CN101789836B - 一种节省网络通信开销的合作频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节省网络通信开销的合作频谱感知方法。现有的网络通信开销大。本发明方法中认知无线电用户使用能量检测技术对目标频段进行频谱感知，得到本地感知结果；数据融合中心收集认知无线电用户的本地感知结果并进行融合，做出对频谱使用情况的判决，得到合作感知的判决结果。数据融合中心和认知无线电用户之间通过控制信道进行消息交互，认知无线电用户发送本地频谱感知结果，数据融合中心发送合作感知的判决结果。本发明方法在不降低合作感知准确性的前提下，减少了认知无线电网络的通信开销；对于认知无线电用户而言，减少了不必要的感知结果的发送，节省了宝贵的能量，延长了电池使用寿命。

Description

一种节省网络通信开销的合作频谱感知方法

技术领域

本发明属于认知无线电领域。尤其涉及一种在认知无线电网络中利用认知无线电用户的置信度，减少感知节点能量消耗和降低网络通信开销的合作频谱感知方法。

背景技术

认知无线电技术能够有效利用频谱资源，缓解当前存在的无线资源短缺问题，因此成为研究的热点，受到了广泛的关注。认知无线电技术要求无线电用户具备认知功能，通过感知周围环境中的频谱使用情况，发现可用的频谱空洞，在不影响主用户通信的前提下，利用这些频谱空洞进行传输。

频谱感知是认知无线电技术实现的首要环节，感知性能的好坏，会影响到整个认知系统的性能。若认知无线电用户发现某个频带没有被主用户占用，则可以以一定的策略使用该频带进行传输，从而充分利用频带资源；而如果认知无线电用户发现自己正在使用的频带内有主用户接入，则必须马上停止使用该频带以免干扰主用户的正常通信。目前，常用频谱感知技术主要分为三类：能量检测技术、匹配滤波技术以及循环平稳特性检测技术。基于能量检测的频谱感知技术有着实现简单、不需要先验信息的优点，在不能获得主用户的充足信息时，能量检测依然能正常工作，因此其应用场景较广。

多个认知无线电用户通过合作的方式进行频谱感知可以减小单个认知无线电用户感知结果的不确定性，从而达到更好的感知性能。目前的合作频谱感知框架中，一般都需要认知无线电用户将本地频谱感知的结果发送给数据融合中心，由数据融合中心对各个用户的感知结果进行融合并根据融合结果得出对频谱使用情况的判决；数据融合中心对频谱使用情况做出判决后，需要将该判决结果广播给认知无线电网络中的认知无线电用户。可见，合作频谱感知在获得较好的频谱感知性能的同时，增加了认知无线电网络的通信开销；对认知无线电用户而言，进行合作频谱感知和不进行合作相比，由于向融合中心发送了本地感知结果，消耗了更多的能量。

合作频谱感知需要利用认知无线电用户的感知结果，但并非每个用户的感知结果都有助于提高合作感知的准确性。考虑以下两种情况：一是认知无线电用户正处于严重的深衰落中；二是认知无线电用户遭受了主用户仿真攻击。在第一种情况下，即使感知频带正被主用户占用，但由于深衰落的原因，认知无线电用户会感觉不到或者只能感知到很小的主用户信号，它的感知结果将使数据融合中心倾向于做出相应频带未被主用户占用的判决；在第二种情况下，即使感知频带并未被主用户所使用，但是由于恶意用户伪装成主用户使用或者干扰了该频带，使得认知无线电用户感知到较强的主用户信号，那么它的感知结果将使数据融合中心倾向于做出相应频带已被主用户占用的判决。在这些情况下，相应认知无线电用户所发送的本地感知结果并不能提升合作感知的性能。如果能够找到一种方法，避免类似的无意义的本地感知结果的发送，就能在不影响合作感知性能的前提下，降低认知无线电网络的通信开销；对于认知无线电用户而言，避免了不必要的消息发送，从而节省了用于发送这些消息的能量。

发明内容

本发明针对认知无线电网络中合作频谱感知引入的不必要的通信开销和能量消耗问题，提供一种基于认知无线电用户置信度的减少感知节点能量消耗和降低网络通信开销的合作频谱感知方法。

本发明方法中认知无线电用户使用能量检测技术对目标频段进行频谱感知，得到本地感知结果；数据融合中心收集各个认知无线电用户的本地感知结果并对这些感知结果进行融合，根据融合结果做出对频谱使用情况的判决，得到合作感知的判决结果。数据融合中心和各个认知无线电用户之间通过控制信道进行消息交互，认知无线电用户利用控制信道发送本地频谱感知结果及相关控制信息，而数据融合中心利用控制信道发送合作感知的判决结果及相关控制信息。

本发明方法中认知无线电用户根据本地频谱感知结果和数据融合中心对频谱使用情况的判决信息，更新认知无线电用户的置信度。所述认知无线电用户的置信度是指认知无线电用户自身对频谱使用情况的本地判决结果与合作感知的判决结果的契合程度。认知无线电用户的置信度计算公式如下：

c_i＝Num_matched(i)/l，i＝1，2，…，K；l＞0

其中c_i表示第i个认知无线电用户的置信度，K表示合作感知的认知无线电用户的数量，l表示置信度门限的更新周期，Num_matched(i)表示第i个认知无线电用户在最近的置信度更新周期内本地对频谱使用情况的本地判决结果与合作感知的判决结果一致的次数。

由置信度计算公式可知，置信度高说明认知无线电用户对频谱使用情况的本地判决和合作感知的判决的一致性较高，而置信度低则说明一致性较低。认知无线电用户在每次感知过程中，根据本地置信度和本地置信度门限的关系，选择是否向数据融合中心发送本地感知结果。本发明提供一种置信度门限的更新机制，由数据融合中心周期性地将其确定的置信度门限发送给认知无线电用户，而认知无线电用户将收到的置信度门限作为本地置信度门限。

本发明方法中，数据融合中心收到各个认知无线电用户发送的感知结果后，进行等增益融合，根据融合结果做出对频谱使用情况的判决。数据融合中心的判决过程符合传统的二元假设模型，H₁和H₀分别表示主用户占用目标频段的假设和没有占用目标频段的假设，数据融合中心对频谱使用情况的判决，就是判断当前是H₁假设成立还是H₀假设成立。数据融合中心对频谱使用情况的判决采用基于Neyman-Pearson最佳检测理论的判决方法，在固定虚警概率下，求出最优的判决门限，根据最优的判决门限进行判决，使得检测概率最大化。

本发明方法的具体步骤为：

步骤(1)初始化认知无线电用户置信度和认知无线电用户置信度门限；所述的初始化认知无线电用户置信度为设置认知无线电用户置信度为1；所述的初始化认知无线电用户置信度门限为设置认知无线电用户置信度门限为0；

步骤(2)认知无线电用户感知频谱使用情况；所述的认知无线电用户感知频谱使用情况包括认知无线电用户本地感知和认知无线电用户根据本地置信度控制感知结果的发送。

a、认知无线电用户本地感知的方法为：在一次感知过程中，各个认知无线电用户独立地采用现有的能量检测技术感知目标频带上主用户的信号能量，得到本地的感知结果Y_i，其中i表示第i个认知无线电用户。

$Y_i=\left\{\begin{array}{cc}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[n_i\left(j\right)\right]}^2& H_0\\ \underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{[s}_i\left(j\right)+n_i\left(j\right)]}^2& H_1\end{array}\right.$

其中n_j(j)为一次感知过程中，第i个认知无线电用户第j次采样到的噪声，s_i(j)为一次感知过程中，第i个认知无线电用户第j次采样到的主用户的信号，N为认知无线电用户执行一次感知所需的采样次数。1≤i≤K，1≤j≤N，N≥15(K表示合作感知的认知无线电用户的数量)。

存储感知结果Y_i为本地感知记录G_i(t)，其中t表示本地第t次感知过程。

b、认知无线电用户根据本地置信度控制感知结果的发送：各个认知无线电用户比较本地置信度与本地置信度门限的大小，若本地置信度大于或等于本地置信度门限，则通过控制信道向数据融合中心发送本次感知过程中得到的本地感知结果Y_i；若本地置信度小于本地置信度门限则不发送本地感知结果Y_i。

步骤(3)数据融合中心判决频谱使用情况；所述数据融合中心判决频谱使用情况是指数据融合中心在收到认知无线电用户发送的感知结果后，对接收到的感知结果进行融合，利用融合的结果做出对频谱使用情况的判决。具体方法如下：

c、数据融合中心在接收到各个认知无线电用户的感知结果后，统计参与本次合作感知的用户个数K′。利用K′对收到的感知结果进行归一化，然后等增益融合得到融合结果Y_c。

$Y_c=\frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{i^{\′}}$

其中Y_i′表示数据融合中心本次收到的第i′个感知结果；

d、数据融合中心按照基于Neyman-Pearson最佳检测理论的判决方法，划定判决门限并做出对频谱使用情况的判决。

划定判决门限γ_c公式如下：

${\mathrm{\γ}}_c=\frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{H_0}\left(i^{\′}\right)+Q^{-1}\left(P_f\right)\sqrt{\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{1}{K^{\′}}{\mathrm{\σ}}_{H_0}\left(i^{\′}\right)\right]}^2}$

其中

为主用户没有占用目标频段时数据融合中心收到的第i′个感知结果的均值，

为主用户没有占用目标频段时数据融合中心收到的第i′个感知结果的方差，p_f为系统给定的虚警概率，Q^-1为Q函数的反函数(Q函数为数学中的常用函数，

当融合结果Y_c小于判决门限γ_c时，数据融合中心判决主用户没有占用目标频段；当融合结果Y_c大于或等于判决门限γ_c时，数据融合中心判决主用户占用了目标频段。将此判决结果作为本次合作感知的判决结果。

e、数据融合中心将本次合作感知的判决结果和判决门限γ_c通过控制信道广播给所有认知无线电用户；

步骤(4)认知无线电用户更新本地置信度；认知无线电用户更新本地置信度是指认知无线电用户利用收到的合作感知的判决结果和判决门限γ_c更新自身的置信度。具体方法为：

f、第i个认知无线电用户收到数据融合中心发送的合作感知的判决结果和判决门限γ_c后，将此次频谱感知过程中的本地感知结果Y_i与γ_c进行比较，当本地感知结果Y_i小于判决门限γ_c时，本地判决主用户没有占用目标频段；当本地感知结果Y_i大于或等于判决门限γ_c时，本地判决主用户占用了目标频段。

比较本地判决结果与合作感知的判决结果，得到在此次频谱感知过程中本地判决与合作感知判决的一致性记录。

g、利用最近l次感知过程中本地判决与合作感知判决的一致性记录，统计最近l次感知过程中本地判决与合作感知判决一致的次数Num_matched(i)，更新本地置信度c_i，c_i＝Num_matched(i)/l，i＝1，2，…，K；l＞0；其中l表示置信度门限的更新周期；

步骤(5)更新置信度门限；更新置信度门限是指每经过1次感知(一个置信度门限更新周期)后，各个认知无线电用户向数据融合中心发送1次感知结果的平均值Z_i和当前的本地置信度c_i，并由数据融合中心重新选择置信度门限。具体方法为：

h、认知无线电用户每经过1次感知后，根据1次感知过程中得到的本地感知记录G_i(t)，计算1次感知结果的平均值Z_i，计算公式如下：

$Z_i=\underset{t=t_c-l+1}{\overset{t_c}{\mathrm{\Σ}}}\frac{G_i\left(t\right)}{l},i=\mathrm{1,2},...,K$

其中t_c表示本地最近的一次感知过程。

每个认知无线电用户将本地统计的1次感知结果的平均值Z_i和当前的本地置信度c_i发送给数据融合中心。

i、数据融合中心收到K个认知无线电用户发送来的1次感知结果的平均值Z_i和本地置信度c_i后，记录为{[Z₁，c₁]，[Z₂，c₂]，…，[Z_i，c_i]，…，[Z_K，c_K]}。

对{[Z₁，c₁]，[Z₂，c₂]，…，[Z_i，c_i]，…，[Z_K，c_K]}按照置信度的大小进行排序，得到

其中

1≤m≤K，1≤b_m≤K，b_m表示第b_m个认知无线电用户。计算偏差系数D(k)如下：

$D\left(k\right)=\frac{{[\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{b_m}-\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{H_0}\left(b_m\right)]}^2}{\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{H_0}^2\left(b_m\right)},k=\mathrm{1,2}...K$

k依次从K取到1，得到对应的K个偏差系数{D(K)，D(K-1)，…，D(1)}。比较这K个偏差系数，找出其中的最大值，并确定使得偏差系数D(k)最大的k值，用k_opt表示；如果有多个k值都使得偏差系数最大，那么取其中最小的k值作为k_opt；选择第

个认知无线电用户的置信度

作为新的置信度门限。数据融合中心将新的置信度门限

通过控制信道广播给所有认知无线电用户。

j、认知无线电用户将收到的数据融合中心发送来的新的置信度门限设置为新的本地置信度门限。

本发明方法具有以下优点：

(1)在不降低合作感知准确性的前提下，减少了认知无线电网络的通信开销；对于认知无线电用户而言，减少了不必要的感知结果的发送，节省了宝贵的能量，延长了电池使用寿命；

(2)置信度门限周期性更新，能适应复杂多变的无线通信环境；

(3)减轻深衰落、主用户仿真攻击等对合作感知性能的影响。

(4)不需要获得主用户的先验信息，通用性较强。

附图说明

图1为认知无线电网络示意图；

图2为认知无线电用户的判决一致性记录表存储示意图；

图3为认知无线电用户本地感知频谱使用情况的示意图；

图4为在一次感知过程中，当认知无线电用户本地置信度大于或等于置信度门限时，认知无线电用户和数据融合中心的消息顺序图；

图5为在一次感知过程中，当认知无线电用户本地置信度小于置信度门限时，认知无线电用户和数据融合中心的消息顺序图；

图6为置信度门限更新过程中认知无线电用户和数据融合中心的消息顺序图。

具体实施方式

下面结合附图，以加性白高斯信道下的一个具体实现为例，进一步说明本发明提出的节省感知节点能量和网络通信开销的合作频谱感知方法的实施过程。

具体场景如图1所示，认知无线电网络由一个数据融合中心2和K个认知无线电用户1组成，各个认知无线电用户1收到的主用户3信号相互独立。认知无线电用户1所感知的信道中，噪声符合均值为0，方差为δ_i ²的高斯分布，其中i表示第i个认知无线电用户，1≤i≤K。数据融合中心和各个认知无线电用户之间通过控制信道进行消息交互。

本发明的合作频谱感知方法的具体实施主要分为五个步骤，包括初始化认知无线电用户、认知无线电用户感知频谱使用情况、数据融合中心判决频谱使用情况、认知无线电用户更新本地置信度和置信度门限更新。

一.初始化认知无线电用户

包括以下步骤：

1)初始化本地置信度。

本实施例中认知无线电用户维护一张本地判决与合作感知判决的一致性记录表，保存最近1次感知过程中本地判决与合作感知判决一致性的记录。

本地一致性记录表采用循环数组的方式存储，如图2所示，其中第t次感知过程的一致性记录存储在一致性记录表的t′位置中，其中t′＝t modl，mod表示取模运算。

本实施例中一致性记录表中每条记录用一个整数a[t′]表示，其中0≤t′≤l-1。a[t′]有两种取值，a[t′]等于1表示对应的感知过程中，本地判决结果和合作感知的判决结果一致；a[t′]等于0则表示对应的感知过程中，本地判决结果和合作感知的判决结果不一致。根据置信度的定义，本地置信度的计算公式如下：

$c_i=\frac{\underset{t^{\′}=0}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}a\left[t^{\′}\right]}{l}---\left(1\right)$

对于所有的可能的0≤t′≤l-1，初始化时置其对应的a[t′]值为1，即初始化后每条记录都设置为本地判决与合作感知判决一致，即认知无线电用户的初始置信度为1。

2)初始化本地置信度门限值

初始化设置本地置信度门限值c_th(i)为0，其中i表示第i个认知无线电用户。

二.认知无线电用户感知频谱使用情况：

图3为认知无线电用户本地感知频谱使用情况的示意图，具体实现流程如下：

1)在一次感知过程中，每个认知无线电用户独立进行频谱感知，得到本地感知结果。

如图3所示，认知无线电用户在每次感知过程中采用现有的能量检测技术进行N(N≥15)次采样，每次采样结果为x_i(j)，其中i表示第i个认知无线电用户，j表示第j次能量检测。第i个认知无线电用户的感知结果Y_i由如下公式得出：

$Y_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(j\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[n_i^2\left(j\right)\right]}^2& H_0\\ \underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{{[s}_i\left(j\right)+n_i\left(j\right)]}^2& H_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中n_i(j)为一次感知过程中，第i个认知无线电用户第j次采样到的噪声，s_i(j)为一次感知过程中，第i个认知无线电用户第j次采样到的主用户的信号，N为认知无线电用户执行一次感知所需的采样次数。1≤i≤K，1≤j≤N，N≥15。

从公式(2)可知，若H₀假设成立，^Y _i/_δi ²符合自由度为N的中心χ²分布；而若_H1假设成立，则^Y _i/_δi ²符合由参数λ_i约束的自由度为N的非中心χ²分布，如下式所示：

$\frac{Y_i}{{\mathrm{\δ}}_i^2}~\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\χ}}_N^2& H_0\\ {\mathrm{\χ}}_N^2\left({\mathrm{\λ}}_i\right)& H_1\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中

δ_i ²表示第i个认知无线电用户的噪声方差。N次采样过程独立进

行，根据中心极限定理，当N足够大时，Y_i近似地服从正态分布，本发明方法中采样次数N不小于15，则Y_i近似地服从正态分布，由公式(3)可知其均值E(Y_i)和方差Var(Y_i)如下：

$E\left(Y_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\μ}}_{H_0}\left(i\right)={\mathrm{N\δ}}_i^2& H_0\\ {\mathrm{\μ}}_{H_1}\left(i\right)=(N+{\mathrm{\λ}}_i){\mathrm{\δ}}_i^2& H_1\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\mathrm{Var}\left(Y_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_{H_0}^2\left(i\right)={2\mathrm{N\δ}}_i^4& H_0\\ {\mathrm{\σ}}_{H_1}^2\left(i\right)=2(N+{2\mathrm{\λ}}_i){\mathrm{\δ}}_i^4& H_1\end{array}---\left(5\right)\right.$

其中

表示当H₀假设成立时，第i个用户感知结果Y_i的均值，

表示当H₀假设成立时，第i个用户感知结果Y_i的方差，而

表示当H₁假设成立时，第i个用户感知结果Y_i的均值，

表示当H₁假设成立时，第i个用户感知结果Y_i的方差。

认知无线电用户得到感知结果Y_i后存储本次感知结果Y_i为本地感知记录G_i(t)，其中t表示本地第t次感知过程。

2)如图3所示，若本地置信度大于或等于本地置信度门限，即c_i≥c_th(i)，则认知无线电用户向数据融合中心发送本次感知结果Y_i；而若本地置信度小于本地置信度门限，即c_i＜c_th(i)，则认知无线电用户将不发送本次感知结果Y_i。

三.数据融合中心判决频谱使用情况

图4和图5为在合作感知过程中，各个认知无线电用户和数据融合中心的消息顺序图，其中数据融合中心判决频谱使用情况的具体实现流程如下：

1)数据融合中心接收各个认知无线电用户的感知结果，统计参与此次合作感知的用户个数K′，有些认知无线电用户由于本地置信度低于置信度门限而没有发送本地感知结果，因此K′≤K。利用K′对收到的感知结果进行归一化，然后等增益融合感知结果得到融合结果Y_c，等增益融合表示如下：

$Y_c=\frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{i^{\′}}---\left(6\right)$

其中Y_i′表示接收到的第i′个感知结果。由公式(6)可知，由于每个认知无线电用户的感知结果近似地符合正态分布，则融合结果Y_c也近似地符合正态分布，其均值E(Y_c)和方差Var(Y_c)表示如下：

$E\left(Y_c\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{H_0}\left(i^{\′}\right)=\frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{N\δ}}_{i^{\′}}^i& H_0\\ \frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{H_1}\left(i^{\′}\right)=\frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}(N+{\mathrm{\λ}}_{i^{\′}}){\mathrm{\δ}}_{i^{\′}}^2& H_1\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\mathrm{Var}\left(Y_c\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{j=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{1}{K^{\′}}{\mathrm{\σ}}_{H_0}\left(i^{\′}\right)\right]}^2=\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{2\mathrm{N\δ}}_{i^{\′}}^4}{K^{\′2}}& H_0\\ \underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{1}{K^{\′}}{\mathrm{\σ}}_{H_1}\left(i^{\′}\right)\right]}^2=\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2(N+{2\mathrm{\λ}}_{i^{\′}}){\mathrm{\δ}}_{i^{\′}}^4}{k^{\′2}}& H_1\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中

表示当H₀假设成立时数据融合中心收到的第i′个感知结果的均值，

分别表示当H₀假设成立时数据融合中心收到的第i′个感知结果的方差，而表示当H₁假设成立时数据融合中心收到的第i′个感知结果的均值，

表示当H₁假设成立时数据融合中心收到的第i′个感知结果的方差，δ_i′ ²表示数据融合中心收到的第i′个感知结果对应的噪声方差，而s_i′(j)为数据融合中心收到的第i′个感知结果对应的主用户信号。

2)融合结果Y_c近似地服从正态分布，按照基于Neyman-Pearson最佳检测理论的判决方法，最佳判决门限值γ_c与系统的虚警概率Pf的关系如下式所示：

$P_f=Q\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_c-\frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{H_0}\left(i^{\′}\right)}{\sqrt{\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{1}{K^{\′}}{\mathrm{\σ}}_{H_0}\left(i^{\′}\right)\right]}^2}}\right)=Q\left(\frac{K^{\′}{\mathrm{\γ}}_c-N\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_{i^{\′}}^2}{\sqrt{\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{2\mathrm{N\δ}}_{i^{\′}}^4}}\right)---\left(9\right)$

由上式可知γ_c的计算公式如下：

${\mathrm{\γ}}_c=\frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{H_0}\left(i^{\′}\right)+Q^{-1}\left(P_f\right)\sqrt{\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\mathrm{\σ}}_{H_0}\left(i^{\′}\right)\right]}^2}=\frac{Q^{-1}\left(p_f\right)}{K^{\′}}\sqrt{\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{2\mathrm{N\δ}}_{i^{\′}}^4}+\frac{N}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_{i^{\′}}^2---\left(10\right)$

当融合结果Y_c小于判决门限γ_c时，数据融合中心判决主用户没有占用目标频段；当融合结果Y_c大于或等于判决门限γ_c时，数据融合中心判决主用户占用了目标频段。将此判决结果作为本次合作感知的判决结果。

3)数据融合中心将本次合作感知的判决结果和判决门限γ_c通过控制信道广播给所有认知无线电用户；

四.认知无线电用户更新本地置信度

认知无线电用户利用收到的合作感知的判决结果和判决门限γ_c更新自身的置信度，具体实现流程如下：

1)认知无线电用户收到数据融合中心广播的判决门限值γ_c后，不论认知无线电用户是否参与了这次的合作感知过程，都要用本地在此次感知过程中得到的本地感知结果Y_i与γ_c进行比较，当本地感知结果Y_i小于判决门限γ_c时，本地判决主用户没有占用目标频段；当本地感知结果Y_i大于或等于判决门限γ_c时，本地判决主用户占用了目标频段。

比较本地判决和融合中心广播的合作感知判决结果，更新本地判决一致性记录表中的对应信息。若本地判决结果与合作感知的判决结果一致，则更新一致性记录如下：

a[tmodl]＝1                                (11)

如果不一致，则更新一致性记录如下：

a[tmodl]＝0                                (12)

其中t表示本次感知是本地第t次感知过程。

2)认知无线电用户更新一致性记录后，根据更新后的判决一致性记录表，由公式(1)得到新的本地置信度。

五.置信度门限更新

认知无线电用户在初始化完成或者一次置信度门限更新完成后，再经过l次感知后，进行新一轮的置信度门限更新。图6为在置信度门限更新过程中，各个认知无线电用户和数据融合中心的消息顺序图，具体实现流程如下：

1)置信度门限更新过程开始后，各个认知无线电用户根据本地存储的最近l次感知过程的感知结果记录G_i(t)，计算这l次感知结果的平均值Z_i，计算公式如下：

$Z_i=\underset{t=t_c-l+1}{\overset{t_c}{\mathrm{\Σ}}}\frac{G_i\left(t\right)}{l}---\left(13\right)$

其中t_c表示本地最近的一次感知过程。

认知无线电用户将得到的l次感知结果的平均值Z_i值和当前本地置信度c_i一起发送给数据融合中心。

2)数据融合中心收到K个认知无线电用户发送来的l次感知结果的平均值Z_i值和置信度c_i后，记录为{[Z₁，c₁]，[Z₂，c₂]，…，[Z_i，c_i]，…，[Z_K，c_K]}。

按照置信度c_i的大小对{[Z₁，c₁]，[Z₂，c₂]，…，[Z_i，c_i]，…，[Z_K，c_K]}进行重新排序，得到

使得

其中b_m表示第b_m个认知无线电用户，1≤m≤K，1≤b_m≤K。

在

中，分别取出置信度最高的k(k＝1，2…，K)个用户的相关信息计算偏差系数D(k)如下：

$D\left(k\right)=\frac{{[\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{b_m}-\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{H_0}\left(b_m\right)]}^2}{\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{H_0}^2\left(b_m\right)}=\frac{{[\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{b_m}-\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{N\δ}}_{b_m}^2]}^2}{\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{2\mathrm{N\δ}}_{b_m}^4},k=\mathrm{1,2}...K---\left(14\right)$

其中

表示第b_m个认知无线电用户的噪声方差。

k依次从K取到1，得到对应的K个偏差系数{D(K)，D(K-1)，…，D(1)}。比较这K个偏差系数，找出使得偏差系数D(k)最大的k值，用k_opt表示；如果有多个k值都使得偏差系数最大，那么取其中最小的k值作为k_opt，并选择第个认知无线电用户的置信度

作为新的置信度门限。

数据融合中心将新的置信度门限

通过控制信道广播给各个认知无线电用户。

3)认知无线电用户将收到的数据融合中心广播的置信度门限

值设置为新的本地置信度门限。

由公式(10)和公式(14)可见，本发明方法主要用到的信息为各个认知无线电用户所感知信道的噪声的均值和方差，没有用到主用户信号的任何信息，而噪声的均值和方差可以由各个认知无线电用户通过一定的方式得到，因此本发明方法实用性较强。

虽然本实施例以白高斯信道为应用场景来说明本发明方法，但本发明方法的应用场景不仅限于此实施例，本领域技术人员可以通过一些改变和修改而应用于其他场景。

Claims (1)

1.一种节省网络通信开销的合作频谱感知方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤(1)初始化认知无线电用户置信度和认知无线电用户置信度门限；所述的初始化认知无线电用户置信度为设置认知无线电用户置信度为1，所述的初始化认知无线电用户置信度门限为设置认知无线电用户置信度门限为0；

步骤(2)认知无线电用户感知频谱使用情况；所述的认知无线电用户感知频谱使用情况包括认知无线电用户本地感知和认知无线电用户根据本地置信度控制感知结果的发送；

a、认知无线电用户本地感知的方法为：在一次感知过程中，各个认知无线电用户独立地采用现有的能量检测技术感知目标频带上主用户的信号能量，得到本地的感知结果Y_i，

$Y_i=\left\{\begin{array}{cc}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[n_i\left(j\right)\right]}^2& H_0\\ \underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[s_i\left(j\right)+n_i\left(j\right)]}^2& H_1\end{array}\right.$

其中i为第i个认知无线电用户，n_i(j)为一次感知过程中，第i个认知无线电用户第j次采样到的噪声，s_i(j)为一次感知过程中，第i个认知无线电用户第j次采样到的主用户的信号，N为认知无线电用户执行一次感知所需的采样次数，H₁表示主用户占用目标频段，H₀表示主用户没有占用目标频段；1≤i≤K，1≤j≤N，N≥15，K表示合作感知的认知无线电用户的数量；

存储感知结果Y_i为本地感知记录G_i(t)，其中t表示本地第t次感知过程；

b、认知无线电用户根据本地置信度控制感知结果的发送；各个认知无线电用户比较本地置信度与本地置信度门限的大小，若本地置信度大于或等于本地置信度门限，则通过控制信道向数据融合中心发送本次感知过程中得到的本地感知结果Y_i，若本地置信度小于本地置信度门限则不发送本地感知结果Y_i；

步骤(3)数据融合中心判决频谱使用情况；所述数据融合中心判决频谱使用情况是指数据融合中心在收到认知无线电用户发送的感知结果后，对接收到的感知结果进行融合，利用融合的结果做出对频谱使用情况的判决，具体如下：

c、数据融合中心在接收到各个认知无线电用户的感知结果后，统计参与本次合作感知的用户个数K′；利用K′对收到的感知结果进行归一化，然后等增益融合得到融合结果Y_c，

$Y_c=\frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{i^{\′}}$

其中Y_i′表示数据融合中心本次收到的第i′个感知结果；

d、数据融合中心按照基于Neyman-Pearson最佳检测理论的判决方法，划定判决门限并做出对频谱使用情况的判决；

划定判决门限γ_c，

${\mathrm{\γ}}_c=\frac{1}{K^{\′}}\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{H_0}\left(i^{\′}\right)+Q^{-1}\left(P_f\right)\sqrt{\underset{i^{\′}=1}{\overset{K^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{1}{K^{\′}}{\mathrm{\σ}}_{H_0}\left(i^{\′}\right)\right]}^2}$

其中

为主用户没有占用目标频段时数据融合中心收到的第i′个感知结果的均值，

为主用户没有占用目标频段时数据融合中心收到的第i′个感知结果的方差，P_f为系统给定的虚警概率，Q^-1为Q函数的反函数；

当融合结果Y_c小于判决门限γ_c时，数据融合中心判决主用户没有占用目标频段；当融合结果Y_c大于或等于判决门限γ_c时，数据融合中心判决主用户占用了目标频段；将此判决结果作为本次合作感知的判决结果；

e、数据融合中心将本次合作感知的判决结果和判决门限γ_c通过控制信道广播给所有认知无线电用户；

步骤(4)认知无线电用户更新本地置信度；认知无线电用户更新本地置信度是指认知无线电用户利用收到的合作感知的判决结果和判决门限γ_c更新自身的置信度，具体为：

f、第i个认知无线电用户收到数据融合中心发送的合作感知的判决结果和判决门限γ_c后，将此次频谱感知过程中的本地感知结果Y_i与γ_c进行比较，当本地感知结果Y_i小于判决门限γ_c时，本地判决主用户没有占用目标频段；当本地感知结果Y_i大于或等于判决门限γ_c时，本地判决主用户占用了目标频段；

比较本地判决结果与合作感知的判决结果，得到在此次频谱感知过程中本地判决与合作感知判决的一致性记录；

g、利用最近l次感知过程中本地判决与合作感知判决的一致性记录，统计最近l次感知过程中本地判决与合作感知判决一致的次数Num_matched(i)，更新本地置信度c_i，c_i＝Num_matched(i)/l，i＝1，2，…，K；l＞0；其中l表示置信度门限的更新周期；

步骤(5)更新置信度门限；更新置信度门限是指每经过1次感知后，各个认知无线电用户向数据融合中心发送1次感知结果的平均值Z_i和当前的本地置信度c_i，并由数据融合中心重新选择置信度门限；具体为：

h、认知无线电用户每经过1次感知后，根据1次感知过程中得到的本地感知记录G_i(t)，计算1次感知结果的平均值Z_i，

$Z_i=\underset{t=t_c-l+1}{\overset{t_c}{\mathrm{\Σ}}}\frac{G_i\left(t\right)}{l},i=\mathrm{1,2},...,K$

其中t_c表示本地最近的一次感知过程；

每个认知无线电用户将本地统计的1次感知结果的平均值Z_i和当前的本地置信度c_i发送给数据融合中心；

i、数据融合中心收到K个认知无线电用户发送来的1次感知结果的平均值Z_i和本地置信度c_i后，记录为{[Z₁，c₁]，[Z₂，c₂]，…，[Z_i，c_i]，…，[Z_K，c_K]}；

对{[Z₁，c₁]，[Z₂，c₂]，…，[Z_i，c_K]，…，[Z_K，c_K]}按照置信度的大小进行排序，得到

其中 $c_{b_1}\≥c_{b_2}\≥\·\·\·\≥c_{b_m}\≥\·\·\·\≥c_{b_K},$ 1≤m≤K，1≤b_m≤K，b_m表示第b_m个认知无线电用户；

计算偏差系数D(k)，

$D\left(k\right)=\frac{{[\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{b_m}-\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{H_0}\left(b_m\right)]}^2}{\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{H_0}^2\left(b_m\right)},k=\mathrm{1,2}\·\·\·K$

k依次从K取到1，得到对应的K个偏差系数{D(K)，D(K-1)，…，D(1)}；比较这K个偏差系数，找出其中的最大值，并确定使得偏差系数D(k)最大的k值，用k_opt表示；如果有多个k值都使得偏差系数最大，取其中最小的k值作为k_opt；选择第

个认知无线电用户的置信度

作为新的置信度门限；

数据融合中心将新的置信度门限

通过控制信道广播给所有认知无线电用户；

j、认知无线电用户将收到的数据融合中心发送来的新的置信度门限设置为新的本地置信度门限。

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