CN101437295B - 一种基于snr比较的感知无线电协作频谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于SNR比较的感知无线电协作频谱检测算法，涉及无线通信系统。该方法是把SNR估计技术用于感知无线电中，把各感知节点接收信号的SNR作为感知节点可靠性的参考，每个感知节点同时发送它的本地检测结果和估计的SNR值到融合中心，在融合中心处先比较来自各感知节点的SNR的大小，然后根据本发明提出的筛选算法选取有较好SNR的感知节点参与判决融合。采用本方法能有效提高频谱检测的性能，并可能减少参与判决融合的节点数量。

Description

一种基于SNR比较的感知无线电协作频谱检测方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及感知无线电技术。

背景技术

为了提高感知无线电(CR)中空闲频谱的检测性能，提出了多用户合作的协作频谱检测算法，它使用分布式检测系统来克服严重衰减的接收信号能量。在协作频谱检测方法中，有许多经典的算法来融合本地判决并得出全局判决，例如K/N准则等。然而这些准则没有考虑各节点本地检测结果的可靠性差异。参考文献[Peng Qihang，Zeng Kun，Wang Jun，″a Distributed SpectrumSensing Scheme based on Credibility and Evidence Theory in CognitiveRadio Context[C]″，IEEE 17th International Symposium on Personal，Indoorand Mobile Radio Communications，2006，pp1-5]提出一种提高协作增益的方法，它是通过将本地判决结果和所有检测节点的可信度进行结合，传输可信度到融合中心。虽然采用这个算法要好于K/N准则，但是它需要主用户信号的先验信息来计算可信度。通常主用户信号的先验信息是并不知道的，这就需要发送容易知道的其它信息来代替可信度。大部分的频谱检测算法没有考虑到感知节点的可信度，即使有考虑也要知道一些不容易获取的其它信息。

在传统的感知无线电协作频谱检测中，都只是考虑将本地频谱检测结果的最后一个bit(1或者0，分别代表存在主用户和不存在主用户)传给融合中心进行处理。当然，这是开销最小、最节省带宽的一种方式，当仅传送一个bit时就是表示融合中心完全信任该感知节点的本地频谱检测结果。但在实际的感知无线电网络环境中感知节点的本地检测并不总是完全可信的，由于感知节点是随机分布的，离主用户发射端的距离各不相同，故信号传输经历的衰落和阴影影响也不相同，并且在空闲频谱检测的初始阶段不能做到理想功率控制，这些因素都导致了各感知节点接收信号的SNR不相同，这将会对感知节点的可靠性产生影响。也就是说，那些经历了严重衰落和阴影影响的感知节点(即接收信号的SNR较低的节点)，由于所接收到的信号太弱，导致对信号的检测结果的可信度较低，这样会对协作频谱检测的判决融合性能产生很大影响。这是因为在深度衰落中的感知节点会存在严重的虚警或漏检情况，而这些有错误判决的感知节点的信息又参与了最终的协作判决，结果是当这种节点的数量较多时，协作频谱检测的性能将会下降。因此可以考虑在传送本地频谱检测结果的同时，适当增加一点系统的开销，也就是将检测结果的可信度参考值(例如SNR)传送给融合中心，以便于融合中心能据此做出更合理可靠的判决。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述缺陷，基于频谱检测性能和易于实现之间的综合考虑，将信噪比(SNR)估计应用于感知无线电协作频谱检测中，将SNR的估计值作为额外的数据发送到融合中心(可以是感知基站或是某个感知节点)，为各感知节点的可靠性提供参考，以此来提高频谱检测的性能。

实现本发明所采用的技术方案是，感知无线电网络中每个感知节点进行SNR估计获得SNR值，每个感知节点采用能量检测方法获得本地判决结果；发送这个本地判决和估计的SNR值到融合中心。然后在融合中心比较来自各感知节点的SNR的大小，按照本发明提出的筛选算法来剔除有较差SNR的感知节点，选取有较好SNR的感知节点参与判决融合，融合中心采用筛选算法选取有较好SNR的感知节点采用K/N准则参与判决融合获得最终判决结果，融合中心得出一个最终的判决结果，并将最终判决结果通知给各感知节点，完成频谱检测的任务。

选取有较好SNR的感知节点的步骤进一步包括，在融合中心处先比较来自各感知节点的SNR的大小，选出其中的最大值，然后以这个选出的SNR的最大值作为参考，跟剩下的SNR分别相减，将差值与融合中心的阈值λ比较，小于等于融合中心阈值λ所对应的感知节点为有较好SNR的感知节点，参与判决融合。所述K/N准则具体为，K＝1遵循OR准则，K＝N遵循AND准则，K在1和N之间，遵循MOST准则，其中K等于本地判决结果是1的节点数量，N等于感知网络中所有的节点数量。OR准则为，只要有一个节点的本地判决结果为1，则最终融合判决结果为1，表示有主用户存在；AND准则为，只有所有节点的本地判决结果是1，最终融合判决结果才为1；MOST准则为，如果本地判决结果中1的数量大于0的数量，则最终融合判决结果为1，否则最终融合判决结果为0。融合中心的阈值λ的具体确定方法为，设置各个感知节点信噪比差值为初始阈值，在各种初始阈值情况下分别对协作频谱检测的接收端运行特征ROC仿真，获得各感知节点协作检测的ROC曲线，检测概率最好的ROC曲线对应的初始阈值确定为融合中心的阈值λ。

采用本发明所提出的基于融合中心处进行SNR比较的协作频谱检测方法，可以有效提高感知无线电频谱检测的性能，还可能减少参与判决融合的节点数量。而且对于SNR的估计易于实现，可以作为感知节点可靠性的参考信息。

附图说明

图1协作频谱检测过程示意图

图2本地判决的能量检测框图

图3在融合中心处选取有较好SNR的感知节点流程图

图4基于SNR比较的OR协作检测在不同初始阈值λ下的ROC比较

图5提出的方法与其它检测方法的ROC比较(融合中心阈值λ＝1)

具体实施方式

本发明在感知无线电网络中的每个感知节点都设置了SNR估计功能，使感知节点可以进行接收信号的SNR估计。目前SNR估计可采用的方法有很多，例如：最大似然估计(ML)、分割符号矩估计(SSME)、二阶矩-四阶矩估计(M2M4)、最小均方误差估计(MMSE)等。

图1所示为协作频谱检测过程图，图中N₀是具有频谱检测功能的融合中心，N_i(i＝1，2，……m)是m个与N₀相邻的感知节点，y_i表示在N_i处接收到的主用户信号，u_i是N_i发送到N₀的本地频谱检测报告，该检测报告包含了本地频谱检测结果(用1或0表示，分别代表存在主用户信号和不存在主用户信号)和估计的SNR值。这些本地频谱检测结果和SNR估计值被送到融合中心后，根据SNR的大小选取出有较好SNR的感知节点，再将这些较好SNR的感知节点的本地频谱检测结果参与判决融合，最后得到一个最终的检测判决结果u。如果u＝1表示存在主用户信号，说明检测的带宽内没有频谱空洞，感知节点不能使用该频谱；u＝0表示不存在主用户信号，检测的带宽内存在频谱空洞，那么感知节点可以使用该频谱进行通信。每个感知节点独立地执行本地频谱检测和SNR估计，然后发送它的本地频谱检测结果和SNR估计值到融合中心。

这里以采用能量检测方法为例对本地频谱检测方法进行说明。实际上，能量检测是在一定频带范围作能量积累，如果积累的能量高于一定的门限值，则说明有信号存在，感知节点不能占用该信号频段，如果低于一定的门限值，则说明仅有噪声，感知节点可以占用该信号频段。感知节点可通过能量检测方法作出本地判决，判决是否存在主用户。能量检测方法的流程框图如图2所示，每个感知节点先将接收到的用户信号y_i通过一个带通滤波器(BPF)，通过该带通滤波器选取出感知节点需检测的频带，然后依次经过平方器和对信号M个抽样求和后，得到本地判决统计量Y。调用公式 $Y=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{ij}}^2\left(n\right)$ 计算第i个节点信号的本地判决统计量Y，其中对y_i进行模平方和M个抽样求和，y_ij为第第i个节点的第j次信号抽样，M为信号抽样数。可根据信号方差和噪声方差预先设置门限值，门限值可调用公式

计算得出(分别表示信号方差和噪声方差)，比较判断模块调用本地判决统计量Y跟设置的门限值进行比较。

如果Y大于门限值，本地检测判决结果即为1，说明存在主用户信号，如果Y小于门限值，本地检测判决结果即为0，说明不存在主用户信号。

图3所示为选取有较好SNR的感知节点流程图。当本地判决结果和SNR估计值被送到融合中心后，然后按照下述筛选算法来选取有较好SNR的感知节点参与判决融合，筛选算法的具体步骤包括，在融合中心处先比较来自各感知节点的SNR的大小，选出其中的最大值。将此最大值作为参考，跟其它的感知节点的SNR值分别相减，得到所有感知节点(如m+1个)的信噪比差值，将这m+1个信噪比差值与预先确定的融合中心阈值λ比较，差值小于等于融合中心阈值λ所对应的感知节点的本地判决结果就参与融合中心的最终判决融合，大于阈值λ的感知节点就不参与最终的判决融合。

选出来的这些具有较高SNR的感知节点进行判决融合时，在融合中心采用的融合准则一般为K/N准则，该准则中K等于本地判决结果是1的节点数量，N等于感知网络中所有的节点数量。K/N准则包括OR(或)准则、AND(和)准则、MOST准则，其中，OR准则遵循的原则为，只要有一个节点的本地判决结果为1，则最终融合判决结果为1，表示有主用户存在；AND准则遵循的原则为，只有所有节点的本地判决结果是1的话，最终的判决结果才为1，MOST准则遵循的原则为，以本地判决结果中的多数为准，如果本地判决结果中1的数量大于0的数量，则总的融合结果为1，否则总的融合结果为0。K＝1遵循OR准则，K＝N遵循AND准则，K在1和N之间，遵循MOST准则。总的融合结果为0表示存在频谱空洞，感知节点可以占用该频谱，总的融合结果为1表示不存在频谱空洞，感知节点不能占用该频谱。融合中心获得总的融合判决结果通过报告信道发送给所有感知节点。

以下对如何确定融合中心阈值λ进行具体描述，协作网络中存在m+1个感知节点，首先设定初始阈值为所有感知节点中最大的SNR跟其它感知节点SNR之间的差值，故而初始阈值λ有m+1种情况，分别对这m+1种初始阈值时的协作频谱检测进行接收端运行特征ROC仿真，获得各感知节点在不同阈值λ下的协作频谱检测的ROC曲线，即每个初始阈值都有一条ROC曲线与其相对应。比较这m+1条不同的ROC曲线，在虚警概率不变的情况下，检测概率越高的ROC曲线的检测性能越好，据此选出其中检测性能最好的一条ROC曲线所对应的初始阈值作为确定的融合中心阈值λ。

基于上述过程，为了具体说明如何确定出一个合适的阈值λ，我们设定已知5个感知节点接收信号的SNR分别为-17dB、-18dB、-20dB、-22dB和-24dB，其中的最大值为-17，阈值λ先分别暂定为各感知节点信噪比差值，即0、1、3、5、7。在上述阈值λ情况下分别对协作频谱检测的ROC进行仿真，获得不同阈值λ下各感知节点协作频谱检测的ROC曲线。图4为在不同阈值λ时的协作频谱检测ROC曲线比较，从图4中可以看出，当阈值λ等于1时ROC曲线最好，其它值时ROC依次降低，故可以确定出阈值λ为1。

为了说明提出的基于SNR比较的协作频谱检测方法能有效提高感知无线电频谱检测的性能，图5给出了采用本发明所提出方法跟其它频谱检测方法的ROC比较(已经确定阈值λ为1)，这里仍然设定已知5个感知节点接收信号的SNR分别为-17dB、-18dB、-20dB、-22dB和-24dB，从图中可以看出在虚警概率相同的情况下本发明的检测方法提高了系统的检测概率，有效改善了频谱检测的性能。同时，由于可能剔除了一部分有较差SNR的感知节点，只让具有较好SNR的感知节点的本地判决参与最终的判决融合，故在判决融合阶段减少了参与融合的节点数量。

以上所述，仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可以轻易想到的变换和替换，都应包含在本发明的保护范畴内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于SNR比较的感知无线电协作频谱检测方法，其特征在于，感知无线电网络中每个感知节点独立地执行本地频谱检测和SNR估计获得SNR值，每个感知节点将接收到的用户信号通过带通滤波器选取出感知节点需检测的频带，然后依次经过平方器和对信号M个抽样求和后，得到本地判决结果；并发送本地判决结果和估计的SNR值到融合中心进行判决，融合中心比较来自各感知节点的SNR，选出其中的最大值，跟其它感知节点的SNR值分别相减，得到所有感知节点的信噪比差值，将所有信噪比差值与预先确定的融合中心阈值λ比较，信噪比差值小于等于阈值λ所对应的感知节点的本地判决结果参与融合中心的最终判决融合，大于阈值λ所对应的感知节点不参与融合中心的最终判决融合；得到最终的判决结果，如果最终的判决结果为1表示存在主用户信号；如果最终的判决结果为0表示不存在主用户信号；融合中心将最终判决结果通过报告信道发送给各感知节点。

2.根据权利要求1所述的感知无线电协作频谱检测方法，其特征在于，融合中心采用K/N准则进行融合，所述K/N准则具体为，K＝1遵循OR准则，只要有一个节点的本地判决结果为1，则最终融合判决结果为1；K＝N遵循AND准则，只有所有节点的本地判决结果是1，最终融合判决结果才为1；K在1和N之间遵循MOST准则，如果本地判决结果中1的数量大于0的数量，则最终融合判决结果为1，否则最终融合判决结果为0，其中K等于本地判决结果是1的节点数量，N等于感知网络中所有的节点数量。

3.根据权利要求1所述的感知无线电协作频谱检测方法，其特征在于，融合中心的阈值λ的具体确定方法为，设置各个感知节点信噪比差值为初始阈值，在各种初始阈值情况下分别对协作频谱检测的接收端运行特征ROC仿真，获得各感知节点协作检测的ROC曲线，检测概率最好的ROC曲线对应的初始阈值确定为融合中心的阈值λ。

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