CN102136874A - 一种迭代式的协作频谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种迭代式的协作频谱检测方法。针对在现有的认知无线电的频谱检测过程中，当认知用户过多时，传输和判决过程消耗大量的时间、能量和频谱，本发明通过迭代检测，根据过去时刻判决中心的判决结果和当前时刻认知节点的判决结果来判定授权用户是否处于活动状态，实现了利用两个认知用户实现高检测概率；迭代检测提高了系统的检测性能，随着检测时间的推移，检测概率逐渐增大；除了第一时刻，每一检测时刻只有一个认知用户对授权用户进行检测，可以节省一半的认知用户能量。

Description

一种迭代式的协作频谱检测方法

技术领域

本发明属于认知无线电技术领域，特别涉及认知无线电中的频谱检测方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，无线应用不断拓展，频谱资源的缺乏已成为无线应用研究过程中不得不面临的问题。当前的频谱管理策略是基于静态控制的模型。管理机构将可用频谱资源划分成固定、非重叠的频谱块，并通过保护频带进行分割，将这些频谱块以独占(exclusive)的方式分配给不同的服务和技术，例如：移动通信运营商、广播电视、军事和公共安全部门。

为了解决上述频谱利用率低下的问题，一种称为认知无线电(CR，Cognitive Radio)的新的频谱使用模式正逐渐受到人们的关注。认知无线电的基本思想是：认知用户通过检测授权用户的授权频段，在不对授权用户产生干扰的情况下，“伺机”接入未被授权用户使用的授权频段。频谱检测是认知无线电技术实现的关键与前提，它为认知用户的接入提供可靠的频谱检测。当前的检测方法主要分为单节点检测和多节点协作式检测。单节点检测主要有：匹配滤波检测，能量检测，周期性检测，协方差检测，及本震泄漏等。传统单节点检测中存在诸如隐蔽终端，噪声功率不确定及信道衰落等不利因素的影响，使得检测性能得不到保障。协作检测能够克服上述缺陷，检测性能比普通单节点检测的检测性能有大幅提高，因此协作型检测越来越受到关注。多节点协作式检测主要分为：存在性检测和覆盖区检测。存在性检测算法包括普通的协作式检测，带权重的协作式检测，中继型协作式检测等。普通式协作检测判决中心的融合方案主要为OR型，AND型和K秩型。在普通协作式检测中，认知用户数目越多，检测概率就会越高，但认知用户数目越多存在一种缺陷，由于认知用户通过TDMA方式向判决中心传送本地判决结果，当认知用户过多时，传输和判决过程消耗了大量的时间、能量和频谱。

发明内容

本发明的目的是为了解决在现有的认知无线电的频谱检测过程中，当认知用户过多时，传输和判决过程消耗大量的时间、能量和频谱，提出了一种迭代式的协作频谱检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种迭代式的协作频谱检测方法，包括如下步骤：

步骤1：认知用户U₁，U₂共同检测可用频段f₁并将检测结果和接收的信号功率P₁，P₂告知判决中心，判决中心根据接收到的功率大小决定迭代次序和迭代次数，假设接收功率P₁＞P₂，则迭代次序为U₁、U₂；

步骤2：判决中心根据判决准则做出频段f₁上授权用户是否存在的判断，并将判决结果告知两认知用户：

步骤21：若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；

步骤22：若检测到授权用户不存在，进行数据传输，在下一检测时刻，按照迭代次序，认知用户U₁检测频段f₁，并将检测结果告知判决中心，认知用户U₂保持寂静；

步骤3：判决中心根据判决准则做出频段f₁上授权用户是否存在的判断，并将判决结果告知两认知用户；

步骤31：若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；

步骤32：若检测到授权用户不存在，进行数据传输，在下一检测时刻，认知用户U₂检测频段f₁，并将检测结果告知判决中心，认知用户U₁保持寂静；

步骤4：转到步骤2，进行迭代检测。

所述迭代次数通过认知用户U₁，U₂在接收端的接收信号的功率来确定，在虚警概率为P_f，两认知用户独立检测授权用户的情况下，U₁，U₂的检测概率分别如下所示：

$P_{d,1}={P_f}^{\frac{1}{P_1+1}}$

$P_{d,2}={P_f}^{\frac{1}{P_2+1}}$

根据U₁，U₂的检测概率P_d，1P_d，2计算判决中心的检测概率Q_d，n达到预设的阈值时n的值，即迭代次数，这里的Q_d，n表示为：

本发明的有益效果：本发明通过迭代检测，根据过去时刻判决中心的判决结果和当前时刻认知节点的判决结果来判定授权用户是否处于活动状态，实现了利用两个认知用户实现高检测概率；迭代检测提高了系统的检测性能，随着检测时间的推移，检测概率逐渐增大；除了第一时刻，每一检测时刻只有一个认知用户对授权用户进行检测，可以节省一半的认知用户能量。

附图说明

图1是本发明实施例的迭代检测模型图。

图2是本发明实施例的迭代检测模式示意图。

图3是本发明实施例的迭代检测、普通协作检测理论仿真曲线和仿真曲线示意图。

图4是本发明实施例的性能结果仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明进行具体说明。

本发明提供了迭代检测模型图和收发模式图，下面结合图1、图2详细说明，本发明的收发模式主要针对授权用户不存在时对授权用户的检测，当检测到授权用户存在时，收发模式即变为纯检测模式。在假定当前时刻授权用户不存在下，频谱检测则按照迭代式的检测模型进行。主要包括如下步骤：

步骤1：认知用户U₁，U₂共同检测可用频段f₁并将检测结果和接收的信号功率P₁，P₂告知判决中心，判决中心根据接收到的功率大小决定迭代次序和迭代次数，假设接收的信号功率P₁＞P₂，则迭代次序为U₁、U₂；

步骤2：判决中心根据判决准则做出频段f₁上授权用户是否存在的判断，并将判决结果告知两认知用户：

步骤21：若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；

步骤22：若检测到授权用户不存在，进行数据传输，在下一检测时刻，按照迭代次序，认知用户U₁检测频段f₁，并将检测结果告知判决中心，认知用户U₂保持寂静；

步骤3：判决中心根据判决准则做出频段f₁上授权用户是否存在的判断，并将判决结果告知两认知用户；

步骤31：若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；

步骤32：若检测到授权用户不存在，进行数据传输。在下一检测时刻，认知用户U₂检测频段f₁，并将检测结果告知判决中心，认知用户U₁保持寂静；

步骤4：转到步骤2，进行迭代检测。

下面通过具体的仿真进行说明。本发明实施例的迭代检测模型图如图1所示，图中PU1(primary user 1)、PU2(primary user 2)表示授权用户，CR1(cognitive radio 1)、CR2(cognitive radio 2)表示认知用户。仿真采用信道为加性高斯信道(AWGN)，设认知用户接收的授权用户信号为10000点随机信号，仿真次数为2000次，判决准则可以为OR准则、AND准则和K秩准则，在本实施例中判决准则采用的是OR准则。

假设存在两个认知用户U₁，U₂，存在可用的频段f₁，认知用户U₁，U₂共同检测频段f₁并将检测结果和接收功率P₁，P₂告知判决中心，根据接收到的功率大小决定迭代次序和迭代次数，假设接收功率P₁＞P₂，则迭代次序为U₁、U₂。

为了保证在漏报存在的情况下迭代检测能停止无限制的迭代，限制迭代次数尤为重要，迭代次数可以通过认知用户U₁，U₂在接收端的接收信号的功率来确定。下面给出一种确定迭代次数的方法。

若U₁接收的信号功率为P₁，U₂接收到的信号功率为P₂，则在虚警概率为P_f，两认知用户独立检测授权用户的情况下，U₁，U₂的检测概率分别如下所示：

$P_{d,1}={P_f}^{\frac{1}{P_1+1}}$

$P_{d,2}={P_f}^{\frac{1}{P_2+1}}$

根据U₁，U₂的检测概率P_d，1P_d，2计算判决中心的检测概率Q_d，n达到预设的阈值时n的值，即迭代次数。在本实施例中，预设的阈值为0.9。

这里的Q_d，n可以表示为：

假设两认知用户U₁，U₂单独检测频段f₁的检测概率分别为P_d，1，P_d，2，虚警概率分别为P_f，1，P_f，2。第一时刻T₁认知用户U₁，U₂将检测到f₁频段授权用户的结果及接收到的信号功率发送至判决中心，设检测结果通过某一特定频段发送，此频段与频段f₁相互独立，并假设此频段误码率为零。

所以在第一时刻T₁判决中心的检测概率和虚警概率分别为：

Q_d，1＝1-(1-P_d，1)(1-P_d，2)

Q_f，1＝1-(1-P_f，1)(1-P_f，2)

从公式中可以看出这时的检测概率和虚警概率和普通两认知用户OR型协作检测的检测概率和虚警概率相同。

根据第一检测时刻发来的两认知用户接收到的功率信息P₁，P₂，决定在下一检测时刻哪个认知用户来检测授权用户。在此假设认知用户U₁接收到的信号功率P₁大于认知用户U₂接收到的信号功率P₂，即P₁＞P₂。所以在下一检测时刻T₂由U₁来检测f₁频段授权用户的有无，并将检测结果发送至判决中心，认知用户U₂保持寂静。判决中心对授权用户的存在做出判决，并将检测结果告知两认知用户，其迭代检测模式如附图2所示。

若T₁时刻检测到授权用户存在，认知用户退出f₁频段，T₂时刻的检测模型变为纯检测模式。

若T₁时刻未检测到授权用户，T₂时刻继续对授权用户进行检测，假定单用户的检测概率保持不变。

所以在T₂时刻判决中心的检测概率为：

Q_d，2＝P(T1_D₀·T2_D₁|H₁)+P(T1_D₁|H₁)

＝P(T1_D₀|H₁)P(X₂＞λ|H₁)+P(T1_D₁|H₁)

＝(1-Q_d，1)P_d，1+Q_d，1

＝1-(1-p_d，1)²(1-p_d，2)

Q_d，2-Q_d，1＝1-(1-p_d，1)²(1-p_d，2)-1+(1-p_d，1)(1-p_d，2)＝(1-P_d，2)(1-P_d，1)P_d，1

其中，“·”表示与运算。由于0＜P_d，1＜1，0＜P_d，2＜1，所以Q_d，2-Q_d，1＞0。由此可以看出在T₂时刻两认知用户迭代检测的检测概率大于普通两认知用户OR型协作检测。

如果在T₂时刻检测到授权用户存在，则认知用户退出当前使用的f₁频段，等待空闲频段。

如果T₂时刻没有检测到授权用户存在，在T₃时刻，认知用户U₂检测f₁频段授权用户的有无，并将检测结果发送至判决中心，认知用户U₁保持寂静。

由此得到在T₃时刻判决中心的检测概率为：

Q_d，3＝P(T2_D₀·T3_D₁|H₁)+P(T2_D₁|H₁)

＝P(T2_D₀|H₁)P(X₃＞λ|H₁)+P(T2_D₁|H₁)

＝(1-Q_d，2)P_d，2+Q_d，2

＝1-(1-p_d，1)²(1-p_d，2)²

虚警概率为：

Q_f，3＝P(T2_D₀·T3_D₁|H₀)+P(T2_D₁|H₀)

＝P(T2_D₀|H₀)P(X₃＞λ|H₀)+P(T2_D₁|H₀)

＝(1-Q_d，2)P_d，2+Q_d，2

可得到Q_d，3＞Q_d，2＞Q_d，1，检测概率随着检测时间测推移逐渐增大。

按照认知用户U₁，U₂相互迭代的方法依此进行下去，在第n时刻判决中心检测到授权用户的检测概率和虚警概率了分别为：

当n为奇数时：

$Q_{d,n}=1-{(1-P_{d,1})}^{\frac{n+1}{2}}{(1-P_{d,2})}^{\frac{n+1}{2}}$

$Q_{f,n}=1-{(1-P_{f,1})}^{\frac{n+1}{2}}{(1-P_{f,2})}^{\frac{n+1}{2}}$

当n为偶数时：

$Q_{d,n}=1-{(1-P_{d,1})}^{\frac{n}{2}+1}{(1-P_{d,2})}^{\frac{n}{2}}$

$Q_{f,n}=1-{(1-P_{f,1})}^{\frac{n}{2}+1}{(1-P_{f,2})}^{\frac{n}{2}}$

其中Q_d，i，Q_f，i表示第Ti时刻迭代检测的检测概率和虚警概率。P(Ti_D₀|H₁)表示事件：在Ti时刻，假设授权用户存在的情况下确没有检测到授权用户的概率。P(Ti_D₁|H₁)表示事件：在Ti时刻，假设授权用户存在的情况下检测到授权用户的概率。λ为能量检测的门限，X_i表示第Ti时刻认知用户接收到的信号能量。

为了保证在漏报存在的情况下迭代检测能停止无限制的迭代，限制迭代次数尤为重要，迭代次数可以通过认知用户U₁，U₂在接收端的接收信号的功率来确定。若U₁接收的信号功率为P₁，U₂接收到的信号功率为P₂，则在虚警概率为P_f，两认知用户独立检测授权用户的情况下，U₁，U₂的检测概率分别如下所示：

$P_{d,1}={P_f}^{\frac{1}{P_1+1}}$

$P_{d,2}={P_f}^{\frac{1}{P_2+1}}$

根据U₁，U₂的检测概率P_d，1P_d，2来限制迭代检测的次数。

本实施例只描述了两个认知用户的情况，多个认知用户与此类似。当认知用户数目增多时，设有N个认知用户，在第一时刻每个认知用户都检测可用频段f₁，并将检测结果和接收到的信号功率发送至判决中心，判决中心根据判决法则做出判决，并根据每个认知用户的功率大小进行排序，以后时刻每个认知用户按照安排的次序进行迭代检测授权用户。

为了体现迭代先后次序，图3假设U₁接收的信号功率比U₂接收的信号功率大2db，图3表示虚警概率P_f为0.1时，迭代检测和普通检测在不同的信噪比下仿真示意图，纵坐标Qd表示判决中心的检测概率，横坐标snrdb是基于U₂接收到的信噪比。在图4是在U₁接收信噪比为时-18db，U₂接收信噪比为-20db情况下检测概率的ROC仿真曲线图。从仿真图可以看出迭代检测提高了系统的检测性能，随着检测时间的推移，检测概率逐渐增大；除了第一时刻，每一检测时刻只有一个认知用户对授权用户进行检测，可以节省一半的认知用户能量。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种迭代式的协作频谱检测方法，包括如下步骤：

步骤1：认知用户U₁，U₂共同检测可用频段f₁并将检测结果和接收的信号功率P₁，P₂告知判决中心，判决中心根据接收到的功率大小决定迭代次序和迭代次数，假设接收功率P₁＞P₂，则迭代次序为U₁、U₂；

步骤2：判决中心根据判决准则做出频段f₁上授权用户是否存在的判断，并将判决结果告知两认知用户：

步骤21：若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；

步骤22：若检测到授权用户不存在，进行数据传输，在下一检测时刻，按照迭代次序，认知用户U₁检测频段f₁，并将检测结果告知判决中心，认知用户U₂保持寂静。

步骤3：判决中心根据判决准则做出频段f₁上授权用户是否存在的判断，并将判决结果告知两认知用户；

步骤31：若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；

步骤32：若检测到授权用户不存在，进行数据传输，在下一检测时刻，按照步骤1中确定的检测次序，认知用户U₂检测频段f₁，并将检测结果告知判决中心，认知用户U₁保持寂静；

步骤4：转到步骤2，进行迭代检测。

2.根据权利要求1所述的迭代式的协作频谱检测方法，其特征在于，步骤2和步骤3中所述的判决准则为OR准则。

3.根据权利要求1或2所述的迭代式的协作频谱检测方法，其特征在于，步骤1中所述的迭代次数通过认知用户U₁，U₂在接收端的接收信号的功率来确定，在虚警概率为P_f，两认知用户独立检测授权用户的情况下，U₁，U₂的检测概率分别如下所示：

$P_{d,1}={P_f}^{\frac{1}{P_1+1}}$

$P_{d,2}={P_f}^{\frac{1}{P_2+1}}$

根据检测概率P_d，1P_d，2计算检测概率P_d，n达到预设的阈值时n的值，即迭代次数，这里的Q_d，n表示为：

4.根据权利要求3所述的迭代式的协作频谱检测方法，其特征在于，所述的预设的阈值为0.9。

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