CN101789834B - 基于网络编码的协同频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于网络编码的协同频谱感知方法，包括如下步骤：认知用户进行本地频谱感知，选取未进行感知且具有良好接收性能的认知节点作为中继节点，作为中继节点的认知节点使用网络编码对认知用户的信息进行交互，认知用户获得其他用户的感知信息后使用空时编码传输感知信息给融合中心，融合中心利用网络译码和空时译码后结果判决融合。本发明选择性能良好的中继节点，并且在中继节点使用网络编码，提高认知信息交互成功的概率，认知用户交互之后的感知信息通过空时编码发送，提高了感知信息传输的可靠性，进而提高了协同频谱感知的性能。

Description

基于网络编码的协同频谱感知方法

技术领域

本发明涉及一种数字通信领域中的频谱感知实现方法，特别是在报告信道不理想情况下可采用的感知方法，具体地说是基于网络编码的协同频谱感知方法。

背景技术

传输的有效性和可靠性是通信系统的两大性能指标，协作分集技术利用其它用户的天线作为中继，实现“虚拟天线”的空间传输分集，从而提高系统可靠性。在认知无线电中，目前研究的协同频谱感知方法都是基于如下假设：认知用户与融合中心之间的感知信息传输是理想的，即可以在报告信道上达到无差错传输，但是实际中有些时候很难达到上述传输条件，所以在报告信道非理想条件下如何考虑协同频谱感知方法的设计就显得尤为重要。现有技术无法实现报告信道在非理想条件下的无差错传输。

发明内容

本发明的目的是针对报告信道非理想条件下无法实现无差错传输的问题，提出一种基于网络编码的协同频谱感知方法。

本发明的技术方案是：

一种基于网络编码的协同频谱感知方法，具体步骤如下：

步骤一：基站在中继节点集中选择最优中继节点R；所述的中继节点集是指除了CR1和CR2的其他认知用户和基站；所述的中继节点选择依据是从可用中继节点集合中选择与待上传感知信息的认知用户之间信道最好的一个；

步骤二：认知用户CR1和CR2在本地使用基于能量检测的频谱感知方法进行感知得到感知结果

和

步骤三：

（a）.认知用户对感知结果增加CRC校验比特得到S_CR1和S_CR2，然后分两个时隙分别广播发送BPSK调制后的本地感知信息f(S_CR1)、f(S_CR2)，其中f()是对信号的BPSK调制；所述的认知用户对感知结果

增加CRC校验比特，具体是：认知用户将本地感知结果后面增加几位0，所增加的位数等于CRC校验比特数，然后除以CRC生成多项式，得到的余式即为CRC校验比特，将CRC校验比特附在感知结果后面，即得到S_CR1；

前两个时隙基站B接收到的信号为Y_B1和Y_B2，Y_B1和Y_B2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{B1}=h_{1B}f\left(S_{\mathrm{CR}1}\right)+v_1\\ Y_{B2}=h_{2B}f\left(S_{\mathrm{CR}2}\right)+v_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：h_1B,h_2B分别为认知用户到基站的衰落系数，v₁、v₂为基站处的本地噪声，基站将收到的信号BPSK解调得到f^-1(Y_B1),f^-1(Y_B2)并存储，其中f^-1()是对信号的BPSK解调；

前两个时隙中继节点R接收到的信号为Y_R1和Y_R2，Y_R1和Y_R2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{R1}=h_{1R}f\left(S_{\mathrm{CR}1}\right)+z_1\\ Y_{R2}=h_{2R}f\left(S_{\mathrm{CR}2}\right)+z_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：h_1R,h_2R分别为认知用户到中继节点的衰落系数，z₁、z₂为中继节点处的本地噪声，中继节点将收到的信号BPSK解调得到f^-1(Y_R1)和f^-1(Y_R2)并存储；

认知用户CR1和CR2在另一个用户发送时接收到的信号为Y_CR1和Y_CR2，Y_CR1和Y_CR2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{\mathrm{CR}1}=h_{21}f\left(S_{\mathrm{CR}2}\right)+n_{11}\\ Y_{\mathrm{CR}2}=h_{12}f\left(S_{\mathrm{CR}1}\right)+n_{21}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：h₁₂，h₂₁分别为认知用户之间的衰落系数，n₁₁，n₂₁分别为认知用户CR1和CR2处的本地噪声；认知用户将接收到的信号Y_CR1和Y_CR2进行BPSK解调得到f^-1(Y_CR1)和f^-1(Y_CR2)并存储；

（b）.中继节点R将解调结果f^-1(Y_R1)和f^-1(Y_R2)进行异或即网络编码得到Z_R，

然后在第三个时隙广播发送BPSK调制后的编码结果T_R=f(Z_R)给认知用户和基站；

基站B接收到中继节点R发送的编码结果信息为Y_B3，Y_B3表示为：

Y_B3=h_RBT_R+v₃                        (4)

其中：v₃为基站处的本地噪声，h_RB为中继节点到基站的衰落系数，基站将Y_B3解调后得到f^-1(Y_B3)并存储；

认知用户CR1和CR2接收到中继节点发来的编码结果信息为F_CR1和F_CR2，F_CR1和F_CR2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{CR}1}=h_{R1}{T}_R+n_{12}\\ F_{\mathrm{CR}2}=h_{R2}{T}_R+n_{22}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中：n₁₂，n₂₂分别为认知用户CR1和CR2处的本地噪声；h_R1，h_R2分别为中继节点到认知用户的衰落系数；认知用户CR1和CR2将F_CR1和F_CR2解调得到f^-1(F_CR1)和f^-1(F_CR2)，然后将f^-1(F_CR1)和f^-1(F_CR2)与本地的感知信息S_CR1和S_CR2进行异或即网络编码的译码，得到译码结果A_CR2和A_CR1，A_CR2和A_CR1表示为

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{CR}1}=f^{-1}\left(F_{\mathrm{CR}2}\right)\⊕S_{\mathrm{CR}2}\\ A_{\mathrm{CR}2}=f^{-1}\left(F_{\mathrm{CR}1}\right)\⊕S_{\mathrm{CR}1}\end{array}\right.---\left(6\right)$

步骤四：

（a）.认知用户CR1和CR2将存储的f^-1(Y_CR1)、f^-1(Y_CR2)和网络译码得到的A_CR2、A_CR1均进行CRC校验；

对于认知用户CR1，校验f^-1(Y_CR1),A_CR2，若二者的校验结果均正确，则任选f^-1(Y_CR1),A_CR2其中一个作为认知用户CR1恢复出CR2的信号S'_CR2；若只有一个正确，则选择正确的那一个作为S'_CR2；若二者均不正确，则选择f^-1(Y_CR1)作为S'_CR2；

对于认知用户CR2，校验f^-1(Y_CR2),A_CR1，若二者的校验结果均正确，则任选f^-1(Y_CR2),A_CR1其中一个作为认知用户CR2恢复出CR1的信号S'_CR1；若只有一个正确，则选择正确的那一个作为S'_CR1；若二者均不正确，则选择f^-1(Y_CR2)作为S'_CR1；

（b）.空时编码：认知用户CR1和CR2同时发送BPSK调制后的空时码字f(-S′_CR2)和f(S′_CR1)至基站，此时基站收到的信号为Y_B4，Y_B4表示为

Y_B4=h_1Bf(-S′_CR2)+h_2Bf(S′_CR1)+v₄                    (7)

v₄为基站处的本地噪声；

步骤五：

（a）.网络译码：基站将前两个时隙存储的f^-1(Y_B1),f^-1(Y_B2)与第三个时隙存储的f^-1(Y_B3)进行异或即网络译码，得到基站网络译码结果S″_CR2和S″_CR1，S″_CR2和S″_CR1表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{CR}2}^{\′\′}=f^{-1}\left(Y_{B3}\right)\⊕f^{-1}\left(Y_{B1}\right)\\ S_{\mathrm{CR}1}^{\′\′}=f^{-1}\left(Y_{B3}\right)\⊕f^{-1}\left(Y_{B2}\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

（b）.空时译码：基站将前两个时隙收到的信号Y_B1和Y_B2相加，得到S_B1，S_B1表示为

S_B1=Y_B1+Y_B2                    (9)

基站将S_B1与Y_B4作为空时码字，进行空时译码得到R_CR1,R_CR2；R_CR1,R_CR2可以表示为

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{CR}1}=h_{1B}{S}_{B1}+h_{2B}{Y}_{B4}\\ R_{\mathrm{CR}2}=h_{2B}{S}_{B1}-h_{2B}{Y}_{B4}\end{array}\right.---\left(10\right)$

基站对空时译码结果R_CR1,R_CR2进行BPSK解调得到f^-1(R_CR1),f^-1(R_CR2)；

步骤六：

（a）.判决：基站将对收到的感知信息与译码结果进行CRC校验；

对认知用户CR1的感知结果，分别校验f^-1(Y_B1),S″_CR1,f^-1(R_CR1)，若三者中有任何一个正确，选择正确的一个作为基站恢复出认知用户CR1的感知结果；

对认知用户CR2的感知结果，分别校验f^-1(Y_B2),S″_CR2,f^-1(R_CR2)，若三者中有任何一个正确，选择正确的一个作为基站恢复出认知用户CR2的感知结果；

（b）.融合输出：基站对判决结果进行融合输出；

若基站恢复出两个认知用户的感知结果均正确，则将两个认知用户的感知结果S_CR1和S_CR2去掉CRC校验比特，使用OR准则融合并判决，得到最终的感知结果并输出；

若基站恢复出两个认知用户的感知结果只有一个均正确，则选择其中正确的那一个结果，去掉CRC校验比特，作为最终的感知结果并输出；

若基站恢复出两个认知用户的感知结果均不正确，则返回步骤二，重新进行感知。

本发明步骤二中，所述的基于能量检测的频谱感知方法，具体是：认知用户对本地信号经过一段时间的观察，累计得到能量值，认知用户与设定的门限比较判决得到本地感知结果。

本发明步骤四中，所述的进行CRC校验，具体是：将待检验的数据除以CRC生成多项式，如果余式为0，则表示数据正确；若余式不为0，则表示数据不正确。

本发明步骤六中，所述的去掉CRC校验比特，具体是：基站将数据最后几位长度为CRC校验比特数的数据直接去掉。

本发明步骤六中，所述的分别校验f^-1(Y_B1),S″_CR1,f^-1(R_CR1)，具体是：基站校验三部分的内容，f^-1(Y_B1)是直接收到认知用户发送的数据，S″_CR1是基站通过网络译码恢复出来的结果，f^-1(R_CR1)是基站通过空时译码得到的结果。

本发明步骤六中，所述的使用OR准则融合并判决，具体是：若两个认知用户的感知结果中有任何一个宣布授权用户存在，则融合结果判决为授权用户存在。

本发明的有益效果：

本发明基于网络编码的协同频谱感知方法在认知用户感知结束，向融合中心报告感知结果的时候使用网络编码和空时码来提高发射分集，从而提高报告信道的传输可靠性。在无线网络中使用网络编码传输信息，可以提高频谱利用率和无线传输的吞吐量。使用协同空时码传输信息可以提高发射分集，从而提高传输可靠性。

本发明考虑存在非理想报告信道的情况下，针对现有协同频谱感知中认知用户的本地感知结果上传不可靠问题，引入中继节点，采用中继节点网络编码后的思想，提出了一种基于网络编码的新型协同频谱感知方法。该方法将认知用户的交互信息作为中继节点的输入，利用网络编码对交互信息进行编码，然后由中继节点向认知用户和基站发送网络编码后的数据，认知用户利用中继节点的编码信息和本地感知信息通过网络译码恢复出另一个认知用户的信息，这样就可以利用中继节点获得认知用户交互信息的分集增益，提高了认知用户的交互成功率，从而大大减少了报告信道的差错传输率。

附图说明

图1为本发明所采用的系统模型；

图2为中继节点的网络编码时隙示意图；

图3为基于网络编码的协同感知方法流程图；

图4为认知用户之间信道较差时的ROC曲线（OR准则）

图5为认知用户之间信道较好时的ROC曲线（OR准则）

图6为有一条到基站链路不可用时的ROC曲线（OR准则）

图7为有一条链路不可用且CR之间信道较差时的ROC曲线（OR准则）

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

中继节点的选择方法

假设中继节点R接收到CR1、CR2信号的信噪比分别为SNR₁、SNR₂，认知用户之间接收对方信号的信噪比为SNR₀。假设信道增益h为高斯分布，h_1R,h_2R分别为认知用户到中继节点的衰落系数，h₁₂，h₂₁分别为认知用户之间的衰落系数，认知用户到中继节点的BPSK调制的误比特率Pe₁，Pe₂以及认知用户之间的误比特率Pe₀可以通过下述公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Pe}}_1=E\left[Q\left(\sqrt{2{\left|h_{1R}\right|}^2{\mathrm{SNR}}_1}\right)\right]\\ {\mathrm{Pe}}_2=E\left[Q\left(\sqrt{2{\left|h_{2R}\right|}^2{\mathrm{SNR}}_2}\right)\right]\\ {\mathrm{Pe}}_0=E\left[Q\left(\sqrt{2{\left|h_{12}\right|}^2{\mathrm{SNR}}_0}\right)\right]\end{array}\right.$

中继节点将接收到认知用户的感知信息网络编码后出错的概率为

Pe_R=Pe₁(1-Pe₂)+Pe₂(1-Pe₁)

认知用户CR2通过网络译码恢复出CR1感知结果的误码率为：

Pe_i′1=Pe_R(1-Pe₂)+Pe₂(1-Pe_R)

同理，CR1通过网络译码恢复出CR2感知结果的误码率为：

Pe′_i2=Pe_R(1-Pe₁)+Pe₁(1-Pe_R)

则可用中继节点集合的选择依据为max{Pe′_i1,Pe′_i2}<Pe₀，其中Pe₀为认知用户之间直接传输时的误码率。这里最佳中继节点的选择依据是从可用中继节点集合中选择与待上传感知信息的认知用户之间信道最好的一个，即在集合{max{Pe′_i1,Pe′_i2}<Pe₀}中选择max{Pe′_i1,Pe′_i2}最小的一个

min{max{Pe′_i1,Pe′_i2}<Pe₀}

实施例一：

本实施例中，如图1所示，协同频谱感知系统中有一个授权用户、多个认知用户和一个基站，只有部分认知用户通过报告信道上传感知信息。假设已经选定最优中继节点，以两个认知用户CR1和CR2上传为例，讨论如何利用认知用户之间的交互信息来提高感知信息传输的可靠性。

本实施例的流程如图3所示，包括如下步骤：

协同网络编码设计方法

（a）.认知用户使用能量感知方法进行本地感知，即经过一段时间的累计得到能量值

其中y(i)是认知用户接收到的信号，u是时间带宽积；认知用户进行本地判决，即将θ与设定的门限比较得到两个用户CR1和CR2的感知结果

和

（b）.对感知结果增加CRC校验比特得到S_CR1和S_CR2，然后分两个时隙分别广播发送BPSK调制后的本地感知信息f(S_CR1)、f(S_CR2)；

前两个时隙基站B接收到的信号为Y_B1和Y_B2，Y_B1和Y_B2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{B1}=h_{1B}f\left(S_{\mathrm{CR}1}\right)+v_1\\ Y_{B2}=h_{2B}f\left(S_{\mathrm{CR}2}\right)+v_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中h_1B,h_2B分别为认知用户到基站的衰落系数，v₁、v₂为基站处的本地噪声，基站将收到的信号BPSK解调得到f^-1(Y_B1),f^-1(Y_B2)并存储，其中f^-1()是对信号的BPSK解调；

前两个时隙中继节点R接收到的信号为Y_R1和Y_R2，Y_R1和Y_R2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{R1}=h_{1R}f\left(S_{\mathrm{CR}1}\right)+z_1\\ Y_{R2}=h_{2R}f\left(S_{\mathrm{CR}2}\right)+z_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中h_1R,h_2R分别为认知用户到中继节点的衰落系数，z₁、z₂为中继节点处的本地噪声，中继节点将收到的信号BPSK解调得到f^-1(Y_R1)和f^-1(Y_R2)并存储；

认知用户CR1和CR2在另一个用户发送时接收到的信号为Y_CR1和Y_CR2，Y_CR1和Y_CR2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{\mathrm{CR}1}=h_{21}f\left(S_{\mathrm{CR}2}\right)+n_{11}\\ Y_{\mathrm{CR}2}=h_{12}f\left(S_{\mathrm{CR}1}\right)+n_{21}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中h₁₂，h₂₁分别为认知用户之间的衰落系数，n₁₁，n₂₁分别为认知用户CR1和CR2处的本地噪声；认知用户将接收到的信号Y_CR1和Y_CR2进行BPSK解调得到f^-1(Y_CR1)和f^-1(Y_CR2)并存储；

（c）.中继节点R将解调结果f^-1(Y_R1)和f^-1(Y_R2)进行网络编码得到Z_R，即然后在第三个时隙广播发送BPSK调制后结果T_R=f(Z_R)给认知用户和基站；

（d）.基站B将接收到中继节点R发送的编码结果信息Y_B3存储，Y_B3表示为：

Y_B3=h_RBT_R+v₃                (4)

其中：v₃为基站处的本地噪声，h_RB为中继节点到基站的衰落系数，基站将Y_B3解调后得到f^-1(Y_B3)并存储；

认知用户CR1和CR2接收到中继节点发来的编码结果信息为F_CR1和F_CR2，F_CR1和F_CR2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{CR}1}=h_{R1}{T}_R+n_{12}\\ F_{\mathrm{CR}2}=h_{R2}{T}_R+n_{22}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中：n₁₂，n₂₂分别为认知用户CR1和CR2处的本地噪声；h_R1，h_R2分别为中继节点到认知用户的衰落系数；认知用户CR1和CR2将F_CR1和F_CR2解调得到f^-1(F_CR1)和f^-1(F_CR2)，然后将f^-1(F_CR1)和f^-1(F_CR2)与本地的感知信息S_CR1和S_CR2进行异或（即网络编码的译码），得到译码结果A_CR2和A_CR1，A_CR2和A_CR1表示为

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{CR}1}=f^{-1}\left(F_{\mathrm{CR}2}\right)\&CirclePlus;S_{\mathrm{CR}2}\\ A_{\mathrm{CR}2}=f^{-1}\left(F_{\mathrm{CR}1}\right)\&CirclePlus;S_{\mathrm{CR}1}\end{array}\right.---\left(6\right)$

（e）.认知用户CR1和CR2分别将存储的f^-1(Y_CR1)、f^-1(Y_CR2)和网络译码得到的A_CR2、A_CR1均进行CRC校验；

对于认知用户CR1，校验f^-1(Y_CR1),A_CR2，若二者的校验结果均正确，则任选f^-1(Y_CR1),A_CR2其中一个作为认知用户CR1恢复出CR2的信号S'_CR2；若只有一个正确，则选择正确的那一个作为S'_CR2；若二者均不正确，则选择f^-1(Y_CR1)作为S'_CR2；

对于认知用户CR2，校验f^-1(Y_CR2),A_CR1，若二者的校验结果均正确，则任选f^-1(Y_CR2),A_CR1其中一个作为认知用户CR2恢复出CR1的信号S'_CR1；若只有一个正确，则选择正确的那一个作为S'_CR1；若二者均不正确，则选择f^-1(Y_CR2)作为S'_CR1；

（f）.认知用户CR1和CR2同时发送BPSK调制后的信号的f(-S′_CR2)和f(S′_CR1)，此时基站收到的信号为Y_B4，Y_B4表示为

Y_B4=h_1Bf(-S′_CR2)+h_2Bf(S′_CR1)+v₄                (7)

v₄为基站处的本地噪声，

（g）.基站将前两个时隙存储的f^-1(Y_B1),f^-1(Y_B2)与第三个时隙存储的f^-1(Y_B3)进行异或即网络译码，得到基站网络译码结果S″_CR2和S″_CR1，S″_CR2和S″_CR1表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{CR}2}^{\&prime;\&prime;}=f^{-1}\left(Y_{B3}\right)\&CirclePlus;f^{-1}\left(Y_{B1}\right)\\ S_{\mathrm{CR}1}^{\&prime;\&prime;}=f^{-1}\left(Y_{B3}\right)\&CirclePlus;f^{-1}\left(Y_{B2}\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

（h）.基站将前两个时隙收到的信号Y_B1和Y_B2相加，得到S_B1，S_B1表示为

S_B1=Y_B1+Y_B2                    (9)

基站将S_B1与Y_B4作为空时码字，进行空时译码得到f^-1(R_CR1),f^-1(R_CR2)；可以表示为

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{CR}1}=h_{1B}{S}_{B1}+h_{2B}{Y}_{B4}\\ R_{\mathrm{CR}2}=h_{2B}{S}_{B1}-h_{2B}{Y}_{B4}\end{array}\right.---\left(10\right)$

基站对空时译码结果R_CR1,R_CR2进行BPSK解调得到f^-1(R_CR1),f^-1(R_CR2)；

（i）.基站将对收到的感知信息与译码结果进行CRC校验：

对认知用户CR1的感知结果，分别校验f^-1(Y_B1),S″_CR1,f^-1(R_CR1)，若三者中有任何一个正确，选择正确的一个作为基站恢复出认知用户CR1的感知结果；

对认知用户CR2的感知结果，分别校验f^-1(Y_B2),S″_CR2,f^-1(R_CR2)，若三者中有任何一个正确，选择正确的一个作为基站恢复出认知用户CR2的感知结果；

（j）.基站对判决结果进行融合输出：

若基站恢复出两个认知用户的感知结果均正确，则将两个认知用户的感知结果去掉CRC校验比特，使用OR准则融合并判决，得到最终的感知结果并输出；

若基站恢复出两个认知用户的感知结果只有一个均正确，则选择其中正确的那一个结果，去掉CRC校验比特，作为最终的感知结果并输出；

若基站恢复出两个认知用户的感知结果均不正确，则返回步骤二，重新进行感知。

根据本发明的步骤，基于网络编码的协同频谱感知方法在认知用户交互信息之后增加了一个时隙，用于中继节点发送网络编码后的数据。表1给出了认知用户向基站报告感知信息过程中各个用户的状态。

表1

如表1所示，其中前两个时隙为认知用户CR1和CR2分别广播发送本地感知结果，第三个时隙为中继节点广播发送网络编码结果，第四个时隙认知用户协同发送空时编码码字。

下面以基站使用OR融合准则为例，评估基于网络编码的协同频谱感知方法的感知性能（ROC曲线）。

为了考虑基于网络编码的协同频谱感知方法的性能，在常虚警概率的情况下，验证方法的检测概率随信号信噪比变化的情况。基于网络编码的协同频谱感知方法的常虚警概率设定为

检测时间为100个符号周期。若认知用户报告感知信息的过程中只有前两个时隙的结果，基于网络编码的协同频谱感知方法就退化为直接传输的方法；若没有中继节点，且认知用户间信息交互成功就使用空时编码发送，否则使用TDMA方式直接发送，此时基于网络编码的协同频谱感知方法就退化为基于协同空时码的方法；理想情况是指报告信道理想的情况。

图4给出了认知用户之间信道较差时的ROC曲线，可以看出当认知用户之间信道较差时，基于协同空时码的协同频谱感知方法优于直接传输的方法，但是性能提高有限；而基于网络编码的协同频谱感知方法优于基于协同空时码的方法。基于网络编码的方法距离理想情况还有一定差距，是因为报告信道的信噪比不高，即使交互信息完全正确，使用空时码编码传输后仍然存在一定的误码率。

图5给出了认知用户之间信道较好时的ROC曲线，从图中可以看出，当认知用户之间信道较好时，基于协同空时码的协同频谱感知方法优于直接传输的方法，基于网络编码的协同频谱感知方法与基于协同空时码的方法性能相差不大。两种方法的性能与报告信道理想时的情况非常接近，由于报告信道的信噪比比较高，在交互信息完全正确的基础上，使用空时码编码传输后感知信息传输的误码率比较低。

图6给出了两个认知用户中有一个到基站的链路不可用时的ROC曲线，从图中可以看出，当认知用户到基站存在一条不可用链路时，直接传输的方法性能较差，退化为单用户频谱感知的方法；由于认知用户之间的信道较好，基于协同空时码的协同频谱感知方法和基于网络编码的协同频谱感知方法基本接近。

图7给出了两个认知用户中有一个到基站的链路不可用且CR之间信道较差时的ROC曲线，从图中可以看出，认知用户到基站存在一条不可用链路时，直接传输的方法性能较差，退化为单用户频谱感知的方法；且当认知用户之间信道较差时，基于协同空时码的方法接近于直接传输的方法；由于基于网络编码的协同频谱感知方法利用了中继节点的网络编码信息，使得认知用户可以交互感知信息，通过可用的认知用户到基站链路分时发送，所以仍能获得很好的性能。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于网络编码的协同频谱感知方法，具体步骤如下：

步骤一：基站在中继节点集中选择最优中继节点R；所述的中继节点集是指除了CR1和CR2的其他认知用户和基站；所述的中继节点选择依据是从可用中继节点集合中选择与待上传感知信息的认知用户之间信道最好的一个；

步骤二：认知用户CR1和CR2在本地使用基于能量检测的频谱感知方法进行感知得到感知结果

和

步骤三：

（a）.认知用户对感知结果增加CRC校验比特得到S_CR1和S_CR2，然后分两个时隙分别广播发送BPSK调制后的本地感知信息f(S_CR1)、f(S_CR2)，其中f()是对信号的BPSK调制；所述的认知用户对感知结果

增加CRC校验比特，具体是：认知用户将本地感知结果后面增加几位0，所增加的位数等于CRC校验比特数，然后除以CRC生成多项式，得到的余式即为CRC校验比特，将CRC校验比特附在感知结果后面，即得到S_CR1；

前两个时隙基站B接收到的信号为Y_B1和Y_B2，Y_B1和Y_B2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{B1}=h_{1B}f\left(S_{\mathrm{CR}1}\right)+v_1\\ Y_{B2}=h_{2B}f\left(S_{\mathrm{CR}2}\right)+v_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：h_1B,h_2B分别为认知用户到基站的衰落系数，v₁、v₂为基站处的本地噪声，基站将收到的信号BPSK解调得到f^-1(Y_B1),f^-1(Y_B2)并存储，其中f^-1()是对信号的BPSK解调；

前两个时隙中继节点R接收到的信号为Y_R1和Y_R2，Y_R1和Y_R2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{R1}=h_{1R}f\left(S_{\mathrm{CR}1}\right)+z_1\\ Y_{R2}=h_{2R}f\left(S_{\mathrm{CR}2}\right)+z_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：h_1R,h_2R分别为认知用户到中继节点的衰落系数，z₁、z₂为中继节点处的本地噪声，中继节点将收到的信号BPSK解调得到f^-1(Y_R1)和f^-1(Y_R2)并存储；

认知用户CR1和CR2在另一个用户发送时接收到的信号为Y_CR1和Y_CR2，Y_CR1和Y_CR2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{\mathrm{CR}1}=h_{21}f\left(S_{\mathrm{CR}2}\right)+n_{11}\\ Y_{\mathrm{CR}2}=h_{12}f\left(S_{\mathrm{CR}1}\right)+n_{21}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：h₁₂，h₂₁分别为认知用户之间的衰落系数，n₁₁，n₂₁分别为认知用户CR1和CR2处的本地噪声；认知用户将接收到的信号Y_CR1和Y_CR2进行BPSK解调得到f^-1(Y_CR1)和f^-1(Y_CR2)并存储；

（b）.中继节点R将解调结果f^-1(Y_R1)和f^-1(Y_R2)进行异或即网络编码得到Z_R，

然后在第三个时隙广播发送BPSK调制后的编码结果T_R=f(Z_R)给认知用户和基站；

基站B接收到中继节点R发送的编码结果信息为Y_B3，Y_B3表示为：

Y_B3=h_RBT_R+v₃                    (4)

其中：v₃为基站处的本地噪声，h_RB为中继节点到基站的衰落系数，基站将Y_B3解调后得到f^-1(Y_B3)并存储；

认知用户CR1和CR2接收到中继节点发来的编码结果信息为F_CR1和F_CR2，F_CR1和F_CR2表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{CR}1}=h_{R1}{T}_R+n_{12}\\ F_{\mathrm{CR}2}=h_{R2}{T}_R+n_{22}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中：n₁₂，n₂₂分别为认知用户CR1和CR2处的本地噪声；h_R1，h_R2分别为中继节点到认知用户的衰落系数；认知用户CR1和CR2将F_CR1和F_CR2解调得到f^-1(F_CR1)和f^-1(F_CR2)，然后将f^-1(F_CR1)和f^-1(F_CR2)与本地的感知信息S_CR1和S_CR2进行异或即网络编码的译码，得到译码结果A_CR2和A_CR1，A_CR2和A_CR1表示为

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{CR}1}=f^{-1}\left(F_{\mathrm{CR}2}\right)\&CirclePlus;S_{\mathrm{CR}2}\\ A_{\mathrm{CR}2}=f^{-1}\left(F_{\mathrm{CR}1}\right)\&CirclePlus;S_{\mathrm{CR}1}\end{array}\right.---\left(6\right)$

步骤四：

（a）.认知用户CR1和CR2将存储的f^-1(Y_CR1)、f^-1(Y_CR2)和网络译码得到的A_CR2、A_CR1均进行CRC校验；

对于认知用户CR1，校验f^-1(Y_CR1),A_CR2，若二者的校验结果均正确，则任选f^-1(Y_CR1),A_CR2其中一个作为认知用户CR1恢复出CR2的信号S'_CR2；若只有一个正确，则选择正确的那一个作为S'_CR2；若二者均不正确，则选择f^-1(Y_CR1)作为S'_CR2；

对于认知用户CR2，校验f^-1(Y_CR2),A_CR1，若二者的校验结果均正确，则任选f^-1(Y_CR2),A_CR1其中一个作为认知用户CR2恢复出CR1的信号S'_CR1；若只有一个正确，则选择正确的那一个作为S'_CR1；若二者均不正确，则选择f^-1(Y_CR2)作为S'_CR1；

（b）.空时编码：认知用户CR1和CR2同时发送BPSK调制后的空时码字f(-S′_CR2)和f(S′_CR1)至基站，此时基站收到的信号为Y_B4，Y_B4表示为

Y_B4=h_1Bf(-S′_CR2)+h_2Bf(S′_CR1)+v₄                (7)

v₄为基站处的本地噪声；

步骤五：

（a）.网络译码：基站将前两个时隙存储的f^-1(Y_B1),f^-1(Y_B2)与第三个时隙存储的f^-1(Y_B3)进行异或即网络译码，得到基站网络译码结果S″_CR2和S″_CR1，S″_CR2和S″_CR1表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{CR}2}^{\&prime;\&prime;}=f^{-1}\left(Y_{B3}\right)\&CirclePlus;f^{-1}\left(Y_{B1}\right)\\ S_{\mathrm{CR}1}^{\&prime;\&prime;}=f^{-1}\left(Y_{B3}\right)\&CirclePlus;f^{-1}\left(Y_{B2}\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

（b）.空时译码：基站将前两个时隙收到的信号Y_B1和Y_B2相加，得到S_B1，S_B1表示为

S_B1=Y_B1+Y_B2                    (9)

基站将S_B1与Y_B4作为空时码字，进行空时译码得到R_CR1,R_CR2；R_CR1,R_CR2可以表示为

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{CR}1}=h_{1B}{S}_{B1}+h_{2B}{Y}_{B4}\\ R_{\mathrm{CR}2}=h_{2B}{S}_{B1}-h_{2B}{Y}_{B4}\end{array}\right.---\left(10\right)$

基站对空时译码结果R_CR1,R_CR2进行BPSK解调得到f^-1(R_CR1),f^-1(R_CR2)；步骤六：

（a）.判决：基站将对收到的感知信息与译码结果进行CRC校验；

对认知用户CR1的感知结果，分别校验f^-1(Y_B1),S″_CR1,f^-1(R_CR1)，若三者中有任何一个正确，选择正确的一个作为基站恢复出认知用户CR1的感知结果；

对认知用户CR2的感知结果，分别校验f^-1(Y_B2),S″_CR2,f^-1(R_CR2)，若三者中有任何一个正确，选择正确的一个作为基站恢复出认知用户CR2的感知结果；

（b）.融合输出：基站对判决结果进行融合输出；

若基站恢复出两个认知用户的感知结果均正确，则将基站恢复出两个认知用户的感知结果去掉CRC校验比特，使用OR准则融合并判决，得到最终的感知结果并输出；

若基站恢复出两个认知用户的感知结果只有一个均正确，则选择其中正确的那一个结果，去掉CRC校验比特，作为最终的感知结果并输出；

若基站恢复出两个认知用户的感知结果均不正确，则返回步骤二，重新进行感知。

2.根据权利要求1所述的基于网络编码的协同频谱感知方法，其特征是步骤二中，所述的基于能量检测的频谱感知方法，具体是：认知用户对本地信号经过一段时间的观察，累计得到能量值，认知用户与设定的门限比较判决得到本地感知结果。

3.根据权利要求1所述的基于网络编码的协同频谱感知方法，其特征是步骤四中，所述的进行CRC校验，具体是：将待检验的数据除以CRC生成多项式，如果余式为0，则表示数据正确；若余式不为0，则表示数据不正确。

4.根据权利要求1所述的基于网络编码的协同频谱感知方法，其特征是步骤六中，所述的去掉CRC校验比特，具体是：基站将数据最后几位长度为CRC校验比特数的数据直接去掉。

5.根据权利要求1所述的基于网络编码的协同频谱感知方法，其特征是步骤六中，所述的分别校验f^-1(Y_B1),S″_CR1,f^-1(R_CR1)，具体是：基站校验三部分的内容，f^-1(Y_B1)是直接收到认知用户发送的数据，S″_CR1是基站通过网络译码恢复出来的结果，f^-1(R_CR1)是基站通过空时译码得到的结果。

6.根据权利要求1所述的基于网络编码的协同频谱感知方法，其特征是步骤六中，所述的使用OR准则融合并判决，具体是：若两个认知用户的感知结果中有任何一个宣布授权用户存在，则融合结果判决为授权用户存在。

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