基于加权一致优化的宽带分布式协作压缩频谱感知算法

宽带分布式协作压缩频谱感知不仅降低过高的采样速率,而且改善在低信噪比环境下的频谱感知性能。为进一步提高频谱感知性能,提出一种基于加权一致优化的宽带分布式协作压缩频谱感知算法。该算法根据当前迭代重构出的频谱信号设定下一次迭代重构的权值,促使频谱信号上存在授权用户的子频段产生信号值,降低重构出错的可能性。仿真结果表明,该算法不仅能够增大频谱重构的准确性,而且能够降低感知过程的时间和通信开销,改善频谱感知性能。     

基于加权平均一致算法的宽带压缩频谱感知

在认知无线电(CR)网络中进行频谱共享接入,首要的任务是进行频谱感知,并发现频谱空洞。基于认知无线网络中信号频域的固有稀疏性,本文结合了压缩感知(CS)技术与加权平均一致(weighted average consensus)算法,建立了分布式宽带压缩频谱感知模型。频谱感知分为两个阶段,在感知阶段,各个CR节点对接收到的主用户信号进行压缩采样以减少对宽带信号采样的开销和复杂度,并做出本地频谱估计;在信息融合阶段,各CR节点的本地频谱估计结果以分布式的方式进行信息融合,并得到最终的频谱估计结果,获得分集增益。仿真结果表明,结合压缩感知与加权平均一致算法增强了频谱感知的性能,比在相同的CR网络中使用平均一致算法时有了性能上的提升。      

基于扩散机制的分布式宽带压缩频谱感知算法

针对认知无线电网络共享频谱资源的特征,本文提出一种基于扩散机制的分布式宽带压缩频谱感知方法。该算法包含两个工作阶段。在第一个阶段,每个认知用户对观测信号进行压缩感知和独立重构,产生本地频谱估计;在第二阶段,各个认知用户根据扩散机制协作更新频谱估计信息,实现最优估计。仿真结果表明,该算法与一致性分布式压缩频谱感知方法相比,可以快速增强认知无线电网络频谱感知能力,可应用于动态拓扑结构的认知无线电网络。     

分布式压缩感知实现宽带频谱感知的方法

频谱感知的第一步就是采集无线信号进行分析,越来越高的采样率成为宽带频谱感知研究中的难点。实际通信中主用户占用频谱具有稀疏特性,符合压缩感知理论的前提条件。因此,本文利用分布式压缩感知实现宽带频谱感知,提出基于差分信号分布式压缩感知（DS_DCS）的加权宽带频谱感知算法。该算法针对宽带频谱采样率高的问题,利用压缩感知技术降低采样率,同时引入差分处理方法降低计算复杂度;又针对单点检测带来的深衰落、隐节点以及抗噪声能力差等问题,采用分布式感知系统进行多节点协同检测并利用信噪比的估计对信号进行加权处理。仿真证明,该算法能有效降低各节点采样率,大幅提高系统检测概率,显著改善系统对噪声的鲁棒性。      

基于OMP算法的宽带频谱感知

频谱感知是认知无线电的一项关键技术,其能够检测出未被主用户占用的频谱空穴供次用户接入使用,提高频谱利用率.宽带频谱感知要求对数GHz 的带宽进行检测,过高的采样速率、大的数据量对现有的硬件设备提出了巨大的挑战.本文利用宽带频谱的稀疏性提出一种基于OMP算法的宽带频谱感知方法.该方法利用MWC采样实现对宽带模拟信号直接压缩采样;利用自相关矩阵对称分解特性和主用户信号独立性,得到有限维压缩采样信号模型,利用AIC/MDL准则估计稀疏度作为OMP算法迭代停止的条件,大大减少了算法复杂度;该方法不需要重构接收信号的PSD,直接在时域根据低速率采样信号,检测被占用信道.仿真结果表明,当带内信噪比大于9dB时,频谱检测概率高于90％.     

基于DSCS的宽带频谱感知新算法

频谱感知是认知无线电技术的基础,随着通信技术不断发展,越来越高的采样速率成为一大瓶颈.实际应用中频谱占用通常具有稀疏性,根据这一特点并结合频谱检测要求,本文提出一种基于差分信号压缩感知(Differential SignalCompressed Sensing,DSCS)的宽带频谱感知方法.该方法在能量检测法的基础上引入压缩感知理论(compressed sensing,CS),使系统能以远低于奈奎斯特采样速率的速率无损采样,降低对硬件的要求;为降低计算量、提高算法稳定性,采用检测差分信号代替检测信号本身作为判断频谱占用变更的依据;引入精度作为算法的迭代停止条件,可根据需要灵调整算法准确度、降低计算复杂度.仿真表明,适当精度下DSCS法能大幅降低迭代次数、减少计算量,并获得更好的检测性能.     

分布式的1 bit压缩频谱感知算法

由于频谱感知中信道稀疏度动态变化,导致分布式频谱感知网络中节点间信息传输频繁,消耗感知网络通信带宽。为了缓解网络通信带宽压力,提出分布式的1 bit压缩频谱感知算法。各节点对感知数据进行压缩采样并1 bit量化,然后融合节点采用JSM-2模型对数据进行融合,最后通过BIHT算法重构信号频谱,实现频谱感知。仿真结果表明,在低信噪比和较少的采样数目下,分布式的1 bit压缩频谱感知算法能具有较好的频谱检测性能,是一种可实用的频谱感知方法。     

可防御SSDF攻击的宽带压缩频谱感知

SSDF（Spectrum Sensing Data Falsification）攻击是认知无线网络中对频谱感知性能危害最大的攻击方式之一。基于认知无线网络中信号频域的固有稀疏性,本文结合了压缩感知(CS)技术与平均一致(average consensus)算法,建立了可防御SSDF攻击的分布式宽带压缩频谱感知模型。本文建立了次用户的声望值指标,用以在分布式信息融合的过程中更加准确地排除潜在的恶意次用户影响。在感知阶段,各个CR节点对接收到的主用户信号进行压缩采样以减少对宽带信号采样的开销和复杂度,并做出本地频谱估计。在信息融合阶段,各CR节点的本地频谱估计结果以分布式的方式进行信息融合,排除潜在恶意次用户的影响,得到最终的频谱估计结果。仿真结果表明,本文提出的分布式频谱感知模型可以有效地抵御SSDF攻击,提高了频谱感知的性能。      

基于优化贝叶斯压缩感知算法的频谱检测

近年来,压缩感知理论依旧是信号处理领域的研究热点之一。将压缩感知应用于频谱检测技术可以突破传统的奈奎斯特采样定理,降低检测时采样率,因此可以减轻硬件处理的压力。因此适合用在频谱检测技术中,特别是宽带信号的频谱检测。本文对贝叶斯压缩感知理论（BCS,Bayesian Compressed Sensing）进行研究,并将其引入频谱检测技术中。在BCS算法的基础上,通过进一步减小高斯随机观测矩阵列向量的相关度,实现对观测矩阵的优化,得到一种优化的贝叶斯压缩感知算法（称其为OBCS算法,即Optimized BCS）。在MATLAB仿真中,本文提出将数零法作为频谱检测判决规则,并使用BCS和OMP算法作为对照,验证了OBCS算法无论在重构误差、检测概率还是虚警概率等指标上都具有最佳的效果。      

采用支持向量机的宽带频谱感知算法

认知无线电系统中,压缩感知理论已广泛运用于宽带频谱检测。但是,压缩感知中的重构问题造成频谱检测算法计算复杂度高,且在低信噪比下检测效果不佳。本文提出了采用支持向量机的宽带频谱感知算法,该算法利用支持向量机建立频谱检测分类器,代替信号的重构与检测过程。根据系统对实时性的要求,分别设计了多级二元分类器感知算法和单级多元分类器感知算法。前者适用于分级数有限且实时性要求不高的场景,后者可大幅降低系统的算法复杂度,降低感知时间,适用于实时检测系统。仿真结果表明,与基于重构的能量检测算法相比,本文提出的两种算法均可以有效改善系统对噪声的鲁棒性,提高在较小信噪比下的检测性能。      

基于压缩感知和最小二乘的分布式协作频谱感知

针对认知无线电(CR)集中式频谱感知算法对融合中心要求高,而且对节点失效的容忍性也不高等缺点,提出了一种基于压缩感知的分布式多节点协作算法.认知无线电网络中每个CR节点在接收信号频谱后,首先根据压缩采样理论在本地获取压缩采样测量值,然后利用l1范数约束的最小二乘算法在本节点估计频谱,把在此节点估计的频谱传给下一相邻节点,以此进行迭代优化直到算法收敛.理论分析和仿真结果表明,所提算法不仅计算复杂度低,收敛速度快,而且精确重构性能好,可靠性较高.     

基于扩散策略的分布式协作频谱检测

分布式认知网络中,认知用户通过与相邻用户交换检测量信息,达到全网一致,实现对主用户信号的检测。为了提高网络检测量信息的收敛速度,提出了一种基于扩散策略的分布式协作检测算法。在该算法中,将最大最小特征值检测算法的检测量作为交换的初始信息,构造自适应矩阵和融合矩阵作为加权因子对认知节点状态值进行迭代更新,实现全网认知用户检测量信息一致,各认知用户独自根据融合的检测量信息,进行最终的检测判决,确定主用户是否存在。仿真结果表明,该算法在网络收敛速度和检测性能上较共识策略和非合作检测有不同程度的提升。     

一种低速采样的协同宽带频谱感知方法

频谱感知是通信系统抗干扰和智能化的关键能力.针对认知无线电系统窄带频谱感知技术受制于数模转换器件的发展水平,难以解决认知无线电系统宽带、实时频谱感知的问题,提出一种多节点协作的认知无线电系统宽带频谱感知方法.该方法设计由多个认知节点对目标频段执行次奈奎斯特采样来降低采样速率,采用能量检测方式对采样矢量进行集中式融合判决,实现宽频段范围内干扰信号的谱定位和判断,降低各个感知节点的采样速率,支撑认知网络系统构建高实时、宽频带频谱感知的能力.计算机仿真试验结果表明,所提方法达到90％检测概率时压缩比要求为0.025,具有可靠性与有效性.     

合作感知中基于吞吐量的联合折中优化算法

为实现认知无线电资源开销和系统性能的全面优化,建模研究了基于合作感知的认知网络的有效数据吞吐量。针对软合并融合判决模式,基于认知网络的吞吐量建立了本地采样数与合作用户数的联合折中优化模型。通过非对称步长的Armijo非精确线搜索最速下降算法求出了全局最优解,与蒙特卡洛仿真实验共同验证了优化模型的有效性。在吞吐量的最大化准则下,实现了合作感知中本地采样数与合作用户数的联合折中优化。     

认知网络中协作感知吞吐量的优化

为了提高集中式认知网络的吞吐量,提出了基于信任度的吞吐量优化算法.该算法在主用户充分保护的前提下,以认知用户的吞吐量为目标函数,融合中心采用双门限值对本地感知结果进行融合.从理论上证明了吞吐量是全局漏检概率的增函数,当全局漏检概率等于门限值时,吞吐量达到最大值.并利用牛顿迭代法求出单节点概率,然后采用遍历法可得到认知用户吞吐量最大值.仿真结果表明,当信噪比为-14 dB时认知用户融合优化算法相对"AND准则"OR准则"以及"HALF准则"归一化吞吐量分别提高了0.62、0.3和0.09.     

采用最小最大准则的协作频谱感知融合

给出了采用最小最大准则实现认知无线电系统协作频谱感知融合的方法,以在主用户出现在授权频段的先验概率未知的情况下利用概率计算实现认知无线电系统的协作频谱感知融合。该方法可实现同步和异步感知信息的融合。仿真验证了算法的性能,并与采用估计主用户出现在授权频段的先验概率并进行基于概率的感知融合算法性能进行了比较。结果表明:给出的算法可有效实现主用户出现在授权频段的先验概率未知时的协作频谱感知融合。     

恶意环境中基于能量效率的安全协作频谱感知

频谱感知是认知无线电网络运行的前提,但是在恶意环境中,频谱感知数据存在被篡改的威胁.针对该问题,提出了一种低开销的对称加密方法,采用报文鉴别码对次级用户报告的数据进行鉴权,保证数据的完整性,从而缓解攻击对感知性能的影响.提出了协作频谱感知中能量效率的概念,并通过改变报文鉴别码长度优化能量效率.仿真验证了上述方法的有效性并给出了优化问题的数值解.     

Joint cooperative spectrum sensing and channel selection optimization for satellite communication systems based on cognitive radio

Cognitive radio has attracted considerable attention because of its ability to make full use of the available spectrum resources for wireless terrestrial communication networks. In addition, the satellite communication scenario, which requires a transparent air interface to integrated/hybrid Satellite–Terrestrial communication systems and provides a supplement for other multimedia services, will cause frequency scarcity. Satellite communication systems based on cognitive radio are available under scenarios that involve transmission with changing communications. In this paper, a cooperative spectrum‐sensing algorithm based on a time or bandwidth‐based cooperative spectrum‐sensing model of an integrated/hybrid cooperative satellite communication system is proposed. Moreover, the concept of weighted cooperative spectrum sensing is introduced. Compared with the traditional single‐user spectrum‐sensing algorithm, the cooperative spectrum sensing is able to cope with the interference to the primary user caused by a secondary user better. In addition, multiple earth stations that use some part of the bandwidth cooperatively to perform spectrum sensing throughout the whole frame can detect the presence of primary user in time. The satellite component combines the sensing results from earth stations to reach a final decision, and the optimal combination weights to maximize the detection probability of the secondary user are obtained. Numerical results that demonstrate the performance of the proposed algorithm are presented. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.