认知无线电网络中的协作分集频谱感知.doc

个人收集整理勿做商业用途个人收集整理勿做商业用途个人收集整理勿做商业用途认知无线电网络中的协作分集频谱感知摘要：频谱感知是认知无线系统中的一个关键技术。通过次级用户的相互合作可以提高频谱感知效率。本文中引入了分集数量级的概念来量化协作频谱感知的增益,根据系统不同的性能指标，使用了不同的分集数量。并将分集数量作为性能指标,运用软、硬信息融合策略来分析单用户感知和多用户协作感知的性能。其中重点讨论了每种分集频谱感知方案中门限值的选取问题，并得到了分集感知性能、门限值的大小和合作用户数之间的数量关系.最后观察并量化权衡了每种频谱感知方案的虚警和漏检性能.Ⅰ。引言无线通信的发展使得频谱资源日益稀缺。然而，尽管频谱资源几乎全被固定的分配给了各个无线授权用户，它的利用率实际上是非常低的。为了解决这一低利用率问题，提出了一种能在时间或空间上［8]利用空闲频谱的认知无线电技术［5]。在认知无线电系统中，未授权的无线用户（又称为次级用户)机会接入（时间或空间地)被授权用户（又称初级用户）释放的频段.为达到这一目标，次级用户必须能够认知也就是说能够最大程度的学习周围无线通信环境从而调整自己的传输策略以避免对初级用户造成干扰，其中第一个任务就是频谱的感知.频谱感知对于初级用户、次级用户都至关重要,所有认知的能力都依赖于这一过程[4].对于当前频谱感知的研究现状，一些是集中于利用初级用户的信号模式来改进算法进而提高频谱感知性能［1］，另外大部分是在研究协作感知，利用次级用户协作分集来消除阴影或多路径的衰落问题。协作分集检测的概念已经在很多篇文献中被提到过，但是迄今还没有一个确切的定义［7］［10］。最近，近似的概念分集数量级被定义为中断概率，在无线传感网络作为衡量功率分配的指标。本文中,在无线通信对分集定量定义的基础上，我们利用感知用户的检测性能指标定义了频谱感知的协作分集数量级的概念。为了强调系统性能的不同方面,还量化定义了三种类型的协作分集方案。根据这些定义,在不同的频谱感知策略上我们得到了各自的协作分集数量级。首先，先从单用户非协作感知开始来分析分集数量级的特性.然后考虑协作频谱感知，本文提出了两种协作方法，软信息融合方法和硬信息融合方法,并在各自的融合准则下，研究分析了协作分集数量级的特性。其中,特别强调了两种检测错误对认知系统的影响，即虚警和漏检。通过分析，本文对三个频谱感知策略的虚警性能和漏检性能进行了量化权衡。仿真结果同样验证了上述分析。在接下来的部分里，我们给出了问题的公式和必要的系统模型，在文章的第三部分,我们量化分析了单用户感知的分集数量级的性质。在这个基础上，文章的第四部分又分析了第二部分所介绍的两种多用户协作分集感知方法的性能。仿真结果和结论分别在文章第五部分和第六部分给出.Ⅱ。问题公式化在认知无线电系统中，次级用户需要感知初级用户对频谱的使用情况。频谱感知的性能很大程度上取决于次级用户所在处的信号强度,然而，由于信道衰落问题，单个次级用户所得到的信号强度会非常的弱,因此，各感知用户需要协作来改善感知性能。在这一部分，我们将介绍频谱感知用户处的信号模型，它们的协作策略和频谱感知性能指标就引出了分集数量级.感知用户处的信号在频谱感知的过程中,假设感知用户将在如下两种情况下接收到信号：H0：感兴趣的频段内不存在初级用户H1:感兴趣的频段内存在初级用户假设初级用户和次级用户之间的信道为只有加性高斯白噪声的瑞利信道AWGN，于是感知用户接收到的信号为：其中,是均值为,方差为的高斯随机复数变量，n是方差为的AWGN信道，h是方差为的信道系数，x是能量为来自初级用户的信号。在实际环境中，噪声的方差往往是已知的。因此,不是一般性，我们将方差标准化为1，相应地，感知用户接收到的信号表示为：其中是感知用户处的信噪比SNR。由于感知用户所在地理位置的不同，可以假设它们都处于不同的独立的衰落信道。因此不同的感知用户介绍到的信号也是相互独立的。B。协作策略感知用户间为了相互合作，将各自感知的信息发送到一个融合中心，这里有两种不同的信息发送方案，分别叫做软信息融合和硬信息融合。在软信息融合策略中，每个感知用户i将各自接收到的信号发送到融合中心，融合中心将汇集所有分散的感知用户的信息，从而获得最佳可能达到的融合性能。这个方法，显然需要融合中心与各感知用户间巨大的数据传输量，这在信道有限的次级用户网络中并非总是可行的。为了避免高数据传输的压力，在硬信息融合策略中,每个分散的感知用户i在其感知到的信号基础上进行本地判决,然后将其1bit的硬判决结果发送给融合中心。C.性能指标和分集数量级信号检测理论中,常使用ROC曲线图来描述检测器的性能[6]。然而，ROC曲线对不同检测器的检测性能不能提供一个定量的比较.在本文中，频谱感知的性能由虚警概率漏检概率和总的错误