CN101754402A - 寻找空闲工作频段的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种寻找空闲工作频段的方法，包括步骤：具有感知能力的节点在各自特定的广播时隙广播其感知结果；具有感知能力的节点在其它广播时隙内监听周围的广播信息，把接收到的其它感知节点的频谱信息进行数据融合，选择该位置合适的工作频段；不具有感知能力的节点利用周围感知节点的广播信息找到可用的工作频段。本发明具有较低的处理复杂度，计算速度快，而且方法简单、易于工程实现。此外在辅助节点数量较大时，可以实现感知信息准确性的验证，从而保证了频谱感知的安全性，避免了恶意节点对频谱感知的攻击。

Description

寻找空闲工作频段的方法和系统

技术领域

本发明涉及认知无线电，特别涉及节点辅助空间频谱估计的方法。

背景技术

认知无线电(Cognitive Radio)是为了解决未来无线通信中可用频谱资源紧缺，传统固定频谱分配机制利用率不高而提出的一种频谱共享技术，认知无线电通过对周围无线环境进行频谱感知(Spectrum Sensing)，并基于频谱感知的结果选择合适的空闲工作频段，调整无线传输参数，即避免了对该频段上有使用许可用户系统的干扰，又保证了认知设备的传输。认知无线电中一个关键技术和实现的前提就是如何保证准确而快速的进行频谱感知。

在认知无线电系统中，常见的单节点频谱感知方法包括能量检测，匹配滤波器，循环平稳特征检测等。这些感知方法都存在着不足，如能量检测器虽然实现比较简单，但是容易受到信道和噪声不确定性的影响。在单节点频谱感知的基础上基于协作的办法提出了协作感知的方法，即融合多个认知设备频谱感知的结果做出总的判决，从而能降低由于无线信道衰落或阴影对感知性能的影响。

在认知无线电系统中，常见的频谱感知方法按照参与感知的节点及其方式可以分为单节点感知，多节点协作感知和网络辅助感知三类。这三类感知方法各有其优缺点，单节点感知的优点在于实现简单，不需要节点之间交互控制信息和数据信息，缺点是感知性能容易受到无线信道衰落或阴影的影响。多节点协作感知的方法，即融合多个认知设备频谱感知的结果做出总的判决，能降低由于无线信道衰落或阴影对感知性能的影响，但是由于多个认知设备协同工作会带来很多问题，如需要增加信道来传输交互各自的感知信息，增加了处理的时延，此外由于恶意节点的出现可能会破坏感知结果。

针对传统的协作认知网络，在频谱感知方面需要解决如下几个方面的问题：

(1)传统的协作认知网络是固定的，但是由于认知设备的移动性，以及空闲频谱资源在空间上的分布不均，因此传统的认知网络存在很多问题，例如在不同区域内的可用空闲频谱资源并不一致，如果都使用统一的网络频谱信息会导致在某些局部对频谱许可系统的干扰。

(2)在传统的频谱感知中，所有的节点都要独立的在静默期(QuitePeriod)进行感知，在协作感知中还需要把感知结果上传给中央控制节点来做出总的频谱资源判决，这种机制使得所有节点设备都需要装备上感知模块，从而造成认知设备的实现上较为复杂，静默期的引入也需要系统具有较强的同步机制和控制机制。

应用场景如图1所示，主用户(Primary User)和认知次要用户(SecondaryUser)共享使用频谱，要保证认知设备不会影响主用户系统的正常工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种寻找空闲工作频段的方法和系统。

为实现上述目的，一种寻找空闲工作频段的方法，包括步骤：

a.具有感知能力的节点在各自特定的广播时隙广播其感知结果；

b.具有感知能力的节点在其它广播时隙内监听周围的广播信息，把接收到的其它感知节点的频谱信息进行数据融合，选择该位置合适的工作频段；

c.不具有感知能力的节点利用周围感知节点的广播信息找到可用的工作频段。

本发明具有较低的处理复杂度，计算速度快，而且方法简单、易于工程实现。此外在辅助节点数量较大时，可以实现感知信息准确性的验证，从而保证了频谱感知的安全性，避免了恶意节点对频谱感知的攻击。

附图说明

图1为典型的认知无线电应用场景；

图2为节点辅助频谱估计的工作原理示意图；

图3为估计的相对误差与辅助节点数量的关系；

图4为节点辅助频谱估计和传统协作频谱感知的检测概率的性能比较图。

具体实施方式

在IEEE 802.22标准草案D1.0中没有提出网络辅助感知的方法，在IEEE P1900.4(现在更名叫IEEE SCC(Standards Coordinating Committee)41标准组)中的关键技术之一就是利用CPC(Cognitive Pilot Channel，认知导频信道)为所有的可重配置节点提供可用网络信息，CPC技术可以看成一种初级的网络辅助感知技术。但是在SCC41中提出的CPC具有实现复杂，需要一个全球通用的工作频带等缺点，并且在一个较大的空间范围内使用统一的CPC不能反映出频谱的空间分布不均匀的特性。

针对上述的单节点频谱感知和多节点协作频谱感知各自的缺点，并且考虑到从目前的无认知能力无线设备向未来认知设备发展的过程中，如何让没有感知能力的节点能够很容易的获得所处位置的可用空闲频谱信息。本发明利用部署在周围环境的感知节点的感知信息，来估计空间域上各处的可用频谱信息，也就是设计一种动态的频谱空间分布信息库/表。

本发明的方法构成如图2所示。图2给出了一种由具有不同能力的节点组成的认知网络示意图。图2中的次要节点可以按是否具有感知能力分为感知节点和普通节点两种，每个具有认知功能的节点选择的频谱感知方法可以是基于能量检测，或者其他频谱感知方法，而没有认知功能的节点可以通过监听信标消息中的可用信道列表消息以实现认知的功能。在认知网络中，具有感知能力的节点设备各自执行频谱感知，然后在特定的时隙广播其频谱信息(分为两种情况，广播各频段内的感知结果或者广播自己感知判决的频谱空洞信息)，广播信息的功率一般比数据传输时的功率要低，从而保证不对主用户带来干扰，并且节约节点设备的能耗。

①在第一种情况下，感知节点使用的感知方法是基于能量检测，每个感知节点在某个特定的时隙周期性的广播在不同频段内感知到的信号功率或者RSSI值，一种可能的消息格式如表1所示，而没有认知功能的节点通过接收这些广播到的各频段内的信号功率按下面的方法来估计自己所处位置的可用频谱分布情况。

表1

感知节点ID	感知节点位置(可选)
		频带1	检测到的信号功率
频带2	检测到的信号功率
		...	...
频带M	检测到的信号功率

假设频段划分为M段，分别用f_j(j＝1，2...，M)来表示，感知节点N_i的位置为(x_i，y_i)，这些感知节点周期性的在小范围内广播其位置信息和上一个感知期内感知到的各频段内的功率信息。假设要估计的位置坐标为(x，y)，感知节点i感知到的频段f_j的信号功率为P_i，j。不失一般性考虑，假设在某位置(x，y)一共接收到周围N个节点N_i(i＝1，2，..N)的信息，根据频谱分布具有的连续性，则该位置处频段f_j的信号功率可以估计为：

$P_j=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}/N---\left(1\right)$

如果要获得更精确的估计值，在每个设备装备上GPS定位模块，并且广播的消息中包含有该节点的坐标(见表1)，当感知节点数目N＞＝3时，可以根据发射功率，接收功率与距离的关系(路径传播模型)，通过三点以上的位置信息可以估计出信号源的位置，进而估计该位置的主系统信号功率。

具体推导过程如下，假设主系统(位置x₀，y₀)在某个频段发射功率为P，利用信道传播模型，如Hata模型，根据接收到的周围N个辅助感知节点N₁，N₂…和N_N的接收功率P₁，P₂…和P_N，通过联立方程组，可以得到在(x，y)处的信号功率的估计值。方程组的基本形式如下：

$\stackrel{\→}{P}=\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ ...\\ P_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}W\left(d_1\right)\\ W\left(d_2\right)\\ ...\\ W\left(d_N\right)\end{array}\right]P=\mathrm{WP}---\left(2\right)$

其中W为路径传播模型的函数，只与各辅助感知节点i到主系统的距离d_i有关，而

$d_i=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2}---\left(3\right)$

通过求解方程组可以得到(x₀，y₀)和P的估计值(x₀′，y₀′)和P′。因此在(x，y)处的主系统功率的估计值P_e则可以计算如下：

$P_e=W\left(d_0\right)P^{\′}=P^{\′}\sqrt{{({x_0}^{\′}-x)}^2+{({y_0}^{\′}-y)}^2}---\left(4\right)$

在根据(4)估计出每个频段内的信号功率之后，结合门限进行判断，可以选择出当前位置合适的工作频段和候选工作频段。

②(只广播可用频谱空洞信息)类似的在第二种情况下，如果感知节点只广播可用频谱空洞的频段或者频段ID，则可以简化估计过程，选择周围的感知节点广播的频谱空洞的交集(即周围感知节点共有的频谱空洞)，则这些共有的频谱空洞在该位置也为可用频谱空洞；如果只有部分周围的感知节点判定该频段为频谱空洞，则该频段为该位置的候选频谱空洞。一种可能的广播消息格式如表2所示，假设其中频谱空洞频段按干扰情况排列，干扰最小的频段排在前面。这种情况估计性能较差，但是具有实现简单，交互信息少的优点。

表2

在该方案中，具有感知能力的节点通过接收其他感知节点的频谱信息，可以进行信息融合，从而实现类似协作式感知对感知性能的增益。

在安全方面，为了避免有恶意节点伪造发送虚假的感知信息(如坚持判决为存在主系统信号或者坚持判决为不存在主系统信号)，可以通过多个节点(当感知节点数多于3个时)的信息相互验证来找到明显伪造信息的节点，并通过中央控制节点广播该恶意节点的位置，ID等信息，从而保证协作感知的可靠性。其具体实现方法是每个节点检测周围感知节点的感知信息，对于那些与其他节点感知频谱信息不同的感知节点，进行可信度的标记，在较长时期内统计每个感知节点的可信度信息，最终找到可信度较低的感知节点，即为恶意节点。

总之，这种节点辅助频谱估计的方法避免了所有节点都需要有频谱感知模块，适应了认知无线电的逐步发展趋势。通过某些感知节点的信息局域共享，实现了在空间域上频谱信息的估计；通过网络间设备的协作，保证了频谱信息的可靠性，同时取得一定的协作处理增益。这种方法相比协作频谱感知减少了网络负荷，提高了数据的传输效率。具有较低的处理复杂度，计算速度快，而且方法简单、易于工程实现。

实施例

图1为一个典型的认知无线电应用场景，主系统的发射端(PrimaryTransmitter)发送信号到主系统的接收端(Primary Receiver)，而认知网络则伺机占用主系统的工作频段，为了减少认知网络对主系统的可能干扰，因此需要进行频谱感知来检测是否有主系统在占用该频段。假设在网络中存在一部分具有感知能力的节点，还有一部分没有感知能力的节点。节点辅助频谱估计的工作流程如下：

1.在一个超帧内，所有具有感知能力的节点在各自特定的广播时隙广播其感知结果(可以广播各频段内的感知结果或者广播自己感知判决的频谱空洞信息)，其消息格式见表1和表2所示。

2.具有感知能力的节点在其它广播时隙内监听周围的广播，把接收到的其它感知节点的频谱信息通过数据融合，从而做出自己的频谱判断，选择出该位置最合适的工作频段。

3.不具有感知能力的节点在广播时隙内监听周围的广播，利用这些广播信息对各频段内的信号频谱进行估计，然后根据阈值(阈值可以根据主系统信号的发射功率值减去路径损耗来确定，典型的对于数字电视信号可以取-30dBm为阈值)来判断该频段是否可用，或者对周围感知节点的频谱空洞信息进行融合从而判断出可用的频段，具体的估计方法可以分以下三种情况：

①假设广播的是感知节点感知到各频段内的主系统信号功率，消息结构如表1所示，假设感知节点i感知到频段f_j的信号功率为P_i，j，在某位置(x，y)一共接收到周围N个节点N_i(i＝1，2，..N)的信息，根据频谱分布具有的连续性，则该位置处频段f_j的信号功率可以估计为：

$P_j=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}/N$

②如果要获得更精确的估计值，在每个具有感知能力的节点设备装备上GPS定位模块，广播的是感知节点感知到各频段内的信号功率和位置信息。当感知节点数目N＞＝3时，可以根据发射功率，接收功率与距离的关系(路径传播模型)，通过三点以上的位置信息可以估计出信号源的位置，进而估计该位置的信号功率。

具体推导过程如下，假设主系统(位置x₀，y₀)在某个频段发射功率为P，利用信道传播模型，如Hata模型，根据接收到的周围N个辅助感知节点N₁，N₂…和N_N的接收功率P₁，P₂…和P_N，通过联立方程组，可以得到在(x，y)处的主用户功率的估计值。方程组的基本形式如下：

$\stackrel{\→}{P}=\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ ...\\ P_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}W\left(d_1\right)\\ W\left(d_2\right)\\ ...\\ W\left(d_N\right)\end{array}\right]P=\mathrm{WP}$

其中W为路径传播模型的函数，只与各辅助感知节点i到主系统的距离d_i有关，而

$d_i=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2}$

通过求解方程组可以得到(x₀，y₀)和P的估计值(x₀′，y₀′)和P′。因此在(x，y)处的主系统功率的估计值P_e则可以计算如下：

$P_e=W\left(d_0\right)P^{\′}=P^{\′}\sqrt{{({x_0}^{\′}-x)}^2+{({y_0}^{\′}-y)}^2}$

在通过上述①②两种方法估计出每个频段内的主系统信号功率之后，结合门限阈值进行判断并进行排序，选择出主系统信号功率最小的频段为当前位置最合适的工作频段，其他主系统信号功率较小的频段为候选工作频段。

③如果感知节点只广播可用频谱空洞的频段或者频段ID，消息格式如表2所示，则可以简化估计过程，选择周围的感知节点广播的频谱空洞的交集(即周围感知节点共有的频谱空洞)，则这些共有的频谱空洞在该位置也为可用频谱空洞；如果只有部分周围的感知节点判定该频段为频谱空洞，则该频段为该位置的候选频谱空洞。这种情况估计性能较差，但是具有实现简单，交互信息少的优点。

4.所有节点把当前帧内收到的所有广播的感知节点的判决结果和最终总的判决结果做出比较，如果两者相同，则把该感知节点的可信度提高1，否则，就降低该感知节点的可信度1。

5.重复(1-4)过程，当在某个时刻某个感知节点的可信度低于预先设置的门限时，则把该感知节点标记为恶意节点，并汇报给中央控制器。

在以后的频谱估计中，将不再考虑该感知节点的频谱广播信息。

用仿真来说明这种估计方法的误差，假设信道衰落服从负指数分布，信道衰落指数为3。主系统的发射端固定在1km，发射功率为1dBw；而总的10个次要用户假设随机分布在100m*100m的范围内，感知节点的广播消息覆盖范围为20m，仿真了在不同的感知节点数目下某个特定的次要用户节点估计的信号功率和实际的信号功率的误差相对值，如图3所示。根据估计的信号功率进行判决，频谱感知的性能如图4所示，分别给出了传统的协作频谱感知和节点辅助频谱感知的性能，可以看出两者的检测概率基本接近。

从仿真结果可以看出节点辅助频谱估计具有较准确的估计性能，尤其是在辅助节点数量较大时。节点辅助频谱感知与传统的协作频谱感知由于利用了相近的空间分集，感知性能接近，但是节点辅助频谱估计相比传统协作式频谱感知实现上更加简单，减少了传输的感知消息，从而减少了网络负荷，提高了数据的传输效率，并且由于只在小范围内广播感知消息，从而节省了设备的能耗。该方法具有较低的处理复杂度，计算速度快，而且方法简单、易于工程实现。此外在辅助节点数量较大时，可以实现感知信息准确性的验证，从而保证了频谱感知的安全性，避免了恶意节点对频谱感知的攻击。

Claims (11)

1.一种寻找空闲工作频段的方法，包括步骤：

a.具有感知能力的节点在各自特定的广播时隙广播其感知结果；

b.具有感知能力的节点在其它广播时隙内监听周围的广播信息，把接收到的其它感知节点的频谱信息进行数据融合，选择该位置合适的工作频段；

c.不具有感知能力的节点利用周围感知节点的广播信息找到可用的工作频段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所有具有感知能力的节点在广播时隙内广播自己感知判决的频谱空洞信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤c包括：

感知节点广播的是感知节点感知到各频段内的主系统信号功率；

感知节点j感知到频段f_j的信号功率为P_i，j；

在某位置(x，y)一共接收到周围N个节点N_i的信息；

根据频谱分布具有的连续性，则该位置处频段f_j的信号功率估计为：

$P_j=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}/N$

其中，N为节点数，i＝1，2，..N。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤c包括：

在每个具有感知能力的节点设备装备上GPS定位模块，感知节点广播的是感知节点感知到各频段内的信号功率和位置信息；

当感知节点数目N＞＝3时，根据发射功率，接收功率与距离的关系，估计该位置的信号功率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于根据下式估计主系统功率的估计值P_e：

$P_e=W\left(d_0\right)P^{\′}=P^{\′}\sqrt{{({x_0}^{\′}-x)}^2+{({y_0}^{\′}-y)}^2}.$

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤c包括：

选择周围的感知节点广播的频谱空洞的交集；

如果只有部分周围的感知节点判定该频段为频谱空洞，则该频段为该位置的候选频谱空洞。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：

所有节点把当前帧内收到的所有广播的感知节点的判决结果和最终总的判决结果做出比较；

如果两者相同，则把该感知节点的可信度提高，否则，降低该感知节点的可信度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于还包括：

当在某个时刻某个感知节点的可信度低于预先设置的门限时，则把该感知节点标记为恶意节点。

9.一种寻找空闲工作频段的系统，包括：

a.具有感知能力的节点在各自特定的广播时隙广播其感知结果；

b.具有感知能力的节点在其它广播时隙内监听周围的广播信息，把接收到的其它感知节点的频谱信息进行数据融合，选择该位置合适的工作频段；

c.不具有感知能力的节点利用周围感知节点的广播信息找到可用的工作频段。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于所有具有感知能力的节点在广播时隙内广播自己感知判决的频谱空洞信息。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：

在每个设备装备上GPS定位模块，感知节点广播的是感知节点感知到各频段内的信号功率和位置信息；

当感知节点数目N＞＝3时，根据发射功率，接收功率与距离的关系，估计该位置的信号功率。

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