同詩(shī)揚(yáng)， 祁廣云， 衣淑娟

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院,黑龍江 大慶　163000)

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基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的改進(jìn)型雙門限頻譜檢測(cè)算法研究

同詩(shī)揚(yáng)， 祁廣云， 衣淑娟

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院,黑龍江 大慶163000)

摘要：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，對(duì)信息化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化融合具有積極推動(dòng)的作用。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中信息傳輸是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，到目前為止，普通的3G和4G通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能提供農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行信息傳遞所需要的頻譜資源，而認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)恰恰可以滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求。它顯著的特點(diǎn)就是可以發(fā)現(xiàn)未被授權(quán)用戶利用的頻譜，來(lái)供給未授權(quán)用戶使用，提高了頻譜資源的利用率。在認(rèn)知無(wú)線電中，最重要的步驟就是進(jìn)行頻譜檢測(cè)，筆者就是在雙門限頻譜檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上提出一種新型算法。該算法適當(dāng)?shù)剡x取條件好的認(rèn)知用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并不是采納所有認(rèn)知用戶的本地檢測(cè)信息。仿真結(jié)果表明：本文提出的算法可有效提高認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中頻譜感知的性能，降低虛警概率，以更好地為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供可用的頻譜資源。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；認(rèn)知無(wú)線電；雙門限頻譜檢測(cè)；協(xié)作檢測(cè)

0引言

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，經(jīng)常會(huì)使用各類傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù)，由于傳感器分布較分散，所以無(wú)線傳輸是最恰當(dāng)?shù)耐ㄓ嵎绞絒1]。與物聯(lián)網(wǎng)的層次類似，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也分為3層：感知層、傳輸層、應(yīng)用層。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層需要解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)自組織網(wǎng)絡(luò)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)合理部署等共性問(wèn)題[4]。另外，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的感知層也需要將傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)，因此感知層與傳輸層需要一種更先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)，來(lái)解決海量的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。例如，通過(guò)傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集溫室(大棚)內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳、光照、土壤水分、土壤溫度、棚外溫度與風(fēng)速等數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)管理平臺(tái)。在這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，如果利用傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)量較大的情況下極易造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，此時(shí)就需要一種新型的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的過(guò)程。

認(rèn)知無(wú)線電(CNR)是一種新的通信網(wǎng)絡(luò)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：一是CNR可以發(fā)現(xiàn)未被主用戶利用的頻譜空洞；二是CNR可以通過(guò)調(diào)節(jié)次用戶的參數(shù)從而利用未被占用的頻譜資源。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)作為一種智能的頻譜共享技術(shù)可以自動(dòng)地搜尋和利用空閑的頻段，當(dāng)主用戶出現(xiàn)時(shí)退出該頻段，避免對(duì)主用戶的干擾。這樣一種利用頻譜空洞的方式，可以有效地提高空閑頻譜的利用率。在某些情況下，頻譜檢測(cè)也能夠比較準(zhǔn)確地判定射頻信號(hào)碰撞事件，使認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)能夠盡快進(jìn)行主動(dòng)退避，避免過(guò)多地影響原有授權(quán)用戶的通信[2]。目前，已經(jīng)有大量的學(xué)者對(duì)認(rèn)知無(wú)線電頻譜檢測(cè)的算法進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[3]為了克服傳統(tǒng)能量檢測(cè)算法的不足，改進(jìn)了傳統(tǒng)的算法，采用雙門限特有的兩個(gè)門限值作為判決條件；但該算法的判決門限由于受噪聲不確定性的影響，很難以界定。文獻(xiàn)[5]利用兩個(gè)門限值將認(rèn)知用戶檢測(cè)到的能量值劃分為不同的區(qū)域，然后對(duì)位于兩個(gè)門限值之間的認(rèn)知用戶檢測(cè)能量值進(jìn)行進(jìn)一步的加權(quán)；但該算法的權(quán)重因子的確定非常復(fù)雜，并且有很強(qiáng)的主觀性。綜上所述，本文在其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的雙門限協(xié)作檢測(cè)算法進(jìn)行改進(jìn)，融合中心根據(jù)認(rèn)知用戶發(fā)送的檢測(cè)結(jié)果及本地的信噪比估計(jì)，來(lái)選擇信噪比條件較好的認(rèn)知用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

1基于單點(diǎn)檢測(cè)的系統(tǒng)模型

現(xiàn)有的頻譜感知技術(shù)可以分為單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)和協(xié)作檢測(cè)。單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)通常分為匹配濾波器檢測(cè)、能量檢測(cè)及周期平穩(wěn)特征檢測(cè)[6]。在上述的檢測(cè)方法中，由于能量檢測(cè)不需要知道主用戶的先驗(yàn)信息，故本算法中的本地檢測(cè)采用能量檢測(cè)算法。假設(shè)H1代表授權(quán)用戶存在，H0代表授權(quán)用戶不存在，那么本能量檢測(cè)的系統(tǒng)模型可以定義為二元假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題，有

其中，n= 1,2,…，M，為采樣數(shù)；H0表示主用戶未占用信道；H1表示主用戶占用本信道；y(n)為次用戶的接收信號(hào)；s(n)為主用戶發(fā)射的信號(hào)。能量檢測(cè)的判決統(tǒng)計(jì)量為[5]

假設(shè)判決統(tǒng)計(jì)量的門限為λ，則虛警概率和檢測(cè)概率分別為[6]

其中，RSN為能量檢測(cè)器接收的信噪比。

雙門限能量檢測(cè)就是在傳統(tǒng)的單門限的基礎(chǔ)上增加一個(gè)門限，利用兩個(gè)門限值將次用戶進(jìn)行二次判決，以克服單門限檢測(cè)時(shí)噪聲不確定性對(duì)門限值的影響,提高算法的檢測(cè)概率。

2一種改進(jìn)型的雙門限協(xié)作檢測(cè)算法

在協(xié)作頻譜檢測(cè)中，本地認(rèn)知用戶的SNR(信噪比)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的正確性有著很大的影響。在進(jìn)行傳統(tǒng)的協(xié)作頻譜檢測(cè)時(shí)，首先由本地認(rèn)知用戶把本地檢測(cè)的結(jié)果發(fā)送至融合中心后，然后融合中心對(duì)所有的認(rèn)知用戶發(fā)送來(lái)的結(jié)果按照一定的融合準(zhǔn)則進(jìn)行融合。這種融合準(zhǔn)則有著各自優(yōu)缺點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)際的認(rèn)知無(wú)線電環(huán)境中，每個(gè)認(rèn)知用戶距離主用戶發(fā)射端的距離也不相同，所以當(dāng)認(rèn)知用戶進(jìn)行頻譜空洞檢測(cè)時(shí)，信號(hào)所經(jīng)歷的衰落效應(yīng)和陰影效應(yīng)對(duì)每個(gè)認(rèn)知用戶的SNR都起著決定性的作用。通過(guò)上述的分析，可以得知認(rèn)知用戶本地的信噪比高低對(duì)融合中心最后判決的檢測(cè)結(jié)果有著很大的影響。所以，本文在傳統(tǒng)雙門限協(xié)作檢測(cè)的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型的算法。

首先，預(yù)先設(shè)定兩個(gè)門限λ1和λ2將整個(gè)檢測(cè)區(qū)間分為3部分。當(dāng)本地能量檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)量處于λ1和λ2之外的區(qū)域時(shí)，認(rèn)知用戶直接作出本地判決，并把判決結(jié)果發(fā)送給融合中心；當(dāng)本地能量檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量小于λ1時(shí)，就判定主用戶不存在；當(dāng)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量大于λ2時(shí)，判定主用戶存在；當(dāng)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量大于λ1小于λ2時(shí)，直接把檢測(cè)結(jié)果發(fā)送到融合中心，融合中心根據(jù)認(rèn)知用戶的信噪比估計(jì)結(jié)果，選擇信噪比較高的認(rèn)知用戶進(jìn)行判決融合。那么如何選擇擁有較好的信噪比的認(rèn)知用戶是本算法的核心內(nèi)容，其算法的流程圖如圖1所示。

圖1　選擇信噪比比較好的認(rèn)知用戶流程圖

3仿真結(jié)果與分析

第1步：每個(gè)認(rèn)知用戶進(jìn)行本地能量檢測(cè)，獲得1個(gè)本地檢測(cè)結(jié)果，并進(jìn)行信噪比估計(jì)(信噪比估計(jì)是無(wú)線通信中一個(gè)常用的技術(shù)，現(xiàn)在有很多辦法可以實(shí)現(xiàn))。第2步：認(rèn)知用戶把本地判決結(jié)果及信噪比估計(jì)的結(jié)果發(fā)送到融合中心，由融合中心進(jìn)行二次判決。第3步：融合中心按照?qǐng)D1中的算法流程得到最終的判決結(jié)果。第4步：融合中心把檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給認(rèn)知用戶，完成一次頻譜空洞檢測(cè)。

圖2為在低信噪比下能量檢測(cè)和協(xié)作檢測(cè)的ROC曲線。在本次仿真中，信噪比設(shè)置為-26db。因?yàn)橐玫叫旁氡葘?duì)檢測(cè)性能的影響，所以設(shè)置的信噪比較低。由圖2可以看出：當(dāng)信噪比較低時(shí)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)與協(xié)作檢測(cè)在相同的虛警概率下,協(xié)作檢測(cè)比單點(diǎn)檢測(cè)的檢測(cè)概率高，故本算法采用協(xié)作檢測(cè)的方式。

圖2　低SNR下單個(gè)節(jié)點(diǎn)能量檢測(cè)與協(xié)作檢測(cè)的ROC比較

由圖3可以看出：基于雙門限的SNR比較的算法比單個(gè)高節(jié)點(diǎn)的SNR檢測(cè)算法的檢測(cè)概率要高，足以說(shuō)明本文提出的算法在相同的虛警概率下有著較好的檢測(cè)性能；通過(guò)仿真曲線也可以得出該算法實(shí)用可靠。

圖3　基于SNR比較的算法與其他檢測(cè)算法的ROC曲線

4結(jié)論

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，信息傳輸是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，目前的通信技術(shù)已經(jīng)不能滿足海量的信息傳輸。認(rèn)知無(wú)線電正是為了解決海量信息傳輸中頻譜資源匱乏這一問(wèn)題而應(yīng)運(yùn)而生的。在認(rèn)知無(wú)線電頻譜檢測(cè)過(guò)程中，協(xié)作檢測(cè)是一個(gè)效果較好的檢測(cè)方式。在融合中心如何恰當(dāng)?shù)剡x擇認(rèn)知用戶，對(duì)頻譜檢測(cè)的結(jié)果有著很大的影響。本文提出的算法在雙門限檢測(cè)的基礎(chǔ)上，在融合中心處對(duì)認(rèn)知用戶的信噪比進(jìn)行比較，選擇較高的信噪比用戶參與最后的判決。仿真結(jié)果表明：本文的算法與傳統(tǒng)的算法進(jìn)行比較，檢測(cè)性能有顯著的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁么明,夏洪星.認(rèn)知無(wú)線電在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2013，43(3):14-15.

[2]楊爽.認(rèn)知無(wú)線電協(xié)作頻譜感知技術(shù)的分析與仿真[D].武漢：華中師范大學(xué)，2011.

[3]陳長(zhǎng)興，符輝.基于雙門限能量檢測(cè)的協(xié)作頻譜感知算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2013(8)：1742-1746.

[4]張長(zhǎng)利,沈維政.物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，42(5)：33-35．

[5]楊鐵軍，司春麗.基于混合加權(quán)的雙門限能量協(xié)作檢測(cè)算法研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012(7)：179-183.

[6]姜微，馬惠珠.瑞利信道中雙門限檢測(cè)算法性能仿真及研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2011(1)：127-130.

Detection Limit of the Spectrum Algorithm Based on Improved Agricultural Things Double Doors

Tong Shiyang， Qi Guangyun， Yi Shujuan

( Information Technology College, Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163000, China)

Abstract：Things emergence of agriculture, information technology integration and modernization of agriculture has a positive role in promoting. Things in agricultural information transfer is a vital link. So far, the general's 3G and 4G communications network has been unable to meet the agricultural Things spectrum resources in the transmission of information needed. Cognitive Radio Networks things just to meet agricultural demand. It is notable feature is the ability to discover unauthorized use of the spectrum users to supply unauthorized users. Cognitive radio is generated improves the utilization of spectrum resources. Things agriculture and cognitive radio technology combine these two areas, agriculture spectrum of things facing shortage problem is solved. In cognitive radio, the most important step is to detect the spectrum. The author is in the traditional two-threshold spectrum propose a new algorithm on the basis of the detection algorithm. The algorithm to select the appropriate conditions are good cognitive user data fusion, and not adopt the local detection information for all cognitive users. Simulation results show that the proposed algorithm can effectively improve the spectrum sensing cognitive radio system performance, reduce the probability of false alarm. Better networking can provide material for agriculture available spectrum resources.

Key words：agricultural things; cognitive radio; dual-threshold spectrum sensing; cooperative detection

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0053-04

中圖分類號(hào)：S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：同詩(shī)揚(yáng)(1991-),女，陜西鳳翔人，碩士研究生，(E-mail) 987427510@qq.com。通訊作者：祁廣云(1963-)，男，黑龍江依安人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)2860605532@qq.com。

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳項(xiàng)目(12541583)

收稿日期：2015-03-19