频谱感知技术外文翻译文献

频谱感知技术外文翻译文献

(文档含中英文对照即英文原文和中文翻译)

译文：

一种新的协作频谱感知算法

摘要

该文提出了一种在认知无线网络控制信道带宽受限条件下基于信任度的双门限协同频谱感知算法。首先每个认知用户基于双检测门限独立进行频谱感知，但只有部分可靠的认知用户通过控制信道向认知无线网络基站发送本地感知结果。当所有的用户都不可靠时，选取信任度最高的认知用户发送本地感知结果进行判决。理论分析和仿真表明，同常规能量检测算法相比较，该算法能够在控制信道带宽受限条件下，以较少的网络开销获得更好的频谱感知性能。

关键词：认知无线电；频谱感知；信任度；双门限

1引言

随着无线通信技术的飞速发展，有限的频谱资源与不断增长的无线通信需求的矛盾越来越突出。然而根据现有的固定分配频谱资源策略，绝大多数频谱资源得不到有效利用。据FCC 的调查统计，70%的已分配频谱资源没有得到有效利用]1[。为了提高频谱资源的利用率，认知无线电技术由Joseph Mitola Ⅲ提出并得到了广泛的关注]5[]2[ 。频谱感知技术是认知无线电网络的支撑技术之一。通常它又可以分为

能量检测法、匹配滤波器法和循环平稳特征法[4]。能量检测算法因为应用简单且无需知道任何授权用户信号的先验知识成为研究热点。认知用户在接入授权频带之前，必须首先感知该频带空闲即授权用户没有工作，否则会对授权用户造成干扰。一旦授权用户重新工作，认知用户必须退避，实现在不对授权用户产生干扰的情况下对频谱资源的共享。由于实际信道中的多径和阴影效应，单个认知用户频谱感知的性能并不乐观，针对这个问题D. Cabric 等人提出了协同频谱感知算法[5]-[6]。协同频谱感知算法性能较好，但是当认知用户数量很大的时候，控制信道的带宽将不够用。文献[7]中提出了一种在控制信道带宽受限条件下的基于双检测门限的频谱感知算法，该算法能够以较小的网络开销，获得接近普通单门限频谱检测算法的性能。针对认知无线电频谱感知的需要，本文提出了认知无线电环境下一种基于信任度的双门限协同频谱感知算法。该算法中每个认知用户基于双检测门限独立进行频谱感知，但只有部分可靠的认知用户通过控制信道向认知无线网络基站发射感知报告。当所有的用户都不可靠时，选取信任度最高的认知用户发射感知报告进行判决。本文对该算法进行了性能分析并通过仿真表明，本文方法比较常规能量检测算法，在减小网络开销的同时提高了检测性能。

2系统模型

假设一个认知无线电网络有N 个认知用户和一个认知无线网络基站，如图1 所示。认知无线网络基站负责管理和联系N 个认知用户，在收到认知用户的检测报告后做出最终判决。

图1. 认知无线电网络示意图

频谱感知的实质是一个二元假设问题，即

01

(),,()()()(),n t H x t h t s t n t H ⎧=⎨⋅+⎩ （1）

其中x (t )代表认知用户接收到的信号，s (t )表示授权用户的发送信号，h (t )代表授权用户与认知用户之间信道的衰落因子。0H 代表授权用户没有工作，1H 代表授权用户正在工作。设θ是认知用户接收信号的能量，根据能量检测理论[8]，θ服从以下分布：

⎪⎩⎪⎨⎧1

22022),(,~H X H X m m γθ （2） 其中γ表示瞬时信噪比，并且其服从均值为_

γ的指数分布，22m X 表自由度为2m 的

中心卡方分布，)(22γm X 代表自由度为m 2非中心参数为γ的卡方分布，m 表示时间带宽积。

在能量检测算法本地判决中，每个认知用户把接收到的能量θ跟预设的门限λ进行比较，如图2（a ）所示。当λθ>时，本地能量检测器做出本地判决1=D ，表示授权用户在工作，否则判决 D 为 0。而双门限能量检测算法本地判决如图3(b)所示，本地能量检测器判决规则如下：

（3）

其中ND 表示认知用户接受到的能量值不可靠，认知用户不作出任何判决，发送感知报告给认知无线电网络基站。如果出现所有认知用户都不作出判决的情况，则选择信用度最高的认知用户依据单门限能量检测算法作出本地判决。并发送感知报告给认知无线电网络基站。

⎪⎩⎪⎨⎧<<<<<<=21211,1,0,0λθλλθλλθND D

图2.（a ）一般能量检测算法本地判决示意图

（b ）双门限能量检测算法本地判决示意图

信用度获取方法采取文献[9]的方法：在最开始阶段，认知无线电网络基站把每个认知用户数目的可信度设为0，当某认知用户本地判决结果与认知无线电网络基站的最终判决结果一致时，该认知用户可信度加1，否则减1。假设认知用户i 的可信度是i γ，则其更新过程如（4）：

u u i i i +-+←)1(γγ （4） 其中u 是认知用户传送给认知无线电网络基站的判决结果，1u 是认知无线电网络基站的最终判决结果。

据文献[8]可知，认知用户在高斯信道下的平均检测概率、平均漏检概率和平均虚警概率如下所示： ),2()|(1λγλθm d Q H P P =>= (5) d m p H p P -=>=1)|(1λθ (6)

)

()2/,()|(0m m H p P f ΓΓ=>=λλθ (7) 出于对授权用户的保护，认知无线电网络基站最终采用OR 准则作出判决。

3频谱感知性能分析

3.1网络开销

在1bit 量化条件下，avg K 代表归一化平均感知位数，K T 和K N T -分别代表K 个已向认知无线电网络基站发送数据和N-K 个未向认知无线电网络基站发送报告。

则：K i K p T P )](1[}{21λθλ<<-=，K N i K N P T P --<<=)]([}{21`λθλ。设}{11H P P

=和}{00H P P =，则划归一划平均感知位数acg K 如式8所示：

∑∑==-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=N K N K k N k K N k avg

H T P H T P K N K P H T P H T P K N K P K 111110'00}|{}|{}|{}|{ (8)

定义：)|(02110H P λθλ<<=∆，)|(02110H P λθλ<<=∆ 则：

11001∆-∆-=P P K a v g (9) 由9式可得：1

可知：基于双门限的协同频谱检测算法的网络开销始终小于常规的能量检测算法。

3.2检测性能分析

设)(λF 和)(λG 别表示 θ在假设0H 和1H 下的概率分布，则根据文献[10]可知:

⎰ΓΓ-

==λ

λθθλ00)

()2/,(1)|()(m m d H F F (10) ⎰=λ

θθλ0

1)|()(d H f G =⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⨯⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛⎩⎨⎧-∑∑==+-==--202__2)1(2201_22)1(2!11211m n m n m n e e n e

γγλγγλλγλλ (11) 显然)()(210λλF F -=∆，)()(121λλG G -=∆。假设0β，1β分别代表在授权用户在工作和授权用户未工作情况下没有认知用户发送感知报告，即当K=0时，则：

N

N F F H K P 01200))()((}|0{∆=-===∆λλβ (12)