基于双门限能量检测性能分析

陈佳佳　孙干超

【摘 要】普通的单门限能量检测，一旦遇到突发噪声和其他干扰的因素，就非常有可能导致误检测。本文运用了一种新型的双门限协作能量检测算法。經过多次仿真，结果均表明这种方法可以提升频谱检测的可能性，与此同时能够减小漏检率。当信噪比较低时，认知用户数N=5时，双门限性能最高要比单门限高出22%；认知用户数N=10时，双门限性能最高要比单门限高出17%。在实际的环境中，低信噪比的恶劣环境相对较多，因此双门限具有非常高的优势，应用空间相对广阔。

【关键词】认知无线电；单门限；双门限；能量检测

中图分类号： TN925 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）25-0129-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.059

【Abstract】Ordinary single-threshold energy detection， when encountering sudden noise and other interference factors， is very likely to lead to false detection. This paper applies a new dual-threshold cooperative energy detection algorithm. After several simulations，the results show that this method can improve the possibility of spectrum detection， and at the same time can reduce the rate of missed detection.When the signal-to-noise ratio is low， when the number of cognitive users is N=5，the double-threshold performance is up to 22% higher than the single-threshold； when the number of cognitive users is N=10， the double-threshold performance is higher than the single-threshold by 17 %. In the actual environment，the harsh environment with low SNR is relatively large， so the double threshold has a very high advantage and the application space is relatively wide.

【Key words】Cognitive Radio；Single-threshold；Double-threshold；Energy detection

0 绪论

认知无线电[1]是一个非常重要的概念，可以运用于频谱分析，能够较好地提高频谱使用率。认知无线电中有许多重要的概念，其中频谱检测技术是相当具有研究意义的一个环节。频谱检测的方法有许多种，我们运用较多的就是能量检测方法[2]。对于以往的能量检测技术来说，通常设置一个门限，我们称之为单门限。单门限缺点显著：一旦遇到突发噪声和其他干扰的因素，那么结果会与实际结果偏离很大，严重影响实际的运用。为了较为理想地解决以上的问题，我们可以在以往的单门限的算法体系下，再加入第二个门限，也就是所谓的双门限能量检测方法。

我们都知道，认知用户与认知用户相互间能够产生协作效应，这个效应有可能用于增加频谱检测的效率。如果我们考虑多个用户之间的协作效应，就有可能避免这样的缺陷。为此，在进行能量检测方法的同时，需要结合协作的因素。综上，结合了双门限和协作方法的能量检测算法有望具有更大的使用范围和良好的性能。

1 双门限能量检测

1.1 双门限能量检测

图1所表示的是：当普通的一个门限检测方法不能够满足需要的情况下，可以再添加一个门限值，这样就构建了两个门限值Vth0和Vth1的算法[3]。我们可以很轻易地推断出：如果时V>Vth1，有可能检测出主信号，如果V>Vth0时，可以判定主用户还未出现。如果Vth0

我们记在H0下裁定位于（Vth0，Vth1]内和在H1情况下认为位于（Vth0，Vth1]内的随机概率分别是

Δ0=Pr{Vth0

Δ1=Pr{Vth0

那么在双门限、用户数目唯一的情况下，检测概率、漏检概率、虚警概率依次求得如下：

1.2 双门限协作能量检测

联合协作的算法和多个门限值的算法，可以提出一种多个用户协作的双门限的能量检测方法：设定认为网络是相对集中的，每个认知用户需要把检测的值输送个中心环节。中心环节利用收到的数据进行协作运算。首先，每个用户各自检测信号，如果检测的结果认为出现了主用户或是尚未出现主用户，则将结果反馈给中心节点。如果检测的值不确定（位于两个门限的范围之间），那么就将探测的值发给中心，由中心使用融合的算法进行分析，最后使用OR准则得出结果，可以极大地降低对主用户影响的可能性。

2 仿真与测试

图2是仿真图，在这幅图中看出：不管是高斯信道，或是在瑞利信道，双门限能量协作检测方法的结果都要比普通的单门限能量协作检测方法要更好。因此有着更宽广的使用空间。在实际的环境中，总期望在最大可能提升检测概率Pd的情况下，有效地降低虚警率Pf。和普通的单门限的方法相比较，双门限方法能够在提高检测概率Pd的情况下减小虚警率Pf。

从图3可以看出：认知用户的数量越高（记为N），检测概率Pd也随之增加，在其他情况完全相同的条件下，认知用户数N=10的可能性比N=5大约提升了50%，极大地改善了结果。另一方面，不同的认知用户间进行协作时，能够获得协作收益，因此不管是单门限或是双门限协作检测，使用协作的性能都好于一个用户独自检测。此外，不管是认知用户数N为5或是10，双门限协作检测的结果要比单门限协作检测的结果要好。位于信噪比相对较低的环境下，认知用户数N=5时，双门限性能最高要比单门限高出22%；而认知用户数N=10时，双门限性能最高比单门限高出17%。也就是说，在信噪比相对较低的环境下，双门限有着非常良好的性能，值得进行推广。

3 总结

由于能量检测算法是根据接收到的信号能量检测判决主用户信号是否出现，所以对干扰比较敏感，针对传统的单门限能量检测算法，本文提出双门限能量检测算法。多个认知用户间协作检测有助于改善单用户能量检测算法的不足。因此，结合多门限能量检测算法和协作方法，本文使用了双门限协作能量检测算法，理论分析和计算机仿真结果表明：与单门限相比，双门限能量检测算法性能要好于单门限算法，降低认知用户对主用户的干扰，保证了主用户对频谱占用的优先权。也就是说，在实际应用中，与传统单门限相比，就有可能在进一步提高检测概率、确保主用户对频谱的优先使用权的同时，降低虚警率。因而具有十分诱人的前景。

【参考文献】

[1]Zhang Wei， Ranjan K， Mallik L， et al.Cooperative spectrum sensing optimization in cognitive radio networks[J].Proceedings of the IEEE International Communications， 2008，3（4）：3411-3415.

[2]廖楚林.认知无线电系统的频谱分配算法研究[D].电子科技大学，2007.

[3]谈凯，傅丰林.认知无线电的频谱检测技术的研究[D].西安电子科技大学，2008，4.