认知网络中基于演化博弈的频谱感知技术

摘 要 随着经济与科技的发展，频谱感知技术成为无线电网络的核心技术之一。本文提出了一种基于演化博弈来认知网络的频谱感知新办法，可以对次级用户的吞吐量和传输时间进行分析，建立感知协作的博弈模型并且探讨它的动态演化过程特征。在次级用户吞吐量最大的标准下，得到对应的均衡解答。在这基础上选出一种适应次级用户的分布式算法，通过预设门限和观测向量的比较，用户可以根据本地的感知来对可靠性做出判断，再决定是否向原始站发送结果，理论探索和仿真的结果证明，这种基于演化博弈的频谱感知技术可以在保证性能的情况下，提高次级用户的吞吐量，提高感知的能效，减少协作通信的开支。本文就认知网络中基于演化博弈的频谱感知技术作一定的说明。

关键词 演化博弈；频谱感知技术

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）042-076-02

随着通讯，通信技术的快速发展，频谱资源变得越来越稀缺，这不仅是因为频谱资源本来就很有限，更大的原因是在大量授权的频谱上的空间和时间维度没有被有效，充分的利用。认知无线电是一种刚兴起的技术，可以在一定程度上解决频谱资源短缺的问题。认知无线电通过对周围频谱环境的感知，用不在工作的空闲频段进行工作。协作感知是被用来提升感知性能的主要技术。作为网络中分布式协作频谱感知的方法，可以通过演化博弈的理论对次级用户的活动建模，而且次级用户还可以自己进行适当的调整策略，来提高自身的信息吞吐量。这种方法不仅可以保证频谱效率和性能检测，还大大降低了感知通信的开支，提高次级用户的吞吐量。下面就让我们来具体的探讨一下频谱感知技术，模型和博弈仿真等内容，希望可以增加大家对网络中基于演化博弈的频谱感知技术的认知。

1 频谱感知技术简述

频谱感知的实质是对主用户不产生影响的情况下，次级用户可以利用其他检测技术对频带内的相关信息进行搜集，搜集空白段或频谱空穴的全过程。至于频谱空穴又被称为频谱机会，是指那些已经被分给授权用户使用，不过在某些特定的空间和时间内没有被主要用户充分使用的频带。如果再某个时刻有意特定频谱没有被主用户利用，这样认知的无线电用户就可以乘机接入，若这频带后来又被主用户重新利用，那认知无线电的次级用户就需要转移频谱空穴，次级用户还要继续使用这个频带的话，也可以改变自己的调制方式和传输功率来避免对主用户的干扰，这样就可以实现动态的频谱接入。

频谱区域一般有3个区域，即灰色区域，黑色区域和白色区域。灰色区域指的是有一部分时间空间给低功率占用干扰。这时授权用户，即主用户原始分配的业务一部分占用这个频带，次级用户可以在一定程度上叠加认知的无线电业务，不过要避免对于授权用户的干扰。黑色区域指的是被较高功率局部占用干扰的区域。授权用户原始分配的业务占用了大部分的该频道空间，次级用户不可以占用这个频带。白色区域是指只有环境的噪音，没有射频干扰的干扰占用。对于这类频道区域，可以不受限制的使用。

2 频谱感知模型

我们假设无线电用户是用能量检测的方式对授权的信号进行检测活动。如图a所示，加入本地观测的结果比预设门限要大，就认为存在授权的信号，如果比预设门限要小，这段频带就可以使用。在基于演化博弈频谱感知的时候，用户要将感知的结果发给基站。如图下图b提示，在感知观测的变量在（0，A）时，认知无线电用户不用向基站发本地的感知结果，在Y落于（A，+∞）时，认知的用户需要给基站发送判断的信息。

在认知的网络中，次级用户主要通过信号的接收来确定授权用户有没有占用信道，再去寻找剩余空余的频带，次级用户的信号是：

其中h是信道传输的增益，s（t）是主用户的信号，均值为0。u（t）是白噪声，均值也是0。这两者是相互独立的。如果次级用户使用能量检测的方式对授权用户进行检测，那么有：

频谱性能的检测有以下公式（1），其中Pd是检测概率，Pf是虚警概率，如果噪音u（t）是对称循环的随机变量，授权用户s（t）是PSK信号，在H0的条件下Pf可以表示为公式（2），其中fs是抽样的频率，Ts是感知频谱的时间。

在H1的条件下面，检测概率的Pd可以近为公式（3），如果给定一个检测目标概率，那能量阈的公式就是（4）。通过这些公式的整合便解释了基于演化博弈的频谱感知模型。

3 频谱感知的博弈

在我们的认知网络中，系统是由n个次级用户和一个主用户组成的，主用户拥有的授权频道被分为n个子信道，如果没有主用户在使用信道，次级用户可以独自占领一个子信道。次级用户传输的时间被分割成Td长度的间隙，每个间隙都有Ts长度的感知时间。次级用户在进行独立的频谱检测时，决策系统搜集次级用户们感知的结果，然后采用融合的准则来进行判断，最后再把结果反馈给次级用户。这里协作的频谱感知建模就是一个非合作的博弈，博弈的对象是次级用户，每一参与博弈的次级用户都有一样的策略空间。

在对次级用户吞吐量和传输时间进行分析时，首先要考虑时间间隙存在主用户和不存在主用户的情形，对一次的频谱感知，感知总时间是一定的，被分给每个参与频谱感知的次级用户，其间隙的函数为：

在引入的基于演化博弈来解析次级用户参加协作感知的活动，用Ps代表次级用户Sn，Y为使用策略的概率，则Ps的方程演化可以表示为公式为：

4 仿真检验结果

让我们对提出的基于演化博弈频谱感知技术进行仿真测验，在仿真中，授权用户占信道概率为0.1，次级用户的信噪比是r=-12dB，数据速率c=1 Mbit/s，Td为20 ms，目标检测的概率为0.96，步长为0.004。图1反映了随感知时间增加，次级用户的吞吐量先是上升，然后缓慢的下降，感知的时间一定时，随着用户的增加，次级用户平均吞吐量也增加，因为次级用户增加之后，分配的感知开销就相应的减少，所以平均的吞吐量会得到一定改善。

5 总结

对于认知网络中基于演化博弈的频谱感知技术，经过建立博弈的模型和分析探究动态演化的特征可以证明，协作感知在保障感知可靠性的前提下，也提高了次级用户的信息吞吐量。至于分布式学习算法也有效节省了通信的开支，最后通过仿真检验结果，也证明了基于演化博弈的频谱感知技术有利于次级用户通信的效率和吞吐量。

参考文献

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