错误报告概率对协作检测影响研究

何丽华

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，山东 济南 250001）

0 引言

无线电频谱资源由频谱资源管理部门划分为两类：授权频段与非授权频段。在实际频谱分配中，非授权频段资源远远小于授权频段资源，但其承载的业务量很大，而授权频段的利用率却不高；而同时随着无线通信业务的快速增长，无线频谱资源匮乏的现象日趋严重，感知无线电技术[1]当前被认为是解决该问题的最佳方案。它能够自动感知周围的无线环境并调整系统的参数（如频率、调制方式、发送功率等）以适应环境的变化，在不对其他用户造成干扰的情况下, 从空间、频率、时间多维的利用频谱资源，提高频谱资源的利用率。感知无线电的关键技术包括：空闲频谱检测技术、感知无线电自适应传输技术以及感知无线电频谱资源管理技术，这里主要针对空闲频谱检测做一些研究。

1 空闲频谱检测

感知无线电系统中，频谱检测算法可以划分为两类[2]：本地频谱检测以及协作检测。本地频谱检测是指单个感知用户独立执行某种频谱检测算法的检测，协作检测是指多个感知用户相互合作而执行的检测。但是，单用户的本地频谱检测容易受到阴影和衰落的影响；也不能避免 “隐藏终端”问题。而协作检测则可以克服上述问题，得到更加准确的感知性能。感知无线电中的协作检测的信道包括两个部分：检测信道和报告信道。早期的文献[3-4]只是考虑了检测信道对检测性能的影响，而没有将报告信道对检测性能的影响考虑进去。现推导了OR融合规则、AND融合规则下引入错误报告概率对检测性能的影响，这对感知无线电的实际应用具有重要参考价值。

2 错误报告概率对协作检测的影响

实际的无线环境，报告信道和检测信道一样，也同样会经历衰落或者阴影，如图1所示。引入错误报告概率来表示报告信道对判决结果的影响。

这里以协作检测中常用的判决融合规则：OR准则AND准则作为这里的判决融合规则，且以能量检测作为本地频谱检测算法。在存在错误报告概率的情况下，协作检测的流程分为以下两个阶段：①感知用户做出本地判决结果；②本地判决通过报告信道传送到感知基站，做出最终判决。

图1 从主用户基站到感知用户基站所经历的信道

OR准则下，系统中只要有一个感知用户支持判决 H1，基站最终判决结果就判为H1；换种说法就是当所有用户都判决为H0时基站才判决为H0，即感知基站的统计量Y满足：

其中 N为参加协作的感知用户个数,dip和fip分别表示第 i个感知用户的本地检测概率和本地虚警概率。考虑ep时,整个系统检测时可能出现的情况如式（4）所示，各种情况出现的概率也在式中标示出：

由此可得，N个用户参与协作的系统中引入ep后全局检测概率和全局虚惊概率为：

其中fQ 不能够无限小，它是存在一个极限值的，这个极限值称为虚警概率门限：

其中 pdi、 pfi指代如上,若 pfi=pf、pdi=pd，i = 1 ,2,…,N ,则可进一步得到：

AND规则下，系统中当所有参与协作的的感知用户都支持H1判决时，基站最终判决结果才为H1。即当融合中心的统计量Y满足：

不考虑ep时全局虚警概率和全局检测概率分别为：

整个检测系统可能出现的情况如式（15）所示，各种情况出现的概率也在式中标示出：

由此可得 N个用户参与协作的系统中引入ep后全局检测概率和全局虚惊概率为：

同理，若 pfi=pf、pdi=pd，i = 1 ,2,… ,N ,则可进一步得到：

此时虚警概率门限大小如式（22）所示：

3 仿真结果分析

仿真中参与协作的感知用户个数为 8，传输采用 BPSK信号，信道为瑞利衰落信道，用户报告信道的信噪比分别为15 dB、15 dB、14 dB、14 dB 、13 dB、13 dB、12 dB、10 dB。图2分别给出了OR融合规则、AND融合规则下是否考虑错误报告概率两种情况下的ROC曲线。

图2 引入错误报告概率对协作检测性能的影响

由仿真图可以看出考虑存在错误报告时，系统的检测概率受到了影响。另外需要注意的是：图2(a)中OR规则下体现出了虚警概率门限，而图2(b)中AND规则则没有体现，这是与式(9)、式(22)密切相关的，也是与OR融合规则下具有较大的虚警概率这一特性密切相关的。

4 结语

与以往的检测过程中只考虑检测信道受阴影、多径的影响不同，现将本地判决结果在传送给感知基站过程中所受报告信道的影响也考虑进去，并且推导了OR融合规则、AND融合规则下引入错误报告概率对协作检测性能的影响，这对感知无线电的实际应用具有重要参考价值。

[1] MITOLA III J. Cognitive Radio for Flexible Mobile Multimedia Communications[J].Mobile Networks and Applications,2001,6(05)：435-441.

[2] 何丽华,谢显中,董雪涛,等.感知无线点中的频谱检测技术[J].通信技术,2007,40(05)：9-11.

[3] GHASEMI A, SOUSA E S.Collaborative Spectrum Sensing for Opportunistic Access in Fading Environments[C]. USA：IEEE,2005：131-136.

[4] PEH E, LIANG Yingchang.Optimization for Cooperative Sensing in Cognitive Radio Networks[C].USA：IEEE,2007：27-32.