中继式协作频谱感知仿真平台设计

冯景瑜， 张 亮， 卢光跃

(西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

中继式协作频谱感知仿真平台设计

冯景瑜， 张 亮， 卢光跃

(西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

为了在认知用户与数据融合中心之间的单跳直接式通信受阻时，通过邻居节点提供的中继辅助进行多跳通信，以完成数据融合中的感知结果报告，基于分层分簇的协作网络建模思想，提出一种多跳中继式协作模型，并在此基础上，使用Matlab GUI中的GUIDE工具，设计出一种用于中继式协作频谱感知环境的仿真平台。系统性能测试表明，所设计的仿真平台可对常见协作频谱感知算法，在多跳中继式模式下进行有效地仿真和性能分析。

协作频谱感知；中继式协作；图形用户界面

随着无线通信技术的快速发展，已授权的频谱资源越来越稀缺。认知无线电[1-2]技术有效提高了可用频谱的利用率，通过不断感知、学习、理解和适应周围环境变化，在不干扰主用户的前提下机会式地使用该授权频谱。协作频谱感知(Cooperative Spectrum Sensing，CSS)[3]是认知无线电技术的首要环节，通过多个认知用户(Secondary User, SU)相互协作感知主用户(Licensed User, LU)频谱的空闲状态[4]，由此可提高频谱利用率。

目前，多个认知用户的协作频谱感知主要可以分为单跳直接式协作[5]和多跳中继式协作[6]。各SU之间或SU与LU之间的信道根据用途不同，可分为感知信道[7]和报告信道[8]。感知信道是SU与LU之间的点到点物理链路，用以检测LU信号的信道或频带。报告信道是链接SU与融合中心(Fusion Center, FC)之间形成点到点的物理链路，用以传输认知用户通过感知信道获取的感知数据。

在实际的协作频谱感知场景中，广泛存在着报告信道都不理想的情况。目前侧重于单跳式协作感知算法[9]的仿真方案，在感知信道或者报告信道不理想时，将很难保证FC得出准确的判决结果。文[10-11]提出感知信道的中继式协作模型，利用其它感知信道理想的SU充当中继用户转发感知数据，提高协作感知的整体性能。

本文拟根据已有的研究成果，使用Matlab GUI的GUIDE工具，设计一种人机交互界面，实现报告信道的中继式协作频谱感知仿真平台 (Relay-based Cooperative Spectrum Sensing Simulator, RecssSim)。设计系统将建立在分层分簇的协作网络模型中，通过改变噪声、路径衰落、信噪比等环境参数，仿真报告信道的多跳中继式协作感知技术，并对或(OR)、与(AND)、多数(Majority, MAJ)等数据融合算法进行感知性能分析。

1 设计原理

1.1 中继式协作网络模型

在协作网络中(图1)，通过报告信道的多跳中继式协作频谱感知，可以提高SU报告本地感知结果给FC的准确性。

图1 中继式协作网络

RecssSim仿真平台的网络模型是分层分簇的协作网络，在空间采取经纬度分层，并划分为多个簇，建立中继式协作网络模型。如图2，按离主用户LU的远近划分为3层纬度区域，按不同的方向角度分为6个经度区域。定义同一经度区域的SU为一个分簇，总共有6个分簇，为了提高中继协作的效率，优先考虑同一分簇内的多跳中继协作。

图2 单主用户的中继式协作网络模型

假设协作网络中有1个主用户LU，在这个LU的信号覆盖边界内有N个认知用户SU。这N个SU中，N1个SU在第一纬度区间，N2个SU在第二纬度区间，N3个SU在第三纬度区间。只有与LU紧邻的SU(即纬度为1)能直接较好地将本地感知结果报告给FC，其余SU仅能在LU信号覆盖范围内感知到LU信号，但不能准确地将感知结果报告给FC，需要通过临近中继节点的报告信道，多跳式地将其本地结果传递给FC。考虑到网络模型的复杂度，设同一簇的同一纬度区域最多有两个SU。

将这N个SU中，每次发起请求感知当前LU频谱状态的SU称为初始感知SU。初始感知SU通过其符合条件的邻居节点的中继辅助，多跳式地完成对LU状态的本地感知报告，形成一条或多条感知报告信道链路。

1.2 中继式协作过程模拟

在中继式协作频谱感知中，多跳式传递感知报告的过程可抽象为3个阶段。

(1) 探寻邻居节点阶段

通过各SU的经度纬度参数可以确定各SU自己本簇内的邻居节点(Nb)。

(2) 形成中继链路阶段

通过基本的请求-应答(Req-Ack)握手通信机制，形成经邻居节点辅助的中继式报告信道链路。

(3) 报告本地结果阶段

将初始感知SU的本地感知报告，通过已形成的报告信道链路传输给FC，最后FC依据相应的融合算法将本簇内各感知结果进行数据融合处理。

如图3所示，初始感知SU17请求感知LU的频谱状态，由于不能很好地与FC进行通信，经过第一阶段向其邻居SU8、SU13、SU19、SU23发出中继辅助请求，通过第二阶段形成中继报告信道，在SU8和SU5的中继辅助下，可以较好地将SU17的感知结果报告给FC，从而可以判决最终LU的当前状态。

图3 中继式协作过程模拟

1.2.1 探寻邻居节点

在理想情况下，LU的发射机在各个信道均有相同表现，每个SU与LU相距的远近不同，其感知到的能量大小也有不同。根据文[6]，约定主用户信号能量(Es)的1/4为允许请求中继辅助感知的本地感知临界能量E*，所以只要SU的感知能量大于这个临界值，就可视该SU属于初始SU的潜在邻居节点集合。假设这N个SU均在该临界能量范围内，均可以向初始SU提供中继辅助。在这个潜在邻居节点集合中，若某节点满足以下两个条件的任一种，则视其为初始SU的邻居节点(Nb)。

(1) 该节点与初始SU处在同一经度，且纬度差值小于等于1。

(2) 该节点与初始SU处在同一纬度，且经度差值小于等于1。

由以上规则，并考虑到中继式协作的效率，优先考虑与低纬度邻居节点的中继协作，这样每次首先得到请求感知的初始SU在本簇内的邻居列表(LNb)。

特别地，当两个SU处在本簇内非常临近的位置，即同经度同纬度区域时，称该两个SU为临近邻居。初始感知SU可以获得两种中继辅助，一种直接从本簇内低纬度区域的邻居节点获得中继辅助，称为纵向辅助。另一种可以先从本簇内临近邻居，再从临近邻居的低纬度邻居获得中继辅助，称为横向辅助。

1.2.2 握手形成中继链路

每个SU的本地缓存信息内容如表1所示。

表1 本地SU的缓存信息

握手形成多跳的中继式报告链路过程如图4。

图4 形成中继辅助链路过程

请求感应的初始SU优先向其本簇内邻居列表中更低纬度的邻点纵向发送Req，再向同纬度的邻点横向发送Req；第一次握手成功，该邻点会返回Ack，并返回该邻点的相应信息给初始SU；若该邻点仍无法直接较好与FC通信，则继续寻找该邻居的本簇内邻居节点，并逐层握手，直到成功握手纬度值为1(即可以直接较与FC通信)的SU。

在此过程中，保存每一次成功握手的源节点和目的节点信息，形成从最初请求SU到可较好与FC通信SU的报告信道链路，记录此链路为报告信道的中继辅助链路列表(LC)。

1.2.3 传输感知信息

考虑与初始感知SU同分簇内的报告信道的中继式协作，根据1.1节建立的网络模型，可能形成多条中继式报告信道链路，可以根据跳数信息和邻居节点信息分为以下3类。

(1)单跳的直接报告信道链路。

(2)多跳的无临近邻居的中继式报告信道链路。

(3)多跳的有临近邻居的中继式报告信道链路。

根据形成的报告信道的链路数，将初始感知SU在本簇内感知到的中继协作链路分为3种情况，分别如图5、图6和图7所示，其中●表示初始请求感知SU，○表示中继辅助SU，△表示可以直接较好与FC通信的可靠SU。

第一种，只形成一条报告信道链路。由初始感知SU直接，或经一跳、两跳的中继节点与FC进行通信，这种情况是无临近邻居的中继式协作。

图5 一条本簇内的中继协作链路

第二种，形成两条报告信道链路。由初始感知SU经一跳、两跳或三跳的中继节点与FC通信，其中的虚线链路是有临近邻居的中继式协作。

图6 两条本簇内的中继协作链路

第三种，形成四条报告信道链路。由初始感知SU经两跳或三跳的中继节点与FC通信，图7所示也是有临近邻居的中继式协作。

图7 四条本簇内的中继协作链路(两跳或三跳)

有临近邻居的中继式协作有一个重要优势，即初始感知SU在本簇内纵向辅助中，出现故障或者问题的邻居节点无法再提供中继式协作时，初始感知SU就可以通过临近邻居先横向辅助，再通过其临近邻居的纵向辅助形成中继式报告信道链路，这样可以提高一定规避危险的能力。

根据已形成的报告信道的中继辅助链路列表(LC)的顺序，从高纬度向低纬度 (即从源节点向目的节点)发送本地感知的LU状态信息给FC，经过OR、AND、MAJ等硬判决数据融合算法，将初始感知SU本簇内的各SU报告感知结果进行融合，最终得到当前LU频谱状态判决。

2 系统界面设计

使用Matlab GUI中的GUIDE工具，设计出一个中继协作式频谱感知仿真平台RecssSim。RecssSim的系统界面如图8所示，signal_axes和noise_axes呈现主用户的信号和信道噪声，relaylink_axes输出感知到中继辅助的报告信道链路图，cortrans_rate_axes输出经过该中继协作链路传输数据的正确率，roc_axes、pd_axes和pf_axes输出确定中继协作链路后，常用协作频谱感知融合算法的系统性能。

同时可以设置基本的环境参量，如信噪比、信号采样频率、路径是否理想等。还可以根据仿真需求，选择仿真的协作频谱感知算法以及蒙特卡洛次数，开关仿真结果ROC曲线的输出，并且可以方便地保存或者导出仿真结果，进行系统和算法的性能分析。

环境参数及融合算法设置如表2所示，而仿真操作及ROC设置如表3所示。

图8 仿真平台控件布局设计

控件类型执行功能Tag属性回调函数单选按钮有无高斯白噪声agwn＿radiobuttonagwn＿radiobutton＿Callback()有无路径衰落pathloss＿radiobuttonpathloss＿radiobutton＿Callback()文本输入设置信噪比snr＿editsnr＿edit＿Callback()，snr＿edit＿CreatFcn()设置采样频率fs＿editfs＿edit＿Callback()，fs＿edit＿CreatFcn()设置蒙特卡洛次数mtcycle＿editmtcycle＿edit＿Callback()，mtcycle＿edit＿CreatFcn()列表框选择采用的融合算法fusionlistfusionlist＿Callback()

表3 仿真操作及ROC设置

3 系统性能测试

假设在如1.1节网络模型中，总SU数目为N=25，其中N1=6，N2=8，N3=11，并引入常见协作频谱感知数据融合算法OR、AND和MAJ，用于测试RecssSim系统性能。

在图9所示的RecssSim仿真平台上，设置信噪比为-8 dB、路径衰落，蒙特卡洛次数为10 000后，形成了初始感知SU20到目的节点SU1之间传递感知结果的报告信道链路[20, 8, 1]。在此基础上，可得出对OR算法的多跳中继式协作性能分析。

图9 RecssSim平台下的OR算法测试结果

在图10中，配置相同的环境参数，形成了初始感知SU23到目的节点SU3之间传递感知结果的四条报告信道链路，其中[23,10,3]和[23,13,3]无邻近邻居的中继辅助链路，[23,19,10,3]和[23,19,13,3]为有临近邻居SU19的中继辅助链路。然后可得出对AND算法的多跳中继式协作性能分析。

图10 RecssSim平台下的AND算法测试结果

在图11形成了初始感知SU13到目的节点SU2之间，具有两条传递感知结果的的报告信道链路[13,2]和[13,7,2]，其中第二条有临近邻居。最后可得出对MAJ算法的多跳中继式协作性能分析。

图11 RecssSim平台下的MAJ算法测试结果

4 结语

针对报告信道的不理想情况，提出一种多跳中继式协作频谱感知方案，用于保障协作频谱感知的系统性能。在此方案的基础上，使用Matlab GUI的GUIDE工具，设计出一种中继式协作频谱感知仿真平台RecssSim。所设计的仿真平台可通过对环境参数的配置，快速实现多跳的中继式协作频谱感知性能仿真，并具有较好的扩展性，可完善数据融合功能，为不同中继式感知的融合方案提供仿真。

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[6] Ganesan G, Li Y G. Cooperative spectrum sensing in cognitive radio, part II: multiuser networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 6(6): 2214-2222.

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[责任编辑:王辉]

Design of relay-based cooperative spectrum sensing simulator

FENG Jingyu， ZHANG Liang， LU Guangyue

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A multi-hop relay model is proposed from the perspective of hierarchical-clustering collaborative network. When the communication between cognitive users and data fusion center is blocked, this model can provide multi-hop connections via neighbor nodes’ relay-assist to report sensing results reliably. Based on this, a relay cooperative spectrum sensing simulation platform (RecssSim) is designed using the GUIDE tool of Matlab GUI. System performance analysis shows that RecssSim can simulate typical cooperative spectrum sensing algorithms effectively in the environment of multi-hop relay cooperation.

cooperative spectrum sensing, relay-cooperation, graphical user interface(GUI)

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.006

2013-11-06

国家自然科学基金资助项目(61271276, 61301091)；陕西省国际科技合作重点基金资助项目(2013KW01-03)；西安邮电大学青年教师科研基金资助项目(ZL2012-06)

冯景瑜(1984-)，男，博士，讲师，从事无线通信安全、认知无线电和协作频谱感知研究。E-mail: fjy.fengjingyu@gmail.com 张亮(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为宽带无线通信。E-mail: zl_9520@163.com

TN911.23

A

2095-6533(2014)01-0031-07