刘舒祺， 苗 苗

（江苏技术师范学院 电气信息工程学院，江苏 常州 213001）

0 引言

随着高速宽带无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张，使得当今静态的频谱资源分配模式已不能满足急剧增长的无线业务的需求[1-2]。于是认知无线电（CR，Cognitive Radio）应运而生，它通过对周围无线环境的频谱感知，发现授权用户或主用户（PU，Primary User）不在使用的频谱空洞，并根据非授权用户或次用户（SU，Secondary User）的需求，判断可用的频段和可以达到的通信容量和服务质量，从而动态地使用非授权频段，提高频谱的使用效率[3-5]。认知网络由主用户和次用户组成，次用户只能使用主用户暂不使用的频段实现通信，一旦检测到主用户使用该频段，次用户就必须快速的退出该频段而使用其他的空闲频段，以避免对主用户造成干扰。在实际的无线传播环境中，信号传输可能受到阴影效应、多径衰落等不确定因素的影响，单个认知用户的本地频谱感知性能会下降，易导致其检测结果与实际情况产生偏差。为了进一步提高感知性能，人们提出了协作频谱感知技术研究，利用认知用户间的相互协作,可以有效消除无线信道中不确定因素对单个认知用户感知所造成的负面影响。从而提高认知网络的整体检测性能。Ganesan[6-7]讨论了基于放大重传(AF，Amplify Forward)的多用户协作频谱感知方案，以提高系统整体检测性能。这里在文献[6]的基础上考虑如何选择认知用户作为某一给定认知用户的中继，从而实现协作频谱感知，提高系统的检测性能。

1 系统模型

系统模型如图1所示，假设所有次用户都仅配有单根天线，在全双工模式下工作，都可以向公共接收机发送数据。考虑次用户SU正向公共接收机发送数据，且主用户PU也准备使用与SU发送数据的同一频段传送信息，但SU离PU较远，SU本身收到的感知信号，不能准确地检测PU到来的时刻，此时SU对PU使用该频段易造成干扰。

图1 协作频谱感知的系统模型

基于此，研究时考虑利用其他次用户充当中继用户为SU转发来自PU的感知信号，以提高SU的检测性能。模型中只画出了可以作为中继的认知用户SU1、SU2，实际中可以有多个作为中继的候选认知用户{SU1,SU2,SU3,…,SUn}。认知网络中具有集中控制器，它可以实时获知各个认知节点的信道通信链路状况，通过综合各个中继节点的信道链路通信质量，可从中选取最佳中继用户并通知相关用户。假设按接收主用户信号功率信噪比最大准则，已选出SU2为最佳中继。设SU和SU2位于同一频段上，SU和SU2之间以TDMA方式按AF协议在连续的时隙上传输信号，SU2作为SU的中继，则其传输数据的协议图如图2所示。

图2 中继协议

在时隙1T中，SU传输数据SU2接收；在时隙2T中，SU2中继前一个时隙内接收到的信息，SU接收。一旦SU2侦测到PU的存在，那么在其下一个发射信号的时隙，在发送自己信号的同时转发收到的PU的信号,然后退出该频段。

2 协作频谱感知性能分析

根据接收主用户信号信噪比最大的原则, 集中控制器选取SNR最大的候选用户作为最佳中 继,即：

式中，pih表示主用户PU和认知用户SUi之间的瞬时信道增益。设其均值为0，方差为。

2.1 信道模型

假设所有无线信道的衰落都服从瑞利分布，且相互独立。如果信号x被发送，接收端接收到的信号y可表示为：

式中， f为信道衰落因子，n为加性复高斯白噪声。假定噪声为独立的高斯随机变量，其均值为0，方差为1。

在时隙1T，SU2接收到的信号为：

在时隙2T，中继用户SU2转发信号，SU接收到的信号为：

式（3）和式（4），1θ=表PU出现，0θ=表PU不出现，2ph 、psh 、2sh分别表示PU与SU2、PU与SU、SU与SU2之间的瞬时信道增益，a表SU发送的信号，2n，sn表附加高斯噪声，β表SU2转发PU信号的功率缩放因子。假设均为均值为0，方差为1的复高斯随机变量。设信道SU2的最大传输功率限制为～P，SU的最大传输功率限制P，2SG 为SU与SU2之间的信道增益，SU接收PU信号的功率信噪比Ps，SU2接收PU信号的功率信噪比 2P，则：

若不考虑SU自身发射的信号，则SU收到的信号可表示为：

2.2 能量检测

运用能量检测法[8]分析所提出的基于最佳中继协作的频谱感知的性能。

对于正数 ,,,a b t定义

即SU在中继SU2协同情况下的虚警概率：

SU和SU2独立进行频谱感知的检测概率分别为：

利用OR准则，可得认知系统的SU和SU2协作和非协作的检测概率分别为：

3 结果与分析

通过数值仿真验证各种理论分析，图3为SU在利用中继合作和独立检测时的检测概率随SU2接收PU信号的功率信噪比变化的曲线。设由图3可知，SU2作为SU的中继时，随着SU2的功率信噪比增大，SU的检测概率也随之增大，在SNR约为9 dB时，到达最大值；随后随SNR的增加，检测概率下降，最后趋近于SU独立检测的检测概率，这主要是因随SNR的增加，SU2与PU的位置可能无限接近，中继也就不起作用。此时可以考虑选用别的用户作为中继。可见中继的选择与PU、SU2、SU的相对位置有关。

图3 SU的检测概率与SU2接收信号SNR之间的关系

图4 SU的检测概率与SU2接收信号SNR之间的关系

图5 系统的检测概率与SU2接收信号功率噪比之间的关系

设

图6 SU的检测概率与虚警概率的关系

4 结语

针对认知无线电网络中的多用户频谱检测问题,提出了一种实时选择中继的协作频谱感知方案,以提高对主用户的检测概率。该方案利用认知用户间的协作使系统的检测概率得到提高。在理论分析的基础上,进行了数值仿真，结果表明所提方案的检测概率与单用户独立检测的检测概率相比有了明显的提高，进一步验证了所提方案的合理性和可行性。

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