CN101616045B - 一种协同感知的方法、系统和节点设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协同感知的方法、系统和节点设备。本发明方法包括：接收来自空口的第二感知报告，第二感知报告为在空口合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告；根据所述第二感知报告判决是否存在已有业务用户。通过本发明，能够在感知已有业务用户的过程中，缩短感知时间的同时，提高感知的可靠性。

Description

一种协同感知的方法、系统和节点设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种协同感知的方法、系统和节点设备。

背景技术

为了避免干扰已有业务用户，CR(Cognitive Radio，认知无线电)系统在接入子带之前需要进行频谱感知。例如，在WRAN(Wireless Regional AreaNetwork，无线区域网络)系统中，所有的CPEs(Customer Premises Equipment，用户终端设备)在静默的周期中感知信道并将感知结果上报给BS(BaseStation，基站)，如果子带被占用，CR系统将切换到其它子带中。但是在感知结果上报的过程中：如果上报过程占用较长时间，那么CR系统在上报过程中将可能干扰已有业务用户，因此需要上报时间尽可能的短；另外，如果感知结果的漏检概率比较高，CR系统将干扰已有业务用户，如果感知结果的虚警概率比较高，会导致空白子带的浪费，因此需要上报可靠的感知结果，基于单个CPE的感知能力有限，为了提高感知可靠性，可以合并多个用户端设备的感知结果并获得多个用户端设备感知结果的分集增益。

现有技术一中，基站在CR系统用户之间逐个选举用户并收集其感知报告并合并这些报告，或者所有的CR系统用户随机接入到BS并发送感知报告，BS可以通过多数投票原则合并所有的感知结果，从而获得分集增益。

在对现有技术一的研究和实践过程中，发明人发现现有技术一至少存在以下问题：上报时间和CPEs的用户数成正比，因此上报时间非常长，增加了CR系统的感知开销，并且在上报过程中，CR系统可能已经干扰潜在的已有业务用户了。

现有技术二中，在WRAN系统中，距离相近的CPEs组成一个簇。假定在一个簇内的CPEs感知报告是相似的，因此BS只选择簇内的一个CPE上报其感知结果，采用这种上报方式可以缩短上报的时间。

在对现有技术二的研究和实践过程中，发明人发现现有技术二至少存在以下问题：由于一个簇内只有一个CPE上报感知结果，牺牲了分集增益。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是提供一种协同感知的方法、系统和节点设备，能够在感知已有业务用户的过程中，缩短感知时间的同时，提高感知的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明实施例是通过以下技术方案实现的：

本发明一个实施例提供了一种协同感知的方法，包括：

接收来自空口的第二感知报告，该第二感知报告为在空口合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告；根据第二感知报告判决是否存在已有业务用户。

本发明另一个实施例提供了一种协同感知的系统，包括：合并单元和节点设备；

合并单元用于将所述至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告在空口进行合并，获得第二感知报告；

节点设备，用于接收合并单元获得的第二感知报告，并根据第二感知报告判决是否存在已有业务用户。

本发明又一个实施例提供了一种节点设备，包括：

接收单元，用于接收来自空口的第二感知报告，第二感知报告为在空口合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告；

判决单元，用于根据第二感知报告判决是否存在已有业务用户。

以上技术方案可以看出，同时从多个终端设备接收感知报告，可缩短上报的时间，降低感知过程的开销，避免了上报时间过长引起上报过程中干扰已有业务用户；另外，通过对接收的感知结果合并，增加了分集增益，降低了虚警概率和漏检概率，从而保证了感知的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施一提供的方法流程图；

图2为本发明实施二提供的方法流程图；

图3为本发明实施三提供的方法流程图；

图4为本发明实施四提供的系统示意图；

图5为本发明实施五提供的装置示意图；

图6为本发明技术方案与现有技术一的性能比较的仿真图；

图7和图8为本发明技术方案与现有技术二的性能比较的仿真图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种协同感知的方法、系统和节点设备，用于根据频谱感知判决是否存在已有业务用户时，多个用户终端设备同时上报第一感知报告，缩短上报感知的时间、降低感知成本；并且将第一感知报告在空口合并，获得第二感知报告，根据第二感知报告判决是否存在已有业务用户，从而提高感知的可靠性，使得判决更准确。为了使本发明的技术方案更加清楚，下面列举实施例进行详细说明。

实施例一、

为本发明实施例提供的一种协同感知的方法，如图1所示，包括：

S101：接收至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告在空口合并后获得的第二感知报告。本实施例中，至少两个用户终端设备同时在同一个信道发送第一感知报告，然后在空口将接收的所有第一感知报告合并后获得第二感知报告，并发送至BS或者AP(Access Point，接入节点)等节点设备。

S102：根据所述第二感知报告判决是否存在已有业务用户。例如，BS或者AP等节点设备将第二感知报告的比特度量值与一个预设的门限值进行比较，若第二感知报告的比特度量值大于预设的门限值，则判决存在已有业务用户；否则，判决不存在已有业务用户。

本实施例可以看出，接收的感知报告为至少两个用户终端同时发送并在空口合并后的感知报告，因此节省了感知的时间，并且通过感知结果合并，可增加了分集增益，降低了虚警概率和漏检概率，从而保证了感知的可靠性。

实施例二、

为本发明实施例提供的一种协同感知的方法，本实施例中CR系统满足信道互惠原则，例如该实施例中CR系统是一个TDD(Time Division Duplex，时分双工)系统，对于多个用户终端设备同时发送的第一感知报告，在空口进行比特级软合并，获得第二感知报告。具体过程如图2所示，包括如下步骤：

S201：BS或者AP等节点设备广播下行信道中的选举请求消息中的前导。

S202：用户终端设备(CPEn)通过对接收的下行信道中的选举请求消息中的前导进行估计，获得上行信道的CSI(Channel State Information，信道状态信息)的共轭预均衡报告。

S203：至少两个用户终端设备根据所述共轭预均衡报告同时上报第一感知报告。例如，CPEn通过上行信道的CSI的共轭预均衡报告，上报K(K为正整数)比特如下第一感知报告：

(1)如果第k(k为小于或等于K的正整数)比特的共轭预均衡报告为1，CPEn发送感知判决信号：

$S_{\mathrm{nk}}=\sqrt{\mathrm{Pwr}}\frac{h_n^{*}}{\left|h_n\right|}$

(2)如果第k比特的共轭预均衡报告为0，CPEn发送感知判决信号：

$S_{\mathrm{nk}}=-\sqrt{\mathrm{Pwr}}\frac{h_n^{*}}{\left|h_n\right|}$

其中，S_nk表示第n(n为正整数)个CPE上报的第k比特的第一感知报告，或者说感知判决信号；h_n表示第n个CPE的上报的信道；Pwr表示第k比特的共轭预均衡报告为1的CPE上报的感知判决信号的功率。

S204：对接收的所有第一感知报告在空口进行比特合并，获得第二感知报告(感知判决信号)：

$Y_n=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(h_n{S}_{\mathrm{nk}}+z_n)=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(b_{\mathrm{nk}}\·|h_n|\sqrt{\mathrm{Pwr}}+z_n)$

其中，Y_k表示在空口合并的第k比特的第一感知报告后获得的感知判决信号；h_n表示第n个CPE的上报的信道；Pwr表示第k比特的共轭预均衡报告为1的CPE上报的感知判决信号的功率；z_n表示第n个CPE的上报的噪音矢量；M表示上报第一感知报告的CPE的总个数；b_nk的绝对值等于1，第k个比特的共轭预均衡报告为1时，b_nk＝1；第k个比特的共轭预均衡报告为0时，b_nk＝-1。

S205：BS或者AP接收所有第一感知报告在空口进行比特合并后获得的第二感知报告。

S206：将第二感知报告的比特度量值与一个预设的门限值进行比较，如果该第二感知报告的比特度量值大于预设的门限值，则判决存在已有业务用户；否则，判决不存在已有业务用户。例如将接收的Y_k的比特度量值与一个预设的门限值TH_b比较，如果Y_k＞门限TH_b，则判决值为1，认为存在已有业务用户；否则判决值为0，认为不存在已有业务用户。

至此完成感知判决流程，进一步的，还可以包括如下过程：

将K比特的第二感知报告的比特度量值与另一个预设的总门限值比较，判决在一个簇内是否存在已有业务用户。

下面对该实施例进行具体说明：

假定在CR小区中：

用户终端设备的功率Pwr＝1；在一个簇内用户终端设备的数量N＝4；每个用户终端上报比特数K＝1；4个用户上报为：0，0，0，1(1个用户检测到已有业务系统，而3个用户没有检测到已有业务系统)

采用实施例一的方式进行合并：

预设的门限值TH_b＝0；

感知判决信号Y_k＝-2＜TH_b，判决值为0，判定没有已有业务系统。

上述实施例一描述了CR系统在支持信道互惠的情况下，用户终端设备根据下行信道中的选举请求消息中的前导获得上行信道的信道状态预均衡报告，以及根据该预均衡报告发送第一感知报告，并采用比特级软合并，将第一感知报告在空口合并，将合并后获得的第二感知报告发送至BS或者AP等节点设备，BS或者AP等节点设备根据第二感知报告判决是否存在已有业务用户，采用该实施例，由于同时接收每个用户终端的感知报告，使得感知上报时间短，可以控制在1个时隙内，并且通过比特级软合并增加了分集增益，从而提高了感知的可靠性，避免CR系统干扰已有业务用户。

实施例三、

为本发明实施例提供的一种协同感知的方法，本实施例中CR系统不满足信道互惠原则，例如该实施例中CR系统是一个FDD(Frequency DivisionDuplex，频分双工)系统，对于多个用户终端设备同时发送的第一感知报告，在空口进行比特级功率合并，获得第二感知报告。具体过程如图3所示，包括如下步骤：

S301：至少两个用户终端设备同时上报第一感知报告。例如，CPEn上报K(K为正整数)比特如下第一感知报告：

(1)如果第k(k为小于或等于K的正整数)比特的报告为1，CPEn发送感知判决信号：

$S_{\mathrm{nk}}=\sqrt{\mathrm{Pwr}}$

(2)如果第k比特的报告为0，CPEn发送感知判决信号：

S_nk＝0

其中，S_nk表示第n(n为正整数)个CPE上报的第k个比特的感知判决信号；Pwr表示第k比特的报告为1的CPE上报的感知判决信号的功率。

S302：对接收的所有第一感知报告在空口进行功率合并，获得第二感知报告(感知判决信号功率)，具体获得第二感知报告的步骤具体为：

(1)第一感知报告在空口合并后获得的感知判决信号为：

$Y_k=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(h_n{S}_{\mathrm{nk}}+z_n)$

其中，Y_k表示在空口合并后获得的感知判决信号；h_n表示第n个CPE的上报的信道；Z_n表示第n个CPE的上报的噪音矢量；M表示上报第一感知报告的CPE的总个数；S_nk表示第n(n为正整数)个CPE在上报的第k比特的感知判决信号。

(2)第一感知报告在空口合并后获得的感知判决信号对应的功率为：

$P_k=Y_k^2$

$\≈N_1\·\mathrm{Pwr}\·E\left(h^2\right)+N\·P_z$

$\≈N_1\·\mathrm{Pwr}+N\·P_z$

其中，P_k表示接收的感知判决信号Y_k的功率；N₁表示第k比特的报告为1的CPE的个数；N表示所有CPE的个数；Pwr表示第k比特的报告为1的CPE上报的感知判决信号的功率；E(h²)表示第k个信道衰落的平均值；P_z表示所有CPE上报的感知判决信号的噪音的平均值。

S303：BS或者AP接收所有第一感知报告在空口进行功率合并后获得的所述第二感知报告。

S304：将第二感知报告的比特度量值与一个预设的门限值进行比较，如果该第二感知报告的比特度量值大于预设的门限值，则判决存在已有业务用户；否则，判决不存在已有业务用户。例如将接收的Y_k的功率P_k的比特度量值与一个预设的门限值TH_b比较大小，如果P_k＞门限TH_b，则判决值为1，认为存在已有业务用户；否则决值为0，认为不存在已有业务用户。

至此完成感知判决流程，进一步的，还可以包括如下过程：

将K比特的感知报告的比特度量值与另一个预设的总门限值比较大小，判决在一个簇内是否存在已有业务用户。

下面对该实施例进行具体说明：

假定在CR小区中：

用户终端设备的功率Pwr＝1；在一个簇内用户终端设备的数量N＝4；上报比特数K＝1；4个用户上报为：0，0，0，1(1个用户检测到已有业务系统，而3个用户没有检测到已有业务系统)

采用实施例二的方式进行合并：

预设的门限值TH_b＝4

上报信噪比(SNR)＝3dB，

噪音矢量：    z1＝0.2141+0.4478i；z2＝0.1655+0.2889i；

              z3＝0.0202+0.3385i；z4＝0.2845-0.1278i

信道衰落矢量：h1＝-0.3058-1.1776i；h2＝0.0886+0.2034i；

              h3＝-0.8106+0.8420i；h4＝0.8407-0.0266i；

感知判决信号功率P_k＝3.2＜THb.判决值为0，判定没有已有业务系统。

上述实施例二描述了CR系统在不支持信道互惠的情况下，用户终端设备同时向基站或者AP发送第一感知报告，并采用比特级功率合并的方式，将第一感知报告在空口合并，将合并后获得的第二感知报告发送至BS或者AP等节点设备，BS或者AP等节点设备根据第二感知报告判决是否存在已有业务用户，采用该实施例，由于同时接收多个用户终端设备发送的感知报告，使得感知上报时间短，可以控制在1个时隙内，并且通过比特级软合并增加了分集增益，从而提高了感知的可靠性，避免CR系统干扰已有业务用户。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：

接收空口发送的第二感知报告，该第二感知报告为在空口合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告；

根据第二感知报告判决是否存在已有业务用户。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

实施例四、

该实施例为实现本发明所提供的一种协同感知的系统，如图4所示，包括：合并单元402和节点设备403；

合并单元402用于将至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告在空口进行合并，获得第二感知报告；

节点设备403，用于接收所述合并单元402获得的第二感知报告，并根据所述第二感知报告判决是否存在已有业务用户。例如，BS或者AP等节点设备403将第二感知报告的比特度量值与一个预设的门限值进行比较，若第二感知报告的比特度量值大于预设的门限值，则判决存在已有业务用户；否则，判决不存在已有业务用户。

本实施例中，至少两个用户终端设备同时向合并单元402发送第一感知报告，合并单元402接收到感知报告合并后发送至节点设备403，节点设备403根据合并后的感知判决是否存在已有业务用户。

本发明实施例提供的系统通过合并单元将至少两个用户终端设备同时发送第一感知报告进行合并，将合并后获得的第二感知报告发送至BS或者AP等节点设备，BS或者AP等节点设备根据第二感知报告判决是否存在已有业务用户，采用该实施例，由于同时接收多个用户终端设备发送的感知报告，使得感知上报时间短，并且通过合并增加了分集增益，从而提高了感知的可靠性，避免CR系统干扰已有业务用户。

在本发明另一个实施例中，所述合并单元402包括：

比特合并单元，用于将至少两个用户终端设备401同时发送的第一感知报告在空口进行比特合并，获得第二感知报告，并将合并后的第二感知报告发送至节点设备403。具体合并过程可参见实施例二中的步骤S204，此处不再赘述。

在本发明又一个实施例中，所述合并单元402包括：

功率合并单元，用于将所述至少两个用户终端设备401同时发送的第一感知报告在空口进行功率合并，获得第二感知报告，并将合并后的第二感知报告发送至节点设备403。具体合并过程可参见实施例三中的步骤S302，此处不再赘述。

实施例五、

该实施例为实现本发明所提供的一种节点设备，如图5所示，包括：

接收单元501，用于接收来自空口的第二感知报告，所述第二感知报告为在空口合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告。

判决单元502，用于根据所述第二感知报告判决是否存在已有业务用户。例如，BS或者AP等节点设备的判决单元502将第二感知报告的比特度量值与一个预设的门限值进行比较，若第二感知报告的比特度量值大于预设的门限值，则判决存在已有业务用户；否则，判决不存在已有业务用户。

本实施例中，由于节点设备接收的感知报告为同时接收多个用户终端设备发送的感知报告，使得感知上报时间短，并且通过合并增加了分集增益，从而提高了感知的可靠性，避免CR系统干扰已有业务用户。

在本发明另一个实施例中，所述节点设备还包括：

广播单元，用于向用户终端设备广播下行信道的感知选举请求消息的前导，以使用户终端设备根据所述感知请求消息的前导获得第一感知报告。例如，BS或者AP广播下行信道中的选举请求消息中的前导，用户终端设备通过接收的下行信道中的选举请求消息中的前导进行估计，获得上行信道的信道状态信息的共轭预均衡报告，用户终端设备通过上行信道的CSI的共轭预均衡报告，向接收单元发送第一感知报告。

本实施例中，广播单元向至少两个用户终端设备广播信息，以使至少两个用户终端设备同时发送第一感知报告并在空口合并后将第二感知报告发送给接收单元501。

以上对本发明的实施例进行了详细的描述，为了体现本发明实施例所产生的技术效果，下面结合仿真图进行描述：

参见图6，为本发明技术方案与现有技术一的性能比较的仿真图。从图6可以看出：(1)现有技术一对N(正整数)个CPE的上报时间为N个时隙，而本发明技术方案对N个CPE的上报时间为1个时隙；(2)现有技术一中的感知报告上报表时间随着CPE用户数的增加呈线性增加；而本发明技术方案中的感知上报时间是恒定的。可见，本发明实施例采用的技术方案可缩短上报感知报告的时间，节省感知的开始。

图7和图8为本发明技术方案与现有技术二的性能比较的仿真图。其中，图7为采用每簇10个用户时与现有技术二性能比较的仿真图，图8为采用每簇20个用户时与现有技术二性能比较的仿真图。

假定单个CPE，感知能力为：

虚警概率Pf＝0.1；漏检概率为Pm＝0.1；上报信噪比SNR＝3dB；上报比特K＝1。

从图7和图8，我们可以看到本发明技术方案的上报时间和现有技术二的上报时间是相同的，但是本发明技术方案在虚警和漏检概率之间的折中更好，特别在当CPE用户数很大的时。并且在知道CSI的情况下，替特级软合并的性能优于比特功率合并。

以上对本发明所提供的一种协同感知的方法、系统和节点设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种协同感知的方法，其特征在于，包括：

接收来自空口的第二感知报告，所述第二感知报告为在空口合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告，所述在空口合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告具体为：在空口进行比特合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告，或，在空口进行功率合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告；

根据所述第二感知报告判决是否存在已有业务用户，所述根据所述第二感知报告判决是否存在已有业务用户，包括：将所述第二感知报告的比特度量值与一个预设的门限值进行比较，若所述第二感知报告的比特度量值大于所述预设的门限值，判决存在已有业务用户；否则，判决不存在已有业务用户。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收来自空口的第二感知报告之前，包括：

向用户终端设备广播下行信道的感知选举请求消息的前导；

至少两个用户终端设备根据接收的所述下行信道的感知选举请求消息的前导进行估计，获得上行信道的信道状态信息，对所述信道状态信息进行共轭预均衡获得第一感知报告，发送所述第一感知报告到所述空口。

3.一种协同感知的系统，其特征在于，包括：合并单元和节点设备；

所述合并单元，用于将至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告在空口进行合并，获得第二感知报告，所述合并单元包括：比特合并单元，用于将所述至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告在空口进行比特合并，获得第二感知报告；或，功率合并单元，用于将所述至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告在空口进行功率合并，获得第二感知报告；

所述节点设备，用于接收所述合并单元获得的第二感知报告，并根据所述第二感知报告判决是否存在已有业务用户，所述根据所述第二感知报告判决是否存在已有业务用户，包括：将所述第二感知报告的比特度量值与一个预设的门限值进行比较，若所述第二感知报告的比特度量值大于所述预设的门限值，判决存在已有业务用户；否则，判决不存在已有业务用户。

4.一种节点设备，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收来自空口的第二感知报告，所述第二感知报告为在空口合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告，所述在空口合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告具体为：在空口进行比特合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告，或，在空口进行功率合并的至少两个用户终端设备同时发送的第一感知报告；

判决单元，用于根据所述第二感知报告判决是否存在已有业务用户，所述根据所述第二感知报告判决是否存在已有业务用户，包括：将所述第二感知报告的比特度量值与一个预设的门限值进行比较，若所述第二感知报告的比特度量值大于所述预设的门限值，判决存在已有业务用户；否则，判决不存在已有业务用户。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：

广播单元，用于向用户终端设备广播下行信道的感知选举请求消息的前导，以使用户终端设备根据所述感知选举请求消息的前导获得第一感知报告。

Images