CN101686473B - 认知无线电系统及其频谱检测的方法、基站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在认知无线电系统中进行频谱检测的方法，包括将CR基站关联的CR用户作为备选用户集，根据信噪比，选择一个CR用户作为CR头用户，未当选的CR用户作为CR备选用户；确定CR备选用户是否与CR头用户关联，将关联的CR备选用户标识为CR关联成员用户；判断备选用户集是否有CR备选用户，如果是，则再选择一个CR用户作为CR头用户，否则CR关联成员用户检测是否有授权用户信号，并采用分级汇报机制汇报给CR基站，由CR基站确定是否有授权用户信号以确定频谱是否空闲。同时，本发明提供了一种认知无线电系统及基站，通过实施本发明的一种认知无线电系统及其频谱检测的方法、基站，提高了CR系统的频谱检测性能，并降低了系统的总能量开销。

Description

认知无线电系统及其频谱检测的方法、基站

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种认知无线电系统及其频谱检测的方法、基站。

背景技术

随着无线通信技术及业务的发展，无线网络正面临着有限频谱资源与大量业务对频谱资源需求的矛盾。为此，业界提出了认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术，CR技术是一种新型的智能频谱共享技术可主动检测并机会式利用授权频段中的频谱空穴(所述频谱空穴为已分配给授权用户但未被其使用的空闲频谱)，实现不可再生频谱资源的再次利用。

CR系统是由CR基站和所关联的多个CR用户构成的通讯系统，可以通过感知频谱环境，获得频谱空穴。如图1所示，在CR系统的实际无线应用场景中，通常包括：认知用户(也称CR用户)、CR基站、无线信道。

CR用户，用于检测周围无线频谱环境中是否存在授权用户，并和CR基站实现通讯，所述授权用户为授权使用某一频段的用户，该授权用户与CR系统间无任何交互信息。

CR基站，负责从CR用户处收集上传的本地检测信息并按照一定的融合决策规则对检测信息进行融合处理，最终做出关于授权用户是否出现的全局合作检测判决，并和关联CR用户实现通讯。

无线信道，包括授权用户发射机与各CR用户之间的无线检测信道、CR用户向CR基站上报检测信息的无线报告信道、任意两个CR用户之间的无线用户间信道。

在现有技术中，针对无线报告信道上的衰落影响所造成的本地检测信息汇报时的传输比特差错问题，提出了利用多用户选择分集机制来选择信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)最大的CR用户作为头用户，其它所有剩余的CR用户均统一向其头用户汇报各自的本地检测信息，由头用户进行融合与决策并向CR基站进行汇报并由CR基站进行最终判决的技术方案。由于利用了选择分集增益，该方案降低了头用户所对应报告信道上的传输比特错误概率，提高了系统的频谱检测性能。

但发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术方案仅假设报告信道为衰落信道，未考虑各CR用户与所选CR头用户之间的用户间无线信道为衰落信道的情况，在实际无线衰落环境中CR系统的频谱检测性能将明显下降，同时，该现有技术方案没有提及或讨论CR系统频谱检测的能耗问题及节能方案，受限于军事或应急等能量受限的实际无线通信应用。

发明内容

本发明实施例解决的技术问题在于提供了一种认知无线电系统及其频谱检测的方法、基站，提高了CR系统的频谱检测性能。

为了达到上述技术效果，本发明实施例的一种在认知无线电系统中进行频谱检测的方法，包括：

将认知无线电CR基站关联的CR用户标识为CR备选用户，作为备选用户集，根据所述CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户；

根据用户间传输错误门限比较判决机制确定所述CR备选用户是否与所选的CR头用户建立合作关联关系，将与所述CR头用户建立合作关联关系的CR备选用户标识为CR关联成员用户；

判断所述备选用户集CR备选用户是否大于预定值，如果是，则返回到所述根据所述CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户的步骤，如果否，则将所述预定值个CR备选用户分别标识为CR头用户；

所述CR头用户和CR关联成员用户检测周围无线频谱环境中是否有授权用户信号，分别获得CR头用户的检测信息、CR关联成员用户的本地检测信息；

所述CR关联成员用户将本地检测信息发送给与该CR关联成员用户关联的CR头用户，所述CR头用户按照融合决策规则对所述CR头用户的检测信息、所述本地检测信息处理后生成检测处理信息，并将检测处理信息发送给所述CR基站；

所述CR基站根据所述检测处理信息，按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲；

其中，在所述判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值之前还包括：更新备选用户集，删除已经被选择为CR头用户的CR用户和所述CR头用户的CR关联成员用户。

相应地，本发明实施例还提供了一种基站，其包括：

初始化单元，用于将与本基站关联的CR用户标识为备选用户，作为备选用户集；

选择单元，用于根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户；

判断单元，用于判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值，并在判断为是时，触发所述选择单元根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中再选择一个CR用户作为CR头用户，或者在判断为否时，将所述预定值个CR备选用户分别标识为CR头用户；

检测信息接收单元，用于接收所述CR头用户发送的汇报信息，所述汇报信息由所述CR头用户按照融合决策规则对所述CR头用户的检测信息、所述CR头用户的CR关联成员用户的本地检测信息处理后生成；

融合决策单元，用于根据所述检测信息接收单元接收的CR头用户发送的汇报信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲；

合作关联单元，用于根据用户间传输错误门限比较判决机制确定CR备选用户是否与所述选择单元选择的CR头用户建立合作关联关系，并将与所述CR头用户建立关联关系的CR备选用户标识为CR关联成员用户；

其中，在判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值之前更新备选用户集，删除已经被选择为CR头用户的CR用户和所述CR头用户的CR关联成员用户。

相应地，本发明实施例还提供了一种认知无线电系统，包括至少一个CR基站，所述CR基站下包括多个CR用户，其中，所述CR基站包括：

初始化单元，用于将与本CR基站关联的CR用户标识为备选用户，作为备选用户集；

选择单元，用于根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户；

合作关联单元，用于根据用户间传输错误门限比较判决机制确定CR备选用户是否与所述选择单元选择的CR头用户建立合作关联关系，并将与所述CR头用户建立合作关联关系的CR备选用户标识为CR关联成员用户；

判断单元，用于判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值，并在判断为是时，触发所述选择单元根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中再选择一个CR用户作为CR头用户，或者当判断为否时，将所述预定值个CR备选用户分别标识为CR头用户；

检测信息接收单元，用于接收所述CR头用户发送的汇报信息，所述汇报信息由所述CR头用户按照融合决策规则对所述CR头用户的检测信息、所述CR头用户的CR关联成员用户的本地检测信息处理后生成；

融合决策单元，用于根据所述检测信息接收单元接收的CR头用户发送的汇报信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲；

其中，在判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值之前更新备选用户集，删除已经被选择为CR头用户的CR用户和所述CR头用户的CR关联成员用户。

相应地，本发明实施例还提供了一种认知无线电系统，包括至少一个CR基站，所述CR基站下包括多个CR用户，其中，所述CR基站包括：

初始化单元，用于将与本CR基站关联的CR用户标识为备选用户，作为备选用户集；

选择单元，用于根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户；

判断单元，用于判断所述备选用户集中CR备选用户是否大于预定值，并在判断为是时，触发所述选择单元根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中再选择一个CR用户作为CR头用户，或者当判断为否时，将所述CR备选用户标识为CR头用户；

检测信息接收单元，用于接收所述CR头用户发送的汇报信息，所述汇报信息由所述CR头用户按照融合决策规则对所述CR头用户的检测信息、所述CR头用户的CR关联成员用户的本地检测信息处理后生成；

融合决策单元，用于根据所述检测信息接收单元接收的CR头用户发送的汇报信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲；

其中，在判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值之前更新备选用户集，删除已经被选择为CR头用户的CR用户和所述CR头用户的CR关联成员用户；

其中，所述CR用户包括：

合作关联单元，用于根据用户间传输错误门限比较判决机制确定该CR用户是否与所述选择单元选择的CR头用户建立合作关联关系，当与所述CR头用户建立合作关联关系，则标识为CR关联成员用户；

合作通讯单元，用于当本CR用户当选为CR头用户时，通知其它CR用户出现了新的CR头用户，或者当本CR用户没有当选为CR头用户时，接收当选为CR头用户的通知信息；

融合预处理单元，用于当本CR用户当选为CR头用户时，对与本CR用户关联的CR关联成员用户发送的本地检测信息进行预处理，并将处理结果发送给CR基站。

通过实施本发明实施例的一种认知无线电系统及其频谱检测的方法、基站，通过联合利用多用户选择分集和用户间传输错误门限比较判决机制，显著提高了无线衰落信道环境下CR系统的对频谱进行合作检测性能并增强了合作检测对实际衰落环境的鲁棒性。

附图说明

图1是目前的一种CR系统模型示意图；

图2是本发明实施例的一种在认知无线电系统中进行频谱检测的方法的流程图；

图3是本发明实施例的图2所述的S300的具体流程图；

图4是目前采用单个CR用户在加性高斯白噪声检测信道和瑞利衰落检测信道上本地能量检测性能对比示意图；

图5是瑞利衰落检测信道下不同合作CR用户数的合作检测性能对比示意图；

图6是在无线衰落环境下报告信道上传统合作检测性能与理想加性高斯白噪声下报告信道上传统合作检测性能对比示意图；

图7是瑞利衰落信道上利用选择分集增益降低传输比特错误概率的对比示意图；

图8是在无线衰落环境下仅利用选择分集增益却忽视CR用户间信道上衰落影响所导致的检测性能恶化的对比示意图；

图9是在无线衰落环境下本发明技术方案在OR融合决策规则情况中对CR系统检测性能的改善的示意图；

图10是在无线衰落环境下本发明技术方案在AND融合决策规则情况中对CR系统检测性能的改善的示意图；

图11是在无线衰落环境下本发明技术方案在K-N融合决策规则情况中对CR系统检测性能的改善的示意图；

图12是本发明实施例的一种基站的结构示意图；

图13是本发明实施例的一种基站的结构示意图；

图14是本发明实施例的一种CR备选用户的结构示意图；

图15是本发明实施例的一种合作关联单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更加清楚地理解和实施本发明，下面结合附图以具体实施例的方式，详细阐述本发明实施例的技术方案。

参考图2，图示了本发明实施例的在认知无线电系统中进行频谱检测的方法主流程图。根据图2可知，所述在认知无线电系统中进行频谱检测的方法包括：

S100，初始化与CR基站关联的CR用户作为备选用户集，并标识为CR备选用户。

S200，根据CR用户的报告信道的SNR，在备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户head_i(i＝1，2，3，...)，如：选择其中SNR最大的CR用户作为CR头用户head_i。

需要说明的是，在本发明实施例中，仅以选择SNR最大的CR用户为CR头用户为例，在保证系统性能或服务质量的前提下，当然可以选择SNR次大或其它SNR值的CR用户为CR头用户。

S300，根据用户间传输错误门限比较判决机制确定所述CR备选用户是否与所选的CR头用户head_i建立关联关系，将与所述CR头用户建立关联关系的CR备选用户标识为CR头用户head_i的CR关联成员用户。

S400，更新备选用户集，具体地，删除已经被选择为CR头用户的CR用户和所述CR头用户head_i的CR关联成员用户。

S500，判断所述备选用户集CR备选用户是否大于预定值(本例中假设预定值为1)，如果是，则返回到S200，如果否，则执行S600。

需要说明的是，在本例中，所述预定值个CR备选用户，具体的值可以根据实际网络环境或运营商策略进行设置，可以为0个、1个、2个、3个等，当为不同的值产生的效果有所差异，但并不影响本发明实施例的实施。

S600，将所述预定值个CR备选用户标识为CR头用户；

S700，与所述CR基站关联的CR头用户head_i和CR关联成员用户检测周围无线频谱环境中是否有授权用户信号；并且与CR头用户建立合作关联关系的CR关联成员用户将本地检测信息发送给CR头用户head_i，通过CR头用户head_i按照融合决策规则处理后生成检测处理信息，并将检测处理信息发送给所述CR基站；

需要说明的是，对于没有关联成员的CR头用户，直接根据自身的检测信息获得检查处理信息并发送给所述CR基站。

所述CR基站根据所述检测处理信息，按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲。

在本发明实施例中，如图3所示，S300包括：

S301，计算每一个CR备选用户的P_b，d和P_b，2h；

其中，P_b，d表示该CR备选用户若直接向CR基站汇报本地检测消息时所对应的传输比特错误概率，P_b，2h表示该CR备选用户若加入所选CR头用户head_i，所对应的分级汇报的传输比特错误概率。

在本发明实施例中，P_b，2h＝1-(1-P_b，m)(1-P_b，h)-P_b，mP_b，h，其中，P_b，m是所述CR备选用户与所选CR头用户间信道上的传输比特错误概率，带入CR备选用户与所选CR头用户间信道上信噪比η)，P_b，h是所选CR头用户的传输比特错误概率。

S302，判断P_b，d是否大于或等于P_b，2h，当P_b，d≥P_b，2h时，转到S303，否则转到S304。

S303，确定所述CR备选用户与所选的CR头用户建立关联关系，例如：以CR关联成员用户的身份加入到该CR头用户。

S304，所述CR备选用户不加入到所述CR头用户。

需要说明的是，在本发明实施例中，S700具体为采用检测信息分级汇报和发射功率自适应选择相结合的节能方式进行汇报，例如：各CR关联成员用户以低的第一发射功率首先向其所属CR头用户发送本地检测信息，各CR头用户(head_i(i＝1，2，3，...))按照融合决策规则进行预融合处理后生成检测处理信息，并采用高的第二发射功率发送到所述CR基站，并最终由CR基站对授权用户的有无做出全局判决，例如：

当根据所述检测处理信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中有授权用户信号时，则所述授权用户的频谱被占用；

或者

当根据所述检测处理信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中无授权用户信号时，则所述授权用户的频谱空闲。

以上步骤在每次合作检测时均执行，由于利用选择分集时选择的是瞬时SNR最大的CR用户作为CR头用户，因此所选的各个CR头用户以及与之建立关联的CR关联成员用户仅在本次合作中有效；但从多次合作检测来看是一个动态更新的过程。

需要说明的是，本发明实施例所提出的技术方案是一种合作检测方法，因此，对各种本地物理层检测算法均适用；

所述融合决策规则包括：OR规则、或者AND规则、或者K-N规则等。通过实施本发明实施例的一种在认知无线电系统中进行频谱检测的方法，通过联合利用多用户选择分集和用户间传输错误门限比较判决机制，显著提高了无线衰落信道环境下CR系统的对频谱进行合作检测性能并增强了合作检测对实际衰落环境的鲁棒性，同时，通过对检测信息分级汇报和发射功率自适应选择相结合的节能方法，即在分级汇报时，CR关联成员用户与该CR关联成员用户合作关联的CR头用户之间通讯时可自适应选择低的发射功率进行发射，而当CR头用户与CR基站之间通讯时则自适应采用高的发射功率进行发射，有效降低系统的总能量开销，可广泛地应用于能量受限无线通信系统(如军事和应急等实际系统)。

为了进一步阐述本发明实施例的一种在认知无线电系统中进行频谱检测的方法，下面结合图4-图11，以CR用户采用能量检测，信道衰落采用瑞利信道为例，执行本发明实施例的方法，并进行分析如下：

假设授权用户发射机与各CR用户之间的无线检测信道其信噪比为γ、CR用户向CR基站上报检测信息的无线报告信道其信噪比为ρ、任意两个CR用户之间的无线用户间信道其信噪比为η。

在CR系统的频谱检测中，频谱检测的目标是在所关注的频段范围内，检测是否有授权用户信号出现，其二元假设模型如下：

$r\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}g.s\left(t\right)+n\left(t\right),& H_1\\ n\left(t\right),& H_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，H1代表授权用户出现和H0代表授权用户未出现；r(t)是CR用户接收到的信号，s(t)是授权用户发射机的信号，n(t)是零均值的加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gaussian Noise)，g是检测信道的幅度增益。

为方便分析检测性能，此处以能量检测为例，能量检测得到r(t)的能量Y的判决统计量服从卡方分布：

$Y=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\χ}}_{2u}^2\left(2\mathrm{\γ}\right),& H_1\\ {\mathrm{\χ}}_{2u}^2,& H_0\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，u是时域带宽积，γ是检测信道的SNR，

是以2γ为参数的非中心卡方分布，

是中心卡方分布，二者的自由度均为2u。

当检测信道为理想AWGN信道时，能量检测的检测概率P_d、漏检概率P_m和虚警概率P_f分别为：

$P_d=\mathrm{Pr}(Y>\mathrm{\λ}|H_1)=Q_u(\sqrt{2\mathrm{\γ}},\sqrt{\mathrm{\λ}})---\left(3\right)$

P_m＝1-P_d    (4)

$P_f=\mathrm{Pr}(Y>\mathrm{\λ}|H_0)=\frac{\mathrm{\Γ}(u,\mathrm{\λ}/2)}{\mathrm{\Γ}\left(u\right)}---\left(5\right)$

其中Qu(.，.)是Marcum-Q函数，Γ(.，.)和Γ(.)分别是不完全和完全的Gamma函数，λ是检测判决门限。

针对检测信道衰落的影响，本发明实施例采用多用户合作检测在实际的检测信道上的性能分析：

以上是在理想的AWGN检测信道模型下的本地CR用户的检测性能情况。而在实际的无线传播环境中，检测信道将存在衰落的影响，本地CR用户的检测概率可表示为：

$P_d={\∫}_0^{\∞}{Q}_u(\sqrt{2\mathrm{\γ}},\sqrt{\mathrm{\λ}})p_{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\γ}\right)d\mathrm{\γ}---\left(6\right)$

其中，P_γ(γ)是衰落信道的概率密度函数，此处以瑞利衰落信道模型为例(其对应的概率密度函数是负指数分布)，则经历瑞利衰落检测信道后，并对式(6)进行整理后为：

$P_d=e^{-\frac{\mathrm{\λ}}{2}}\underset{k=0}{\overset{u-2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{k!}{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2}\right)}^k+{\left(\frac{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}\right)}^{u-1}\×(e^{-\frac{\mathrm{\λ}}{2(1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}})}}-e^{-\frac{\mathrm{\λ}}{2}}\underset{k=0}{\overset{u-2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{k!}{\left(\frac{\mathrm{\λ}\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}{2(1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}})}\right)}^k)---\left(7\right)$

与此同时，式(5)的P_f则保持不变，因为P_f对应的是H0的情况(即：没有授权用户信号出现，也就没有衰落信道的影响)，所以，虚警概率P_f独立于衰落信道的SNR。

如上所述，由于检测信道上的衰落，本地CR用户的检测性能受到了影响，如图4所示，单个次用户(或单个CR用户)在瑞利衰落检测信道上的检测性能比在理想AWGN检测信道上的检测性能差。

为了提高CR系统检测的准确性和可靠性，同时降低单个CR用户的检测精度要求，通常采用多用户合作检测的方式，以提高CR系统的整体合作检测性能。

本地CR用户首先通过本地检测算法对授权用户进行本地判决，然后将本地判决汇报至CR基站，CR基站按照一定的融合决策规则(如OR规则、AND规则、K-N规则)对授权用户信号的有无做出最终判决。

在OR规则中，只要有一个本地CR用户检测到授权用户信号即最终判定授权用户出现；在AND规则中，当所有本地CR用户均报告授权用户出现时才最终判定授权用户出现；K-N规则是OR规则和AND规则的折中，即当N个本地CR用户中至少有K个检测到授权用户信号就最终判决授权用户出现。这三种融合规则下的CR系统合作检测性能分别为：

$\mathrm{OR}-\mathrm{rule}:\left\{\begin{array}{c}{Q}_d=1-{(1-P_d)}^N\\ Q_f=1-{(1-P_f)}^N\end{array}\right.---\left(8\right)$

$\mathrm{AND}-\mathrm{rule}:\left\{\begin{array}{c}{Q}_d={\left(P_d\right)}^N\\ Q_f={\left(P_f\right)}^N\end{array}\right.---\left(9\right)$

$K-N-\mathrm{rule}:\left\{\begin{array}{c}{Q}_d=\underset{j=K}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}N\\ j\end{array}\right){P_d}^j{(1-P_d)}^{N-j}\\ Q_f=\underset{j=K}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}N\\ j\end{array}\right){P_f}^j{(1-P_f)}^{N-j}\end{array}\right.---\left(10\right)$

因此，针对检测信道上的衰落影响，通过多个本地CR用户间的合作检测，可以提高CR系统的整体检测性能。以OR融合规则为例，如图5所示，多用户合作检测后的CR系统检测性能要好于单个CR用户的本地检测性能，随着CR用户数的增加，CR系统的整体检测性能改善。

针对报告信道衰落的影响，本发明实施例采用多用户选择分集在实际的报告信道上进行检测的性能分析：

在实际无线传播环境中，衰落的影响无处不在，除检测信道上的衰落外，各本地CR用户到CR基站之间的报告信道以及任意两个CR用户之间的用户间信道均会受到无线衰落环境的影响，而导致检测消息的传输错误，使CR系统的检测性能明显恶化。以OR规则为例，在实际衰落环境中传统合作检测方法的检测性能由于报告信道的衰落影响由式(8)改写为：

$\mathrm{OR}-\mathrm{rule}:\left\{\begin{array}{c}{Q}_d=1-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}((1-P_{d,i})(1-P_{b,i})+P_{d,i}{P}_{b,i})\\ Q_f=1-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}((1-P_{f,i})(1-P_{b,i})+P_{f,i}{P}_{b,i})\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中，P_b，i是本地CR用户i的检测信息在衰落报告信道上的误比特概率，当CR用户与CR基站或CR用户之间进行通信时采用能量脉冲的形式，即等效于二进制移相键控(Binary Phase Shift Key，BPSK)信号，假设报告信道和用户间信道也是瑞利衰落信道，则在瑞利衰落信道上的检测消息传输比特差错概率P_b，i可表示为：

$P_{b,i}={\∫}_0^{\∞}{P}_b\left(\mathrm{\ρ}\right)p_{\mathrm{\ρ}}\left(\mathrm{\ρ}\right)\mathrm{d\ρ}={\∫}_0^{\∞}Q\left(\sqrt{2\mathrm{\ρ}}\right)\frac{1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}\exp (-\frac{\mathrm{\ρ}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}})\mathrm{d\ρ}=\frac{1}{2}(1-\sqrt{\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}})---\left(12\right)$

如图6所示，实际衰落报告信道上的检测性能远逊于理想报告信道上的检测性能，即：报告信道上的衰落严重影响了CR系统的合作检测性能。为解决这一问题，可以利用多用户选择分集增益，即从多个CR用户中选择SNR最大的CR用户作为CR头用户。因此在所选出的CR头用户处，其SNR的累积分布函数是：

$P_{{\mathrm{\&rho;}}_{\max }}\left(\mathrm{\&rho;}\right)=\mathrm{Pr}({\mathrm{\&rho;}}_{\max }<\mathrm{\&rho;})=\mathrm{Pr}\left(\max \right[{\mathrm{\&rho;}}_1,{\mathrm{\&rho;}}_2,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,{\mathrm{\&rho;}}_N]<\mathrm{\&rho;})$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\mathrm{Pr}({\mathrm{\&rho;}}_i<\mathrm{\&rho;})={(1-e^{-\mathrm{\&rho;}/\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}})}^N---\left(13\right)$

对累积分布函数进行求导后，所选CR头用户处SNR的概率密度函数为：

$p_{{\mathrm{\&rho;}}_{\max }}\left(\mathrm{\&rho;}\right)=\frac{N}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}}{(1-e^{-\mathrm{\&rho;}/\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}})}^{N-1}{e}^{-\mathrm{\&rho;}/\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}}---\left(14\right)$

因此，所选CR头用户在其瑞利衰落报告信道上的误比特概率可表示为：

$P_{b,h}={\&Integral;}_0^{\&infin;}{P}_b\left(\mathrm{\&rho;}\right)p_{{\mathrm{\&rho;}}_{\max }}\left(\mathrm{\&rho;}\right)\mathrm{d\&rho;}={\&Integral;}_0^{\&infin;}Q\left(\sqrt{2\mathrm{\&rho;}}\right)\frac{N}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}}{(1-e^{-\mathrm{\&rho;}/\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}})}^{N-1}{e}^{-\mathrm{\&rho;}/\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}}d\mathrm{\&rho;}$

$=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(-1)}^{N-k-1}\left(\begin{array}{c}N-1\\ k\end{array}\right)\frac{N}{2(N-k)}(1-\sqrt{\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}}{N-k+\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}}})---\left(15\right)$

如图7所示，由于所选CR头用户利用了多用户选择分集增益，其在衰落报告信道上的传输差错随着合作CR用户数的增加而减小。同时，从图7中可以看出，该增加过程是非线性的，即分集增益的提升程度随着CR用户数的增加而逐渐递减，换言之，利用多用户选择分集增益在CR用户数较少时即可得到充分体现。

针对用户间信道衰落影响，本发明实施例采用传输错误门限比较判决机制进行合作检测的性能分析：

需要说明的是，在利用多用户选择分集的同时，不能够忽视CR用户间信道上的无线衰落影响。因为，若仅仅通过选择分集增益来选择SNR最大的CR用户作为CR头用户，而其它CR备选用户不加判决地加入该CR头用户并向其汇报本地检测信息，则其它CR备选用户与所选头CR用户之间的用户间信道上的传输错误会抵消掉多用户选择分集增益带来的性能改善，如图8所示，从多次随机撒点的统计平均仿真结果来看，仅利用选择分集增益而忽视用户间信道上的衰落影响所带来的后果是：其检测性能甚至还会略低于传统的合作检测方法，即仍然无法满足CR系统中频谱检测的可靠性和准确性要求。

因此，本发明实施例的技术方案针对任意两个CR用户间信道上无线衰落影响所造成的传输差错，在利用多用户选择分集的同时，联合采用CR用户间传输错误门限比较判决机制，根据所选出的CR头用户，每个CR备选用户做出如下比较并判决是否加入所选CR头用户：

其中，P_b，d表示某CR备选用户若直接向CR基站汇报本地检测消息时所对应的传输比特错误概率(具体地，可由式(12)得到)，P_b，2h表示该CR备选用户若加入所选CR头用户，所对应的分级汇报的传输错误概率：

P_b，2h＝1-(1-P_b，m)(1-P_b，h)-P_b，mP_b，h    (17)

其中，P_b，m是该CR备选用户与所选CR头用户间信道上的传输比特错误概率(将ρ替换为η后，可由式(12)得到)，P_b，h是所选CR头用户的传输比特错误概率(可由式(15)得到)。

如图9-图11所示，通过联合利用多用户选择分集和用户间传输错误门限比较判决机制，本发明实施例的一种在认知无线电系统中进行频谱检测的方法，可以明显改善CR系统在实际复杂无线传播环境中的检测性能且提高了合作检测在衰落环境中的鲁棒性。

本发明实施例通过检测信息分级汇报和发射功率自适应选择相结合方式进行合作检测的性能分析：

除了提高系统的合作检测性能及其对衰落环境鲁棒性外，本发明实施例的技术方案还针对CR技术实际应用中(如军事和应急系统等)通常存在的能量受限要求，提出采用检测信息分级汇报和发射功率自适应选择相结合的节能方法。

分级汇报指各CR关联成员用户首先将各自本地检测所获取的本地检测信息汇报给与该CR关联成员用户合作关联的CR头用户，CR头用户对数据按照融合决策规则进行预融合处理后，再汇报至CR基站，最终由CR基站对授权用户是否出现做出全局判决。

在无线通信系统中，无线信道的SNR与信道系数和发射机处的发射SNR直接相关，因此，CR系统内的用户间信道和报告信道的SNR可表示为：

η＝h²E_s/N₀    (18)

其中，h是信道系数，E_s是发射机处的信号能量，N₀是AWGN噪声的能量，所以，平均SNR又可表示为：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&eta;}}=E(h^2{E}_s/N_0)=E\left(h^2\right)E_s/N_0---\left(19\right)$

其中，针对收发机间距离造成的路损因素影响，信道系数h通常具有如下的统计特性：

E(h²)＝(d_r/d_TR)^α    (20)

其中，α是路损因子，d_TR是收发机间距离，d_r是参考距离(本例设参考距离等于各CR用户到CR基站的平均距离)。

根据以上讨论可以看出，无线信道的平均SNR是收发机间距离和发射机处SNR的折中，即对于给定的信道平均SNR，当收发机间距离较近时可以减小发射功率，反之当收发机间距离较远时可以增大发射功率。在CR系统中，通常CR用户之间的距离相比于各CR用户到CR基站的平均距离相对较近，所以本方案中为降低系统总能量开销，在进行检测信息分级汇报时，提出各CR用户设备可根据通信的对象(CR头用户或CR基站)自适应选择不同的发射功率进行发射，即：令每个CR用户都有两种发射功率模式，当CR关联成员用户与该CR关联成员用户合作关联的CR头用户之间通讯时(即进行本地检测信息汇报时)，由于CR用户间的距离相比到CR基站的距离通常较近，所以采用低的发射功率；当CR头用户向CR基站进行信息汇报时，则采用高的发射功率。所以，从总能量开销来看，本技术方案使CR系统所节省的能量开销比例为：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{E_{s,h}N-(E_{s,h}H+E_{s,l}(N-H))}{E_{s,h}N}---\left(21\right)$

其中，N代表总的CR用户数，H代表所选出的CR头用户个数，E_s，l是CR用户间通信时采用低发射功率的发射能量，E_s，h是CR用户与CR基站通信时采用高发射功率的发射能量，在实际应用中E_s，l和E_s，h可根据CR系统的实际应用场景以及式(19)和式(20)进行设置。

因此，如表1所示，采用本发明实施例的分级汇报和发射功率自适应选择相结合的节能合作检测方式，可以节省CR系统的总体能量开销。

表1

需要说明的是，本发明实施例仅仅以能量检测为例，本领域的技术人员应该理解，本发明实施例的技术方案还适用于特征检测，匹配滤波器检测等其它本地检测算法，其处理方式与上述类似，不再赘述。

基于上述的一种在认知无线电系统中进行频谱检测的方法，需要对当前的CR系统的各个功能实体进行功能性增强改进。

如图1所示，本发明实施例的一种认知无线电系统，包括至少一个CR基站，所述CR基站下包括多个CR用户。

在本发明实施例的认知无线电系统的一实施方式中，如图12所示，所述CR基站(或基站)包括：

初始化单元7000，用于将与本CR基站关联的CR用户标识为备选用户，作为备选用户集；

选择单元7100，用于根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户；

判断单元7200，用于判断所述备选用户集中CR备选用户是否大于预定值(预定值可以根据实际网络环境进行不同的设置，可以设置为0个、1个、2个等)，并在判断为是时，触发所述选择单元7100根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中再选择一个CR用户作为CR头用户，或者在判断为否时，将所述预定值个CR备选用户标识为CR头用户；

检测信息接收单元7300，用于接收所述CR头用户发送的汇报信息，所述汇报信息由所述CR头用户按照融合决策规则对所述CR头用户的检测信息、所述CR头用户的CR关联成员用户的本地检测信息处理后生成；

融合决策单元7400，用于根据所述检测信息接收单元接收的CR头用户发送的汇报信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲，例如：当根据所述本地检测信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中有授权用户信号时，则所述授权用户的频谱被占用；或者，当根据所述本地检测信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中无授权用户信号时，则所述授权用户的频谱空闲。

其中，如图14所示，所述CR用户包括：

合作关联单元7500，用于根据用户间传输错误门限比较判决机制确定该CR备选用户是否与所述选择单元选择的CR头用户建立合作关联关系，当与所述CR头用户建立合作关联关系，则标识为CR关联成员用户；

合作通讯单元8100，用于当本CR用户当选为CR头用户时，通知其它CR用户出现了新的CR头用户，当本CR用户没有当选为CR头用户时，接收当选为CR头用户的通知信息。

融合预处理单元8200，用于当本CR用户当选为CR头用户时，对与本CR用户关联的CR关联成员用户发送的本地检测信息进行预处理，并将处理结果发送给CR基站。

在本发明实施例的认知无线电系统的另一实施方式中，如图13所示，所述CR基站(或基站)除了具有图12所述的结构外，进一步包括：

合作关联单元7500，用于根据用户间传输错误门限比较判决机制确定CR备选用户是否与所述选择单元7100选择的CR头用户建立关联关系，并将与所述CR头用户建立关联关系的CR备选用户标识为CR关联成员用户。

需要说明的是，如图15所示，在所述基站或CR用户中的所述合作关联单元包括：

第一计算单元7201，用于计算CR备选用户到CR基站间的传输比特错误概率P_b，d；

第二计算单元7202，计算CR备选用户通过与CR头用户关联后到CR基站间的传输比特错误概率P_b，2h；

比较单元7203，用于比较第一计算单元7201计算得到的P_b，d和第二计算单元7202计算得到的P_b，2h的大小；

合作关联建立单元7204，用于当比较单元7203比较结果为P_b，d≥P_b，2h，确定所述CR备选用户与所选的CR头用户建立关联关系。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

综上所述，通过实施本发明实施例的一种认知无线电系统及其频谱检测的方法、基站，针对无线应用环境中检测信道、报告信道、用户间信道上的无线衰落影响，联合利用多用户选择分集和用户间传输错误门限比较判决机制，显著提高了无线衰落信道环境下CR系统的合作检测性能并增强了合作检测对实际衰落环境的鲁棒性；

并且本发明实施例的技术方案及流程不受限于具体的物理层本地检测算法，同时其对各种融合决策规则均有效(即：在实际无线衰落环境中，OR规则、AND规则、K-N规则下的合作检测性能均得到了明显改善，分别如图9、10、11所示)；

此外，本发明技术方案还提出检测信息分级汇报和发射功率自适应选择相结合的节能方法，即在分级汇报时，CR用户有两种发射功率参数，在CR用户间通信时可自适应选择低的发射功率进行发射，而当CR用户与CR基站直接进行通信时则自适应采用高的发射功率进行发射，有效降低系统的总能量开销，可广泛地应用于能量受限无线通信系统(如军事和应急等实际系统)。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种在认知无线电系统中进行频谱检测的方法，其特征在于，包括：

将与认知无线电CR基站关联的CR用户标识为备选用户，作为备选用户集，根据所述CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户；

根据用户间传输错误门限比较判决机制确定所述CR备选用户是否与所选的CR头用户建立合作关联关系，将与所述CR头用户建立合作关联关系的CR备选用户标识为CR关联成员用户；

判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值，如果是，则返回到所述根据所述CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户的步骤，如果否，则将所述预定值个CR备选用户分别标识为CR头用户；

所述CR头用户和CR关联成员用户检测周围无线频谱环境中是否有授权用户信号，分别获得CR头用户的检测信息、CR关联成员用户的本地检测信息；

所述CR关联成员用户将本地检测信息发送给与该CR关联成员用户关联的CR头用户，所述CR头用户按照融合决策规则对所述CR头用户的检测信息、所述本地检测信息处理后生成检测处理信息，并将检测处理信息发送给所述CR基站；

所述CR基站根据所述检测处理信息，按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲；

其中，在所述判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值之前还包括：更新备选用户集，删除已经被选择为CR头用户的CR用户和所述CR头用户的CR关联成员用户。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据用户间传输错误门限比较判决机制确定所述CR备选用户是否与所选的CR头用户建立关联关系包括：

计算所述CR备选用户到所述CR基站间的传输比特错误概率P_b，d，

计算所述CR备选用户通过所选的CR头用户到所述CR基站间的传输比特错误概率P_b，2h，

当P_b，d≥P_b，2h，则确定所述CR备选用户与所选的CR头用户建立关联关系。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述P_b，2h通过如下方式获得：

P_b，2h＝1-(1-P_b，m)(1-P_b，h)-P_b，mP_b，h，

其中，P_b，m是所述CR备选用户与所选CR头用户间信道上的传输比特错误概率，P_b，h所选CR头用户的传输比特错误概率。

4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述CR关联成员用户采用第一发射功率将本地检测信息发送给与该CR关联成员用户关联的CR头用户；

所述CR头用户按照融合决策规则处理后生成检测处理信息，采用第二发射功率将所述检测处理信息发送给所述CR基站，所述第二发射功率高于第一发射功率。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述CR基站根据所述检测处理信息，按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲包括：

当根据所述检测处理信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中有授权用户信号时，则所述授权用户的频谱被占用；

或者

当根据所述检测处理信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中无授权用户信号时，则所述授权用户的频谱空闲。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述融合决策规则包括：OR规则、或者AND规则、或者K-N规则。

7.一种基站，其特征在于，包括：

初始化单元，用于将与本基站关联的CR用户标识为备选用户，作为备选用户集；

选择单元，用于根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户；

判断单元，用于判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值，并在判断为是时，触发所述选择单元根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中再选择一个CR用户作为CR头用户，或者在判断为否时，将所述预定值个CR备选用户分别标识为CR头用户；

检测信息接收单元，用于接收所述CR头用户发送的汇报信息，所述汇报信息由所述CR头用户按照融合决策规则对所述CR头用户的检测信息、所述CR头用户的CR关联成员用户的本地检测信息处理后生成；

融合决策单元，用于根据所述检测信息接收单元接收的CR头用户发送的汇报信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲；

合作关联单元，用于根据用户间传输错误门限比较判决机制确定CR备选用户是否与所述选择单元选择的CR头用户建立合作关联关系，并将与所述CR头用户建立关联关系的CR备选用户标识为CR关联成员用户；

其中，在判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值之前，更新备选用户集，删除已经被选择为CR头用户的CR用户和所述CR头用户的CR关联成员用户。

8.按照权利要求7所述的基站，其特征在于，所述合作关联单元包括：

第一计算单元，用于计算CR备选用户到CR基站间的传输比特错误概率P_b，d；

第二计算单元，计算CR备选用户通过CR头用户到CR基站间的传输比特错误概率P_b，2h；

比较单元，用于比较第一计算单元计算得到的P_b，d和第二计算单元计算得到的P_b，2h的大小；

合作关联建立单元，用于当比较单元比较结果为P_b，d≥P_b，2h，确定所述CR备选用户与所选的CR头用户建立合作关联关系。

9.一种认知无线电系统，包括至少一个CR基站，所述CR基站下包括多个CR用户，其特征在于，所述CR基站包括：

初始化单元，用于将与本CR基站关联的CR用户标识为备选用户，作为备选用户集；

选择单元，用于根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户；

合作关联单元，用于根据用户间传输错误门限比较判决机制确定CR备选用户是否与所述选择单元选择的CR头用户建立合作关联关系，并将与所述CR头用户建立合作关联关系的CR备选用户标识为CR关联成员用户；

判断单元，用于判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值，并在判断为是时，触发所述选择单元根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中再选择一个CR用户作为CR头用户，或者在判断为否时，将所述预定值个CR备选用户分别标识为CR头用户；

检测信息接收单元，用于接收所述CR头用户发送的汇报信息，所述汇报信息由所述CR头用户按照融合决策规则对所述CR头用户的检测信息、所述CR头用户的CR关联成员用户的本地检测信息处理后生成；

融合决策单元，用于根据所述检测信息接收单元接收的CR头用户发送的汇报信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲；

其中，在判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值之前，更新备选用户集，删除已经被选择为CR头用户的CR用户和所述CR头用户的CR关联成员用户。

10.一种认知无线电系统，包括至少一个CR基站，所述CR基站下包括多个CR用户，其特征在于，所述CR基站包括：

初始化单元，用于将与本CR基站关联的CR用户标识为备选用户，作为备选用户集；

选择单元，用于根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中选择一个CR用户作为CR头用户；

判断单元，用于判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值，并在判断为是时，触发所述选择单元根据CR用户对应的报告信道的信噪比，在所述备选用户集中再选择一个CR用户作为CR头用户，或者在判断为否时，将所述预定值个CR备选用户分别标识为CR头用户；

检测信息接收单元，用于接收所述CR头用户发送的汇报信息，所述汇报信息由所述CR头用户按照融合决策规则对所述CR头用户的检测信息、所述CR头用户的CR关联成员用户的本地检测信息处理后生成；

融合决策单元，用于根据所述检测信息接收单元接收的CR头用户发送的汇报信息按照融合决策规则确定无线频谱环境中是否有授权用户信号以确定所述授权用户的频谱是否空闲；

其中，在判断所述备选用户集中CR备选用户个数是否大于预定值之前，更新备选用户集，删除已经被选择为CR头用户的CR用户和所述CR头用户的CR关联成员用户；

其中，所述CR用户包括：

合作关联单元，用于根据用户间传输错误门限比较判决机制确定该CR用户是否与所述选择单元选择的CR头用户建立合作关联关系，当与所述CR头用户建立合作关联关系，则标识为CR关联成员用户；

合作通讯单元，用于当本CR用户当选为CR头用户时，通知其它CR用户出现了新的CR头用户，或者当本CR用户没有当选为CR头用户时，接收当选为CR头用户的通知信息；

融合预处理单元，用于当本CR用户当选为CR头用户时，对与本CR头用户关联的CR关联成员用户发送的本地检测信息进行预处理，并将处理结果发送给CR基站。

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