一种基于动态门限的联合频谱感知系统

天津理工大学中环信息学院 王奉良

沈阳建筑大学 郑晓岩

伴随着科学技术的进步，无线通信技术方面也取得了稳步飞快的发展。针对人们能够利用的频谱段的数量越来越少并且存在有些频谱资源还处在空闲状态的现象。本文设计了一种新型的基于动态门限的联合频谱感知系统，该系统基于二分法获得最优门限值，基于差分协作压缩频谱估算法得到最优的用户联合感知数目，并通过D-S证据理论得到更好的融合度。通过仿真实验表明，此系统可以有效地提高频谱资源的利用率，同时能保证主用户不被其他用户干扰。

随着网络技术的不断发展，无线通信所传输的网络数据越来越多，这就需要更多的频谱资源来承担这些任务，而授权用户占用了很多频谱却没有全部的有效利用。针对这个问题，如何能将闲置的频谱有效利用，那么首先就需要检测出哪些频谱是没被授权的，哪些频谱是授权用户暂时闲置的。主要的传统频谱检测方法单节点检测包括能量检测、匹配滤波器检测等方法，其中能量检测的优点是不需主用户的先验信息，计算量少，但容易受到阴影衰落、多经衰落和隐藏终端等周围噪声环境情况的影响等缺陷。匹配滤波器检测法有着运行时所需的用时少，所得结果准确等优点，但缺点是要提前知道先验用户的频谱相关信息。循环平稳特征检测对主用户的信息要求不高所以非常易于实现，但它也存在耗时长、无法分辨信号干扰类型、频谱的利用率太低等缺陷。鉴于此，本文设计了一种新型的基于动态门限的联合频谱感知系统，首先是在相同信噪比的情况下开展对比，比较单节点频谱检测和多节点协作频谱检测，结果表明，动态门限联合频谱能得到更高的正确检测概率，提高频谱资源的利用率，获得更多的有效的频谱资源。

图1 阴影效应的联合频谱检测

1 系统模型

阴影效应下的联合频谱感知系统模型如图1所示。图中认知用户1和3在接收信号并进行感知的过程中由于存在建筑物或树木对信号有一定的遮挡效果，产生了一定区域的阴影效应致使无法准确检测到主用户的信号而不能进行准确地判断主用户是否存在，但认知用户2能快速准确地检测到主用户信息并传递给认知用户1和3，由此可见3个用户分工合作检测可以取得更准确的结果，进而提高系统检测性能。

2 基于差分协作压缩频谱估算法

为了能够充分提供次用户之间协作方式增加分集效率，以便能提高系统的感知性能进而达到减少本地的计算量的目的，一个效率高的感知融合系统的需求不断增加，差分协作压缩频谱估计算法应运而生，其核心思想是将压缩感知用于宽带频谱协作感知，通过利用无线信号技术还存在弊端以及在传输过程中因产生大量频谱段空闲没有数据传输而造成的稀疏性等特点，并用亚娜奎斯特采样率收集整个信号的信息，来明显降低次用户的采样压力。与此同时，根据不同的次用户的感知频带信号有相同的频谱去提供支撑这个特点，相比于以前的算法，差分协作压缩频谱估计算法能满足在相邻节点间检测到先验条件下，主用户基于压缩形式来测量向量差值的宽带频谱迭代估计方法，以便在协作感知性能不变的情况下，进一步使感知计算的复杂度下降。

具体算法：

（1）在t=0时，每个次用户获得的压缩频谱感知的估计值Fj(0) ( j=1.,2,,J )。

（2）次用户需执行如下迭代过程：①广播Fj(t) ( j=1,2,,J )为频谱感知网络中各节点的估计值；②通过判决门限的值得到需要进行系统估计的先验信息Fjp(t) ( j=1,2,,J )；③通过求得测量向量差值并进行层层迭代得到Fj(t+1) ( j=1,2,,J )，整个过程逐层增长则t=t+1。

（3）在 t 取无限大时，得到次用户的频谱估计值Fj(t)( j=1,2,, J )；通过收敛到全局最优值的状态，所得最优值为用户协作的合理数目N。

3 系统总体设计（如图2所示）

最优认知用户协作数目N被确定后，具体步骤可以按着如下进行：

（1）最小单节点检测错误概率求门限值与信噪比关系式。

（2）二分法求动态门限值。

（3）各认知用户将接收端测到的各个信噪比发送到统一融合中心，并求出用户协作数目N。

（4）求出选中认知用户相对应的概率。

（5）基于OR融合准则，计算出协作频谱检测的相关概率。

4 性能仿真实验

图2 最优协作系统流程图

为了验证本设计所提优化系统的有效性，对所提系统方案进行仿真实验操作，得到实验仿真结果，各个方法之间进行了性能比较，并对能量检测性能进行了仿真实验操作。

4.1 基于AND融合准则协作检测的仿真与结论

在仿真实验中，取单个认知用户、3个认知用户和5个认知用户3组实验对象在信噪比为-8dB的情况下，对理论值和实验结果的仿真值进行比较，结果如图3所示。

由图3可知，AND融合准则检测得到在不同用户个数情况下仿真值与理论值的落点位置几乎重合，由此可知仿真值的结果是准确的。由图可知，AND融合准则检测在信噪比和虚警概率不变的情况时，随着测试用户数量增多，则所获得的检测概率不断增大，这种方法在提升系统检测性能方面起到了很好的效果。

AND准则中，即只有当每个认知用户都能感知到授权用户存在并在实时工作状态则中心认为此用户在，由图片上的仿真结果显示信噪比的值很高的情况时单用户能量检测的方法才会展现出此方法的最好性能体现。

4.2 基于OR融合准则协作检测的仿真与结论

此次仿真实验，同样取单个认知用户、3个认知用户和5个认知用户作为3组实验对象，在信噪比为-8dB的情况下，开展仿真实验。实验结果如图4所示。

图4可知，OR融合准则检测方法中各不同用户个数的仿真值的落点与理论值基本重合，由此可知仿真值的结果是准确的。由图可知，OR融合准则在已知的信噪比和其虚警概率所得结果相同的前提下，如果在用户数量增多的情况下，则其检测概率也会提高，OR准则所需融合条件易于实现，只要有一个认知用户感知出授权用户在线状态，则融合中心系统直接判定主用户存在，通过这种方式系统检测性能可得到很大的提高程度，提升效率。

图3 信噪比相同用户数不同时理论值与仿真值对比

图4 信噪比相同用户数目不同时理论值与仿真值的对比

4.3 用户协作检测性能仿真

设整个被检测网络中有多个主用户，33个认知用户，设N=33。认知用户接收信噪比分别为γ1= -20dB，γ2= -19dB，…，γN=12dB。

由图5可知，在系统虚警概率不变时，由两系统检测错误概率最大差值和OR准则可以确定参加协作的最优用户数目Nopt=4，已用方块标于图中。在此时，系统检测性能达到最佳。并且随着协作检测用户数目的增多，所获得的错误概率还在不断降低。

图5 恒虚警率下系统检测错误概率对比图

总结：目前，无线通信技术取得飞速发展，人们对于数据传输量和有效提高频谱资源利用率的需求不断增加，如何解决频谱资源日趋匮乏的问题成为大家的共同目标，认知无线电作为一种新兴的技术来解决以上问题可能会有很好的成效，首先它可以通过频谱感知技术正确的找到频谱空洞即空闲的频谱段，以此随时地完成动态频谱的空闲段落进行合理的利用，这样的操作能同时地减少对主用户的干扰，以达到提高频谱利用率的目的。因为单节点频谱感知存在局限性，其结果的可信度不高。所以利用联合频谱感知技术来提高认知系统的检测性能，以此减少对授权用户正常使用的干扰。本文采用理论分析和仿真分析的方法设计了一种新颖的基于门限动态调整的频谱感知系统。通过仿真结果，本文所提出的动态门限的联合频谱感知方法能有效提高系统的感知性能。