【文献阅读】Experimental Study of Spectrum Sensing based on Energy Detection and Network Cooperation

介绍

论文名称：Experimental Study of Spectrum Sensing based on Energy Detection and Network Cooperation
发表时间：2006-08-05

摘要

频谱感知已被确定为一个关键的使能功能，以确保认知无线电不会干扰主用户，通过检测主用户信号。最近的研究通过建模和仿真研究了使用能量检测和网络协作的频谱感知。然而，缺乏实验研究表明，这种方法的可行性和实际性能下的真实的噪声和干扰源的无线信道。==在这项工作中，我们在无线测试平台上实现了能量检测器，并测量了在低SNR状态下实现调制和正弦波导频信号的检测和虚警概率所需的感知时间。==我们测量了由接收机噪声不确定性设置的最小可检测信号电平。我们的实验研究还测量了通过网络合作实现的感知改进，确定了硬决策组合的鲁棒阈值规则，并量化了室内环境中无线电之间空间分离的影响。

介绍

最近，认知无线电（CR）已被提出作为一种可能的解决方案，以提高频谱利用率通过机会频谱共享。==认知无线电被认为是分配给主要用户的频谱的较低优先级或次要用户。其基本要求是避免干扰其附近的潜在主要用户。==频谱感知已被确定为一个关键的使能功能，以确保认知无线电不会干扰主用户，通过可靠地检测主用户信号。此外，可靠的感知为认知网络的容量增加创造了频谱机会。

我们的目标是提供一个全面的研究，由实验数据支持，其解决了在基于能量检测的频谱感测中的以下问题：

• 实现期望的检测概率和虚警所需的所需感测时间。
• 由于噪声不确定性和背景干扰的存在，能量检测器的性能受到。
• 通过网络协作提高性能。性能如何随着无线电数量的增加而扩展？什么是鲁棒阈值规则？协作无线电之间的空间分离有何影响？

能量检测模型

信号功率被在中心频率$f_c$周围的先验已知带宽$B$内。

表现

众所周知，在常见的检测性能标准（最值得注意的是，Neyman-Pearson标准）下，似然比产生最优假设检验解决方案，并且性能通过检测和虚警概率（$P_d,P_{fa}$）的结果对来测量。每一对都与测试决策统计量的特定阈值$\gamma$相关联：

即使不知道信号功率，也可以设置阈值γ。然后，对于固定数量的样本N，可以通过在（3）中代入阈值来评估$P_d$，这里的Q函数就是Q函数，正态分布的右尾函数，表达式：
$$Q\left(x\right)={\int }_x^{\infty }\frac{1}{\sqrt{2\pi }}{e}^{\frac{t^2}{2}}dt=1-\Phi \left(x\right)$$

如果在感测中使用的样本的数量不受，则能量检测器可以同时满足任何期望的$P_d$和$P_{fa}$。最小样本数是信噪比$SNR={\sigma }_x^2/{\sigma }_w^2$的函数：

不幸的是，增加的感测时间不是能量检测器的唯一缺点。更重要的是，存在最小SNR，低于该最小SNR，信号不能被检测到，并且当公式（4）不再成立时。该最小SNR水平被称为$SN{R}_{wall}$ 。为了了解何时检测变得不可能，我们需要重新审视我们的信号模型。在这里，我们做了两个非常强的假设（通常在通信系统分析中进行）。首先，我们假设噪声是白色、加性和高斯的，具有零均值和已知方差。然而，噪声是各种来源的聚合，不仅包括在接收器和下划线的电路的热噪声，但也由于附近的意外发射，从发射器非常远的弱信号等干扰。第二，我们假设，噪声方差是精确已知的接收器，使阈值可以相应地设置。然而，这实际上是不可能的，因为噪声可能由于温度变化、环境干扰、滤波等而随时间变化。即使接收器估计噪声，由于有限的时间量，也会产生估计误差。因此，我们的模型需要包含噪声方差不确定性的度量。

噪声不确定性如何影响低信噪比信号的检测？从本质上讲，基于错误的噪声方差将阈值设置得太高，将永远不会允许检测到信号。

能量探测结果

我们的实验研究的目的是评估和验证关于能量检测器的性能和局限性的理论结果。特别地，我们测量了作为感测时间的函数的可实现的检测概率，以及SNRwall的存在和位置。实验的必要性由于无法真实地模拟接收机和干扰环境中遇到的所有噪声源而受到强调。此外，$P_d$和$P_{fa}$的综合评价需要大量的蒙特卡罗模拟。因此，在实时测试平台上的实现允许我们针对各种信号电平和接收机设置执行大量实验。我们还提供了一个硬件实现实例，并报告了计算复杂度、面积和速度。

上图还表明，当信号变得太弱时，增加平均值的数量并不能提高检测性能。

结论

本文研究了能量检测器用于窄带导频和宽带主用户信号频谱感知的可行性和性能。我们的研究包括两个应用的理论背景和实验结果：
1）在物理层上进行的单无线电感知和
2）在室内环境中由认知无线电网络进行的协作感知。我们推导并测量了所需的感知时间，可实现的检测和虚警概率，以及AWGN和衰落信道中的最小可检测信号电平。实验在2.4 GHz ISM频段使用的无线电测试平台，其前端和基带电路表现出真正的噪声，增益和滤波的变化。在AWGN类信道中，人们发现无线电不确定性的存在对最小可检测信号电平设置了实际，这不能通过信号处理进一步改善。

在衰落信道中，单个无线电感知受到由多径和阴影引入的最坏情况信道条件的。我们在典型的办公室室内环境中部署了多个无线电，并测量了通过合作实现的感知改进。我们的合作研究还确定了硬决策组合的鲁棒阈值规则。此外，我们量化了典型室内环境中合作无线电之间的空间分离的影响。