劉 敏，岳文靜，蒲 昱，陸海亞

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

提高認(rèn)知多跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作頻譜感知方法

劉 敏，岳文靜，蒲 昱，陸海亞

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)之一。能否正確快速地感知主授權(quán)頻譜，是認(rèn)知用戶進(jìn)行通信的前提，也是衡量檢測性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。考慮衰落信道對檢測性能的影響，文中提出一種在多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中基于空時(shí)編碼的多簇協(xié)作頻譜感知方法。具體方案為：首先對認(rèn)知用戶進(jìn)行分簇，然后根據(jù)距離對簇進(jìn)行分級，最后簇頭與它的上一級簇頭進(jìn)行Alamouti編碼，并將編碼后的感知信息通過多跳的方式發(fā)送到融合中心，以提高協(xié)作頻譜感知的檢測性能。仿真結(jié)果表明：采取多跳多簇認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)不僅可以有效地減少發(fā)送的能量，而且多跳多簇認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)和支路數(shù)會在一定范圍內(nèi)增強(qiáng)檢測性能。同時(shí)，采用Alamouti編碼之后的信道誤碼率得到了明顯改善，檢測性能得到大幅提高。

認(rèn)知無線電；協(xié)作頻譜感知；能量檢測；空時(shí)編碼

1 概 述

隨著通信行業(yè)的發(fā)展，無線通信無疑成為通信產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的一部分。僅蜂窩數(shù)據(jù)系統(tǒng)就經(jīng)歷了從1G到4G的飛躍，4G較3G而言，擁有更快的傳輸速率，如果想使4G通信達(dá)到100 Mbps的傳輸，通信營運(yùn)商必須在3G通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大幅度的改造和研究，以便使4G網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡(luò)的蜂窩系統(tǒng)的帶寬高出許多。據(jù)研究4G通信的AT&T的執(zhí)行官們說，估計(jì)每個4G信道會占有100 MHz的頻譜，相當(dāng)于W-CDMA3G網(wǎng)絡(luò)的20倍。這使得本就缺少的頻譜資源更加短缺。不僅如此，實(shí)際情況中：在目前固定的頻譜資源分配方式中，政府已授權(quán)的無線頻譜資源利用率非常低。美國國家無線電在2004年1月至2015年8月期間對美國六個區(qū)域的頻譜資源利用率的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)顯示，六個區(qū)域的平均頻譜利用率為5.2%，最高的只有13.1%，最低的只有1%[1]。與此同時(shí)，某些未授權(quán)頻段卻因競爭使用而擁擠不堪(如手機(jī)通信頻段)。因此，探索新的頻譜資源分配與使用方法勢在必行[2]。

動態(tài)頻譜接入方式可以有效地提高頻譜使用效率，而認(rèn)知無線電技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜接入的關(guān)鍵[3]。認(rèn)知無線電技術(shù)對頻譜資源的使用提出了全新的思想，它注重對頻譜智能、動態(tài)的利用，可有效解決電磁頻譜物理資源匱乏與利用率低之間的矛盾[4]。2005年，著名通信專家Simon Haykin教授就從信號處理的角度給出了認(rèn)知無線電(CR)的定義：CR是一個能利用人工智能技術(shù)自動地感知周圍無線電環(huán)境的智能無線通信系統(tǒng)，具有對無線環(huán)境的自我理解和主動學(xué)習(xí)能力，實(shí)時(shí)地調(diào)整內(nèi)部無線電傳輸參數(shù)，比如功率、頻率、調(diào)制和編碼方案等等，使其內(nèi)部狀態(tài)與外界無線信號的統(tǒng)計(jì)變化相適應(yīng)，在不會對主用戶造成干擾的前提下，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間任何地點(diǎn)以任何形式執(zhí)行可靠的通信，最終實(shí)現(xiàn)頻譜資源的重復(fù)高效利用[5]。

如何才能不影響主用戶的正常通信呢？這就要求認(rèn)知用戶能夠?qū)崟r(shí)檢測頻譜段，找到頻譜空穴，實(shí)現(xiàn)自身信息傳輸并且還需要連續(xù)檢測是否有新的授權(quán)用戶使用頻譜段。能否正確快速地感知主授權(quán)頻譜，是認(rèn)知用戶進(jìn)行通信的前提，也是衡量檢測性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)之一。頻譜檢測的精度和可靠度決定了是否會侵害授權(quán)用戶的正常通信。大量文獻(xiàn)對頻譜感知檢測技術(shù)進(jìn)行了深入研究，目前研究較多的頻譜檢測方法有：匹配濾波器法、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法、能量檢測法等。能量檢測法實(shí)現(xiàn)簡單，是一種經(jīng)典的檢測算法[6]。按照檢測類型劃分，主要有信號存在性檢測和信號覆蓋范圍檢測。信號覆蓋型檢測又包括聯(lián)合檢測和區(qū)域檢測。聯(lián)合檢測能夠獲得較低的檢測概率，而且計(jì)算復(fù)雜度低，空間利用率較低。區(qū)域檢測方法采用基于區(qū)域的貝葉斯檢測算法，空間效率高。對于信號存在性檢測，按照檢測節(jié)點(diǎn)個數(shù)來劃分，頻譜檢測可分為單點(diǎn)檢測和協(xié)作檢測兩種。協(xié)作頻譜感知是在單點(diǎn)頻譜感知的基礎(chǔ)上為了提高感知的準(zhǔn)確性而產(chǎn)生的感知方法，典型的單點(diǎn)頻譜感知方法有匹配濾波器檢測、能量檢測以及循環(huán)平穩(wěn)檢測[7]。協(xié)作頻譜感知利用分集可有效提高頻譜檢測性能，近年來很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究。

文獻(xiàn)[8]從頻譜感知的角度分析了干擾與頻譜利用率的關(guān)系。多個微時(shí)隙和次用戶協(xié)作感知也用于提高系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[9]研究了感知系統(tǒng)與次系統(tǒng)容量的關(guān)系。采用最優(yōu)化中繼方式的協(xié)作頻譜感知能夠明顯提高次系統(tǒng)能量。然而，這些文獻(xiàn)只考慮了感知信道為衰落信道的情況，忽略了報(bào)告信道的衰落特性。文獻(xiàn)[10]考慮了報(bào)告信道的衰落情況，并指出隨著SU的增加，發(fā)送本地感知結(jié)果占用的控制信道帶寬會增加，這樣就會占用較多的系統(tǒng)資源。

為了在控制信道帶寬受限的條件下，減少對系統(tǒng)資源的占用，文中采用基于分簇的協(xié)作頻譜感知方法。同時(shí)，通過對不同等級的簇頭間利用空時(shí)編碼來減少由于衰落信道引入的誤碼率，從而改善檢測性能。所做的工作主要有：在多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)下，首先對多跳認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，然后再根據(jù)距離劃分感知簇的等級，且同一等級的簇頭相互不發(fā)送信息。接著，各感知用戶進(jìn)行本地感知，各簇內(nèi)感知用戶將自己的感知信息發(fā)送給簇頭，簇頭融合信息做出判決，并將判決信息沿支路逐級發(fā)送給融合中心。能否正確將感知信息發(fā)送到融合中心？這不僅與各認(rèn)知用戶的本地檢測有關(guān)，還與報(bào)告信道的性能有關(guān)。比如，在瑞利衰落信道下，由于存在陰影和多徑效應(yīng)，信道會產(chǎn)生誤碼，即將0錯傳為1，將1錯傳為0。在這種情況下，感知信息和判決信息都不可靠。針對該問題，通過對不同等級的簇頭間利用Alamouti編碼[11]，來改善誤碼率，提高檢測性能，優(yōu)化感知結(jié)果。

2 協(xié)作頻譜感知

在多跳認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，采用多簇的方式來檢測主用戶(Primary User，PU)是否存在，感知模型如圖1所示。

圖1 協(xié)作頻譜感知模型

首先對多跳認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，然后再根據(jù)距離劃分感知簇的等級，且同一等級的簇頭相互不發(fā)送信息。最后不同等級的簇頭間利用Alamouti進(jìn)行編碼，將編碼后的感知信息逐級沿支路向上發(fā)送到融合中心。

首先，對感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，在每簇中有且僅有一個簇頭能夠獲得這一簇內(nèi)的認(rèn)知用戶發(fā)送的本地感知結(jié)果，簇頭進(jìn)行融合，并給出1比特的判決結(jié)果[12]。其次，根據(jù)距離將簇劃分等級，假設(shè)最低級簇頭需要i跳才能將感知信息發(fā)到融合中心。文中為了簡單，假設(shè)i=4。最后，不同等級的簇頭間利用空時(shí)編碼進(jìn)行編碼，然后將編碼后的信息沿支路逐級向上發(fā)送自己的判決結(jié)果到融合中心。

感知幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

所有認(rèn)知用戶在t時(shí)間內(nèi)完成各自的本地頻譜感知,并在Tr時(shí)間內(nèi)將自己的感知結(jié)果發(fā)送給簇頭，簇頭將判決信息編碼并在Tt的時(shí)間內(nèi)逐級向上發(fā)送給融合中心。因此，提出的方案主要有4個實(shí)現(xiàn)步驟：簇內(nèi)感知、簇頭融合、簇頭間信息編碼和信息融合。

第一步：簇內(nèi)感知。

假設(shè)一簇內(nèi)有N個認(rèn)知用戶。每個簇內(nèi)的認(rèn)知用戶在t時(shí)間內(nèi)完成各自的本地頻譜感知。不失一般性，假設(shè)認(rèn)知用戶以能量檢測器為本地檢測算法。在Rayleigh信道下，簇內(nèi)認(rèn)知用戶的本地虛警概率和檢測概率為[5]：

(1)

(2)

第二步：簇頭融合。

各認(rèn)知用戶將自己的感知信息發(fā)給簇頭。簇頭采取與融合的判決方式。

(3)

其中,第i個簇頭收到各簇內(nèi)認(rèn)知用戶的檢測率與虛警率，如式(4)。

(4)

經(jīng)簇頭融合后，簇頭相應(yīng)的虛警概率和檢測概率分別為:

(5)

(6)

第三步：簇頭間信息編碼。

簇頭融合本簇內(nèi)的感知信息之后，需要將其判決結(jié)果與相鄰簇頭的判決結(jié)果進(jìn)行編碼后逐級傳輸給融合中心。假設(shè)每個簇頭配有兩根天線，為了讓簇頭與它上一級簇頭能夠進(jìn)行編碼，規(guī)定兩根天線中有一根天線僅傳送自己的判決信息，另一根傳送下一級簇頭傳送的判決信息。

具體規(guī)則如下：其中Di(Di=0or1)表示第i級簇頭的判決信息。

第一級簇頭發(fā)送其判決結(jié)果到第二級簇頭。

在第一個階段，第1級簇頭的兩根天線都發(fā)送D1,在第二階段，第1級簇頭的兩根天線發(fā)送-D1。

第二級簇頭發(fā)送其判決結(jié)果給第三級簇頭。

在第一個階段，第2級簇頭的一根天線發(fā)送D2，另一根天線發(fā)送接收的上一級的判決信息D1，在第二階段，第2級簇頭的一根天線發(fā)送判決信息-D2，而另一根發(fā)送-D1。

第三級簇頭發(fā)送其判決結(jié)果到第四級簇頭。

在第一個階段，第3級簇頭的一根天線發(fā)送D3,另一根天線發(fā)送接收的上一級的判決信息D1D2,在第二階段，第3級簇頭的一根天線發(fā)送-D3，另一根發(fā)送(-D1-D2)。

以此類推，直到信息發(fā)送到融合中心。

第四步：信息融合。

融合中心獲得各支路發(fā)送過來的編碼信息之后，需要先進(jìn)行解碼，并采取或門融合判決，從而獲得最終的判決結(jié)果。即融合中心處的虛警概率Qf與檢測概率Qd分別為[11]：

(7)

(8)

其中，PDj,PFj分別指第j條支路簇頭(即第j級簇頭)的檢測率和漏檢率。

由于是在Rayleigh衰落信道上傳輸，誤碼的存在會影響檢測性能。因此第(j+1)級簇頭的虛警率和檢測率表示如下[14]：

PFj+1=Pfj(1-Pej)+(1-Pfj)Pej

(9)

PDj+1=Pdj(1-Pej)+(1-Pdj)Pej

(10)

其中：

(11)

(12)

3 系統(tǒng)仿真

圖3 編碼對檢測概率的影響

圖中可以明顯看出，隨著信噪比的增加，檢測概率Qd也隨之增加，并且編碼之后的檢測性能要明顯高于未編碼的檢測性能。

圖4用數(shù)值仿真驗(yàn)證在瑞利衰落信道中，編碼能夠有效減少信道上的誤碼，增強(qiáng)可靠性，提高檢測性能。仿真時(shí)采取四跳多簇認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。

圖4 編碼對衰落信道誤碼率的影響

從圖中可以明顯看出，平均誤碼率均隨著平均信噪比的增大而減少，并且隨著平均信噪比的不斷增大，平均誤碼率的值逐漸趨于0。在給定平均信噪比的情況下，編碼信道的平均誤碼率要比未編碼信道平均誤碼率小，即對瑞利衰落信道進(jìn)行編碼，能夠有效減少平均誤碼率，提高可靠性，增強(qiáng)檢測性能。

由圖可知，在小信噪比時(shí)，隨著跳數(shù)的增加，檢測性能明顯好轉(zhuǎn)；而在大信噪比時(shí)，兩者差異不大。

圖5 多跳網(wǎng)絡(luò)中不同跳數(shù)對檢測率的影響

圖6 多跳多簇網(wǎng)絡(luò)中不同支路下的檢測性能

由圖中可知，隨著信噪比的增加，不同支路數(shù)的檢測性能都有不同程度的增加，其中四個支路的檢測性能要明顯優(yōu)于兩個支路和三個支路的檢測性能。

4 結(jié)束語

在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，為了提高認(rèn)知系統(tǒng)的檢測性能，采取多跳多簇認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。采取多簇多跳認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)不僅可以切實(shí)有效地節(jié)省發(fā)送能量，提高吞吐量，而且多跳多簇認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的支路數(shù)和跳數(shù)都能在一定程度上增強(qiáng)檢測性能。

由于報(bào)告信道的不理想性，常常伴有錯誤的存在，影響最后的判決結(jié)果。因此在文中模型中不同級別的簇頭間采取Alamouti編碼。從仿真中可以明顯看出，編碼之后的信道誤碼率得到明顯改善，能夠提高檢測效率，從而增強(qiáng)檢測性能。

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A Method of Cooperative Spectrum Sensing of Enhancement in Cognitive Radio Multi-hop Networks

LIU Min,YUE Wen-jing,PU Yu,LU Hai-ya

(College of Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Spectrum sensing is one of the core technology of Cognitive Radio (CR).Whether the unlicensed spectrum can be sensed quickly and correctly is not only the premise of the communication,but also one of the standard of sensing detection.Considering the noise of fading channel,a method of multi-cluster cooperative spectrum sensing based on space-time coding in multi-hop cognitive radio networks was proposed.The program is shown in detail as follow.First,divide the cognitive users into different clusters.Secondly,classify the clusters based on distance.Next,the cluster head will adopt Alamouti coding with its upper level cluster.At last,the fusion center will get the coding information of sensing results.This program will help to enhance the detection capability.Multi-cluster can reduce the power and sensing time.The simulation result suggests that suggested scheme can not only reduce the energy dissipation and improve the throughput,but also can improve the detection property in a certain scale.After Alamouti coding,the error rate decreases dramatically.

cognitive radio;cooperative spectrum sensing;energy detection;space-time coding

2015-04-22

2015-07-28

時(shí)間：2016-01-04

中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M531393);國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410293003);江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目(1102102C);江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目(201410293003Z);南京郵電大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(SZDG2014003)

劉 敏(1993-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電、信息處理等;岳文靜，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息處理等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160104.1505.034.html

TP301

A

1673-629X(2016)01-0171-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.01.037