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WRAN中的协作频谱感知参数优化
摘要：
协作频谱感知（CSP）是一种将多个无线节点的频谱测量信息协作利用来提高频谱利用率的技术。本文针对CSP中的频谱感知参数优化问题展开研究。对于频谱感知有关的多个参数，包括感知周期（SCP）、感知时间窗口（STW）、感知门限（STH）以及节点密度等，本文从提升频谱利用率的角度出发，对这些参数进行了详细分析和探讨，并通过实验验证了优化后的参数对CSP系统性能的影响。结果表明，权衡各个参数的影响，适当调整感知周期、感知时间窗口和节点密度，可以显著提高CSP系统的频谱利用率和整体性能。
关键词：协作频谱感知；频谱感知参数；频谱利用率；性能优化；
引言：
无线频谱资源是无线通信的关键资源，然而有限的频谱资源和不断增长的无线应用需求之间的矛盾已经成为一个全球性的难题。频谱资源的有效利用，是实现无线通信可持续发展的关键所在。为了能够更好地利用频谱资源，开展了一系列的研究，协作频谱感知（CSP）技术是其中之一。CSP技术可以提高频谱利用率，增加无线网络的数据容量和服务质量，并有效避免碰撞和干扰等问题。但是，CSP技术的性能受到频谱感知参数的影响。
因此，本文的目的是研究如何优化CSP系统的频谱感知参数，从而提高频谱利用率和整体性能。具体而言，本文将重点分析频谱感知参数中的感知周期、感知时间窗口、感知门限以及节点密度等对CSP系统性能的影响，并进行相关实验验证，以寻求最佳参数配置方案。
频谱感知参数分析与优化：
1.感知周期
感知周期（SCP）是指一次频谱感知活动开始后，到下一次感知活动开始前的时间间隔。SCP的时间顺序是周期性的，由于频谱的分布也是随着时间变化的，因此SCP选取不同的值对CSP系统的性能影响也是不同的。
当SCP时间太长时，会导致频谱测量的数据已过期，从而使得CSP无法有效感知到实时的频谱使用情况，影响频谱利用率，且无法应对频谱突发事件。反之，当SCP时间太短，感知活动就太频繁，会浪费大量无线资源，降低频谱利用率。因此，在大量实验的基础上，我们建议将SCP设置为2-10秒之间。
2.感知时间窗口
感知时间窗口（STW）是指频谱测量的时间长度。STW与SCP一起控制频谱感知活动的频率，其设置对于提高频谱利用率和降低测量误差都有一定的影响。
当STW时间太短，频谱测量的数据会不够充分，容易产生大量的误判和漏判，从而降低频谱利用率。当STW时间太长，由于频谱会随着时间变化而变化，频谱测量数据已经不能准确反映出实际状况，因此也会影响频谱利用率。基于实验，建议将STW设置为1-2s之间。
3.感知门限
感知门限（STH）是指设置的能够采集到频谱信息所需的最小信号强度。当信号强度低于设定的STH值时，节点会被认为当前信道上不存在信号，可以利用该信道。STH值的大小决定了频谱数据的精度，也会影响到频谱利用率。
当STH值太高时，CSP无法探测到频谱中静止存在的信号，导致该信道不能被有效利用，从而降低频谱利用率。而当STH值太低时，CSP会将一些TDMA交换和信号的干扰误认为是有效信号，从而导致碰撞和误判的出现。基于实验，建议将STH设置为-80dBm左右。
4.节点密度
节点密度是指在单位面积内的节点数量。节点密度影响到无线网络的拓扑结构和信号传输范围，也对CSP系统的性能有一定的影响。
当节点密度太低，CSP系统的拓扑结构会出现空洞，导致信号传输范围受限，频谱信息也不能很好地共享，从而影响频谱利用率。当节点密度太高时，会出现重叠，并导致频繁的干扰和冲突，降低频谱利用率。基于实验，建议将节点密度设置为200~300个节点/平方千米。
实验验证：
本文采用了OPNET仿真平台，对本文中提到的频谱感知参数进行了大量实验验证和分析。
对于SCP，我们分别设置SCP为2秒、4秒、6秒、8秒和10秒，得到的结果如下图所示。
可以看出，当SCP设置为4秒和6秒时，CSP系统的频谱利用率更高；而当SCP太小或太大时，CSP系统的频谱利用率均较低。这表明，在实际应用中，CSP的SCP设置应该根据具体情况进行权衡。
然后，我们对STW参数进行了实验测试。实验设置STW为1s、1.5s、2s和2.5s，得到的结果如下图所示。
可以看出，当STW设置为1.5秒和2秒时，CSP系统的频谱利用率显著提高；而当STW太小或太大时，CSP系统的频谱利用率明显受影响。这体现出了在应用CSP技术时，STW的设置应该避免过小或过大。
接着，我们对STH参数进行了实验测试。我们设置STH为-78dBm、-80dBm、-82dBm和-84dBm，并分别进行了实验。结果如下图所示。
可以看出，当STH设置为-80dBm时，CSP系统的频谱利用率最高；当STH设置太高或太低时，CSP系统的频谱利用率表现出下降的趋势。因此，在实际应用中，STH的