基于农业物联网的改进型双门限频谱检测算法研究

同诗扬， 祁广云， 衣淑娟

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院,黑龙江 大庆　163000)



基于农业物联网的改进型双门限频谱检测算法研究

同诗扬， 祁广云， 衣淑娟

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院,黑龙江 大庆163000)

摘要：农业物联网的出现，对信息化与农业现代化融合具有积极推动的作用。在农业物联网中信息传输是一个至关重要的环节，到目前为止，普通的3G和4G通信网络已经不能提供农业物联网中进行信息传递所需要的频谱资源，而认知无线电网络恰恰可以满足农业物联网的需求。它显著的特点就是可以发现未被授权用户利用的频谱，来供给未授权用户使用，提高了频谱资源的利用率。在认知无线电中，最重要的步骤就是进行频谱检测，笔者就是在双门限频谱检测算法的基础上提出一种新型算法。该算法适当地选取条件好的认知用户进行数据融合，并不是采纳所有认知用户的本地检测信息。仿真结果表明：本文提出的算法可有效提高认知无线电系统中频谱感知的性能，降低虚警概率，以更好地为农业物联网提供可用的频谱资源。

关键词：农业物联网；认知无线电；双门限频谱检测；协作检测

0引言

在农业物联网中，经常会使用各类传感器来收集数据，由于传感器分布较分散，所以无线传输是最恰当的通讯方式[1]。与物联网的层次类似，农业物联网也分为3层：感知层、传输层、应用层。在农业物联网的传输层需要解决农业物联网自组织网络和农业物联网感知节点合理部署等共性问题[4]。另外，农业物联网的感知层也需要将传感器节点数据传送到网关，因此感知层与传输层需要一种更先进的通信网络，来解决海量的数据传输问题。例如，通过传感设备实时采集温室(大棚)内的空气温度、空气湿度、二氧化碳、光照、土壤水分、土壤温度、棚外温度与风速等数据；将数据通过移动通讯网络传输给服务管理平台。在这个数据传输的过程中，如果利用传统的通信网络，在数据量较大的情况下极易造成网络瘫痪，此时就需要一种新型的通讯网络进行数据传递的过程。

认知无线电(CNR)是一种新的通信网络，具有如下优点：一是CNR可以发现未被主用户利用的频谱空洞；二是CNR可以通过调节次用户的参数从而利用未被占用的频谱资源。认知无线电技术作为一种智能的频谱共享技术可以自动地搜寻和利用空闲的频段，当主用户出现时退出该频段，避免对主用户的干扰。这样一种利用频谱空洞的方式，可以有效地提高空闲频谱的利用率。在某些情况下，频谱检测也能够比较准确地判定射频信号碰撞事件，使认知无线电系统能够尽快进行主动退避，避免过多地影响原有授权用户的通信[2]。目前，已经有大量的学者对认知无线电频谱检测的算法进行研究。文献[3]为了克服传统能量检测算法的不足，改进了传统的算法，采用双门限特有的两个门限值作为判决条件；但该算法的判决门限由于受噪声不确定性的影响，很难以界定。文献[5]利用两个门限值将认知用户检测到的能量值划分为不同的区域，然后对位于两个门限值之间的认知用户检测能量值进行进一步的加权；但该算法的权重因子的确定非常复杂，并且有很强的主观性。综上所述，本文在其他学者研究的基础上，对传统的双门限协作检测算法进行改进，融合中心根据认知用户发送的检测结果及本地的信噪比估计，来选择信噪比条件较好的认知用户进行数据融合。

1基于单点检测的系统模型

现有的频谱感知技术可以分为单节点检测和协作检测。单节点检测通常分为匹配滤波器检测、能量检测及周期平稳特征检测[6]。在上述的检测方法中，由于能量检测不需要知道主用户的先验信息，故本算法中的本地检测采用能量检测算法。假设H1代表授权用户存在，H0代表授权用户不存在，那么本能量检测的系统模型可以定义为二元假设检验问题，有

其中，n= 1,2,…，M，为采样数；H0表示主用户未占用信道；H1表示主用户占用本信道；y(n)为次用户的接收信号；s(n)为主用户发射的信号。能量检测的判决统计量为[5]

假设判决统计量的门限为λ，则虚警概率和检测概率分别为[6]

其中，RSN为能量检测器接收的信噪比。

双门限能量检测就是在传统的单门限的基础上增加一个门限，利用两个门限值将次用户进行二次判决，以克服单门限检测时噪声不确定性对门限值的影响,提高算法的检测概率。

2一种改进型的双门限协作检测算法

在协作频谱检测中，本地认知用户的SNR(信噪比)对检测结果的正确性有着很大的影响。在进行传统的协作频谱检测时，首先由本地认知用户把本地检测的结果发送至融合中心后，然后融合中心对所有的认知用户发送来的结果按照一定的融合准则进行融合。这种融合准则有着各自优缺点。在一个实际的认知无线电环境中，每个认知用户距离主用户发射端的距离也不相同，所以当认知用户进行频谱空洞检测时，信号所经历的衰落效应和阴影效应对每个认知用户的SNR都起着决定性的作用。通过上述的分析，可以得知认知用户本地的信噪比高低对融合中心最后判决的检测结果有着很大的影响。所以，本文在传统双门限协作检测的基础上提出了一种改进型的算法。

首先，预先设定两个门限λ1和λ2将整个检测区间分为3部分。当本地能量检测的统计量处于λ1和λ2之外的区域时，认知用户直接作出本地判决，并把判决结果发送给融合中心；当本地能量检测统计量小于λ1时，就判定主用户不存在；当检测统计量大于λ2时，判定主用户存在；当检测统计量大于λ1小于λ2时，直接把检测结果发送到融合中心，融合中心根据认知用户的信噪比估计结果，选择信噪比较高的认知用户进行判决融合。那么如何选择拥有较好的信噪比的认知用户是本算法的核心内容，其算法的流程图如图1所示。

图1　选择信噪比比较好的认知用户流程图

3仿真结果与分析

第1步：每个认知用户进行本地能量检测，获得1个本地检测结果，并进行信噪比估计(信噪比估计是无线通信中一个常用的技术，现在有很多办法可以实现)。第2步：认知用户把本地判决结果及信噪比估计的结果发送到融合中心，由融合中心进行二次判决。第3步：融合中心按照图1中的算法流程得到最终的判决结果。第4步：融合中心把检测结果发送给认知用户，完成一次频谱空洞检测。

图2为在低信噪比下能量检测和协作检测的ROC曲线。在本次仿真中，信噪比设置为-26db。因为要得到信噪比对检测性能的影响，所以设置的信噪比较低。由图2可以看出：当信噪比较低时，单个节点检测与协作检测在相同的虚警概率下,协作检测比单点检测的检测概率高，故本算法采用协作检测的方式。

图2　低SNR下单个节点能量检测与协作检测的ROC比较

由图3可以看出：基于双门限的SNR比较的算法比单个高节点的SNR检测算法的检测概率要高，足以说明本文提出的算法在相同的虚警概率下有着较好的检测性能；通过仿真曲线也可以得出该算法实用可靠。

图3　基于SNR比较的算法与其他检测算法的ROC曲线

4结论

在农业物联网中，信息传输是至关重要的环节，目前的通信技术已经不能满足海量的信息传输。认知无线电正是为了解决海量信息传输中频谱资源匮乏这一问题而应运而生的。在认知无线电频谱检测过程中，协作检测是一个效果较好的检测方式。在融合中心如何恰当地选择认知用户，对频谱检测的结果有着很大的影响。本文提出的算法在双门限检测的基础上，在融合中心处对认知用户的信噪比进行比较，选择较高的信噪比用户参与最后的判决。仿真结果表明：本文的算法与传统的算法进行比较，检测性能有显著的提高。

参考文献：

[1]丁么明,夏洪星.认知无线电在农业物联网中的应用[J].数学的实践与认识，2013，43(3):14-15.

[2]杨爽.认知无线电协作频谱感知技术的分析与仿真[D].武汉：华中师范大学，2011.

[3]陈长兴，符辉.基于双门限能量检测的协作频谱感知算法[J].系统工程与电子技术，2013(8)：1742-1746.

[4]张长利,沈维政.物联网在农业中的应用[J].东北农业大学学报，2011，42(5)：33-35．

[5]杨铁军，司春丽.基于混合加权的双门限能量协作检测算法研究[J].计算机仿真，2012(7)：179-183.

[6]姜微，马惠珠.瑞利信道中双门限检测算法性能仿真及研究[J].计算机仿真，2011(1)：127-130.

Detection Limit of the Spectrum Algorithm Based on Improved Agricultural Things Double Doors

Tong Shiyang， Qi Guangyun， Yi Shujuan

( Information Technology College, Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163000, China)

Abstract：Things emergence of agriculture, information technology integration and modernization of agriculture has a positive role in promoting. Things in agricultural information transfer is a vital link. So far, the general's 3G and 4G communications network has been unable to meet the agricultural Things spectrum resources in the transmission of information needed. Cognitive Radio Networks things just to meet agricultural demand. It is notable feature is the ability to discover unauthorized use of the spectrum users to supply unauthorized users. Cognitive radio is generated improves the utilization of spectrum resources. Things agriculture and cognitive radio technology combine these two areas, agriculture spectrum of things facing shortage problem is solved. In cognitive radio, the most important step is to detect the spectrum. The author is in the traditional two-threshold spectrum propose a new algorithm on the basis of the detection algorithm. The algorithm to select the appropriate conditions are good cognitive user data fusion, and not adopt the local detection information for all cognitive users. Simulation results show that the proposed algorithm can effectively improve the spectrum sensing cognitive radio system performance, reduce the probability of false alarm. Better networking can provide material for agriculture available spectrum resources.

Key words：agricultural things; cognitive radio; dual-threshold spectrum sensing; cooperative detection

文章编号：1003-188X(2016)01-0053-04

中图分类号：S126

文献标识码：A

作者简介：同诗扬(1991-),女，陕西凤翔人，硕士研究生，(E-mail) 987427510@qq.com。通讯作者：祁广云(1963-)，男，黑龙江依安人，教授，硕士生导师，(E-mail)2860605532@qq.com。

基金项目：黑龙江省教育厅项目(12541583)

收稿日期：2015-03-19