CN101615926B - 认知无线电中的异步协同频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种认知无线电中的异步协同频谱感知方法，认知节点采用序贯方式的能量检测，即当认知节点根据能量检测值所获得的似然比达到要求时，认知节点根据似然比做出本地判决，向中心节点发送本地检测信息；否则，认知节点继续进行能量检测，直至似然比达到要求，或者系统规定的检测时隙结束，或者收到中心节点有关本地检测的最终判决。本发明提出各认知节点根据本地判决的可靠性，以异步传输的方式向中心节点发送本地判决结果。那么接收信号信噪比较高的认知节点必率先发送本地判决结果。该方法在保证检测性能的同时，有效较少了检测时间，降低了对授权用户的干扰时间，而且提高频谱空穴的接入利用率。

Description

认知无线电中的异步协同频谱感知方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线电网络中的协同频谱检测问题，属于基于认知无线电的无线通信中的频谱感知技术。

背景技术

随着无线电技术的快速发展，无线频谱资源的短缺逐渐成为新的无线电技术应用的瓶颈。无线电频谱作为一种宝贵的不可再生资源，目前主要由政府有关部门授权使用，一般一个频带只分配给一个无线电系统使用。但是，调查发现，目前已分配频段的利用率普遍低下。为了描述无线电频谱的利用情况，人们提出了频谱空穴的概念。频谱空穴是指已授权分配给无线电系统，但在特定时间或特定地点未被使用的频段。那么如何使用这些频谱空穴，提高授权频段频谱利用率已成为一个重要问题。认知无线电(CR)就是一种寻找并利用频谱空穴，以提高频谱利用率的技术。

认知网络中的认知用户(the Second Users)以不干扰授权用户(the Primary Users)工作为前提，寻找并利用授权频带上的“频谱空穴”，实现动态频谱接入，以提高频带利用率。认知用户要能对授权频段进行可靠频谱检测，以满足动态接入的要求。为了避免对授权用户正常通信的干扰，如何准确、高效地检测到授权频段的状态是频谱检测技术的关键。

频谱检测技术可分为协同和非协同频谱检测。非协同频谱检测是指单个节点的本地频谱检测。单个节点的频谱检测只关心授权用户发射的信号，它的检测性能受很多因素的影响。例如，因为无线信道衰落的影响，单节点频谱检测不可避免隐终端问题，造成对授权用户接收机的干扰。若认知网络中的认知节点进行频谱协同检测，就可以提高系统的分集增益，降低各认知节点的灵敏度要求。本发明设计了一种协同频谱检测方案，在提高系统检测性能的同时，减少检测时间，更迅速的实现频谱检测。

本发明是集中式的协同频谱检测方法。认知网络中存在若干认知节点和一个数据处理中心节点。认知节点把本地检测结果(即本地判决数据)发送至中心节点，然后中心节点根据接收到的各认知节点检测结果做出最终判决。认知节点的本地判决就是信号的统计推断问题，认知节点可通过能量检测、特征检测等获得各种信号特征，然后再进行判决。信号判决涉及系统频段的使用率和授权用户的受干扰率问题，因此应综合考虑系统要求设计信号判决准则和判决条件。中心节点判决可以是简单的硬判决或者是基于可信度的软判决。所以设计频谱检测方案时要综合考虑系统要求和信道状态，以满足频谱检测的各项性能指标。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种认知无线电中的异步协同频谱感知方法，即利用认知节点协同检测分集增益，实现对频谱的快速有效检测的频谱检测技术方法。本发明提出各认知节点根据本地判决的可靠性，以异步传输的方式向中心节点发送本地判决结果。那么接收信号信噪比较高的认知节点必率先发送本地判决结果。该方法在保证检测性能的同时，有效较少了检测时间，降低了对授权用户的干扰时间，而且提高频谱空穴的接入利用率。

技术方案：本发明提出一种认知无线电中的异步协同频谱感知方法，它通过认知节点的序贯检测法和中心节点的序贯判决法实现，该方法具体为：

a.各认知节点基于序贯检测法开始能量检测，具体检测方法如下：在能量检测点数M′由1增加到最大值M的过程中，认知节点基于最大似然准则对每个瞬时能量检测值进行似然判决，即比较能量检测值在信道空闲和繁忙两种状态下的两个似然函数，定义似然比是两个似然函数中较大值与较小值之比，若似然比大于既定值，就终止本地能量检测，较大似然函数对应的信道状态作为认知节点本地判决结果；否则，继续进行能量检测，直至M′增加到最大值M；

b.当M′＝M时，不考虑似然比，直接进行似然判决，即两个似然函数中，较大似然函数对应的信道状态作为认知节点本地判决结果；

c.认知节点得到本地判决结果后就向中心节点报告本次检测的判决结果；

d.中心节点采用序贯判决法，首先设定中心节点的等待认知节点本地检测报告的最长时间是t_max，最短检测时间是t_min；t_max的含义是，当认知节点接收信号的信噪比处于系统规定的最低标准时，满足虚警概率和漏检概率要求的检测时间；t_min表示在认知节点接收信号的信噪比为平均水平时，满足虚警概率和漏检概率要求的检测时间，设定中心节点在t时刻进行最终判决，首先令t＝t_min；

e.中心节点对[0，t]时间段内接收到的认知节点本地检测结果表示成集合C，对集合C内的所有数据采用大数判决；

f.若集合C为空集合，就以τ＝(t_max-t_min)/10作为t的步进量，重复步骤e，直至集合C非空或t＝t_max，若t＝t_max时，集合C仍为空集合，就判定授权频段正在被占用，信道状态为繁忙，一次检测过程结束。

有益效果：本发明充分利用了认知节点协同检测的优点，不仅降低了各认知协同检测的灵敏度需求，而且降低了系统的检测时间。

本发明应用于认知无线电协同频谱检测时有如下优点：

1)若认知节点接收到的信号经过了严重的路径损耗和阴影衰落，协同检测能较小其对主用户的干扰。

2)认知节点使用能量检测，适用于各种工作环境，无需授权用户参数。

3)认知节点本地判决使用最大似然准则，在不同衰落环境下无需改变判决参数，计算简单。

4)认知节点本地判决和中心节点判决均采用序贯检测法，有效节省了检测时间。

具体实施方式

本发明提出一种认知无线电异步协同频谱检测方法。认知节点采用序贯方式的能量检测，即当认知节点根据能量检测值所获得的似然比达到要求时，认知节点根据似然比做出本地判决，向中心节点发送本地检测信息；否则，认知节点继续进行能量检测，直至似然比达到要求，或者系统规定的检测时隙结束，或者收到中心节点有关本地检测的最终判决。

1 本地能量检测及判决

假设认知无线电网络中存在N个认知节点和一个中心节点，各认知节点各自独立进行本地检测，认知节点把本地检测结果通过控制信道发送至中心节点，然后中心节点做最后判决。用H₀、H₁分别表示信道空闲(授权用户不发射信号)和繁忙(授权用户发射信号)两种情况下信道的状态，那么第i个认知用户t时刻接收的连续信号y_ic(t)可表示为：

H₀：y_ic(t)＝w_c(t)

H₁：y_ic(t)＝x_ic(t)+w_c(t)                            (1)

x_ic(t)表示t时刻认知用户可能接收到的授权用户发射的连续信号。w_c(t)表示t时刻信道噪声连续信号，是一个均值为0，方差是的高斯随机变量。

在本发明中，各个认知节点采用序贯能量检测法，目的是为了接收信号SNR较高的认知节点提早向中心节点发送检测报告，实现认知用户的异步协同检测。首先由认知节点接收信号的信噪比γ、检测需要达到的检测概率P_D和虚警概率P_F决定其能量检测所需的最大检测点数M，如式(2)所示。

$M\≈{\left(\frac{Q^{-1}\left(P_F\right)-Q^{-1}\left(P_D\right)}{{\mathrm{\γ}}_i}\right)}^2---\left(2\right)$

然后对y_ic(t)进行能量检测，即以抽样频率f_s对连续信号y_ic(t)抽样，得到离散信号y_i(n)＝y_ic(nT_s)，其中T_s＝1/f_s，把抽样值的平方累加得到瞬时能量检测值Y_i

$Y_i=\underset{n=1}{\overset{M^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y_i\left(n\right)\right|}^2---\left(3\right)$

M′是即时能量检测点数，显然，1≤M′≤M。那么Yi服从卡方分布：

$Y_i~\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\χ}}_{M^{\′}}^2& H_0\\ {\mathrm{\χ}}_{M^{\′}}^2\left(s\right)& H_1\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，s表示非中心卡方分布参数。

$s=\underset{n=1}{\overset{M^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{m}_n^2---\left(5\right)$

m_n ²表示y_i(n)均值的平方。能量检测时，M′可由1逐次递加到M。在M′增加的过程中，根据即时得到的瞬时能量检测值Y_i计算似然函数f(Y_i|H₀)和f(Y_i|H₁)。

本发明中定义似然比如下：

if    f(Y_i|H₁)＞f(Y_i|H₀)

      R＝f(Y_i|H₁)/f(Y_i|H₀)

else  R＝f(Y_i|H₀)/f(Y_i|H₁)

定义似然比R的阈值为R₀。R₀是一个跟判决的可信度有关的参数。R₀设定的越大，表示判决时两种假设条件的差异越大，判决就越可信。但是在接收信号SNR一定时，R₀的值越大，所需的检测时间也就越长。那么在实际应用时，应根据规定的检测时间大小，调整R₀的取值。

开始检测后，若瞬时似然比R大于规定的阈值R₀，就停止能量检测，根据最大似然准则得到本地判决，并向中心节点发送本地检测信息；否则继续进行能量检测，直至达到似然比大于规定的阈值R₀。若M′＝M时，似然比R仍未满足要求，那么按照最大似然准则进行本地判决。最大似然准则的算法描述如下：

最大似然准则：f(r|H_i)是在条件为H_i时观测值为r的条件概率密度函数(似然函数)。则根据最大似然准则，本地判决结果需满足

${\hat{H}}_{i_0}=\arg \left\{\underset{H_i}{\max }\right[f\left(r\right|H_i)\left]\right\}---\left(6\right)$

上式中

表示判决结果。

2 中心节点数据合并

假设中心节点通过控制信道无误差接收各认知节点的本地检测。根据本发明提出的算法，接收信号的信噪比越大的认知节点，向中心节点发送本地判决的时间就越早，它们的本地判决也就越可信。本方案设定中心节点的等待认知节点本地检测报告的最长时间是t_max，最短检测时间是t_min。t_max的含义是，当认知节点接收信号的信噪比处于系统规定的最低标准时，根据式(2)得到的检测时间，其中t_max*f_s＝M称为时间带宽积；t_min表示在认知节点接收信号的信噪比为平均水平时，由式(2)得到的检测时间。那么，本发明设定，中心节点设定也采用序贯检测法，具体检测过程如下：

1)检测时隙开始后，中心节点等待各认知节点的检测报告，至时间t＝t_min；

2)把[0，t]时间段内接收到的认知节点本地检测结果表示成集合C＝[D₁，D₂，...，D_m]。对集合C内的所有采用大数判决。即1的个数大于中心节点的判决就是H₁，否则为H₀。一次检测过程结束。

3)若m＝0，即集合C为空集合，就以τ＝(t_max-t_min)/10作为t的步进量，重复步骤2，直至集合C非空，或t′＝t_max。

4)若t＝t_max时，集合C仍为空集合，就判定授权频段正在被占用，信道状态为H₁。

具体实例为：

1)中心节点在控制信道发射同步信号，使得认知无线电网络处于同步状态；

2)接收到同步信号后，认知节点根据估计的信噪比计算能量检测所需的最大时间带宽积；

3)开始能量检测后，节点i(i＝1，2，...，N)通过天线接收到监测信道内的信号y_i(t)；y_i(t)经过能量检测器处理得到瞬时能量检测值Y_i，根据序贯检测法得到本地判决结果；

4)得到本地判决结果后，认知节点即将其报送到中心节点；

5)中心节点也采用序贯检测法。令中心节点在t时刻进行大数判决，首先设定t＝t_min。把[0，t]时间段内接收到的认知节点本地检测结果表示成集合C＝[D₁，D₂，...，D_m]。对集合C内的所有采用大数判决。即1的个数大于中心节点的判决就是H₁，否则为H₀。

6)若集合C为空集合，就以τ＝(t_max-t_min)/10作为t的步进量，重复步骤5，直至集合C非空，或t＝t_max。若t＝t_max时，集合C仍为空集合，就判定授权频段正在被占用，信道状态为H₁。一次检测过程结束。

Claims (1)

1.一种认知无线电中的异步协同频谱感知方法，它通过认知节点的序贯检测法和中心节点的序贯判决法实现，该方法具体为：

a.各认知节点基于序贯检测法开始能量检测，具体检测方法如下：在能量检测点数M′由1增加到最大值M的过程中，认知节点基于最大似然准则对每个瞬时能量检测值进行似然判决，即比较能量检测值在信道空闲和繁忙两种状态下的两个似然函数，定义似然比是两个似然函数中较大值与较小值之比，若似然比大于既定值，就终止本地能量检测，较大似然函数对应的信道状态作为认知节点本地判决结果；否则，继续进行能量检测，直至达到似然比大于规定的阈值R₀；

b.当M′＝M时，似然比R仍未满足要求，那么按照最大似然准则进行本地判决，即两个似然函数中，较大似然函数对应的信道状态作为认知节点本地判决结果；

c.认知节点得到本地判决结果后就向中心节点报告本次检测的判决结果；

d.中心节点采用序贯判决法，首先设定中心节点的等待认知节点本地检测报告的最长时间是t_max，最短检测时间是t_min；t_max的含义是，当认知节点接收信号的信噪比处于系统规定的最低标准时，满足虚警概率和检测概率要求的检测时间；t_min表示在认知节点接收信号的信噪比为平均水平时，满足虚警概率和漏检概率要求的检测时间，设定中心节点在t时刻进行最终判决，首先令t＝t_min；

e.中心节点对[0，t]时间段内接收到的认知节点本地检测结果表示成集合C，对集合C内的所有数据采用大数判决；

f.若集合C为空集合，就以τ＝(t_max-t_min)/10作为t的步进量，重复步骤e，直至集合C非空或t＝t_max，若t＝t_max时，集合C仍为空集合，就判定授权频段正在被占用，信道状态为繁忙，一次检测过程结束。