认知无线电频谱感知与协作检测仿真系统

资 源 简 介

该程序实现了认知无线电技术中一种高度优化的频谱计算与感知方法，是动态频谱接入领域的基准算法实现。其核心任务是使次用户能够在不干扰主用户正常通信的前提下，通过信号处理技术快速且准确地识别频谱空洞。程序集成了基于能量检测的计算模型，通过对接收信号进行高速采样和功率谱估计，结合统计学判决准则来判定授权频段的占用状态。系统模拟了复杂的无线传播环境，包括高斯白噪声干扰、瑞利衰落以及多径效应，能够计算在不同信噪比条件下的检测概率和虚警概率。此外，程序还扩展了多节点协作感知的方案，利用硬判决融合准则有效缓解了单点感知中

详 情 说 明

认知无线电频谱计算与感知仿真系统

项目介绍

本仿真系统是针对认知无线电（Cognitive Radio）核心技术——频谱感知而设计的计算平台。其主要目标是在复杂的无线电传播环境下，模拟次用户（SU）检测授权频段中主用户（PU）信号的过程。系统通过数学建模和蒙特卡洛仿真，实现对信号检测性能的定量评估，为动态频谱接入策略提供理论数据支持。

功能特性

• 多环境感知仿真：支持在加性高斯白噪声（AWGN）信道和瑞利衰落（Rayleigh Fading）信道下的能量检测模拟。
• 多准则协调感知：内置协作感知模块，实现了基于硬判决（Hard Decision）的多种融合准则。
• 完整的性能评估：能够自动计算并绘制检测概率（Pd）随信噪比（SNR）变化的曲线，以及受试者工作特征曲线（ROC）。
• 多节点协作分析：对比单点感知与多节点协作感知在缓解隐藏终端效应上的表现。
• 态势可视化展示：通过二维热力图模拟广域频谱在时间坐标和频率坐标上的占用分布。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 核心工具箱：信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）、通信工具箱（Communications Toolbox）。

功能实现逻辑说明

系统的仿真过程严格遵循实际无线通信的物理逻辑，具体步骤如下：

1. 参数初始化：

系统预设采样频率为 1MHz，观测周期为 1ms。通过蒙特卡洛方法进行 2000 次循环迭代，以保证统计结果的稳健性。信噪比扫描范围设定为 -20dB 到 5dB。

1. 信号生成与传输：

主用户信号采用 BPSK 调制方式生成，并在传输过程中根据仿真需求分别叠加高斯白噪声或经过瑞利系数加权的复合衰落。

1. 能量计算与判定：

系统计算接收信号的能量统计量，即对采样点的幅值平方进行求和。判决门限通过预设的虚警概率（Pfa=0.1）和噪声功率，利用反 Q 函数及高斯近似准则动态计算得出。

1. 协作感知融合：

模拟 5 个独立节点的感知过程，各节点由于信道衰落产生的判决结果通过以下三种逻辑进行汇总： * OR 准则：只要任一节点判定有信号，则结果为占用。 * Majority 准则：超过半数节点判定有信号时，结果为占用。 * AND 准则：所有节点均判定有信号时，结果为占用。

1. ROC 特性分析：

在固定信噪比（-10dB）条件下，通过连续改变虚警概率的取值范围（0.001 到 1），计算对应的检测概率，从而刻画系统的 ROC 特性。

1. 结果产出：

系统最终生成四象限图表，分别展示信道环境对比、ROC 曲线、协作准则优劣以及频谱态势分布图。

关键算法与技术细节分析

• 能量检测（Energy Detection）：

作为一种非相干检测算法，本程序不依赖主用户信号的先验信息。通过比较接收功率与噪声底噪的关系，实现对信号存在性的快速判定。

• 理论门限计算：

程序利用逆 Q 函数（qfuncinv）实现在特定虚警约束下的最优门限设定。这种基于统计分布的计算方法是认知无线电中判决准则的核心。

• 瑞利衰落模拟：

代码通过复高斯分布生成瑞利增益系数，模拟了多径传播导致的信号幅值剧烈波动，能够真实反映复杂城市环境下的感知挑战。

• 硬判决融合算法：

在协作感知中，系统将复杂的感知任务简化为 0 和 1 的逻辑逻辑运算。这种方案有效降低了协作链路的带宽需求，同时通过冗余检测显著提升了系统针对深度衰落的抵抗能力。

使用方法

1. 打开 MATLAB 软件。
2. 将包含程序代码的文件夹设置为当前工作路径。
3. 在命令行窗口输入函数名称并回车运行。
4. 程序运行结束后，将自动弹出仿真结果图表。
5. 用户可根据图表中的 Pd-SNR 曲线评估不同信道下的感稳健性，或通过 ROC 曲线调整系统所需的最佳工作点。