认知无线电中实现自适应压缩频谱感知

在实际生活中频谱通常是稀疏的,将压缩感知（compressed sensing,CS）技术运用到宽带频谱感知中具有很大优势。然而,实践中稀疏度通常是未知的,因此需要选择较大的测量数目,导致算法的感知性能下降。为解决这一问题,提出一种自适应压缩频谱感知方法,通过分析压缩测量的二阶导数与稀疏度之间的关系对稀疏度进行粗估计。在粗估计的基础上,逐步增加测量数并对训练子集与测试子集进行迭代计算,当满足停止准则时得到稀疏度的精确估计。仿真结果表明,所提方法在性能上优于现有的其他传统CS方法,对降低复杂度、减少存储空间等方面具有重要意义。此外还验证了所提方法在噪声环境中的有效性。     

基于压缩感知的认知无线网络协作频谱感知技术

针对传统频谱感知算法受A/D器件物理瓶颈,硬件计算能力等限制难以实现宽频段授权用户实时检测的问题,将压缩感知技术应用于宽带频谱感知,建立了一个基于Xampling前端的新型协作频谱感知模型,在此模型基础上提出一种基于认知用户分组,纽内利用压缩感知技术进行信息融合,组间对各组检测结果进行判决融合,两者结合实现授权用户检测的新算法,并给出了认知用户的分组原则.与传统宽带频谱感知算法相比,该方法无需高速A/D,也不需要恢复原始信号,可有效降低宽带频谱感知的硬件复杂度,缩短频谱感知时间,仿真结果证实了新算法的有效性.     

基于能量检测的用户选择协作频谱感知

协作频谱感知(collaborative spectrum sensing,CSS)检测结果的上报尽管能够改善检测性能,但是也可能导致认知用户(secondary users,SU)产生较高的开销,同时引起对授权用户(primary users,PU)的干扰。基于双门限能量检测的用户选择CSS策略,称为双门限最佳选择上报(double threshold best selection reporting,DTBSR)策略,意在减少SU的平均检测时间和提高频谱感知的性能。单门限能量检测在受到噪声干扰后性能会严重下降,采用了基于最大比合并(maximum ratio combining,MRC)的双门限能量检测算法,通过考虑信息上报过程对PU产生的干扰,设计了在瑞利衰落信道下DTBSR策略与传统策略的虚警概率和检测概率表达式。仿真结果表明,与传统策略和最优选择上报策略相比,改进的策略能够提高检测性能并减少平均检测时间,并且还可以通过调节感知时间获得最小化漏检概率。     

控制信道受限的认知无线电联合频谱感知

在多用户认知无线电系统中,针对认知无线电用户合作频谱感知中联合检测性能的提高与控制信道带宽受限的矛盾,提出了一种基于能量检测的合作频谱感知方法。该方法放弃携带信息量较少的感知信息,并将携带信息量较多的感知信息量化后传送至数据融合中心。这种方法在兼顾认知无线电频谱感知性能的前提下,有效降低了控制信道开销。     

认知无线电中的一种频谱盲感知算法

认知无线电是一种用于提高无线电通信频谱利用率的新的智能技术,它能够通过与其运行环境交互而改变其发射机参数,特别是可让未授权用户使用授权用户的频谱,此外,它还为网络及终端提供更高的灵活性。高可靠性的频谱感知是实现频谱共享的关键。在分析了Parthapratim De提出的认知无线电中频谱Blinding Sensing算法的基础上提出了利用数据前、后向线性预测与矩阵QR分解结合的新算法。仿真实验表明,在同样的无线传输环境下,新算法比原算法能更可靠地感知频谱空穴。     

认知无线电中的合作频谱感知性能仿真分析

在认知无线电网络中,合作频谱感知用来准确地检测主用户的出现。利用了一个新的仿真数字模型研究了在中继用户有发送功率约束的条件下,认知用户间的路径损耗指数（a₂）与主用户和认知用户间的路径损耗指数（a₁）之比a₂/a₁、主用户与两个认知用户间的夹角φ、以及发射功率对合作频谱感知检测性能的影响。数字仿真结果表明:采用合作后检测性能的改善对路径损耗指数之比a₂/a₁非常敏感,并且当a₂/a₁<1时,可以得到较大的合作增益,当a₂/a₁>1时,采用合作后检测性能改善很小。     

主用户模拟攻击下的协作频谱感知方法

针对存在主用户模拟攻击(primary user emulation attack, PUEA)下的频谱感知问题,提出了一种基于攻击强度阈值(attack-aware threshold, ART)的协作频谱感知方法。该方法首先建立了存在PUEA的网络模型,然后分析4种状态下协作频谱感知的特点,采用检测统计量的一阶和二阶矩估计出PUEA攻击的概率,最后以总误差概率为目标函数,求出不同攻击强度下的最佳门限阈值,并通过ART方法完成在不同攻击强度下的协作频谱感知。仿真实验表明,该方法能够估计恶意信号出现的概率,有效减少频谱感知总误差概率,提高整个网络的频谱感知性能。     

认知无线电网络中授权用户参数估计

针对认知用户在频谱切换过程中无法实时地获取授权用户到达率与服务率的问题,提出了基于隐式马尔可夫模型的参数估计算法。首先利用排队论对授权用户队列进行建模与分析,推导出授权用户队列状态转移概率;其次利用能量感知算法检测授权用户队列真实状态,获得可观测序列值;然后利用隐式马尔可夫模型描述两种随机过程,即授权用户队列状态变化随机过程和可观测序列随机过程;最后利用forward-backward算法估计隐式马尔可夫模型,从而获得授权用户到达率与服务率。仿真结果表明,该方法能够实现实时的、较为精确的估计,从而实时地为认知用户选择频谱切换策略提供依据。     

认知无线网络中基于联盟博弈的分布式协作频谱感知方法

针对认知无线网络中感知用户(sensing user, SU)之间协作效用低的问题,将联盟博弈论应用到频谱感知中,提出了一种基于联盟博弈的分布式协作频谱感知方法。该方法首先通过SU进行本地频谱感知,然后利用联盟形成规则将SU分成若干联盟,在单用户优先准则下进行联盟间信息交换,经过迭代形成稳定的联盟分区结构,最后融合联盟内的感知信息完成频谱感知。仿真结果表明,采取的单用户优先准则较传统合并分裂准则,灵活性更高,形成的联盟效用值更大,在协作频谱感知中提高检测概率的同时降低了虚警概率,具有更好的频谱感知性能。     

基于复合熵和证据理论的抗SSDF攻击协作频谱感知方法

针对协作频谱感知中,频谱感知数据篡改(spectrum sensing data falsification, SSDF)攻击导致的感知性能恶化问题,在次级用户中恶意用户占比小于一半的情况下,提出一种基于复合熵和证据理论的抗SSDF攻击协作频谱感知方法。首先,次级用户根据本地感知统计量计算基本概率分配(basic probability assignment, BPA)信息。然后,融合中心根据BPA计算距离值并进行熵处理得到复合熵,再以复合熵为权重对BPA信息进行调整,降低恶意用户的权重。最后,针对证据理论中Dempster融合公式的弊端,采用加权求和法代替传统的融合公式。仿真结果表明,和已有方法相比,在不同类型的SSDF攻击下,所提算法具有较好的感知性能。     

基于着色理论的认知无线电频谱分配算法

认知无线电技术是解决当前频谱资源紧缺情况的有效手段,其中动态频谱分配技术是一个非常重要的环节。首先基于图着色理论建立了分配模型,分析了基于着色理论的频谱分配算法,并针对认知网络节点的动态性提出动态的频谱分配算法,该算法建立在已分配频谱的基础上,通过冲突节点相应信道的释放和寻找空闲信道算法减轻节点移动对频谱分配的影响。实验结果表明,此算法在不减少系统效用的情况下能有效减少参与重新分配信道的节点个数,减小动态频谱分配的复杂度。     

Joint power and spectrum allocation algorithm in cognitive radio networks

The spectrum sharing problem between primary and cognitive users is mainly investigated.Since the interference for primary users and the total power for cognitive users are constrained,based on the well-known water-filling theorem,a novel one-user water-filling algorithm is proposed,and then the corresponding simulation results are given to analyze the feasibility and validity.After that this algorithm is used to solve the communication utility optimization problem subject to the power constraints in cognitive radio network.First,through the gain to noise ratio for cognitive users,a subcarrier and power allocation algorithm based on the optimal frequency partition is proposed for two cognitive users.Then the spectrum sharing algorithm is extended to multiuser conditions such that the greedy and parallel algorithms are proposed for spectrum sharing.Theory and simulation analysis show that the subcarrier and power allocation algorithms can not only protect the primary users but also effectively solve the spectrum and power allocation problem for cognitive users.     

基于信道分配的多跳认知无线电网络路由算法

现有认知无线电网络中路由算法没有综合考虑主用户的到达率和认知用户竞争使用信道对网络性能的影响。针对上述问题,结合认知无线电网络频谱动态变化的特性,提出一种基于信道分配的多跳认知无线电网络路由算法（multi-hop cognitive routing basedan channel allocation, MCRC）。MCRC算法先得到最大化总吞吐量的全局信道分配,然后考虑主用户使用授权信道的概率和认知用户竞争使用信道的概率,得到认知用户使用某个信道的概率,最后以信道的有效传输时延作为选路标准,根据Dijkstra算法选择最小时延的路径。性能评估结果表明,MCRC明显地减小了平均端到端时延,极大地提高了平均端到端吞吐量。     

认知无线网络空闲频谱共享的竞争与合作定价

在频谱贸易中,价格是一个关键问题。针对认知无线网络中多个主用户的空闲频谱最优定价问题,在竞争模型下,基于非合作博弈论提出了竞争价格模型求解算法,并证明了该算法收敛到唯一的纳什均衡;在合作模型下,通过求解原问题的对偶问题,提出了合作价格模型求解算法,并证明了该算法在步长足够小时收敛到全局最优解。仿真结果表明,同已有的几个算法相比,所提的两个算法速度更快,取得的总收益相对更好,且均能较快地靠近最优解。     

Multi-band spectrum auction framework based on location information in cognitive radio networks

Cognitive radio(CR) technology is considered to be an effective solution to allocate spectrum resources,whereas the primary users of a network do not fully utilize available frequency bands.Spectrum auction framework has been recognized as an effective way to achieve dynamic spectrum access.From the perspective of spectrum auction,multi-band multi-user auction provides a new challenge for spectrum management.This paper proposes an auction framework based on location information for multi-band multi-user spectrum allocation.The performance of the proposed framework is compared with that of traditional auction framework based on a binary interference model as a benchmark.Simulation results show that primary users will obtain more total system revenue by selling their idle frequency bands to secondary users and the spectrum utilization of the proposed framework is more effective and fairer.     

Improved spectrum sharing algorithm based on feedback control information in cognitive radio networks

In order to avoid the system performance deterioration caused by the wireless fading channel and imperfect channel estimation in cognitive radio networks, the spectrum sharing problem with the consideration of feedback control information from the primary user is analyzed. An improved spectrum sharing algorithm based on the combination of the feedback control information and the optimization algorithm is proposed. The relaxation method is used to achieve the approximate spectrum sharing model, and the spectrum sharing strategy that satisfies the individual outage probability constraints can be obtained iteratively with the observed outage probability. Simulation results show that the proposed spectrum sharing algorithm can achieve the spectrum sharing strategy that satisfies the outage probability constraints and reduce the average outage probability without causing maximum transmission rate reduction of the secondary user.     

一种空时二维联合频谱感知区域划分方案

认知无线电空时二维联合频谱感知技术可以有效利用认知无线电网络的二维频谱资源,该文提出一种空时异构认知网络区域划分方案的设计方法。新的设计方法依据IEEE 802.22标准和应用需求,建立了一种鲁棒性空时二维感知模型,并明确定义了认知无线电网络构架的主用户分布边界、保护边界和感知边界;基于认知用户对主用户通信中断概率的条件约束,严格推导出了3种边界条件的数学闭式解。采用新的设计方案,在保证主用户通信功率和认知用户最大允许通信功率的条件下,能够灵活确定主用户分区和认知用户的Overlay及Underlay接入模式。理论分析和仿真结果表明,新的区域划分方案在保证主用户良好通信质量的前提下,能够实现认知用户在空间维度更有效的分配和接入可用频谱资源。     

认知无线电系统中三维联合频谱分配算法

为了减少对授权用户的干扰和降低认知用户之间的竞争,保证认知无线电系统正常通信,采用可靠性理论描述一个信道是否能够被认知用户所使用及被连续使用一段时间的概率。从空间、时域和频域3个方面联合起来研究频谱分配,仿真结果表明,三维算法的传输数据量和系统的总吞吐量的值优于贪婪算法和二维算法,有助于减少认知用户对授权用户的干扰和降低认知用户之间的竞争,表明所提算法的有效性。