认知无线电随机感知机会频谱接入仿真系统

资 源 简 介

本系统旨在模拟认知无线电网络中的随机感知机会频谱接入算法，主要解决次级用户在不确定授权用户活动规律的情况下，如何高效且低成本地利用动态频谱资源。系统核心功能包括构建授权用户（主用户）的随机活动模型，利用马尔可夫链模拟信道的忙闲状态演变过程。在该模型中，次级用户采用随机感知策略，即在每个时隙开始时以特定的概率随机选择候选信道并进行信号检测，而不是对所有信道进行穷尽搜索，从而降低了感知能耗和硬件复杂度。系统详细实现了基于能量检测的物理层感知识别过程，分析了在不同信噪比环境下，随机感知的时间长度、感知频率对虚警

详 情 说 明

基于随机感知的机会频谱接入仿真系统

项目介绍

本项目是一个用于认知无线电网络的仿真系统，专注于研究随机感知策略下的机会频谱接入。在动态频谱环境下，次级用户（SU）需要在不完全掌握主用户（PU）活动规律的情况下，通过感知手段寻找频谱空隙。本系统通过构建主用户马尔可夫活动模型、模拟物理层能量检测过程以及评估多用户并发接入冲突，定量分析了随机感知概率、信噪比和用户规模对系统吞吐量、碰撞率及能量效率的影响。

---

功能特性

1. 动态信道模型：利用二阶马尔可夫链模拟信道的忙闲转变，支持自定义主用户占空比。
2. 能量检测机制：基于高斯近似模型实现物理层能量检测，支持ROC曲线可视化分析。
3. 随机感知策略：次级用户不再全量感知所有信道，而是以特定概率随机选择候选信道，降低感知开销。
4. 多用户接入仿真：模拟多个次级用户竞争频谱资源的过程，包含SU间的接入冲突以及对PU的干扰漏检统计。
5. 性能评估体系：系统能够自动生成吞吐量分布、碰撞率趋势以及不同感知策略下的能量效率对比图表。

---

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 必备工具箱：无需特殊工具箱，核心代码依赖于基础矩阵运算及统计函数。

---

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将系统脚本文件置于当前工作路径下。
3. 在命令行窗口输入执行函数指令：main()。
4. 程序运行结束后，系统将自动弹出仿真结果图表。

---

系统实现逻辑细节

1. 主用户活动模型构建

系统通过马尔可夫链模拟信道状态的变化。根据预设的主用户活动占空比和状态保持概率，自动计算状态转移概率（闲到忙、忙到忙）。在每个仿真时隙，信道会依据状态转移矩阵在“空闲”与“占用”之间自动演变，从而生成动态的频谱环境。

1. 物理层感知识别过程

系统实现了基于能量检测的感知识别。对于每一个被感知的信道，系统会根据信道当前的实际忙闲状态添加对应信噪比（SNR）的高斯白噪声或信号加噪声。检测器通过计算接收信号的能量值，并与基于目标虚警概率设定的理论阈值进行对比，从而判定信道是否可用。

1. 随机感知与接入决策

系统模拟了低复杂度的随机感知逻辑。每个次级用户根据基础感知概率决定是否启动感知，并从候选信道中随机挑选一个进行检测。若检测结果为“闲”，则用户产生接入意向。这种机制避免了对所有信道的穷尽搜索，极大地模拟了硬件受限条件下的工作场景。

1. 冲突监测与统计分析

系统在多用户并发环境下运行，详细统计了两类碰撞情况：

• 同频冲突：多个次级用户同时选择同一个检测为闲的信道进行接入。
• 干扰冲突：由于感知识别过程中的漏检（Pd不足），次级用户接入了主用户正在使用的忙信道。

系统通过调整次级用户数量，记录并绘制平均碰撞率的变化曲线。

1. 综合性能度量

系统对比了“随机感知”和“周期性全量感知”两种策略。通过计算单位能耗下的比特传输量，展示了随机感知在低信噪比环境下通过牺牲部分感知精度来换取更高能量效率的优势。

---

关键算法说明

1. 能量检测理论分析

系统利用Q函数及其逆函数，在给定采样点数和目标虚警概率的情况下，计算理论检测阈值。同时，程序推导出在不同信噪比环境下的理论检测概率（Pd），用于生成接收者操作特性（ROC）曲线。

1. 吞吐量计算模型

仿真中的平均吞吐量综合考虑了虚警概率带来的资源浪费、漏检概率导致的干扰以及感知概率对接入机会的限制。采用了简化的Shannon容量公式，结合感知成功率来评估系统在不同信噪比下的频谱利用率。

1. 碰撞率量化

碰撞率定义为发生冲突（多用户同时接入或与主用户碰撞）的次数与总接入尝试次数的比值，用于衡量随机接入算法在多用户环境下的稳定性。