CN102427393A - 一种可靠的协作频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本发明可靠的协作频谱感知方法，在第一子时隙里，所有次级源用户和次级中继用户对主用户信号进行本地能量检测，其中次级中继用户可以检测到主用户存在的次级中继用户数量为L；如果次级中继用户数量L不小于一个给定的门限值K时，那么在第二个子时隙里，那些检测到主用户存在的次级中继用户就会将感知结果发送给次级源用户，然后，次级源用户利用接收到的主用户信号和次级中继用户信号进行能量检测。同理，在第三和四两个子时隙里，次级用户进行着类似的操作。最后，次级源用户根据其在四个子时隙里得到的感知结果并利用或准则给出一个最终的判决结果。该方法通过次级源用户和次级中继用户之间两次相互协作，大大提高了检测主用户的概率。

Description

一种可靠的协作频谱感知方法

技术领域

本发明属于频谱感知技术领域，具体来讲，涉及一种可靠的协作频谱感知方法。

背景技术

在现代的频谱管理机制里，大多数频段都分配给了主用户，而留给次级用户的频段是十分有限的。随着无线应用和服务的快速增长，可用频段变得越来越拥挤。然而，频谱测量的结果表明，分配给主用户的频谱利用率非常低，而次级用户频谱却被过度使用。

为了提高频谱利用率，认知无线电技术被提了出来。它通过感知频谱空洞来为次级用户提供接入主用户频段的机会，同时避免次级用户对主用户造成干扰。这个过程中，频谱感知的性能至关重要。虚警的感知结果会降低次级用户数据传输的吞吐量；漏检则会引起次级用户数据传输对主用户造成干扰。所以，如何提高次级用户频谱感知的性能，是认知无线电首先要解决的问题。

常见的频谱感知技术有匹配滤波器检测、循环特征检测和能量检测，其中，能量检测是最简单的一种检测方法。它将接收信号的能量与一个满足给定虚警概率的门限值作比较，如果其接收能量大于门限值，则判定主用户存在；反之，若接收能量小于门限值，则判定主用户不存在。虽然能量检测具有简单易行的优点，但其性能受信道状况的影响较大。当信道经历深衰落时，能量检测的性能会急剧下降，甚至失效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种可靠的协作频谱感知方法，以提高次级用户频谱感知的性能。

为实现上述发明目的，本发明可靠的协作频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立了一个包含主源用户P、主目的用户P_D、次级源用户S和次级中继用户R_i(i＝1，…N)的认知网络；

(2)、频谱感知时隙被分为四个子时隙，其中每个子时隙内的频谱感知过程为：

2.1)、频谱感知子时隙1，首先次级源用户S和次级中继用户R_i分别使用能量检测对主用户信号进行本地检测，然后次级中继用户R_i之间进行通信，确定能够检测到主用户存在的次级中继用户数目为L；

2.2)、在频谱感知子时隙1中，如果检测到主用户存在的次级中继用户数目L不小于一个给定的阈值K，那么在频谱感知子时隙2里，那些在感知子时隙1里检测到主用户存在的次级中继用户R_i把感知结果发送给次级源用户S，此时，次级源用户S根据接收的主用户信号和次级中继用户信号进行能量检测；

否则，如果检测到主用户存在的次级中继用户数目L小于一个给定的阈值K，那么所有次级中继用户R_i在感知子时隙2里为休眠状态，此时，次级源用户S根据接收的主用户信号进行能量检测；

2.3)、在频谱感知子时隙3里，进行与频谱感知子时隙1相同的能量检测；

2.4)、在频谱感知子时隙4里，进行与频谱感知子时隙2相同的能量检测；

(3)、次级源用户S根据其在四个子时隙里得到的感知结果并利用或准则给出一个最终的判决结果。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明可靠的协作频谱感知方法，通过次级源用户和次级中继用户之间两次相互协作的频谱感知，用于提高次级用户检测主用户的概率。在本发明的方法中，频谱感知时隙被分为四个子时隙。在第一子时隙里，所有次级源用户和次级中继用户对主用户信号进行本地能量检测，其中次级中继用户可以检测到主用户存在的次级中继用户数量为L；如果次级中继用户数量L不小于一个给定的门限值K时，那么在第二个子时隙里，那些检测到主用户存在的次级中继用户就会将感知结果发送给次级源用户，然后，次级源用户利用接收到的主用户信号和次级中继用户信号进行能量检测。同理，在第三和四两个子时隙里，次级用户进行着类似的操作。最后，次级源用户根据其在四个子时隙里得到的感知结果并利用或准则给出一个最终的判决结果。该方法通过次级源用户和次级中继用户之间两次相互协作，大大提高了检测主用户的概率。

在本发明的协作频谱感知里，次级源用户通过次级中继用户的帮助来检测主用户是否存在，即次级中继用户会把其本地感知的结果发送给次级源用户。所以即使主用户到次级源用户的信道经历了深衰落，但由于综合了次级中继用户的检测结果，次级源用户仍然能够对主用户的状态进行较为准确的判断，可靠性得到了提高。

附图说明

图1是本发明认知网络结构图；

图2是主用户的发射功率E_P对检测概率的影响曲线图；

图3是次级中继用户数N对检测概率的影响曲线图；

图4是阈值K对检测概率的的影响曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明认知网络结构图。

如图1所示，本发明建立了一个包含主源用户P、主目的用户P_D、次级源用户S和次级中继用户R_i(i＝1，…N)的认知网络。在这个认知网络里，主源用户P到次级源用户S的信道状况较差，导致次级源用户S能够正确检测到主用户的概率较低。此时，次级源用户S的数据传输会由于频谱检测精度不够而造成对主用户干扰。所以次级源用户S需要次级中继用户R_i的帮助来提高频谱感知的精度。

为此，本发明提供了一种基于次级源用户S和次级中继用户R_i之间两次协作的频谱感知方法：

1、频谱感知子时隙1，首先次级源用户S和次级中继用户R_i分别使用能量检测对主用户信号进行本地检测，然后次级中继用户R_i之间进行通信，确定能够检测到主用户存在的次级中继用户数目为L；

2.、在频谱感知子时隙1中，如果检测到主用户存在的次级中继用户数目L不小于一个给定的阈值K，那么在频谱感知子时隙2里，那些在感知子时隙1里检测到主用户存在的次级中继用户R_i把感知结果发送给次级源用户S，此时，次级源用户S根据接收的主用户信号和次级中继用户信号进行能量检测；

否则，如果检测到主用户存在的次级中继用户数目L小于一个给定的阈值K，那么所有次级中继用户R_i在感知子时隙2里为休眠状态，此时，次级源用户S根据接收的主用户信号进行能量检测；

3、在频谱感知子时隙3里，进行与频谱感知子时隙1相同的能量检测；

4)、在频谱感知子时隙4里，进行与频谱感知子时隙2相同的能量检测；

然后，次级源用户S根据其在四个子时隙里得到的感知结果并利用或准则给出一个最终的判决结果。

一、性能分析

1、在频谱感知子时隙1中，次级源用户S和次级中继用户R_i接收的数据可以表示为：

$y_S^{\left(1\right)}=\mathrm{\θ}\sqrt{E_P}{h}_{\mathrm{PS}}^{\left(1\right)}{x}_P^{\left(1\right)}+n_S^{\left(1\right)}---\left(1\right)$

$y_{R_i}^{\left(1\right)}=\mathrm{\θ}\sqrt{E_P}{h}_{P{R}_i}^{\left(1\right)}{x}_P^{\left(1\right)}+n_{R_i}^{\left(1\right)}---\left(2\right)$

其中，θ表示主用户的状态，即θ＝1代表主用户存在，θ＝0表示主用户不存在。x_P和E_P分别为主用户信号和主用户的发射功率。h_PJ是从主源用户P到J的信道系数，其中

即J为次级源用户S和次级中继用户R_i，对应的方差为σ_PJ。n_J是均值为0，功率谱密度为N₀的高斯白噪声。次级源用户S和次级中继用户R_i对公式(1)和(2)应用能量检测判断主用户是否存在时，虚警概率都为α，则次级源用户S和次级中继用户R_i的检测概率分别为：

$P_{\mathrm{Sd}}^{\left(1\right)}={\mathrm{\α}}^{\frac{N_0}{E_P{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{PS}}+N_0}}---\left(3\right)$

$P_{R_{i}d}^{\left(1\right)}={\mathrm{\α}}^{\frac{N_0}{E_P{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{PR}}_i}+N_0}}---\left(4\right)$

2、在频谱感知子时隙2中，次级源用户S接收到信号为：

$y_S^{\left(2\right)}=\mathrm{\θ}\sqrt{E_P}{h}_{\mathrm{PS}}^{\left(2\right)}{x}_P^{\left(2\right)}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_i^{\left(2\right)}\sqrt{E_{R_i}}{h}_{{\mathrm{SR}}_i}^{\left(2\right)}{x}_{R_i}^{\left(2\right)}+n_S^{\left(2\right)}---\left(5\right)$

其中

表示次级中继用户R_i在第二个频谱感知子时隙里的状态，即代表R_i发送感知结果

到S，而

代表次级中继用户R_i为睡眠状态。

是次级中继用户R_i的发射功率。次级源用户S对公式(5)进行能量检测，则其虚警概率和检测概率分别为：

$P_{\mathrm{Sf}}^{\left(2\right)}=\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{C_N^i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}^i{(1-\mathrm{\α})}^{N-i}\exp (-\frac{T_S}{N_0})$

$+\underset{i=K}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{C_N^i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}^i{(1-\mathrm{\α})}^{N-i}\exp (-\frac{T_S}{\underset{R_i\∈{\mathrm{\Φ}}_{i,j}}{\mathrm{\Σ}}{E}_{R_i}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{SR}}_i}+N_0})---\left(6\right)$

$P_{\mathrm{Sd}}^{\left(2\right)}=\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{C_N^i}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{R_i\∈{\mathrm{\Φ}}_{i,j}}{\mathrm{\Π}}{P}_{{\mathrm{Rd}}_i}\right)\left(\underset{R_i\∈{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_{i,j}}{\mathrm{\Π}}(1-P_{{\mathrm{Rd}}_i})\right)\exp (-\frac{T_S}{E_P{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{PS}}+N_0})$

$+\underset{i=k}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{C_N^i}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{R_i\∈{\mathrm{\Φ}}_{i,j}}{\mathrm{\Π}}{P}_{{\mathrm{Rd}}_i}\right)\left(\underset{R_i\∈{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_{i,j}}{\mathrm{\Π}}(1-P_{{\mathrm{Rd}}_i})\right)---\left(7\right)$

$\×\exp (-\frac{T_S}{E_P{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{PS}}+\underset{R_i\∈{\mathrm{\Φ}}_{i,j}}{\mathrm{\Σ}}{E}_{R_i}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{SR}}_i}+N_0})$

其中Φ_i，j是集合Ω＝{R_i|i＝1，…，N}中包含i个元素的第j $\left(\begin{array}{c}j=1,\·\·\·\left(\begin{array}{c}N\\ i\end{array}\right)\end{array}\right)$ 个子集。

例如当Ω＝{R₁，R₂，R₃}时，Φ_0，1＝Θ，Φ_1，1＝{R₁}，Φ_1，2＝{R₂}，Φ_1，3＝{R₃}，Φ_2，1＝{R₁，R₂}，Φ_2，2＝{R₁，R₃}，Φ_2，3＝{R₂，R₃}和Φ_3，1＝{R₁，R₂，R₃}。

是Φ_i，j的补集，Θ是空集。

此外，在(6)和(7)式中， $C_N^i=\left(\begin{array}{c}N\\ i\end{array}\right).$ T_S是能量门限。

(3)在频谱感知子时隙3里，次级源用户S和次级中继用户R_i的接收信号为：

$y_S^{\left(3\right)}=\mathrm{\θ}\sqrt{E_P}{h}_{\mathrm{PS}}^{\left(3\right)}{x}_P^{\left(3\right)}+n_S^{\left(3\right)}---\left(8\right)$

$y_{R_i}^{\left(3\right)}=\mathrm{\θ}\sqrt{E_P}{h}_{P{R}_i}^{\left(3\right)}{x}_P^{\left(3\right)}+n_{R_i}^{\left(3\right)}---\left(9\right)$

对公式(8)和公式(9)应用能量检测，虚警概率都为α，则次级源用户S和次级中继用户R_i的检测概率分别为

$P_{\mathrm{Sd}}^{\left(3\right)}={\mathrm{\α}}^{\frac{N_0}{E_P{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{PS}}+N_0}}---\left(10\right)$

$P_{R_{i}d}^{\left(3\right)}={\mathrm{\α}}^{\frac{N_0}{E_P{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{PR}}_i}+N_0}}---\left(11\right)$

(4)在频谱感知子时隙4中，次级源用户S的接收信号为：

$y_S^{\left(4\right)}=\mathrm{\θ}\sqrt{E_P}{h}_{\mathrm{PS}}^{\left(4\right)}{x}_P^{\left(4\right)}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_i^{\left(4\right)}\sqrt{E_{R_i}}{h}_{{\mathrm{SR}}_i}^{\left(4\right)}{x}_{R_i}^{\left(4\right)}+n_S^{\left(4\right)}---\left(12\right)$

其中

表示次级中继用户R_i在频谱感知子时隙4里的状态，即

表示次级中继用户R_i发送感知结果到次级源用户S，

代表次级中继用户R_i进入休眠状态。由(12)，可以得到此时次级源用户S的虚警概率和检测概率分别为：

$P_{\mathrm{Sf}}^{\left(4\right)}=P_{\mathrm{Sf}}^{\left(2\right)}---\left(13\right)$

$P_{\mathrm{Sd}}^{\left(4\right)}=P_{\mathrm{Sd}}^{\left(2\right)}---\left(14\right)$

在本实施例中，在第2、4个频谱感知子时隙里，将次级源用户S的虚警概率也设置为α，则经过四个频谱感知子时隙的检测，次级源用户S最终的虚警概率和检测概率分别为：

$P_f=1-(1-P_{\mathrm{Sf}}^{\left(1\right)})(1-P_{\mathrm{Sf}}^{\left(2\right)})(1-P_{\mathrm{Sf}}^{\left(3\right)})(1-P_{\mathrm{Sf}}^{\left(4\right)})$

$\left(15\right)$

$=1-{(1-\mathrm{\α})}^4$

$P_d=1-(1-P_{\mathrm{Sd}}^{\left(1\right)})(1-P_{\mathrm{Sd}}^{\left(2\right)})(1-P_{\mathrm{Sd}}^{\left(3\right)})(1-P_{\mathrm{Sd}}^{\left(4\right)})---\left(16\right)$

在本实施例中，次级源用户S最终的虚警概率P_f被固定为α₀，则可以得到每个频谱感知子时隙的虚警概率：

$\mathrm{\α}=1-{(1-{\mathrm{\α}}_0)}^{\frac{1}{4}}---\left(17\right)$

最后，当次级源用户S最终的虚警概率P_f给定为α₀时，每个频谱感知子时隙的虚警概率α就可以由公式(17)得出。然后，能量门限值T_S可以从

中得出。最后根据公式(16)，可计算出最终的检测概率。

二、测试结果

假设方差

并且所有中继节点的发射功率都为E_R。

1、首先，令次级源用户S最终的虚警概率P_f给定值α₀＝0.1，E_R＝10dB，主用户的发射功率E_P从0dB变化到20dB，则本发明的检测概率测试结果如图2所示。

由图2可以看到，本发明的检测概率远远高于传统的非协作感知方法。并且本发明在阈值K＝2，次级中继用户数N＝4时的检测概率大于阈值K＝1，次级中继用户数N＝1时的检测概率。

2、其次，令次级源用户S最终的虚警概率P_f给定值α₀＝0.1，阈值K＝2，主用户的发射功率E_P＝10dB。此时，考查次级中继用户数N对检测概率的影响，如图3所示。

由图3可以看到，当阈值K给定时，选择适当的次级中继用户数N可以使本发明的检测概率达到最大。同时，增加次级中继用户的发射功率E_R可以提高本发明的检测概率。

最后，令次级源用户S最终的虚警概率P_f给定值α₀＝0.1，次级中继用户数N＝16，主用户的发射功率E_P＝10dB，考查阈值K对本发明检测概率的影响，如图4所示。

由图4可以看到，当中继数目N给定时，选择适当的K值可以使本发明的检测概率达到最大。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种可靠的协作频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立了一个包含主源用户P、主目的用户P_D、次级源用户S和次级中继用户R_i(i＝1，...N)的认知网络；

(2)、频谱感知时隙被分为四个子时隙，其中每个子时隙内的频谱感知过程为：

2.1)、频谱感知子时隙1，首先次级源用户S和次级中继用户R_i分别使用能量检测对主用户信号进行本地检测，然后次级中继用户R_i之间进行通信，确定能够检测到主用户存在的次级中继用户数目为L；

2.2)、在频谱感知子时隙1中，如果检测到主用户存在的次级中继用户数目L不小于一个给定的阈值K，那么在频谱感知子时隙2里，那些在感知子时隙1里检测到主用户存在的次级中继用户R_i把感知结果发送给次级源用户S，此时，次级源用户S根据接收的主用户信号和次级中继用户信号进行能量检测；

否则，如果检测到主用户存在的次级中继用户数目L小于一个给定的阈值K，那么所有次级中继用户R_i在感知子时隙2里为休眠状态，此时，次级源用户S根据接收的主用户信号进行能量检测；

2.3)、在频谱感知子时隙3里，进行与频谱感知子时隙1相同的能量检测；

2.4)、在频谱感知子时隙4里，进行与频谱感知子时隙2相同的能量检测；

(3)、次级源用户S根据其在四个子时隙里得到的感知结果并利用或准则给出一个最终的判决结果。

2.根据权利要求1所述的可靠的协作频谱感知方法，其特征在于，次级源用户S最终的虚警概率P_f被固定为α₀，在四个频谱感知子时隙里，进行能量检测时，次级源用户S的虚警概率都设置为α；则：

$\mathrm{\α}=1-{(1-{\mathrm{\α}}_0)}^{\frac{1}{4}}---\left(1\right)$

然后，依据以下公式，即公式(2)、(3)

$P_{\mathrm{Sf}}^{\left(2\right)}=P_{\mathrm{Sf}}^{\left(4\right)}=\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{C_N^i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}^i{(1-\mathrm{\α})}^{N-i}\exp (-\frac{T_S}{N_0})$

$+\underset{i=K}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{C_N^i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}^i{(1-\mathrm{\α})}^{N-i}\exp (-\frac{T_S}{\underset{R_i\∈{\mathrm{\Φ}}_{i,j}}{\mathrm{\Σ}}{E}_{R_i}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{SR}}_i}+N_0})---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{Sf}}^{\left(2\right)}=P_{\mathrm{Sf}}^{\left(4\right)}=\mathrm{\α}---\left(3\right)$

计算出频谱感知子时隙2、4里，进行能量检测时的能量门限值T_S，其中：Φ_i，j是集合Ω＝{R_i|i＝1，...，N}中包含i个元素的第j $\left(\begin{array}{c}j=1,\·\·\·\left(\begin{array}{c}N\\ i\end{array}\right)\end{array}\right)$ 个子集。

是Φ_i，j的补集，Θ是空集， $C_N^i=\left(\begin{array}{c}N\\ i\end{array}\right).$

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