李 鵬，閔 慧

(1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208；2.湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410200)

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1 引言(Introduction)

移動(dòng)數(shù)據(jù)的迅速增長(zhǎng)給蜂窩網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，許多運(yùn)營(yíng)商面臨嚴(yán)重的頻譜短缺問(wèn)題，如果不加以解決，會(huì)導(dǎo)致頻譜危機(jī)。這便要求對(duì)頻譜進(jìn)行創(chuàng)新性的動(dòng)態(tài)分析和訪問(wèn)。

圖1 寬帶頻譜感知問(wèn)題Fig.1 Broadband spectrum sensing problem

然而，當(dāng)前的頻譜感知技術(shù)還存在如下不足：(1)在DSA網(wǎng)絡(luò)中挨個(gè)檢測(cè)所有窄帶信道(比如序列掃描技術(shù))，以確定信號(hào)能量或某個(gè)簽名是否存在時(shí)，它總是需要次搜索，其中是信道數(shù)量，時(shí)間復(fù)雜度較高。(2)基于高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行寬帶掃描時(shí)，高速率ADC的成本高，功耗大，信號(hào)處理的計(jì)算量太大。例如，為了檢測(cè)出500 MHz帶寬，需要功率為2.15 W、價(jià)格為775 $、速率為1 Giga/s樣本的ADC。因此，這一帶寬掃描技術(shù)不適用于能量有限的移動(dòng)設(shè)備。最近有人提出采用壓縮傳感技術(shù)進(jìn)行帶寬頻譜感知。這些技術(shù)需要次奈奎斯特抽樣，搜索復(fù)雜度為(? log)，其中是頻譜的稀疏度。然而，這往往需要值先驗(yàn)知識(shí)，這在DSA網(wǎng)絡(luò)中是不可行的，因?yàn)镈SA網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)設(shè)備會(huì)頻繁地加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。鑒于此，本文基于壓縮感知理論，提出了一種改進(jìn)的頻譜感知方案，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方案的有效性。

2 基于模擬濾波器的頻譜感知(Spectrum sensing based on analog filter)

2.1 問(wèn)題闡述

2.2 基本算法

圖2 SSS-AF檢測(cè)示例Fig.2 SSS-AF detection example

算法2：改進(jìn)型SSS-AF

初始化、為0，頻譜分布全為0；

是頻帶內(nèi)所有信道數(shù)量；

測(cè)量噪聲功率，設(shè)置閾值。

3 仿真實(shí)驗(yàn)(Simulation experiment)

本部分基于實(shí)際采集到的信號(hào)展開(kāi)一組仿真實(shí)驗(yàn)。首先研究本文算法的信道感知精度。然后，比較SSS-AF相對(duì)序列掃描和壓縮傳感的算法性能。我們以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，觀察本文基本型/改進(jìn)型SSS-AF算法需要多少次信道感知才能構(gòu)建頻譜圖。出于簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們將兩種算法稱(chēng)為SSSAF-B和SSS-AF-E。

(2)信道感知精度。通過(guò)改變每個(gè)信道感知的能量讀數(shù)數(shù)量和信號(hào)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量漏警率。虛警率在結(jié)果中可以忽略不計(jì)，所以此處略。圖3給出了相關(guān)結(jié)果。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度為-80 dBm或更高時(shí)，1，000 個(gè)樣本基本可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率的準(zhǔn)確估計(jì)。請(qǐng)注意，只用10 個(gè)能量讀數(shù)就可以充分檢測(cè)出-70 dBm或更高強(qiáng)度的信號(hào)。在信號(hào)強(qiáng)度非常強(qiáng)烈的DSA網(wǎng)絡(luò)中，可以顯著降低能量讀數(shù)的數(shù)量。

圖3 信道感知使用不同數(shù)量的能量讀數(shù)時(shí)獲得的漏警信號(hào)檢測(cè)率Fig.3 Detection rate of missed alarm signal when channel sensing uses different number of energy readings

(3)信道感知速度。我們計(jì)算了構(gòu)建一個(gè)完整的頻譜圖需要的信道測(cè)量值總量，測(cè)試了帶有1，000 個(gè)信道的頻譜帶寬。頻譜內(nèi)被占用的信道數(shù)量為1—1，000 個(gè)。仿真運(yùn)行100 次，每次運(yùn)行時(shí)被占用信道的位置隨機(jī)確定，結(jié)果如圖4所示。其中，Basic-8和Enhanced-8表示每8 個(gè)信道分為一組。序列掃描總是掃描所有信道，因此需要的測(cè)量值數(shù)量不變。另一方面，壓縮傳感完成信道感知需要的樣本數(shù)量低于奈奎斯特率樣本。

圖4 序列掃描、SSS-AF-B、SSS-AF-E和壓縮傳感算法的性能Fig.4 Performance of sequential scanning，SSS-AF-B，SSS-AF-E and compressed sensing algorithms

當(dāng)頻譜稀疏時(shí)，SSS-AF-B性能優(yōu)于序列掃描。例如，當(dāng)占用50 個(gè)信道時(shí)，SSS-AF-B需要不到500 個(gè)測(cè)量值，只有序列掃描的一半，但是性能不久出現(xiàn)下降。原因如下：當(dāng)檢測(cè)出空閑信道后，SSS-AF-B移到下一個(gè)搜索空間，搜索窗口變大。否則，如果檢測(cè)出信道在使用，它會(huì)保持在當(dāng)前搜索空間的同時(shí)縮小窗口。如果頻譜使用更為密集，則它會(huì)在同一頻率周?chē)昂笠苿?dòng)的同時(shí)不斷放大和縮小窗口。我們?cè)趫D4中發(fā)現(xiàn)，SSS-AF-B主要在頻譜占用率為一半左右時(shí)進(jìn)行信道感知。當(dāng)頻譜密度變大時(shí)，傳感時(shí)間下降，因?yàn)镾SSAF-B在大部分時(shí)間對(duì)被占用信道進(jìn)行序列傳感。當(dāng)信道占用率分別為10%和30%時(shí)，本文算法的搜索速度分別上升3.4 倍和1.5 倍。

4 結(jié)論(Conclusion)

本文提出了一種新的帶寬頻譜快速感知算法。與壓縮傳感或帶寬無(wú)線電方法不同，SSS-AF算法不需要非常復(fù)雜的硬件設(shè)備。相反，我們只使用價(jià)格低、能效高的現(xiàn)有模擬濾波器和能量檢測(cè)器。SSS-AF算法的復(fù)雜度與壓縮傳感算法漸近相當(dāng)?；谡鎸?shí)硬件設(shè)備的仿真結(jié)果表明，SSS-AF算法與壓縮傳感算法的性能相當(dāng)，但是SSS-AF算法不需要頻譜稀疏度先驗(yàn)知識(shí)。