摘 要： 提出一種采用動(dòng)態(tài)加權(quán)合作和感知方法，并對(duì)認(rèn)知用戶在不同平均信噪比情況下所檢測(cè)的主用戶性能進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明：加權(quán)合作感知不僅克服了目前合作感知方法的一些不足，其檢測(cè)性能也優(yōu)于目前的合作感知方法。
關(guān)鍵詞： 認(rèn)知無線電； 加權(quán)合作感知； 能量檢測(cè)； 數(shù)據(jù)融合
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隨著無線通信業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，可利用的頻帶日趨緊張,尤其是在頻率需求非常緊張的數(shù)百兆赫茲到3GHz的無線頻帶范圍內(nèi)。1999年，Joseph Mitola 博士提出了認(rèn)知無線電(cognitive radio)的概念[1],認(rèn)知無線電是一種智能頻譜共享技術(shù)，它能夠感知周圍環(huán)境特征，采用“構(gòu)建－理解”的方法從周圍獲取信息，并通過實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸參數(shù)(如發(fā)射功率、工作頻率、編碼方式等)以適應(yīng)環(huán)境的變化，其基本要求是對(duì)主用戶不造成干擾。
認(rèn)知無線電有三個(gè)基本任務(wù)：頻譜感知、動(dòng)態(tài)頻譜分配和發(fā)送功率控制[2]。為了避免對(duì)主用戶造成干擾，頻譜感知被認(rèn)為是認(rèn)知無線電中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于多徑衰落和陰影效應(yīng)的影響，單認(rèn)知用戶檢測(cè)可靠性低，因此合作頻譜感知被提出[3]。合作頻譜感知克服了多徑衰落和陰影效應(yīng)的影響，能夠大大提高對(duì)主用戶和頻譜空穴的檢測(cè)性能。盡管目前提出了一些合作頻譜感知方法，但是研究主要集中在單個(gè)認(rèn)知用戶獨(dú)立同分布且具有相同的平均信噪比情況下，以等權(quán)重的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[4]，在實(shí)際工作環(huán)境下，單個(gè)認(rèn)知用戶由于分布在不同的地理位置和環(huán)境，其平均信噪比也會(huì)不同，每個(gè)認(rèn)知用戶的局部判決在融合中心對(duì)全局判決的影響也不相同，而目前等權(quán)重的感知算法沒有考慮這些因素的影響，因此它并不是最優(yōu)的?；谏鲜鰡栴}，本文采用一種加權(quán)合作頻譜感知技術(shù)，它根據(jù)單個(gè)認(rèn)知用戶工作處在不同的信噪比下，動(dòng)態(tài)地賦予每個(gè)認(rèn)知用戶不同的權(quán)重，在認(rèn)知用戶將判決送到融合中心后，中心對(duì)各個(gè)認(rèn)知用戶的判決加以不同的權(quán)重后再作出判決，從而可以提高頻譜感知的性能。仿真結(jié)果表明，加權(quán)合作頻譜感知不僅克服了目前合作頻譜感知方法的不足，其檢測(cè)性能也優(yōu)于目前的方法，能大大提高對(duì)主用戶和頻譜空穴的檢測(cè)概率。
1 基于能量檢測(cè)的單認(rèn)知用戶檢測(cè)模型
單認(rèn)知用戶感知通常采用匹配濾波器檢測(cè)、能量檢測(cè)、周期平穩(wěn)特征檢測(cè)[5]。由于能量檢測(cè)算法是非相干檢測(cè)，對(duì)相位同步要求不高，計(jì)算復(fù)雜度低，檢測(cè)時(shí)間短，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，所以對(duì)單個(gè)認(rèn)知用戶采用能量檢測(cè)。能量檢測(cè)框圖由圖1給出。檢測(cè)的基本假設(shè)模型可以描述為：?
y(t)是認(rèn)知用戶接收到的信號(hào)，x(t)是主用戶發(fā)射的信號(hào)，n(t)是加性高斯白噪聲，h(t)是信道的增益。在H0假設(shè)下，表示沒有主用戶出現(xiàn)，H1假設(shè)表示存在主用戶。
為了測(cè)量接收信號(hào)的能量，首先接收到的主用戶信號(hào)x(t)通過中心頻率為fc、帶寬為W的理想帶通濾波，對(duì)理想帶通濾波器輸出信號(hào)進(jìn)行平方運(yùn)算，并在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分，并將積分器的輸出Y與門限值λ進(jìn)行比較，從而檢測(cè)出主用戶是否出現(xiàn)。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Y的分布為[6]：
??? 當(dāng)認(rèn)知用戶在AWGN信道非衰落環(huán)境中時(shí)，信道增益h(t)是確定的，所以對(duì)主用戶的檢測(cè)概率和虛警概率表示為[6]：
其中，λ是能量檢測(cè)的門限；
是完整和不完整Gamma函數(shù)；Qm( )是普遍Marcum Q函數(shù);從上述公式可以看出，如果Pd很低，將會(huì)增大對(duì)主用戶的干擾;如果Pf過高，就會(huì)導(dǎo)致頻譜利用率低。當(dāng)認(rèn)知用戶在衰落環(huán)境時(shí)，因?yàn)镻f是獨(dú)立于信噪比的，所以Pf不變。由于信道增益h(t)是變化的，所以檢測(cè)概率與瞬時(shí)信噪比有關(guān)。表示式為：
2 合作頻譜感知
圖2為認(rèn)知無線電合作感知結(jié)構(gòu)圖，由于多徑衰落和陰影效應(yīng)的影響，單個(gè)認(rèn)知用戶檢測(cè)的可靠性低，基于數(shù)據(jù)融合的合作感知通過綜合來自認(rèn)知用戶的信息，來提高對(duì)主用戶和頻譜空穴的檢測(cè)性能，每個(gè)認(rèn)知用戶在處理來自主用戶的原始數(shù)據(jù)y1,y2…，yN之后，做出局部檢測(cè)判決u1,u2…，uN然后在融合中心得到全局判決u0?？梢源蟠筇岣邔?duì)主用戶的檢測(cè)概率。目前關(guān)于合作感知的研究主要是假設(shè)所有的認(rèn)知用戶獨(dú)立同分布且都具有相同的平均信噪比，通常采用“或”規(guī)則以等權(quán)重的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，即Wi=1(i=1,…N)。檢測(cè)概率和虛警概率分別表示為Qd=1-(1-Pd)N和Qf=1-(1-Pf)N，Pd由(3)式或(7)式給出，Pf由(4)式給出。
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3 加權(quán)合作頻譜感知
在實(shí)際的工作環(huán)境中，由于每個(gè)認(rèn)知用戶所處的地理位置和環(huán)境的不同，經(jīng)歷不同的衰落環(huán)境，所以每個(gè)認(rèn)知用戶的平均信噪比不同，在融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)對(duì)全局判決的影響也不同，此時(shí)如果運(yùn)用傳統(tǒng)的合作頻譜感知方法檢測(cè)主用戶和頻譜空穴，性能提高不大，有時(shí)甚至低于合作感知中信噪比較好的單用戶檢測(cè)。
對(duì)于單個(gè)認(rèn)知用戶工作在不同的平均信噪比情況下，動(dòng)態(tài)地賦予每個(gè)認(rèn)知用戶不同的權(quán)重，在認(rèn)知用戶將判決送到認(rèn)知無線電數(shù)據(jù)融合中心后，中心對(duì)各個(gè)認(rèn)知用戶的判決加以不同的權(quán)重后再作出判決，相對(duì)于傳統(tǒng)的合作頻譜感知方法可以大大提高對(duì)主用戶的檢測(cè)性能。
首先設(shè)所有認(rèn)知用戶第一次感知時(shí)的權(quán)重Wi(1)=1，
第i個(gè)認(rèn)知用戶每一次感知后得到一個(gè)權(quán)重Wi(n)(n≥2),
Wi(n)為第i個(gè)認(rèn)知用戶在第n次感知的權(quán)重，每一次感知后認(rèn)知用戶會(huì)更新權(quán)重，表達(dá)式為[7]：?????????
??? 
? Pd,i是第i個(gè)認(rèn)知用戶在第n次感知過程對(duì)主用戶的檢測(cè)概率。每個(gè)認(rèn)知用戶的權(quán)重隨感知過程的變化而變化，但是權(quán)重之和保持一個(gè)恒定值
。當(dāng)單個(gè)認(rèn)知用戶有較低的信噪比時(shí)，該認(rèn)知用戶的權(quán)重將隨之減小，從而在認(rèn)知無線電數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)，該認(rèn)知用戶對(duì)綜合判決的影響也減小。
??? 在數(shù)據(jù)融合中心根據(jù)每個(gè)認(rèn)知用戶的權(quán)重對(duì)主用戶進(jìn)行綜合判決。對(duì)于虛警概率沒有進(jìn)行加權(quán)，因?yàn)槠洫?dú)立于信噪比，所以基于加權(quán)的合作頻譜感知對(duì)主用戶的檢測(cè)概率[8]和虛警概率分別為：
??? 
??? 
???
4 仿真和結(jié)果分析
在試驗(yàn)中，分別對(duì)在AWGN信道非衰落和Rayleigh衰落環(huán)境下，傳統(tǒng)的合作頻譜感知與加權(quán)合作頻譜感知的檢測(cè)性能做了對(duì)比。取參數(shù)m=2。如圖3所示，在AWGN信道非衰落環(huán)境下，用于合作感知的認(rèn)知用戶數(shù)為4個(gè)，從1dB～7dB中隨機(jī)選取4個(gè)不同的信噪比賦給4個(gè)不同的認(rèn)知用戶，單個(gè)認(rèn)知用戶檢測(cè)時(shí)的信噪比為7dB，從圖中可以看出，采用傳統(tǒng)的等權(quán)重的合作感知方法，其性能有時(shí)甚至還小于信噪比高的單認(rèn)知用戶檢測(cè)的性能，采用加權(quán)合作感知后，在第2次、第3次的感知性能明顯提高，在Pf小于0.1時(shí)，經(jīng)過第3次感知，檢測(cè)概率Pd可以接近1。
圖4中，在Rayleigh衰落環(huán)境下，同樣從1dB～7dB中隨機(jī)選取4個(gè)不同的信噪比賦給不同的認(rèn)知用戶，傳統(tǒng)的合作感知的檢測(cè)性能與信噪比較好的單認(rèn)知用戶檢測(cè)性能相差不大。加權(quán)合作感知經(jīng)過第2次感知后其性能要好于傳統(tǒng)的合作感知和信噪比高的單用戶檢測(cè)，第3次加權(quán)合作感知性能要好于第2次的感知性能。
圖5中，在AWGN信道非衰落環(huán)境下，對(duì)傳統(tǒng)合作感知和加權(quán)合作感知在認(rèn)知用戶數(shù)分別為4個(gè)和6個(gè)的情況下做了對(duì)比，可以看出在相同認(rèn)知用戶數(shù)目的情況下，加權(quán)合作感知經(jīng)過第2次感知后的檢測(cè)性能要好于傳統(tǒng)合作感知，同時(shí)加權(quán)合作感知的性能也隨著認(rèn)知用戶數(shù)目的增加而提高。圖6為兩種感知方法在Rayleigh衰落環(huán)境中的對(duì)比，同樣，加權(quán)合作感知對(duì)主用戶的檢測(cè)性能要好于傳統(tǒng)合作感知。因此，采用加權(quán)合作頻譜感知不僅克服了目前合作頻譜感知存在的不足，而且無論在衰落和非衰落環(huán)境下都能大大提高對(duì)主用戶的檢測(cè)概率。
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對(duì)認(rèn)知無線電在AWGN信道非衰落和Rayleigh衰落環(huán)境下的加權(quán)合作頻譜感知性能進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)加權(quán)合作頻譜感知與目前的合作感知方法進(jìn)行了對(duì)比，提出采用一種動(dòng)態(tài)加權(quán)合作感知方法，并對(duì)認(rèn)知用戶在不同平均信噪比情況下所檢測(cè)主用戶的性能進(jìn)行了分析。但是認(rèn)知無線電工作在復(fù)雜的變化環(huán)境中，盡管合作頻譜感知能更加準(zhǔn)確地檢測(cè)到主用戶，但是在資源受限的網(wǎng)絡(luò)中，可以考慮在某些情況下只傳輸那些檢測(cè)性能較好的認(rèn)知用戶的判決結(jié)果，從而可以降低對(duì)主用戶的錯(cuò)判概率，提高檢測(cè)性能，更好地利用主用戶的空閑頻譜。
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