一种混合加权的选择式协作频谱感知算法

沈 媛，周 浩

(中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京 210007)

0 引言

随着无线设备和无线应用的快速发展，移动通信、蓝牙通信、无线传感网、航空导航等一批无线电通信业务不断扩张，导致匮乏的无线频谱资源越发不足，以致频谱资源的供求矛盾越发凸显。认知无线电隶属于交互式智能无线通信领域，在实时检测目标频段、不降低主用户通信质量的前提下，各认知用户被准许暂未接入未被占用的空闲频段，采用该技术可共享主用户频段，提高无线频谱使用效率[1-3]。

无线环境中，单个认知用户感知过程中会遭受阴影效应、多径衰落和各类噪声等未知因素的干扰，从而导致系统感知性能的降低。而协作频谱感知技术[4-5]能够有效克服这些影响而广泛受到关注。Chen和Ghasemi等人分别在文献[6]和[7]中分析了高斯白噪声信道下的单门限能量检测协作频谱感知性能，认知用户将频谱感知结果汇报至融合中心，融合中心按照逻辑“或”准则对结果数据进行融合分析，与单认知用户频谱感知结果相比，大大提高了系统检测概率。Sun等人在文献[8]中提出了一种基于双门限能量检测的汇报1bit数据的判决方法，并分析了该方案在理想报告信道和非理想报告信道下的协作感知性能，并讨论了最优认知用户发往融合中心的数据量以达到最好的检测性能。在传统的双门限判决感知方法中，对于能量检测值落在两门限值之间的感知数据一般采取不做判决的判定方法，直接舍去其感知结果，或者在融合中心采用等权值的方法进行数据融合。虽然上述判决方法有效地降低了系统实现的复杂度，但是分配相同权值给处于不同地理位置的认知用户，必然会降低检测概率的可靠性，降低系统整体的检测性能。在认知用户与融合中心之间，文献[8-10]假设存在理想控制信道，额外的动态管理理想控制信道，无疑增加系统整体实现的复杂度。

因此，文章考虑尽可能降低系统实现复杂度，减少对无线频谱资源的利用，提出了一种无需专有控制信道资源的协作频谱感知方案。本方案利用双门限能量判决方法感知主用户信号，各认知用户基于选择式策略向融合中心发送经过编码的初始检测结果。融合中心首先利用混合加权融合算法对落在两检测门限值之间的能量检测值分配不同的权值，并做出1bit的融合判决，再采用“或”准则与已做出1 bit判决的认知用户联合得出最终的感知判决结果。

1 系统模型

协作频谱感知通常分为两个阶段，如图 1所示。（1）感知阶段，其在一个时隙内的占有时间记为a• t，该阶段分布式认知用户检测主用户是否存在；（2）报告阶段，其在一个时隙内的占有时间记为(1-a)•t，各认知用户将初始检测结果报告至融合中心，融合中心将依据“或”准则作数据融合分析得到感知结果。

图1 协作频谱感知时隙图Fig.1 Time slot graph of cooperative spectrum sensing

图 2给出了系统感知系统模型框图。瑞利衰落信道环境下，在协作频谱感知时隙K的第一阶段，M个协作用户同时且独立地进行本地频谱感知，当能量检测值 Yi>λ2时，将检测结果判为H1，即主用户信号存在，当能量检测值 Yi＜λ1时，将检测结果判为H0，即主用户信号不存在。当检测能量值落在 λ1＜Yi＜λ2区间时，则保留原始能量检测值Yi[9]。

图2 感知系统模型Fig.2 Per ception system model

式（1）中Gi表示为：

在协作频谱感知时隙K的第二阶段，认知用户CUi在分配到的主用户频段的第i个子信道上，将“H0或H1”决策或未作任何判决的初始能量检测值选择性地报告至融合中心。

由于认知用户在主用户频段上报告各自的初始检测结果,有可能对主用户通信造成干扰，且当主用户使用该频段时，则认知用户通信中断。当通信发生中断，则融合中心在相应子时隙上则无法接收到来自认知用户CUi发送的信号，那么融合中心认为认知用户CUi没有发送信号。若两者的通信没有产生中断，融合中心接收到了认知用户CUi发送的编码后信号 βi(k)，但未成功解码，则融合中心将认定没有发送信号。如此，融合中心将会认为初始判决结果为主用户信号存在，其初始判决结果可表示为： Hi(k,2)=H1。反之，倘若在对应子时隙上融合中心收到编码信号 βi(k)且成功解码，则将判定认知用户CUi发送了信号，即初始判决结果为能量检测判决值为落在两门限之间或主用户信号不存在，其可表示为：Hi(k,2)=H0或Yi。因此，融合中心接收来自认知用户CUi的初始感知判决结果可以表示为：

2 混合加权选择式协作频谱感知算法

在时隙k的第一阶段，认知用户 CUi检测主用户信号，由于认知用户CUi处于随机分布状态，且各自所处环境都各不相同，其与主用户之间的距离也各有远近，且其接收到的信噪比也不相同,基于此文章引入距离权重因子wdi和信噪比权重因子wri提高检测性能[11]。

根据信号传播距离的远近与接收信号的平均损失功率大小之间的关系可得：

式（4）中L表示路径损耗指数。设定系统中主用户发射机端的输出信噪比为SNR，各认知用户接收到的信噪比为：

根据式（5）可知，随着主用户与认知用户之间的距离不断增大，各认知用户收到的信噪比将逐渐减小，进而各认知用户检测到的主用户信号能量也随之减弱，导致检测概率也会降低。因此距离权重因子wdj可表示为：

式（6）中dj为第 j个认知用户到主用户的距离。根据文献[12]可知，信噪比权重因子的可表示为：

式（7）中γj表示信噪比的值，其为第 j个能量检测值落在两门限值之间的认知用户接收到的。联合式（5）和（7），得到第 j个认知用户的信噪比权重因数为：

联合式（6）、（8）和（9），则每个认知用户的权重因子可进一步表示为：

假设M个认知用户中有K个用户的能量检测值Yi落于门限值1λ和2λ之外，融合中心基于混合加权融合算法，对M-K个能量检测值Yi做出决策判决Y，得到1 bit的“H1或H0”。判决准则如下：

融合中心再利用“或”准则与其与已做出1 bit判决的认知用户联合做出最终的感知判决结果R。其可表示为：

在瑞利衰落信道环境下，用fγ(x)表示信噪比概率密度函数[11]，服从均值为的指数分布，为方便起见用μ表示时间带宽乘积TW，则初始检测概率Pdi、漏检概率Pmi、虚警概率Pfi计算公式为：

其中Qu表示广义马库姆函数（Marcum函数）；Г(μ)和Г(μ,λ2/2)分别表示完整和不完整伽马函数（Gamma函数）。主用户存在时检测量Yi落在门限值λ1和λ2之间的概率∆1,j以及主用户不存在时检测量Yi落在门限值λ1和λ2之间的概率∆0,j表示如下：

采用逻辑“或”准则，无需专有控制信道的协作频谱感知在融合中心时的检测概率及虚警概率分别为：

3 仿真分析

文章对无需专有控制信道的基于双门限能量检测算法作了相应的仿真。在瑞利衰落信道环境下，假设信道相互独立，各认知用户采用双门限能量检测方法独立地进行本地无线频谱感知，且随机分布于基站四周，采用同等的信号检测开销。主用户发射端的信噪比设为5 dB，时间带宽乘积μ=5，参与协作能量检测节点数M=3。仿真结果如图3、4、5、6所示。

图3 混合加权双门限能量协作频谱感知ROC曲线IFig.3 ROC curve I of hybrid weighted dual threshold energy cooperative mixed spectrum sensing

图4 混合加权双门限能量协作频谱感知ROC曲线IFig.4 ROC curve I of hybrid weighted dual threshold energy cooperative mixed spectrum sensing

图5 混合加权双门限能量协作频谱感知ROC曲线IIFig.5 ROC curve II of mixed weighted dual threshold energy cooperative spectrum sensing

图6 混合加权双门限能量协作频谱感知ROC曲线IIIFig.6 ROC curve III of mixed weighted dual threshold energy cooperative spectrum sensing

图3为主用户与认知用户间距离不大于5 km的仿真效果图，仿真结果表明随二者间的距离逐渐增大，检测概率将随之急剧减小；若超过一定距离范围时，检测概率将变得很低，此时检测结果无效。

（∆1,j=∆0,j=0.1,α=0.2）

（∆1,j=∆0,j=0.1,α=0.3）

4 结论

文章采用双门限判决方法检测主用户信号，利用距离加权因子和信噪比加权因子对能量检测值落于两门限值之间的认知用户分配不同的权值，利用“或”准则进行全局频谱感知判决。仿真结果表明与传统的协作频谱感知算法相比，文章的算法提升了系统的全局检测性能，降低了整体的漏警概率。与此同时，在实际认知无线电系统高检测概率要求下，在不使用专用控制信道的条件下，达到了与传统协作感知方案的检测效果，节约了专有的理想报告信道资源。