董占奇

（南陽理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 南陽473004）

0 引 言

在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)于主用戶的檢測(cè)感知是最基礎(chǔ)最重要的問題，為了應(yīng)對(duì)這一問題感知用戶需要周期性地對(duì)周圍的電磁環(huán)境執(zhí)行檢測(cè)操作和做出最終判決，在其中的檢測(cè)判決處理中，門限的選擇是一個(gè)需要慎重考慮的問題。在傳統(tǒng)的處理中一般采用基于一定的檢測(cè)概率與虛警概率的直接門限判決的方法，此時(shí)主用戶要么 “present”要么“absent”，這種簡(jiǎn)單化的處理對(duì)于平坦衰落環(huán)境中的主用戶檢測(cè)感知來說可能有比較好的效果，但對(duì)于陰影等衰落情況下的主用戶感知處理來說還是一個(gè)需要進(jìn)一步深入研究的問題。文獻(xiàn) ［1－5］等已對(duì)基于能量檢測(cè)的單門限和雙門限的主用戶感知檢測(cè)問題進(jìn)行了研究，本文在有關(guān)研究的基礎(chǔ)上，充分考慮協(xié)作感知［1－12］所能帶來的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合模糊理論和分布式協(xié)作處理思想對(duì)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的主用戶檢測(cè)感知問題進(jìn)行深入的研究。

1 基于模糊理論的檢測(cè)處理

對(duì)于主用戶的存在性檢測(cè)，門限的選擇是一個(gè)十分重要和關(guān)鍵的問題，門限選得大，漏警的可能性就大，感知用戶對(duì)主用戶很容易造成不必要的干擾，有悖于認(rèn)知無線電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和工作基礎(chǔ)，門限選得小，虛警的可能性就大，會(huì)造成頻譜資源的不必要浪費(fèi)，“機(jī)會(huì)接入”、“見縫插針”的效果就不可能很好達(dá)成，特別地，對(duì)于同一個(gè)檢測(cè)接收結(jié)果來說其所對(duì)應(yīng)的判決結(jié)果可能與實(shí)際一致，也可能 “錯(cuò)誤”。基于此，這里考慮采用基于模糊集合理論的檢測(cè)評(píng)判方法，具體評(píng)判主用戶出現(xiàn)與否的隸屬度函數(shù)采用戒下型分布函數(shù)，其表達(dá)式如下

式中：Y——感知用戶的檢測(cè)值，它為一個(gè)隨機(jī)變量，λ1與λ2為選定的判斷主用戶未出現(xiàn)或出現(xiàn)的確定性邊界值，其中λ1取對(duì)應(yīng)虛警概率一般不小于0.1的值 （這有利于降低漏警概率，最大可能地減少對(duì)主用戶造成干擾），λ2取對(duì)應(yīng)虛警概率一般不大于0.05的值 （以確保判斷主用戶出現(xiàn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，保證在相對(duì)確定的情況下認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能夠做出正確而恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，防止不必要的頻譜資源浪費(fèi)），當(dāng)使用能量檢測(cè)算法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，一般按照正態(tài)分布規(guī)律在可能的背景噪聲水平下由既定的虛警概率確定λ1和λ2的具體取值。對(duì)于隸屬度函數(shù)μH1（Y）來說，其函數(shù)值取0，說明事件H1未發(fā)生，函數(shù)值取1，說明事件H1發(fā)生 （主用戶出現(xiàn)），函數(shù)取值在01之間，說明事件H1以μH1（Y）的取值可能發(fā)生，本文中各感知用戶就是依據(jù)μH1（Y）的取值做出裁決的。隸屬度函數(shù)分布曲線如圖1所示。

圖1 隸屬度函數(shù)分布曲線

注：針對(duì)本文的問題解決處理思路，簡(jiǎn)單起見，模糊隸屬函數(shù)也可以采用分段線性函數(shù)，當(dāng)λ1＜Y＜λ2時(shí)，隨著Y的增大μH1（Y）的取值按線性由0增大到1。

對(duì)于能量檢測(cè)來說，認(rèn)知用戶的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量為

式中：N（一般較大）——采樣點(diǎn)數(shù)，Yi——第i個(gè)感知用戶在感知時(shí)間內(nèi)接收到的信號(hào)能量值，Ps——第i個(gè)感知用戶接收到的信號(hào)功率，xi（k）——第i個(gè)感知用戶接收到的信號(hào)，si（k）——主用戶信號(hào)，ni（k）——第i個(gè)感知用戶接收到的噪聲，它服從方差為σ2n的零均值高斯分布，hi——主用戶到第i個(gè)感知用戶的信道增益，si（k）和ni（k）相互獨(dú)立。

基于檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量Yi的 （第i個(gè)）感知用戶檢測(cè)概率和虛警概率為

2 分布式協(xié)作感知處理

在周期性的頻譜感知處理中，各感知用戶在進(jìn)行基于上文所述的模糊檢測(cè)判決 （本地）處理外，同時(shí)要接收和綜合分析其一跳鄰居的感知處理信息，不過這是一種松散的協(xié)作感知處理，各感知用戶所接收到的一跳鄰居的感知處理信息主要用于輔助判斷，一般不用來改變本地的模糊檢測(cè)判決結(jié)果，從某種意義上說，收集到的結(jié)果與檢測(cè)數(shù)據(jù)主要是用于感知用戶的聚類識(shí)別和加強(qiáng)自己對(duì)于本地感知處理結(jié)果的進(jìn)一步確定。具體處理與思想如圖2所示（假設(shè)存在陰影等嚴(yán)重衰落現(xiàn)象）。

圖2 分布式協(xié)作感知處理 （聚類識(shí)別）

對(duì)于圖2中的感知節(jié)點(diǎn) （用戶）SU3來說，假若其一跳鄰居 （通信距離的一跳，一般地，感知用戶的通信距離比較近）有SU2、SU4、SU5、SU7這4個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們分別為發(fā)現(xiàn) （主用戶）節(jié)點(diǎn)、判決模糊／過渡區(qū)節(jié)點(diǎn)、未發(fā)現(xiàn)（／檢測(cè)為空閑的）節(jié)點(diǎn)、未發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)，由于SU3的本地檢測(cè)結(jié)果處于模糊隸屬函數(shù)的模糊／過渡區(qū)內(nèi)，根據(jù)其一跳鄰居的感知情況，它可以進(jìn)一步確定本地的檢測(cè)結(jié)果——處于主用戶發(fā)現(xiàn)的過渡帶，一般地它不能在感知頻點(diǎn)／段實(shí)施信息發(fā)送 （但它可以接收來自SU5、SU7的信息）；對(duì)于圖2中的SU8來說，其一跳鄰居有SU5、SU6、SU7、SU9，它們均是未發(fā)現(xiàn) （主用戶）節(jié)點(diǎn)，結(jié)合SU8本地的檢測(cè)結(jié)果，SU8可以準(zhǔn)確地判定自己處于一個(gè) “空白區(qū)”，它可以在對(duì)應(yīng)的感知頻點(diǎn)／段上工作，可以進(jìn)行信息的收發(fā)；同樣還是在圖2中，節(jié)點(diǎn)SU9的一跳鄰居有SU7、SU8、SU10、SU11、SU12，SU9根據(jù)自己的檢測(cè)感知結(jié)果 （主用戶未出現(xiàn)）結(jié)合自己的五個(gè)一跳鄰居的感知結(jié)果，可以明確地判斷自己的檢測(cè)結(jié)果是正確的，只不過自己處于 “空白區(qū)”的邊緣，自己也可以在對(duì)應(yīng)的感知頻點(diǎn)／段上進(jìn)行信息的收與 （限制功率）發(fā)。

另在圖2所示意的分布式協(xié)作感知中，各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)都按照相同的檢測(cè)處理方法執(zhí)行檢測(cè)和接收分享一跳鄰居的檢測(cè)信息，最后 （自動(dòng)）形成了若干個(gè)簇：SU1和SU2組成一個(gè)黑色簇，SU13和SU14、SU15、SU16組成另一個(gè)黑色簇，SU5和SU6、SU7、SU8、SU9組成一個(gè)白色簇，SU2、SU4組成一個(gè)灰色簇，SU10、SU11、SU12組成另一個(gè)灰色簇；需要指出的是，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)可能是動(dòng)態(tài)的，因此簇的個(gè)數(shù)、組成及其在空間中的分布將可能是變化的，不過對(duì)于這里所述的分布式協(xié)作感知處理來說無論節(jié)點(diǎn)怎樣變化，每輪分布式協(xié)作感知處理執(zhí)行完畢后都會(huì)自動(dòng)形成對(duì)應(yīng)的簇。

總的來說，針對(duì)上面所述的感知處理結(jié)合圖2的示意及其表述，可作如是概括：對(duì)于CRN中的一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)來說能不能占用某一頻點(diǎn)進(jìn)行信息的發(fā)送，不但要考慮本地的檢測(cè)處理結(jié)果，更要考慮一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的感知處理情況：①當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)本地檢測(cè)發(fā)現(xiàn)主用戶且一跳鄰居節(jié)點(diǎn)有發(fā)現(xiàn)主用戶或判決為處于模糊／過渡區(qū)的，則判定主用戶出現(xiàn)，該用戶不能占用對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)傳輸信息；②當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)本地檢測(cè)表征主用戶 “處于模糊／過渡區(qū)——存在性不確定”且一跳鄰居節(jié)點(diǎn)有發(fā)現(xiàn)主用戶的時(shí)，則判定主用戶出現(xiàn)，該用戶不能占用對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)傳輸信息，如果此種情況下同時(shí)有一跳鄰居檢測(cè)顯示其沒有發(fā)現(xiàn)主用戶則感知節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)一步確定自己處于主用戶出現(xiàn)與否的檢測(cè)過渡區(qū)；③當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)本地檢測(cè)顯示主用戶不存在且一跳鄰居節(jié)點(diǎn)有節(jié)點(diǎn)報(bào)告（檢測(cè)）顯示主用戶 “處于模糊／過渡區(qū)”時(shí)，則該用戶可以在對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)工作，但發(fā)射功率不能太大；④當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)本地檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)主用戶且一跳鄰居均未檢測(cè)發(fā)現(xiàn)主用戶時(shí)，則說明這些感知節(jié)點(diǎn)處于一個(gè)頻域與空域的白區(qū)其可以在對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)正常工作；⑤當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)本地檢測(cè)發(fā)現(xiàn)主用戶但其一跳鄰居均未發(fā)現(xiàn)主用戶則該用戶應(yīng)繼續(xù)對(duì)對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)并注意接收來自鄰居感知節(jié)點(diǎn)的信息（因?yàn)樗鼈儾扇∠嗤臋z測(cè)判決策略）；⑥當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)通過本地連續(xù)檢測(cè)確定主用戶未出現(xiàn)而一跳鄰居均顯示主用戶出現(xiàn)時(shí)其不能占用考查頻點(diǎn)。這6種情況的分別敘述反映了分布式協(xié)作感知處理的核心，相對(duì)于以往所提的合作感知來說其具有以下特點(diǎn)：

（1）合作感知只有局部意義，每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)一般只關(guān)心一跳鄰居的檢測(cè)結(jié)果，不要求所有節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一到同一個(gè)結(jié)果；

（2）每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)對(duì)于主用戶的檢測(cè)判斷主要是依據(jù)本地的檢測(cè)情況，其它節(jié)點(diǎn)的感知處理情況主要用來進(jìn)一步確認(rèn)本地的檢測(cè)判斷，或確定它們之間是否可以占用對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)進(jìn)行通信；

（3）這里所述的分布式協(xié)作感知并沒有明確的節(jié)點(diǎn)分簇與聚類操作分析，當(dāng)各感知節(jié)點(diǎn)按照建議的檢測(cè)感知處理方法完成對(duì)主用戶的檢測(cè)感知處理時(shí)實(shí)際上已經(jīng)完成了感知節(jié)點(diǎn)的聚類，只不過它是一種自動(dòng)的隱性聚類；

（4）這里的協(xié)作感知是基于模糊理論和信道互易［13］提出的，主要是適應(yīng)無線信道的復(fù)雜性和廣泛存在的陰影與深度衰落所可能形成的局部白色區(qū)域，盡可能地達(dá)成機(jī)會(huì)接入、提高頻譜資源的利用率；

（5）這里所述的分布式協(xié)作感知中檢測(cè)值處于模糊區(qū)的那些相鄰節(jié)點(diǎn)形成了一個(gè)主用戶檢測(cè)黑區(qū)與白區(qū)的 “過渡帶”，正是這一過渡帶使得我們可以形成一個(gè)區(qū)域頻譜態(tài)勢(shì)圖 （感知節(jié)點(diǎn)不知道也不需要知道，它們只要按照基于模糊理論的分布式協(xié)作處理思想進(jìn)行分析處理即可），為進(jìn)一步提高頻譜利用率創(chuàng)造可能。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

針對(duì)前面所提出的檢測(cè)理論和感知用戶協(xié)作方法，這里在假定在感知區(qū)域內(nèi)距區(qū)域中心為1的地方存在一個(gè)障礙物 （這使得在其后形成一個(gè) “60°角的扇形／三角形陰影區(qū)域”）的情況下，對(duì)傳統(tǒng)的合作感知［2－12］與這里所提的協(xié)作感知的性能做了對(duì)比。仿真的具體條件是：在10×10的正方形區(qū)域內(nèi)，1個(gè)通信距離為5的PU （以0.5的概率工作，每次工作的持續(xù)時(shí)間為30秒）位于中心，20個(gè)通信距離為2的SU隨機(jī)分布在正方形區(qū)域內(nèi)，各個(gè)SU采用能量檢測(cè)手段，檢測(cè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)N取30，PU工作時(shí)其通信距離范圍內(nèi)非陰影區(qū)中的SU檢測(cè)到的主用戶信噪比取35dB，感知用戶所采用的檢測(cè)門限λ1取對(duì)應(yīng)于虛警概率為0.15的值，感知用戶所采用的檢測(cè)門限λ2取對(duì)應(yīng)于虛警概率為0.05的值 （傳統(tǒng)的合作感知方式虛警概率取0.1），在感知區(qū)域內(nèi)各SU處的噪聲功率譜密度相同，處于陰影區(qū)域內(nèi)部的SU所接收信號(hào)的信噪比比其它區(qū)域的低57dB，處于陰影區(qū)邊界處的SU所接收信號(hào)的信噪比比非陰影區(qū)的低23dB。

下面圖3顯示了各SU檢測(cè)感知的平均開銷 （各SU用4比特表示和傳輸本地檢測(cè)結(jié)果），圖4顯示了各SU的平均吞吐量 （SU檢測(cè)到主用戶空閑且一跳鄰居可以接收數(shù)據(jù)時(shí)就可以占用PU的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，一次傳送5個(gè)數(shù)據(jù)包，而后轉(zhuǎn)入 “檢測(cè)感知狀態(tài)”，若發(fā)現(xiàn)主用戶空閑，或依舊空閑，則再返回?cái)?shù)據(jù)傳送狀態(tài)，其中周期性感知的周期取5秒），圖5顯示了感知用戶的檢測(cè)概率相對(duì)于虛警概率的變化情況 （對(duì)于建議方法來說，這里給出的檢測(cè)概率指的是非陰影區(qū)內(nèi)各感知用戶一跳范圍有兩個(gè)及以上的SU檢測(cè)到主用戶出現(xiàn)的概率）。注：圖3、圖4、圖5中的傳統(tǒng)合作方式采用或準(zhǔn)則、以67個(gè)SU為單位進(jìn)行聯(lián)合。

由圖3、圖4所顯示的結(jié)果可以看出，這里所建議的基于模糊理論的分布式協(xié)作感知處理具有較好的性能，在同樣的條件下相對(duì)于傳統(tǒng)的合作感知其有著較小的感知開銷（傳統(tǒng)的合作感知感知信息傳輸交互開銷大的原因主要是有的SU和協(xié)作中心節(jié)點(diǎn)之間信息傳遞需要通過其它SU中繼完成）并同時(shí)可以達(dá)成較高的吞吐量，并且這一優(yōu)勢(shì)隨著CRN工作時(shí)間的增加 （圖中由1分鐘至8分鐘）而變得更為明顯。

圖5 檢測(cè)概率v.s.虛警概率曲線

圖5給出的感知用戶檢測(cè)概率相對(duì)于虛警概率的變化曲線顯示相對(duì)于傳統(tǒng)的合作感知處理而言所提檢測(cè)感知處理方法具有更好的檢測(cè)性能——當(dāng)虛警概率不超過0.2時(shí)這里所提檢測(cè)處理方法的檢測(cè)概率明顯偏高，這對(duì)于認(rèn)知無線電的正常工作和實(shí)施機(jī)會(huì)性接入、提高頻譜利用率是相當(dāng)重要的。

4 結(jié)束語

多用戶聯(lián)合感知可以提高對(duì)于主用戶的檢測(cè)概率并盡可能地降低感知用戶對(duì)于主用戶的干擾，但合作感知并不總是有幫助的，特別是參與合作的用戶數(shù)量過多、或要求若干用戶統(tǒng)一到同一個(gè)檢測(cè)感知結(jié)果時(shí)更是這樣。文章針對(duì)無線通信中經(jīng)?？赡艽嬖诘年幱八ヂ浜途植扛兄尤雰?yōu)化問題，提出了基于模糊處理的分布式協(xié)作方法，該方法僅需要在一跳可達(dá)的鄰居之間進(jìn)行感知信息的交互，不需要 “全網(wǎng)／各部分感知用戶”統(tǒng)一到同一個(gè)感知結(jié)果，各感知節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、自主地進(jìn)行協(xié)作和完成聚類，相對(duì)獨(dú)立地實(shí)施機(jī)會(huì)性接入，有效地降低了認(rèn)知無線電系統(tǒng)的感知處理開銷，提高了系統(tǒng)的吞吐量，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

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