【導(dǎo)讀】源利用率而提出的一種新方法。它作為一種革命性的智能頻譜共享技術(shù)，已成為無線通。信領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電最關(guān)鍵的技術(shù)之一。數(shù)進(jìn)行了仿真分析，并對其檢測性能進(jìn)行了分析。針對于單用戶能量檢測受到信道衰落、

　　

【正文】 ) ( ) [ ]! 2 ! 2 ( 1 )mmnmd R a y nnP e e enn??? ?? ? ????? ??? ? ????? ? ? ? ? ??? （ 314） 圖 33為 能量檢測器在 Rayleigh信道下的 ROC曲線 ， 取信噪比 SNR= 3dB、 1dB、 0dB、1dB， m=5。 （論文） 第 21 頁 共 68 頁 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 100 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91虛警概率 Pf檢測概率Pd S N R = 3S N R = 0S N R = 3S N R = 1 0 圖 34 Rayleigh衰落信道下能量檢測器的 ROC曲線 由圖（ 34）可知 ， 在 Rayleigh衰落信道下能量檢測器的檢測性能仍隨 SNR的增加而改善。與圖（ 33）比較可得 ， 在相同的 SNR和虛警概率約束條件下 ， 能量檢測器在衰落信道 Rayleigh下的檢測性能要比 AWGN信道差 ， 這是由于多徑衰落導(dǎo)致了信號能量的減弱。 在實(shí)驗(yàn)中 ， 取參數(shù) :時間帶寬積 m=5。根據(jù)根據(jù)式（ 39）和式（ 314） ， 得出高斯信道與瑞利信道之間的 Pf與 Pm關(guān)系。 （論文） 第 22 頁 共 68 頁 104103102101100104103102101100虛警概率 Pf漏檢概率Pm a w g n ( S N R = 8 )r a y l e i g h ( S N R = 1 5 )r a y l e i g h ( S N R = 1 0 ) 圖 35 高斯信道與瑞利信道之間的對比 圖（ 35）比較了 AWGN和 Rayleigh衰落信道下能量檢測的性能。在自由度和信噪比相同的情況下 ， AWGN信道下的性能明顯優(yōu)于 Rayleigh信道。當(dāng)信噪比為 8dB， Pf=時 ， AWGN信道下檢測的可靠性高 ， 相比于 Rayleigh衰落信道在高信噪比情況仍不如AWGN信道。 在相同的虛警概率下 ， 瑞利衰落導(dǎo)致能量檢測器的漏檢概率大大增加 ， 即檢測性能大幅度降低。為使平均漏檢概率小于 0. 01 ， 虛警概率要大于 0. 9 ， 檢測概率要小于 0. 1 ， 這會 導(dǎo)致頻譜利用率大幅下降。因此 ， 在衰落信道下 ， 有必要采取合作頻譜檢測來提高檢測性能。 Rician 衰落信道 Rician衰落信道下的信號包絡(luò)服從 Rician分布 ， 信噪比 ? 的 PDF為 01 ( 1 ) ( 1 )( ) e x p ( ) ( 2 ) , 0K K Kf K I????? ? ?? ? ?? ? ? ? （ 315） 其中 K為 Rician因子 ， 將式 (315) 代入式（ 312） ， 并作變量代換 2x ?? ， 利用求（論文） 第 23 頁 共 68 頁 得能量檢測器在 Rician衰落信道下的 平均檢測概 率 .dRicP 為 [14] . 2 ( 1 )( , )11d R ic KKPQ KK?????? ? ? ? ? (316) Q( )表示 1階 Marcum Q函數(shù)。 圖 （ 35） 為 Rician衰落信道下能量檢測器的 ROC曲線。 取信噪比 SNR=5dB、 1dB、0dB， K=1。 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 100 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91虛警概率 Pf檢測概率Pd S N R = 0S N R = 5S N R = 1 0 圖 36 Rician衰落信道下能量檢測器的 ROC曲線 由（ 36）圖可知 ， Rician信道檢測性能介于 AWGN信道和 Rayleigh信道之間。根據(jù)文獻(xiàn)可知當(dāng) Rician因子 Kl時 ， Rician信道近似為 AWGN信道 ， 在此信道條件下的 ROC曲線與圖 （ 32） 一致；當(dāng) K1時 ， Rician信道將退化為 Rayleigh信道 ， 在此信道條件下的 ROC曲線與圖 （ 34） 一致。 下 面我 給出了單一認(rèn)知用戶在 3種不同衰落信道中的接收機(jī)工作特性 對比 曲線。平均信噪比 r和時間帶寬積 u分別等于 10 dB和 5。萊斯因子系數(shù) m=5。圖中同時給出了加性高斯白噪聲狀態(tài)下的 ROC曲線 ， 以便于對不同的情況進(jìn)行對比。 （論文） 第 24 頁 共 68 頁 102101100106105104103102101100虛警概率 Pf漏檢概率Pm a w g n t h e o r yr a y l e i g h t h e o r yr i c i a n 圖 37 單一認(rèn)知用戶在不同衰落信道中的 ROC曲線 圖 (37)的對比可以發(fā)現(xiàn) ， 在瑞利和 萊斯 衰落下 ， 認(rèn)知用戶的檢測性能因?yàn)檩^強(qiáng)的衰落而變差 ， 在這 2種信道中 ， 頻譜檢測更困難一些。特別是 萊斯 衰落信道 ， 在 3種環(huán)境的對比中對接收信號造成的影響最大。 瑞利信道和高斯信道實(shí)際仿真驗(yàn)證 這一節(jié)我利用 Monte Carlo仿真方法 [15]， 構(gòu)建仿真模型： 第一步 生成待檢測信號 ， 這里我們假設(shè)授權(quán)信號為 BPSK調(diào)制信號 ， 通過調(diào)節(jié)信號載波的幅度來控制信號的平均功率 2s? ， 從而改變信噪比 SNR。 第二步 加入高斯白噪聲 ， 為了仿真方便 ， 設(shè)置高斯白噪聲的方差 2 1?? 。 第三步 預(yù)先設(shè)定虛警概率 Pf=， 通 過式（ 311）可得檢測門限 r， 計(jì)算 N點(diǎn)取樣檢測統(tǒng)計(jì)量 T。如果 Tr， 則判為信號存在 D1 ， 將檢測結(jié)果設(shè)為 1。反之 ， 則判為信號不存在 D0 ， 檢測結(jié)果設(shè)為 0 （論文） 第 25 頁 共 68 頁 第四步 按照前面的步驟蒙特卡羅隨機(jī)仿真 Ns次 ， 最后統(tǒng)計(jì)檢測結(jié)果 1的個數(shù) N1 ，也就是檢測到信號的次數(shù) 。 統(tǒng)計(jì)所得的檢測概率為 111( , , , )sNP D H P f N r N? （ 317） 104103102101100104103102101100虛警概率 Pf漏檢概率Pm a w g n s i mr a y l e i g h s i ma w g n t h e o r yr a y l e i g h t h e o r y 圖 38 高斯信道與瑞利信道的理論與實(shí)際仿真比較（仿真次數(shù)為 10000次） 根據(jù)圖（ 38）可知實(shí)際仿真與理論仿真近似重合 ， 說明我們研 究的理論信道可以模仿現(xiàn)實(shí)中我們遇到的衰落影響。圖（ 37）中我的仿真次數(shù)達(dá)到 10000次 ， 而當(dāng)減少仿真次數(shù)至 1000次時 ， 仿真效果如下圖： （論文） 第 26 頁 共 68 頁 104103102101100104103102101100虛警概率 Pf漏檢概率Pm a w g n s i mr a y l e i g h s i ma w g n t h e o r yr a y l e i g h t h e o r y 圖 39 高斯信道與瑞利信道的理論與實(shí)際仿真比較（仿真次數(shù)為 1000次） 由（ 38）與（ 39）對比可得仿真次數(shù)對信道的仿真非常重要 ， 直接關(guān)系到檢測的準(zhǔn)確性。 能量檢測各 參數(shù)之間 關(guān)系的研究 Pd和漏檢概率 Pf的影響 （ a）實(shí)驗(yàn)中 ， 取理想高斯信道為研究對象 ， 時間帶寬積 m=2， 信噪比 SNR=10dB。門限從 030線性變化。根據(jù)式（ 311）仿真 Pf和 Pd與判決門限的關(guān)系 ， 可得出圖（ 310(a)） 。 （ b） 實(shí)驗(yàn)中 ， 取理想瑞利信道為研究對象 ， 時間帶寬積 m=5， 信噪比線性變化 ，門限依次取 r=15， 16， 17， 18， 可得出圖（ 310(b)） 。 （論文） 第 27 頁 共 68 頁 0 5 10 15 20 25 3000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91t h r e s h o l d ( m = 2 , S N R = 1 0 d B ) PdPf 圖 310（ a） AWGN信道下判決門限對檢測概率 Pd和漏檢概率 Pf的影響 2 0 1 5 1 0 5 0 5 10 15 2000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 8. 91S N R / d BPd 門限為 10門限為 15門限為 20門限為 25 圖 310（ b） Rayleigh信道下 判決門限對檢測概率 Pd和漏檢概率 Pf的影響 （論文） 第 28 頁 共 68 頁 從圖（ 310）中我們可以看出 ， 不管在理想信道（ AWGN） 還是接近于實(shí)際的信道（ Rayleigh） 中 ， 在信 噪比一定情況下 ， 判決門限 r的選擇對檢測概率 Pd和漏檢概率 Pf均有影響。判決門限越低 Pd越高 ， 同時影響 Pf相應(yīng)增大。 可以分析得到 ， 如果 Pd過低 ， 將會漏檢大量授權(quán)用戶信號．這就相當(dāng)于增加了對授權(quán)用戶的干擾。如果 Pf過高 ， 由于虛假警報(bào)會使認(rèn)識用戶丟失許多頻譜利用的機(jī)會 ， 將會導(dǎo)致頻譜利用率變低。 在實(shí)際中 ，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的要求來合理選擇判決門限值。 N對檢測概率 Pd的影響 根據(jù)式（ 39） ， 我們可以容易做出采樣點(diǎn)數(shù) N對檢測概率 Pd的關(guān)系曲線。 2 4 2 2 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 40 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91S N R / d b檢測概率，Pd n = 5 1 2n = 1 0 2 4n = 1 0 2 4 * 5n = 1 0 2 4 * 1 0 圖 311采樣點(diǎn)數(shù) N對檢測概率 Pd的影響（ Pf=） 由上圖可知 ， 我們可以適當(dāng)?shù)脑?加采樣點(diǎn)數(shù)來提高檢測概率 ， 即增加檢測時間來提高檢測概率 ， 但是取樣數(shù)的增大將帶來計(jì)算復(fù)雜度的增加。 單用戶頻譜感知的不足 盡管存在多種本地檢測算法 ， 但是單用戶頻譜感知在實(shí)際應(yīng)用場景中仍然不能達(dá)到較高的檢測性能 ， 總體而言 ， 其主要存在三個方面的不足。 （論文） 第 29 頁 共 68 頁 (1)現(xiàn)有的頻譜感知基本上都是通過檢測主用戶發(fā)射機(jī)信號來實(shí)現(xiàn)的 ， 在這種情況下 ， 采用單用戶進(jìn)行頻譜感知將無法避免隱藏終端問題 [16]。 (2)如果感知用戶與主用戶發(fā)射機(jī)之間存在障礙物遮擋 ， 那么該用戶將受到陰影效應(yīng)影響 ， 檢測不到主用戶發(fā)射機(jī)的信號。 (3)由于 受到多徑衰落 ， 陰影衰落等信道不理想性影響 ， 進(jìn)行頻譜感知的認(rèn)知無線電用戶的檢測靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主用戶接收機(jī)的接收靈敏度．例如典型的數(shù)字 [17]電視信號接收機(jī)只需要達(dá)到 83dBm的接收靈敏度就可以實(shí)現(xiàn)正確解碼。而一個需要高于主用戶接收機(jī) 30dB檢測靈敏度的認(rèn)知無線電用戶需要達(dá)到檢測 113dBm信號的水平 ， 這已經(jīng)低于典型熱噪聲的功率水平 (106dBm)， 實(shí)際中將很難實(shí)現(xiàn)正確檢測。 本章小結(jié) 本章首先介紹高斯白噪聲信道中基于能量檢測的頻譜檢測比較前沿的算法 ， 然后討論幾種常見衰落信道情況下的檢測性能 ， 最后分析得出單用戶頻譜感知的不足。得出結(jié)論： 在衰落信道下 ， 有必要采取合作頻譜檢測來提高檢測性能。 （論文） 第 30 頁 共 68 頁 第 4 章數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知 的性能分析 上章主要針對發(fā)射機(jī)頻譜感知技術(shù)進(jìn)行了仿真分析 ， 可以看出它們的檢測性能受到接收到的信號的強(qiáng)度限制。而由于多徑衰落和遮蔽的影響 ， 信號的強(qiáng)度可能大大降低 ，在這種情況下 ， 合作檢測性能往往更好 ， 這是由于在這種方式下參與合作的節(jié)點(diǎn)能接收到來自不同路徑的信號 ， 增加了信號強(qiáng)度的多樣性。根據(jù)認(rèn)知用戶間共享信號的類型 ，聯(lián)合檢測算法可以