三种硬判决准则协作频谱感知仿真系统

资 源 简 介

本项目专门针对认知无线电中的协作频谱感知技术进行建模与仿真，核心功能在于实现并对比逻辑与（AND）、逻辑或（OR）以及多数准则（Majority）这三种最基础且关键的硬判决融合算法。系统详细模拟了从主用户信号产生、经过衰落信道传输、各次级用户独立采集能量到融合中心汇总决策的全过程。通过该仿真平台，用户可以深入分析在不同信噪比环境和不同数量的协作节点下，各种融合准则对整体感知性能的影响。项目实现了基于蒙特卡洛方法的多次迭代试验，确保了仿真结果的统计准确性，能够有效地展示协作感知在缓解隐蔽终端问题、对抗多径衰

详 情 说 明

三种基本协作频谱感知仿真系统

1. 项目简介

本项目是专门针对认知无线电（Cognitive Radio）中协作频谱感知（Cooperative Spectrum Sensing, CSS）技术设计的建模与仿真平台。该系统通过模拟完整的通信链路——从主用户（Primary User）信号发射、经历衰落信道衰减、次级用户（Secondary User）本地能量检测，到融合中心（Fusion Center）的决策处理，系统性地评估了硬判决融合算法的性能。

协作感知的核心目的在于通过多节点观测，利用空间分集增益来克服单个节点在面临多径衰落、阴影效应及隐蔽终端问题时的探测局限性。本项目为研究动态频谱接入技术提供了直观的性能参考指标。

2. 核心功能特性

• 多准则对比： 系统实现了三种最基础且具有代表性的硬判决融合准则：

* 逻辑与（AND）： 只有当所有协作节点均判定存在信号时，最终结果才判定为存在。该准则具有极低的虚警率，但漏检风险较高。 * 逻辑或（OR）： 只要有一个协作节点判定存在信号，最终结果即判定为存在。该准则极大地提高了检测灵敏度，能有效对抗深度衰落。 * 多数准则（Majority）： 当超过半数的协作节点判定存在信号时，最终结果判定为存在。这是一种平衡了检测概率与虚警概率的折中方案。

• 多维度性能评估： 仿真系统提供了三类核心分析图表：

* ROC 曲线： 分析在固定信噪比下，检测概率与虚警概率之间的权衡关系。 * Pd-SNR 曲线： 分析在固定虚警概率下，检测概率随信噪比改善而提升的趋势。 * 协作增益分析： 对比不同次级用户数量（如 3、5、10 个用户）对系统整体感知灵敏度的提升效果。

• 高精度模拟： 采用蒙特卡洛（Monte Carlo）实验方法，通过上千次迭代循环，确保仿真结果具有统计学意义上的准确性。

3. 实现逻辑详解

系统通过一个集成的仿真架构实现，具体执行逻辑如下：

• 参数配置阶段： 初始化信噪比范围（-25dB 至 0dB）、虚警概率矢量、协作用户数、采样点数（1000点）及蒙特卡洛迭代次数（1000次）。
• 信号与物理层模拟：

* 主用户信号： 生成 BPSK 调制的随机序列作为原始信号。 * 信道模型： 为每个次级用户分配独立的瑞利（Rayleigh）衰落信道。通过复高斯分布生成信道系数，模拟实际环境中多径传播导致的信号起伏。 * 噪声模拟： 加入复高斯白噪声。

• 本地感知决策：

* 能量检测： 每个次级用户对其接收到的信号进行能量积分，计算信号总能量。 * 阈值设定： 基于高斯近似理论，结合预设的虚警概率和噪声功率，利用反误差函数（erfinv）计算本地决策的动态阈值。 * 局部判决： 比较接收能量与阈值，生成 0 或 1 的二进制判决结果。

• 中心化聚合决策：

* 将所有次级用户的判决向量传输至融合中心。 * 根据选定的融合准则（AND, OR, Majority）对判决向量进行逻辑运算，得出最终感知的全局决策结果。

• 统计与绘图： 统计不同配置下的检测概率，并自动生成三组动态对比曲线及性能报表。

4. 关键算法与实现细节

• 瑞利衰落建模： 代码通过 (randn + 1i*randn) / sqrt(2) 生成均值为 0、方差为 1 的瑞利分布增益，用以体现无线信道的随机多径衰落特性。
• 能量检测公式： 物理层采用计算接收信号模值平方和的方式实现非相干检测，该方法无需掌握主用户的先验信息，具有极强的通用性。
• 动态阈值计算： 基于 AWGN 环境下的高斯近似公式，公式考虑了采样点数对能量分布的影响，确保了局部感知在设定虚警概率下的理论准确性。
• 硬判决融合： 采用求和函数 sum(decisions) 与用户总数的关系来实现逻辑判定，这种向量化处理方式保证了仿真在大规模迭代下的运行效率。

5. 系统要求

• 软件环境： MATLAB R2016b 或更高版本。
• 计算资源： 由于包含多层蒙特卡洛循环，建议配置 4GB 以上内存，运行时间取决于机器性能（通常在数分钟内）。
• 依赖项： 仅依赖 MATLAB 核心数学工具箱，无需安装额外的专用通信模块。

6. 使用方法

1. 打开 MATLAB 软件。
2. 将包含仿真代码的项目文件夹设为当前工作目录。
3. 在命令行窗口输入运行指令（通常为脚本的首函数名）。
4. 程序将自动执行三个仿真阶段，并在命令行输出进度提示。
5. 仿真完成后，系统会自动弹出包含三个子图的窗口，分别展示 ROC 曲线、Pd-SNR 曲线及不同用户规模下的性能对比。
6. 可在控制台中查看特定信噪比点的性能统计报表。