一种基于模拟滤波器的频谱感知方法研究

李 鹏，闵 慧

(1.湖南中医药大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410208；2.湖南信息职业技术学院软件学院，湖南 长沙 410200)

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1 引言(Introduction)

移动数据的迅速增长给蜂窝网络的运营商带来了严峻挑战，许多运营商面临严重的频谱短缺问题，如果不加以解决，会导致频谱危机。这便要求对频谱进行创新性的动态分析和访问。

图1 宽带频谱感知问题Fig.1 Broadband spectrum sensing problem

然而，当前的频谱感知技术还存在如下不足：(1)在DSA网络中挨个检测所有窄带信道(比如序列扫描技术)，以确定信号能量或某个签名是否存在时，它总是需要次搜索，其中是信道数量，时间复杂度较高。(2)基于高性能模数转换器(ADC)等先进设备进行宽带扫描时，高速率ADC的成本高，功耗大，信号处理的计算量太大。例如，为了检测出500 MHz带宽，需要功率为2.15 W、价格为775 $、速率为1 Giga/s样本的ADC。因此，这一带宽扫描技术不适用于能量有限的移动设备。最近有人提出采用压缩传感技术进行带宽频谱感知。这些技术需要次奈奎斯特抽样，搜索复杂度为(⋅ log)，其中是频谱的稀疏度。然而，这往往需要值先验知识，这在DSA网络中是不可行的，因为DSA网络的移动设备会频繁地加入和离开网络。鉴于此，本文基于压缩感知理论，提出了一种改进的频谱感知方案，并通过仿真实验验证了本文方案的有效性。

2 基于模拟滤波器的频谱感知(Spectrum sensing based on analog filter)

2.1 问题阐述

2.2 基本算法

图2 SSS-AF检测示例Fig.2 SSS-AF detection example

算法2：改进型SSS-AF

初始化、为0，频谱分布全为0；

是频带内所有信道数量；

测量噪声功率，设置阈值。

3 仿真实验(Simulation experiment)

本部分基于实际采集到的信号展开一组仿真实验。首先研究本文算法的信道感知精度。然后，比较SSS-AF相对序列扫描和压缩传感的算法性能。我们以这些数据为基础，观察本文基本型/改进型SSS-AF算法需要多少次信道感知才能构建频谱图。出于简便起见，我们将两种算法称为SSSAF-B和SSS-AF-E。

(2)信道感知精度。通过改变每个信道感知的能量读数数量和信号强度来测量漏警率。虚警率在结果中可以忽略不计，所以此处略。图3给出了相关结果。当信号强度为-80 dBm或更高时，1，000 个样本基本可以实现信号功率的准确估计。请注意，只用10 个能量读数就可以充分检测出-70 dBm或更高强度的信号。在信号强度非常强烈的DSA网络中，可以显著降低能量读数的数量。

图3 信道感知使用不同数量的能量读数时获得的漏警信号检测率Fig.3 Detection rate of missed alarm signal when channel sensing uses different number of energy readings

(3)信道感知速度。我们计算了构建一个完整的频谱图需要的信道测量值总量，测试了带有1，000 个信道的频谱带宽。频谱内被占用的信道数量为1—1，000 个。仿真运行100 次，每次运行时被占用信道的位置随机确定，结果如图4所示。其中，Basic-8和Enhanced-8表示每8 个信道分为一组。序列扫描总是扫描所有信道，因此需要的测量值数量不变。另一方面，压缩传感完成信道感知需要的样本数量低于奈奎斯特率样本。

图4 序列扫描、SSS-AF-B、SSS-AF-E和压缩传感算法的性能Fig.4 Performance of sequential scanning，SSS-AF-B，SSS-AF-E and compressed sensing algorithms

当频谱稀疏时，SSS-AF-B性能优于序列扫描。例如，当占用50 个信道时，SSS-AF-B需要不到500 个测量值，只有序列扫描的一半，但是性能不久出现下降。原因如下：当检测出空闲信道后，SSS-AF-B移到下一个搜索空间，搜索窗口变大。否则，如果检测出信道在使用，它会保持在当前搜索空间的同时缩小窗口。如果频谱使用更为密集，则它会在同一频率周围前后移动的同时不断放大和缩小窗口。我们在图4中发现，SSS-AF-B主要在频谱占用率为一半左右时进行信道感知。当频谱密度变大时，传感时间下降，因为SSSAF-B在大部分时间对被占用信道进行序列传感。当信道占用率分别为10%和30%时，本文算法的搜索速度分别上升3.4 倍和1.5 倍。

4 结论(Conclusion)

本文提出了一种新的带宽频谱快速感知算法。与压缩传感或带宽无线电方法不同，SSS-AF算法不需要非常复杂的硬件设备。相反，我们只使用价格低、能效高的现有模拟滤波器和能量检测器。SSS-AF算法的复杂度与压缩传感算法渐近相当。基于真实硬件设备的仿真结果表明，SSS-AF算法与压缩传感算法的性能相当，但是SSS-AF算法不需要频谱稀疏度先验知识。