一种分布式协作频谱感知技术

MRF ， 这 样 每 个 节 点 只 需 要
和它的邻居节点进行交互。
yi =hixi +zi
为 σ 的加性高斯白噪声。
2 z
(2)
其 中 h i = h ( d i ) 服 从 对 数 正 态 分 布 ， zi 是 一 个 零 均 值 和 方 差 频谱感知就是判断下面两个假设中的一个为真：
Hammersley -Clifford 定 理 指 出 在 MRF 中 联 合 概 率 可 以 用
* 基 金 项 目 ： 国 家 科 技 重 大 专 项 （ 2009ZX03003 - 002 - 01 ）
出了与加权合并相结合的分布式检测理论。 最 近 ， 一 种 以 置 信 传 播 (BP) 算 法 [ 4] 为 基 础 的 概 率 推 理 方 法 被 提 出 并 应 用 在 频 谱 感 知 上 [ 5] 。 在 集 中 计 算 可 行 的 假 设 前 提 下 ， 参 考 文 献 [5] 指 出 BP 能 带 来 相 当 大 的 增 益，基于此思想，提 出由 中心数 据融 合单 元收集 所有 认 知用户的感知结果，并且在 一个与 实际 网络 拓扑结 果无 关 的 图 上 使 用 BP 算 法 的 方 法 。 本 文 从 另 外 一 个 方 面 拓 展概率推理方法的潜力，即在分布式结构中拓展基于拓 扑 图 的 概 率 推 理 。 一 组 用 于 协 作 感 知 频 谱 的 SU 自 然 地 形成了一个拓扑结构图，其中，两个节点的边表示这两 个用户可以通信(瞬时的)。 从协作感知形式上可以看作 一个图上系统的问题，在思想上类似于在图上编码。 同 样 ， 在 译 码 中 取 得 了 重 大 成 功 的 著 名 BP 算 法 也 可 以 适 用于在网络结构图中推断出感知结果。 本文考虑更一般 的情况 ，当网络结构图是任意的，即可能由很多环 构成 ， 并且检测结果是相关的 ，再进一步研究置信传播算法和 加 权置信 传播 算 法 。 传 统 的 加 权 硬/软 合 并 方 法 与 统 计
1 系统模型
本文所采用的系统模型是由一组 n 个认知用户分 散在主用户的保护带附近组 成，形 成如 图 1 所示 的拓 扑 图。 考虑一个精密并实际的 无线信 道模 型 ，该 信道有 大 尺 度 阴 影 和 距 离 路 径 损 耗 。 设 di 表 示 PU 与 第 i 个 SU 之 间 的 距 离 ， 瞬 时 的 信 道 增 益 h ( di ) 同 时 包 括 了 路 径 损 耗 和 对 数 正 态 阴 影 衰 落 效 应 ， 当 用 分 贝 (dB) 作 单 位 时 ， 它 就是一个正态分布：
中 图 分 类 号 ： TN929.5 文献标识码： A 文 章 编 号 ： 0258-7998(2011)0ative spectrum sensing technology
Fan Xiang, Shi Zhiping
(National Key Lab. of Communication, University of Electronic Science and Technology of China , Chengdu 610054, China ) Abstract ： Model the network of secondary users as Markov random fields and to apply the belief propagation algorithm and the weighted belief propagation algorithm to facilitate decision fusion in a distributed manner, and use weighted BP to solve the shadow fading and malicious nodes more effectively . The performance of this method is superior to the existing major voting algorithm and the most of the others algorithms in distributed cognitive radio networks. Finally , a simulation with MATLAB has been done and verifies the results. Key words: distributed cooperative spectrum sensing ; belief propagation algorithm (BP); weighted belief propagation algorithm (WBP); Markov random fields (MRF)
如下形式表示：
图 1 8 个协作认知用户的 有环认知网络拓扑图
H0 : 目 的 频 谱 当 前 空 闲 H1 : 目 的 频 谱 当 前 繁 忙
(3) (4)
p ( Xi )
(i,j)∈E
仪
Ψi j ( Xi , Xj ) 仪 准 i ( Xi )
j∈V
(6)
在 分 布 式 协 作 算 法 中 ， 每 个 SU 通 过 “ 平 均 ” 邻 居 节 点的感知结果来单独作出决定。 有效的决策融合可以用 软 信 息 的 形 式 完 成 ， 特 别 是 似 然 比 检 验 ： p ( H1 | y ) 。 其 中 p ( H0 | y )
2.1 置 信 传 播
置 信 传 播 (BP) 是 一 类 通 用 的 信 息 传 递 和 信 息 更 新 算 法 。 设 给 定 的 一 个 随 机 向 量 X =( X1 , … , Xn ) T 的 联 合 概 率 函 数 p(X) ， 当 p(X) 是 由 局 部 函 数 的 乘 积 的 形 式 构 成 时 ， 计 算后验分布函数是相当简单的 ，这表明了条件独立于图 的 模 型 中 ， 如 马 尔 科 夫 随 机 场 (MRF) 、 Bayesian 网 络 和 因 子 图 [ 4] ， 可 以 很 容 易 地 得 到 。 本 文 使 用 MRF ， 特 别 是 对 偶
《 电 子 技 术 应 用 》 2011 年 第 37 卷 第 6 期
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通信与网络
Communication and Network Pr( H1 | H0 )=
推理方法是统一的。 通过 选择 合适的 相容 函数，可 以很 好地表示独立感知结果中的 距离 相关的 关系 。 此外，这 类统计推理方法不仅限于能 量检 测技 术，还可 以同 时应 用于其他单节点频谱感知技 术，如匹 配滤 波器检 测和 循 环特征检测。 已经证明，当存在不确定噪声时，单节点能量感知 受 SNR 下 限 的 影 响 [ 6] 。 协 作 感 知 将 能 很 好 地 提 高 感 知 性 能 ，并且 在一 些实际 的网 络结 构中也 是可 行的 ，如 无 线 传 感 器 网 络 。 考 虑 到 实 际 的 无 线 网 络 模 型 ，本 文 中 的 模 型 不 仅考虑加性噪声， 还考虑了在许多无线通信和频谱感知 中 有 决 定 作 用 的 阴 影 效 应 。 用 BP 算 法 从 一 组 SU 的 感 知 结果来推断最终判决结果。 在存在恶意节点谎报感知结 果 获知某 节点 处于深 衰落 不能 正确得 到感 知时,考 虑采 取 一种加权的方式使得感知结果更为精确。
认知无线电针对在过度拥挤的无线频谱与实际频 谱使用时无处不在的频谱空闲的矛盾提供了一种可行 的解决方案。 认知无线电中最重要的工作之一是频谱感 知 ， 频 谱 感 知 可 以 使 认 知 用 户 (SU) 检 测 本 地 的 瞬 时 频 谱 ， 然 后 重 新 分 配 并 利 用 频 谱 ， 并 且 不 能 对 主 用 户 (PU) 造 成 明 显 的 干 扰 。 由 于 每 个 PU-SU 的 信 道 可 能 产 生 不 同 的 衰 落 ， 多 个 SU 之 间 的 协 作 感 知 可 以 增 加 频 谱 接 入 机 会 。 相 比 于 独 立 感 知 , 协 作 感 知 能 让 同 一 级 的 SU 共 享 并 汇 总 它 们 各 自的感知结果， 并且当信道是慢变的和有噪声时能明显 提 高 感 知 精 度 ，降 低 漏 检 概 率 和 虚 警 概 率 。 能 量 检 测 [ 1] 被 实 验 证 明 是 最 简 单 、 限 制 最 少 、 最 实 用的节点频谱感知方法。 一些文献提出了协作能量检测 的 优 秀 方 法, 其 中 大 多 数 是 对 硬/软 判 决 结 果 进 行 加 权 合并来达到感知或决策结果的融合,加权合并方法有大 数 判 决 、 等 增 益 合 并 (EGC) 、 最 大 比 合 并 (MRC) 和 用 户 选 择 ( 这 也 可 以 看 作 是 一 种 加 权 合 并 ) 等 [ 2] 。 参 考 文 献 [3] 提
通信与网络
Communication and Network
一种分布式协作频谱感知技术 *
范 祥， 史治平 ( 电 子 科 技 大 学 通 信 抗 干 扰 国 家 级 重 点 实 验 室 , 四 川 成 都 610054)
摘 要 ： 构 造 认 知 用 户 的 网 络 模 型 为 马 尔 科 夫 随 机 场 ， 应 用 BP 算 法 和 加 权 BP 算 法 来 协 助 分 布 式 网 络 中 的 决 策 融 合 ， 利 用 加 权 的 BP 算 法 更 有 效 地 解 决 阴 影 衰 落 和 恶 意 节 点 所 导 致 的 问 题 。 这 种 方 法 的 性 能 优 于 现 有 的 分 布 式 网 络 中 的 大 数 判 决 等 其 他 多 数 算 法 的 性 能 。 采 用 MATLAB 进 行 仿 真 ， 验 证 了分析结果。 关键词: 分布式 协作频 谱感知; 置信 传播算 法; 加权 置信传 播算 法; 马尔 科夫随 机场
乙
y : p ( H1 | y ) ≥ θ p ( H0 | y )