动态频谱管理中频谱机会发现与授权用户保护的折中优化研究

在基于认知无线电的动态频谱管理中,频谱感知需要发现更多的频谱机会,同时尽量减少对授权用户的干扰。文中研究了能量感知中这两个性能指标的折中优化问题,建立了以两个指标的加权作为优化目标函数、感知时间和感知门限作为优化变量的联合优化模型,并证明了该问题属于双凹优化问题。提出了基于迭代凸优化搜索的优化算法,该算法在不依赖预置感知门限或感知时间的情况下,能够快速获得近似最优解。仿真表明, 相比于单参数优化方法,所提联合优化算法 的性能平均提高了32%和85.9%。     

基于D—S理论的双门限频谱感知算法研究

针对传统双门限频谱感知算法不能充分利用2个门限之间感知用户信息的问题,提出了一种基于D-S理论的双门限频谱感知算法。当感知用户接收到的信号能量介于2个门限之间时,该算法不直接给出判决结果,而是进行本地判决,即采用D-S理论进行数据融合。仿真结果表明,与传统双门限频谱感知算法相比,基于D-S理论的双门限频谱感知算法的检测概率较高,提高了整体的频谱感知性能。     

基于MUSIC算法的宽带频谱感知

利用MUSIC算法进行宽带频谱感知时,主用户信号个数估计是关键问题。为此,提出一种动态门限搜索匹配的信号个数估计算法。利用信号子空间和噪声子空间的正交性动态调整门限,搜索与预设维度最匹配的信号个数作为最终的估计值。仿真结果表明,在低信噪比的情况下,该算法能准确估计信号个数,提高宽带频谱感知性能。     

联合信任度与信噪比的自适应协作频谱感知算法

为提高认知无线电的频谱感知性能,提出一种联合信任度与信噪比的自适应协作频谱感知算法。该算法通过信噪比估计和信噪比比较获取各认知用户的初始信任度值,自适应地调整信任度、参与度、判决门限等参数以实现算法最优,并采用周期性初始化策略以满足时变信道的要求。仿真结果表明,与传统K秩协作频谱感知算法和自适应合作频谱检测算法相比,该算法不仅提高了协作检测性能和稳定性,而且具有更好的实时性和抗恶意用户性能。     

p次方检测器的协作频谱感知网络性能优化

在保障主用户通信不受干扰的前提下,合理分配感知系统时隙,最大限度地增大认知网络吞吐量,提出优化方案,在考虑无线瑞利信道和一定错误率的报道信道条件下,对采用p次方检测器的协作频谱感知网络联合优化,得出p次方检测器的次方数和最佳感知时间τ,以使认知网络吞吐量最大。理论分析与仿真结果表明,协作频谱感知网络存在最佳次方数p和最佳感知时间τ,以满足认知网络吞吐量最大化,从而提高网络频谱利用率。     

认知无线电网络中基于信任度的频谱感知技术

提出了一种在认知无线网络控制信道带宽受限条件下基于信任度的双门限协同频谱感知算法。首先每个认知用户基于双检测门限独立进行频谱感知,但只有部分可靠的认知用户通过控制信道向认知无线网络基站发送本地感知结果。当所有的用户都不可靠时,选取信任度最高的认知用户发送本地感知结果进行判决。理论分析和仿真表明,同常规能量检测算法相比较,该算法能够在控制信道带宽受限条件下,以较少的网络开销获得更好的频谱感知性能。     

认知无线电中基于特征值检测的频谱感知算法

频谱感知的任务在于利用感知节点(无线传感器或者认知用户)采集的数据判断频谱空洞是否存在。基于最大特征值检测(MED)和最小特征值检测(SED)的方法最近被应用到频谱感知当中。这两种算法在检测实际应用当中普遍存在的相关信号时表现出良好的检测性能。然而,MED和SED算法对应的判决门限求解非常复杂,从而限制了它们在实际的认知无线电频谱感知中的应用。该文利用取样协方差矩阵的所有特征值,提出了一种新的基于特征值检测(ESD)的算法。利用多元统计理论获得了相应的判决门限。ESD算法无需主信号和无线信道信息参与感知过程。与此同时,它保留了与MED和SED相同的计算复杂度。更重要的是ESD算法对应的判决门限可以通过一个简单的闭合表达式进行求解,其计算复杂度低。仿真结果验证了新算法的有效性。     

基于混沌和声搜索的最优线性协作频谱感知算法

为了进一步提高认知无线电频谱感知的准确性和可靠性,提出一种基于混沌和声搜索(CHS)的最优线性协作频谱感知算法。该算法基于能量检测的线性加权协作频谱感知模型,利用和声搜索(HS)算法本身的优化能力和混沌映射的遍历性、随机性等特点,通过求解最优权值的方法,提高频谱感知的性能。仿真实验结果表明,CHS算法的优化性能和收敛速度均优于传统的HS算法,基于CHS的最优线性协作频谱感知算法能够找到最优的权值,从而提高了复杂通信环境下的检测概率;并且在相同的虚警概率下,所提算法性能优于基于修正偏差因子的协作频谱感知算法。     

结合循环平稳特征和自适应双门限检测的频谱感知算法

针对单门限能量检测算法存在虚警率高、循环平稳特征检测算法计算复杂等问题,为了降低无线信道平均捕获时间和信号检测算法复杂度,提出一种联合循环平稳特征的自适应双门限能量检测算法.该算法根据无线信道占用状态自适应调整双门限值搜索频谱信息,将无线麦克风信号接收后直接送入第1个积分电路,在双门限区域之外采用无线信号能量检测;当第1个比较器中能量累积输出低于检测下门限时,表明未检测到无线信号;当积分电路输出超过检测下门限时则启动第2个积分电路,当第2个比较器中能量累积超过检测上门限时启动第3个比较器,超过同步门限判断虚警状态;在双门限区域之间采用循环平稳特征检测快速、准确地捕获无线麦克风信号,并合理设置保护频带,让非授权用户充分利用保护频带之外的频谱资源.仿真结果表明,文中算法有效地提高了无线认知网络的无线信号检测概率和频谱感知精度.     

基于绝对值累积的主用户动态到达频谱感知算法

在认知无线电网络的主用户动态到达频谱感知场景中,针对拉普拉斯脉冲噪声干扰导致频谱检测性能下降的问题,提出基于绝对值累积(AVC)的频谱感知算法。假设接收到的主用户信号服从泊松分布,对接收信号进行AVC处理抑制脉冲噪声干扰,并将处理信号累积求和作为判决统计量,得到判决统计量的均值与方差,求出判决门限理论表达式以判断主用户是否动态到达,从而实现频谱感知。理论分析与仿真结果表明,该算法在不同虚警概率、信噪比及累积求和采样点数量下的检测概率均优于改进的能量检测算法。     

基于最小特征值分布的频谱感知算法

现有的频谱感知算法中,能量检测容易实现,但检测性能依赖噪声功率。基于随机矩阵理论的频谱感知算法巧妙地规避了噪声不确定性对检测性能带来的影响,但大都采用的是最大特征值的近似分布规律,所得到阈值表达式的精度有待进一步提高。针对上述问题,通过利用随机矩阵理论的最新研究成果,提出一种基于接收信号样本协方差矩阵最小特征值分布的频谱感知算法。最小特征值的分布函数不基于渐近假设,更加符合实际的通信情境。推导所得的阈值表达式是虚警概率的函数,在小样本情况下,对它的有效性和优越性进行了分析与验证。根据单一变量原则,分别在低样本点、低协作用户数、低信噪比和低虚警概率条件下对提出算法与最大最小特征值算法的检测性能进行了仿真比较,检测概率最多可以提高0.2左右。结果表明,该算法能够显著改善系统的检测性能。     

基于改进型能量检测的加权协作频谱感知算法

针对单节点能量检测法存在的“隐藏终端”和检测准确性低以及协作频谱感知算法大多采用等权重进行数据融合,未考虑不同节点所处的通信环境对检测性能的影响等问题,提出一种基于改进型能量检测的自适应加权协作频谱感知算法。该算法通过对单节点能量检测方法的改进,在单节点检测错误概率最小的条件下,导出了信噪比与判决门限的关系式,利用二分法求得不同信噪比下的动态门限值,得到相应的虚警概率和检测概率,以虚警概率和检测概率的函数作为加权因子进行数据融合。仿真结果表明,所提算法使协作感知系统在低信噪比条件下也能获得可靠的检测性能。     

基于双门限和证据理论的合作频谱感知算法

从提高合作频谱感知结果的可靠性以及减小网络开销和融合中心计算负担的角度出发,提出了一种新的基于双门限和证据理论的合作频谱感知算法。该算法在进行本地感知的时候,认知用户通过双门限能量检测直接得到本地判决结果,将认知用户感知到的能量值在两个门限之间的未能进行本地判决的结果的信任度函数发送给融合中心,这样大大减少了融合中心利用证据理论进行软融合的计算量以及传输感知结果带来的网络开销。理论分析和仿真表明,提出算法的检测概率比其他检测算法的检测概率性能提升30%,其接收机操作性能曲线（ROC）性能比性能较好的D-S证据理论提升3%。     

A weighted cooperative spectrum sensing framework for infrastructure-based cognitive radio networks

Spectrum sensing plays a critical role in cognitive radio networks. A good sensing scheme can reduce the false alarm probability and the miss detection probability, and thus improves spectrum utilization. This paper presents a weighted cooperative spectrum sensing framework for infrastructure-based cognitive radio networks, to increase the spectrum sensing accuracy. The framework contains two modules. In the first module, each cognitive radio performs local spectrum sensing and computes the total error probability, which combines the false alarm probability and the miss detection probability. The total error probability and the energy signal from the primary user are then sent to the base station. In the second module, the base station makes a final decision after combining the weighted energy signals from all cognitive radios. The final decision is then broadcasted back to all cognitive radios. To reduce the computation complexity and communication overhead, the base station also instructs the cognitive radios that have large total error probabilities not to report their local sensing results. We have developed a theoretical model for the proposed framework, and derived the optimal detection threshold, as well as the minimum number of cognitive radios required to participate in cooperative sensing, subject to a given total error probability. Numerical results verify that the proposed weighted cooperative spectrum sensing framework significantly improves the sensing accuracy.     

基于增强蚁群优化的海量规模MIMO系统快速检测算法

大规模MIMO系统的符号向量检测算法计算复杂度较高,对此结合粒子群优化与蚁群优化提出一种低计算复杂度的海量规模MIMO系统快速检测算法。首先,推导出一种新的概率搜索模型,将基于距离的蚁群搜索与基于速度的粒子搜索结合;然后,将ACO距离指标与PSO的方向、速度指标结合生成一种新的概率指标,将ACO的信息素更新步骤变为PSO速度的更新;最终,将MIMO检测问题建模为路径寻找问题,寻找MIMO符号检测问题的次优解。对比仿真实验结果表明,本算法的检测性能优于部分传统算法以及其他新颖的MIMO检测算法,在获得与最大似然估计检测法接近的误码率性能下,具有极快的计算速度,适用于海量规模的MIMO系统。     

基于门限动态调整的最优协作检测方法

为提高协作频谱感知的检测效率、减少系统的反馈开销,提出一种基于门限动态调整的最优协作检测方法。在单节点检测错误概率最小的情况下,导出能量检测中门限值与信噪比的关系表达式,利用二分法求得不同信噪比下的动态门限值。根据系统恒虚警率和恒检测率计算最优协作用户数,并与动态门限值相结合得到系统检测错误概率。仿真结果表明,该方法协作检测概率较高,检测错误概率较低。     

基于能量分类器的抗SSDF攻击协作频谱感知算法

频谱感知是认知无线电通信的重要环节,SSDF(Spectrum Sensing Data Falsification)是协作频谱感知面临的严重安全威胁。SSDF攻击方式逐渐呈现动态化的趋势,传统防御算法因假定攻击强度保持不变而难以识别动态的篡改数据。针对动态化的SSDF攻击,提出一种基于能量分类器的抗SSDF攻击协作频谱感知算法。该算法首先通过分析动态SSDF攻击的特性,结合距离判别法将邻居节点能量分类,通过将分类结果与本地结果进行对比来识别恶意邻居节点;然后本地节点在滑动时间窗内根据历史频谱判决信息和当前频谱判决信息建立信誉模型,并由此更新各邻居节点的信誉值;最后,本地节点实施加权协作频谱感知。仿真结果表明:相比LDCSS(Largest Deviation-based distributed Cooperative Spectrum Sensing)算法和RBCSS(Reputation-based Cooperative Spectrum Sensing)算法,所提算法在动态SSDF攻击的攻击强度接近阈值时频谱检测概率分别提高了15%和16%,显著增加了认知网络的协作频谱感知性能,提升了频谱共享的效率。     

基于粒子群优化算法和模糊熵的多级阈值图像分割算法

针对现有阈值分割算法利用穷举搜索寻找最优阈值而造成的计算成本较大的问题,提出了一种基于粒子群优化算法和模糊熵的多级阈值图像分割算法。图像分割是图像分析中非常重要的预处理步骤,在提出的方法中,首先选择香农熵和模糊熵作为优化技术的目标函数;然后建立一种基于粒子群优化算法的多层次图像阈值分割,通过最大化香农熵或模糊熵进行图像分割。最后从图像分割数据库中选取Lena、baboon和airplane作为测试图像进行性能分析（包括鲁棒性、效率和收敛性）,并与现有的几种阈值分割算法进行比较。结果显示,提出的算法得到了更高PSNR值和更少的分类误差,证明了该算法是一种高效的多级阈值图像分割算法。     

双门限和机会协作的频谱感知算法研究

针对传统频谱感知算法性能较差及一文献中Zhu所提出的算法功率消耗大的不足,提出了一种基于双门限和机会协作的频谱感知算法,同时理论推导了在瑞利衰弱信道中基于该算法的频谱感知检测概率,并对传统频谱感知算法,Zhu所提出的算法和基于双门限和机会协作的频谱感知算法进行性能仿真。仿真结果表明,该算法可以有效提高频谱感知检测概率,性能优于传统算法,与Zhu所提出的算法性能基本相同,且能有效节省发射功率。