一种自适应的协作频谱感知方法

李美玲，王安红

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

一种自适应的协作频谱感知方法

李美玲，王安红

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

在认知无线网络中，协作频谱感知技术可有效提高衰落信道下的检测性能，提高对主用户的保护程度以及认知用户的接入机会。在信道状态良好的情况下，参与协作的认知用户数越多，感知性能越好。而在实际的频谱感知过程中，如果感知信道条件较差的话，认知用户的本地感知结果并不准确，此时该认知用户的本地感知结果对于总的协作感知并不能起到积极的作用；其次，参与协作的认知用户数越多，发送本地决策值占用的系统带宽也越大。为了节约系统资源避免不必要的信令传输，本文提出一种自适应的协作频谱感知方法，只有当认知用户的感知信道条件较好时才将其本地感知结果发送到融合中心，否则不发送，以节约系统资源。最后，通过仿真验证了所提方法的有效性。结果表明，所提方法可有效节约系统开销。

认知无线网络；协作频谱感知；带宽；检测性能；吞吐量

随着无线网络的飞速发展，无线电频谱资源的紧缺问题日益凸显。经过测量显示，在目前的频谱资源分配模式体制下，尤其是在郊区，大部分频谱资源在时间和空间上长期处于空闲状态[1-4]。认知无线网络通过利用动态频谱接入方式可以在不影响主授权用户正常通信的前提下实现频谱的重利用，即：认知用户也称次用户(SU：Secondary User)可以通过频谱感知机会地接入主用户(PU：Primary User)未使用的频谱资源以提高频谱利用率。当SU接入授权频谱时，最关键的是要确保PU受到足够保护而不会被干扰，因此，频谱感知的准确性是实现认知技术的关键。

由于在无线信道环境中，信道衰落问题不可避免，当感知过程存在信道衰落或阴影效应时，单点频谱感知很难准确地检测到PU信号是否存在，研究表明，通过多个用户进行协作频谱感知(CSS：cooperative spectrum sensing)可有效提高信道存在衰落下的检测性能，提高对PU的保护程度以及SU的接入机会。文献[5-6]从如何协作的角度研究了用户之间的合作可带来的性能增益；文献[7-8]研究了CSS中，协作的用户数对感知性能的影响情况，研究结果表明，参与协作的认知用户数越多，感知性能越好；文献[9-11]则从次用户吞吐量的角度，研究了感知时间与感知性能之间的关系，结果表明，感知时间越长感知效果越好。然而，在实际应用中，感知时间不能太长，会对PU造成干扰。为了解决此问题，文献[12]中提出了并行的感知结果发送方式，以解决由于感知时间长而会造成对PU干扰的问题。

通过已有的研究，发现在信道状态良好的情况下，参与协作的SU数越多，感知性能越好。而在实际的频谱感知过程中，如果感知信道条件较差的话，SU的本地感知结果并不准确，此时该SU的本地感知结果对于总的协作感知并不能起到积极的作用；其次，参与协作的SU数越多，发送本地决策值占用的系统带宽也越大。为此，本文提出一种自适应的协作频谱感知方法，只有当SU的感知信道条件较好时才将其本地感知结果发送到融合中心，否则不发送，以节约系统资源。

1 系统模型

本文考虑集中式的协作频谱感知过程，如图1所示。H0和H1分别表示信道空闲和PU占用信道两种初始状态。CSS过程主要包括三个步骤：1)SUi(i=1，2，…N；N为协作的SU数)采用能量检测法独立地执行本地频谱感知并做出本地判决Di(Di∈{0，1})；2)SUi将本地决策结果Di通过报告信道并行地发送到融合中心 (FC：Fusion Center)；3)FC对收到的所有决策值采用一定的融合准则做出最终判断，从而判断主用户信号是否存在。

图1 协作频谱感知模型Fig.1 The model of CSS

在传统上述CSS的第2步中，无论SUi的感知信道条件如何，都会将本地感知结果发送到FC.然而在实际中，如果感知信道条件较差，认知用户的本地感知结果并不准确，此时该认知用户的本地感知结果对于总的协作感知并不能起到积极的作用，因此，本文采用删余的方式，认知用户SUi独立地执行本地频谱感知，并根据其感知信道条件状况决定是否将本地感知结果上报融合中心，只有当其感知信道条件较好时才进行本地决策并将决策结果发送到FC，以避免无效信息的传输同时减少带宽开销。

2 性能分析

2.1 检测性能

如图1所示，SUi独立地执行本地频谱感知时，设xi(t)为第i个SU检测器上接收到的信号，则：

(1)

其中，ni(t)是第i个SU感知信道上的加性高斯白噪声，s(t)为PU发射信号，hi为PU与第i个SU之间感知信道上的信道增益。

认知用户SUi采用能量检测法独立地执行本地频谱感知，利用频域能量Yi作为决策统计值，设能量检测时的判决门限为λi，则当接收到的能量值大于或者等于λi时，则判断主用户信号存在，频谱不可用；否则当接收到的能量值小于λi时，则判断主用户信号不存在，频谱可用。考虑感知信道为瑞利衰落信道，当认知用户认为主用户信号存在时，则本地决策结果记为“1”，表示频谱不可用；反之，当认知用户认为主用户信号不存在时，则本地决策结果记为“0”，表示频谱可用，即：

(2)

考虑SU处收到的PU信号服从独立同分布，不失一般性，可以认为噪声功率也是独立同分布的，所以考虑每个SU的本地检测门限相同记为λ.

这里，我们考虑感知信道为瑞利衰落信道，则SUi的平均本地检测率Pd和本地虚警率Pf可计算如下[11]：

(3)

(4)

融合中心FC对收到的所有决策结果进行融合，从而得到CSS总的检测率和虚警率。本文采用或决策融合法，并取所有SUi的本地检测率和虚警率的平均值作为决策融合的基础。则传统方案中检测率Qd,tra和虚警率Qf,tra的计算式为：

(5)

(6)

由于这里考虑的为平均检测率和虚警率，而传统方案与我们所提方案最大的区别在于发送的本地决策值的不同，作为最简单的分析方案，我们取实际发送的每个SU的接收信噪比的平均值作为实际平均信噪比即可区分传统方案和所提方案。因此式(5)和式(6)中Pd,tra和Pf,tra可分别计算如下：

(7)

Pf,tra=Pf

(8)

由于本文所提方案并非所有的本地感知结果都会发送到融合中心，只有那些感知信道条件较好的从而本地感知结果较准确的才会发送的融合中心，因此假设实际发送的总的决策值数为M，则本文所提方案的检测率Qd,pro和虚警率Qf,pro的计算式为：

(9)

(10)

其中，

Pf,pro=Pf.「·⎤表示上取整。

2.2 次用户吞吐量

在SU所观察的频段上，定义P1为PU存在的概率，P0为PU不存在的概率，只有当SU检测到空闲频谱时才能接入进行通信，而在实际情况中，在某一段频谱上，PU可能存在也可能不存在，当实际存在PU但SU未检测到PU的存在性时会发生漏检，其概率为1-Qd；而当实际不存在PU且SU正确检测到空闲频谱时就是正确检测的情况，其概率为1-Qf.因此，SU可获得的吞吐量是以下两种场合下吞吐量的平均值：

(11)

(12)

其中，α为发送一个本地决策值占用的控制信道带宽占总带宽的比值。

因此，传统方案中认知用户可获得的归一化平均吞吐量可计算如下：

Ctra=(1-Nα)(1-Qf,tra)

(13)

本文所提方案中认知用户可获得的归一化平均吞吐量可计算如下：

Cpro=(1-Mα)(1-Qf,pro)

(14)

3 仿真结果

图2所示为所提方法对带宽节约情况示意图。横坐标为检测门限，纵坐标为实际发送的本地感知结果数与认知用户数之比。由图2可以看出，对于给定的检测门限，感知信道平均信噪比r越大，发送本地决策值占用的控制信道带宽越多，也即认知用户的本地感知结果可信度更高利于融合中心的最终决策；同理，信道空闲概率越大，发送本地感知结果占用的控制信道带宽越少。

图2 所提方法对带宽节约示意图Fig.2 The bandwidth save case in proposed scheme

图3 所提方法与传统方法检测性能比较Fig.3 The detection performance comparison between the proposed scheme and the traditional scheme

图4是认知用户可获得的吞吐量比较。横坐标为认知用户数，纵坐标为认知用户可获得的平均吞吐量，其中，α设置为0.1.由图4可知，在认知无线电网络中认知用户数一定的情况下，本文所提方法可使认知用户获得更高的吞吐量。

图4 所提方法与传统方法认知用户可获得的平均吞吐量比较Fig.4 The comparison of average throughput of cognitive user between the proposed scheme and the traditional scheme

4 结论

在协作频谱感知过程中，带宽资源尤其紧张，为了节约系统开销，本文提出了一种自适应的协作频谱感知方法，只有当认知用户的感知信道条件较好时才将其本地感知结果发送到融合中心，否则不发送。为了进一步节约系统开销，后续将结合感知信道和报告信道条件研究全自适应的协作频谱感知优化算法。

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An Self-adaptive Cooperative Spectrum Sensing Scheme

LI Mei-ling，WANG An-hong

(School of Electronics and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

In cognitive wireless networks，cooperative spectrum sensing can effectively improve the detection performance under fading channels and enhance the protection ability to primary users and the access chance of cognitive users.More cognitive users will make the better sensing performance when the channel conditions are better.While in actual spectrum sensing，the local sensing results of cognitive users maybe not accurate if the sensing channels are destructive，which will play no part in total cooperative spectrum sensing.Secondly，more cognitive users that take part in cooperation will lead to the more system bandwidth occupied for sensing local decision results.In order to save system resource and avoid the unnecessary signal transmission，we propose an adaptive cooperative spectrum sensing scheme，in which，only when the sensing channel conditions are better，the cognitive users will send local sensing results to the fusion center so as to save system resources.The simulation results validated the proposed scheme.The results indicate that the system expense can be effectively saved by the proposed scheme.

cognitive wireless networks，cooperative spectrum sensing，bandwidth，detection performance，throughput

1673-2057(2015)01-0001-05

2014-09-17

国家自然科学基金资助项目(61272262,41272374)；山西省青年科技研究基金(2014021021-2)；太原科技大学博士科研启动基金资助项目(20122032)

李美玲(1982-)，女，博士，主要研究方向为未来移动通信关键技术。

TN92

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.01.001