,當(dāng)?shù)趇個節(jié)點檢測概率與虛警概率分別為pd,i、pf,i,經(jīng)過AND準(zhǔn)則算法運算后,融合檢測概率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)點將每個本地節(jié)點的判決結(jié)果用邏輯“或”的方式進行運算。當(dāng)有一個本地節(jié)點判定授權(quán)用戶信號存在的話,中心節(jié)點就判決為授權(quán)用戶存在,否則判決授權(quán)用戶不存在。

假設(shè)假設(shè)一個合作式頻譜檢測網(wǎng)絡(luò),由N個感知節(jié)點用戶和一個融合中心構(gòu)成,第i個節(jié)點的檢測概率與虛警概率分別為pd,i、pf,i,經(jīng)OR準(zhǔn)則算法運算后,融合檢測概率PD、虛警概率PF和丟失概率PM分別為[8]

(4)

(5)

(6)

2　認知無線電合作式頻譜檢測算法仿真研究

在認知無線網(wǎng)絡(luò)中認知用戶接入頻譜時,要能夠及時檢測到該頻譜是否有主用戶的出現(xiàn),以防對主用戶造成不良干擾,因此,頻譜檢測要求可靠性較高。如果虛警概率較低可以獲得更多使用授權(quán)頻譜的機會;如果檢測概率高能夠更好的使主用戶免除干擾,因此,相對準(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對合作式頻譜檢測算法進行了公式模型仿真和蒙特卡洛數(shù)值仿真研究,通過公式模型仿真和蒙特卡洛數(shù)值仿真的比對結(jié)果,導(dǎo)出兩種檢測算法的準(zhǔn)確性。

假設(shè)一個認知無線電網(wǎng)絡(luò)有一個融合中心,分別有1個或4、7個認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,且各用戶之間的信噪比為-10 dB。信號經(jīng)過瑞利信道衰落,干擾為加性高斯噪聲。根據(jù)式(1)、式(2)進行理論仿真,得出檢測概率與虛警概率關(guān)系曲線如圖2所示。設(shè)采樣點數(shù)為50,仿真次數(shù)為10 000,進行蒙特卡洛仿真,得出檢測概率與虛警概率關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2　AND準(zhǔn)則算法仿真

假設(shè)一個認知無線電網(wǎng)絡(luò),有一個融合中心,分別有1個或4、7個認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,且各用戶之間的信噪比為-10 dB。信號經(jīng)過瑞利信道衰落,干擾為加性高斯噪聲。根據(jù)式(3)、式(4)進行理論仿真,得出檢測概率與虛警概率關(guān)系曲線如圖3所示。設(shè)采樣點數(shù)50,仿真次數(shù)10 000,進行蒙特卡洛仿真,得出檢測概率與虛警概率關(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)則算法對比圖

假設(shè)一個認知無線電網(wǎng)絡(luò),有一個融合中心,有6個認知用戶參與合作式頻譜感知。當(dāng)認知系統(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,且各用戶之間的信噪比為-10 dB。信號經(jīng)過瑞利信道衰落,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概率進行對比,對比曲線如圖4所示。

3　仿真實驗結(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,能夠基本表征檢測結(jié)果。當(dāng)用戶數(shù)量保持一定時,檢測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,用戶數(shù)量越多,檢測概率就越大;當(dāng)檢測概率保持一定時,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,能夠基本表征檢測結(jié)果。當(dāng)用戶數(shù)量保持一定時,檢測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,用戶數(shù)量越多,檢測概率就越大;當(dāng)檢測概率保持一定時,用戶數(shù)量越多,虛警概率越小。

從圖4可以看出,對于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,檢測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,6個認知用戶檢測概率明顯大于1個認知用戶檢測概率;6個認知用戶OR準(zhǔn)則檢測概率大于6個認知用戶AND準(zhǔn)則檢測概率,當(dāng)檢測概率保持一定時,用戶數(shù)量越多,虛警概率越小。

4　結(jié)語

對AND準(zhǔn)則合并和OR準(zhǔn)則合并頻譜檢測算法進行了理論分析,并對2種檢測算法進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)對于AND準(zhǔn)則,當(dāng)用戶數(shù)量保持一定時,檢測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,用戶數(shù)量越多,檢測概率就越大;當(dāng)檢測概率保持一定時,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,能夠基本表征檢測結(jié)果。

(2)對于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,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,OR準(zhǔn)則檢測概率大于AND準(zhǔn)則檢測概率。

參考文獻:

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何偉剛(1962-),男,廣西柳州人,副教授,碩士,主要研究方向為通信系統(tǒng)與信號處理。

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:TN92

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0746-04

收稿日期:2014-01-24修改日期:2014-02-15

項目來源:廣西高等學(xué)校科研項目(201204LX259)