基于扩散机制的分布式宽带压缩频谱感知算法-论文.pdf

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1、I_)一掌窭⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一基予扩散讥制的分布式宽带压缩频谮憨知算法福建三元达通讯股份有限公司何劲财【摘要】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武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。【关键词

2、】认知无线电网络；宽带压缩频谱感知；压缩采样；扩散机制1．引言频谱感知是认知无线电“(CognitiveRadio)的核心技术，能实现空闲频谱的检测、支持认知用户的动态接入在宽带频谱感知中，传统的感知方法受到奈奎斯特采样定理限制，难以应用在实际的通信系统中。压缩感知技术(CS，CompressedSensing)可以充分利用宽带频谱的nocIek稀疏性，使采样速率突破奈奎斯特采样定理的图1N个节点的随机拓扑分布结构束缚。ZhiTian等人首次将压缩感知技术应用于认知无线电网络中，以较低的采样速率数为，子带信号之间不存

3、在干扰。定义接收的健壮性。实现了宽带信号频谱感知。自此，压缩频谱感信号的奈奎斯特率为，对奈奎斯特率样本0(3．1分布式多跳网络模型知方法成为研究领域的热点课题。进行．jlf点离散傅里叶变换(DFT，DiStributed在分布式协作频谱感知模型中，感知用近年来，文献[4卜[8]出了各种基于不同FourierTransform)，即：户和相邻用户之间建立通信链路并相互交换信重构算法的宽带压缩频谱感知方法。这些频谱息。假设网络的拓扑结构可用网络图表示为感知方法依赖于压缩感知的重构性能，在低信‘(力：∑D_√)(门wJc厂

4、)fG：，毋，图G的定点集合=，}边集合噪比下，算法的检测性能低下。文献[4]在压缩其中D_(，)ag((，"是一个M×M的对角信E：．i(1—2，一)，描述了节点v，与边的关系，频谱感知的基础上，进一步提出基于数据融合道矩阵。设s=，))⋯(]表示主用户发射信定义如下：的协作频谱感知方法。在集中式协作模型中lll，号，表示MxM维对角信道矩阵，可以将式(2)一Jl0i=j所有的节点需要将各自的感知信息发送到融合改写为矩阵的形式：1f≠(8)中心，融合中心采用融合准则做出最后的判0=wJ(，)，，=1，．，J(3)在

5、认知无线电网络中，如果两个认知用决。常用的融合准则包括OR准则、AND准则和在通常情况下，虽然主用户很多，但是同户通过边连接，则它们之间能够相互通信。Majority准则。这种协作方法会导致很大的通一时刻一般仅有少数用户处于激活的状态，因用认知用户，的所有邻居节点集合可以表示为信开销，而且整个认知无线电网络会因为某个此大量的频谱都处于空闲中，认知用户接收到；_t是节点，的度，描述的是与顶点节点的中断而处于瘫痪状态。而分布式频谱感的信号是一个典型的结构化频域稀疏信号。v相连的边～的条数。即集合ⅣJ中元素的个数。为知方法

6、，每个节点首先独立处理本地的估计信2．2压缩频谱感知方法了在数学上方便处理图G，通常可以用拉普拉斯息，然后与周围节点不断交换频谱信息，直至根据接收信号频域结构化稀疏的特性，认矩阵(Laplacianmatrix)，=wE(1．2，，一)来描述频谱估计性能达到最优。目前，分布式频谱感知用户利用观测矩阵∞对接收的信号进行压缩图的拓扑结构矩阵，它满足：知方法普遍采用一致性决策原则处理网络中的投影，获得K×1维采样样本xj(n)：ff=J频谱感知问题[9-Io]。该种方法需要多次信息交)=0‘()(4)换才能使检测结果达到最

7、优，因此该方法的复一般情况下，K大于宽带频谱的稀疏度。设1i0其他(9)杂度和稳健性会随着认知无线电网络规模的扩‘()=(力，是M点离散傅里叶逆变换(IDFT，为了方便研究，认为图G是无向图，则=大而不断下降。InverseDistributedFourierTransform)，同因此￡是对称矩阵。_v个节点的随机拓扑分布如本文针对上述协作频谱感知方法存在的问样=wJ(n，压缩采样值‘(表示为：图1所示，分别表示节点1和节点3的邻居节题，提出了一种采用扩散机制的分布式压缩频(=(JH1(，(．，)(5)点集合。谱感

8、知方法。采用与一致性分布式频谱感知方根据压缩感知的基本原理可知，求解是3．2基于扩散机制的协作频谱感知算法法类似，该算法首先采用本地检测方法获得初一个线性回归问题，可以转化成‘正则化最小二根据以上的网络拓扑结构，首先定义k时始估计。但是在信息交换步骤中，扩散机制没乘法。刻的扩散矩阵ce，它具有以下的性质：有采用一致性原则，而是根据网络的状态选择