CN102577479B - 感知无线网络的协作频谱感知方法和感知节点 - Google Patents

感知无线网络的协作频谱感知方法和感知节点 Download PDF

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Abstract

本发明的实施方式提供感知无线网络的协作频谱感知方法和感知节点。根据本发明，每个本地感知节点，在感知测量后产生一个感知自信度并将感知自信度与一个自信度门限进行比较，如果感知自信度大于自信度门限，本地感知节点将感知信息发送回汇聚中心；如果感知自信度小于自信度门限，本地感知节点放弃本轮的感知，不发送感知结果给汇聚中心。也就是说，低自信度的感知节点不发送其测量结果到汇聚中心，这样可以减少反馈开销，增加频谱效率，并且维持感知精度。

Description

感知无线网络的协作频谱感知方法和感知节点
技术领域
本发明涉及通信技术，尤其涉及感知无线网络的协作频谱感知方法和感知节点。
背景技术
授权频谱下的频谱共享系统中，主系统和从系统共享某一频谱资源，当主系统不占用此频谱资源时，从系统可以机会性的使用此空闲资源。主系统对频谱的使用拥有特权，可以随时接入。从系统是机会性的使用频谱，如果频谱未被主系统占用，从系统就能使用上述频谱；当主系统使用该频谱时，从系统需要避让。为了避免对主系统产生有害干扰，从系统必须周期性的检测主系统的存在状态，即从系统应该周期性的感知频谱资源是否可用。如果主系统不占用该频谱资源，次系统可以使用该频谱资源；当主系统占用该频谱资源，次系统就不能使用该频谱资源。为提高频谱利用率，次系统应发现尽可能多的空闲频谱，另一方面，次系统应避免对主系统产生有害的干扰。这就要求次系统的频谱感知必须是可靠的。因此，频谱感知对频谱系统来说是最基本的要求，精确的频谱感知是次系统有效接入频谱的基础，而可靠的频谱感知则能避免给主系统产生有害的干扰。
在感知无线网络中，感知系统通常为次系统。主系统的主信号通常遭受衰落和阴影，很难获得一个可靠的感知。因此，有多个感知节点的协作频谱感知系统应运而生，如国际标准化组织IEEE 802.22的草案。在协作频谱感知系统中，包括有汇聚中心和多个分布式感知节点。分布式感知节点发送测量结果到汇聚中心。汇聚中心是中央处理器，基于收集到的来自分布式感知节点的感知信息，汇聚中心以不同的策略进行合并并作出全局频谱决定。一般而言，具有较多自信的感知节点将分配较大的权重，对最终的频谱决定的贡献也较多，而较低自信度的感知节点将分配较小的权重，对最终的频谱决定的贡献也较小。并且，汇聚中心指导分布式感知节点进行感知。例如，汇聚中心通知感知节点何时开始感知，何时结束感知，执行哪个感知算法等。并且汇聚中心广播感知参数，如感知时间，最大虚警概率，门限等。在汇聚中心的指导下，每个感知节点执行本地感知，获得感知测量，然后，将本地感知测量反馈到汇聚中心以进行集中处理。
通过在多个感知节点的联合处理，可显著提高感知精确度。在现有的协作频谱感知系统中，每个感知节点的所有本地测量都需反馈给汇聚中心。例如，在等增益合并的频谱感知方案中，每个感知节点的能量级别都反馈至汇聚中心进行合并；而在即时SNR合并的频谱感知方案中，不仅每个感知节点的能量级别，而且即时SNR都要反馈至汇聚中心，因此，反馈信息多于等增益合并。在子带选择协作感知方案中，每个感知节点需要将所有子带的信息反馈给汇聚中心，这样反馈的信息就更加多了。因此，在协作频谱感知系统中，反馈给汇聚中心的信息是巨大的，所有的本地感知信息都反馈给汇聚中心，而不管这些信息是否有用，因此反馈传输开销大大增加了。如果反馈给汇聚中心的信息是不可靠的，这不仅增加传输开销，也没有提高全局感知性能，相反，在某些协作感知方案中，可能降低全局感知性能。为了降低反馈开销同时维持感知精确度，本发明提出了基于自信度的协作频谱感知方法和相应的本地感知节点。
发明内容
为解决现有技术中的上述缺点，本发明提出了新的感知无线网络的协作频谱感知方法和感知节点。
根据本发明，每个本地感知节点，在感知测量后产生一个感知自信度。本地感知节点将感知自信度与一个自信度门限进行比较，如果感知自信度大于自信度门限，本地感知节点将感知信息发送回汇聚中心；如果感知自信度小于自信度门限，本地感知节点放弃本轮的感知，不发送感知结果给汇聚中心。也就是说，低自信度的感知节点不发送其测量结果到汇聚中心，这样可以减少反馈开销，增加频谱效率，另一方面，来自低自信度感知节点的测量结果对最终的频谱决定的影响很小，在一些协作感知算法中，低自信度的感知甚至会恶化全局频谱性能。因此，从感知精度考虑，本发明的基于自信度的协作频谱感知方法中，低自信度的感知节点不发送其测量结果到汇聚中心不会影响最终的频谱决定甚至有时会提高全局频谱性能。总而言之，本发明可以降低反馈传输开销，并且维持感知精度。
具体地，根据本发明的一个实施方式，提供一种感知无线网络的协作频谱感知方法，所述感知无线网络中包括一个汇聚中心和至少一个本地感知节点，所述方法包括：
汇聚中心发送感知测量指令和频谱感知参数；
本地感知节点接收感知测量指令和频谱感知参数；
本地感知节点根据感知测量指令和频谱感知参数进行频谱感知并收集测量结果；
本地感知节点根据测量结果和频谱感知参数计算其感知自信度；
本地感知节点将感知自信度与一个自信度门限进行比较，如果感知自信度大于自信度门限，本地感知节点将感知信息发送回汇聚中心；如果感知自信度小于自信度门限，本地感知节点放弃本轮的感知，不发送感知结果给汇聚中心；
汇聚中心接收本地感知节点发送的感知信息，并对收到的感知信息进行全局合并，做出全局频谱决定。
根据本发明的一个可选实施例，所述自信度门限由汇聚中心预定义。
根据本发明的一个可选实施例所述汇聚中心根据不同场景动态调整自信度门限。
根据本发明的一个可选实施例，所述本地感知节点根据预定义的规则计算其感知自信度。
根据本发明的一个可选实施例，所述预定义规则为：Ci＝wi，1*[Tsensing]+wi，2*[PFA]+wi，3*[SNR]+wi，4*[Hi]+wi，5*[Mi]，其中，Ci表示第i个本地感知节点的感知自信度，Tsensing表示感知周期，PFA表示最大可容忍的虚警概率，SNR是观测频谱的即时SNR，Hi表示在主用户和感知节点之间的信道增益，Mi表示感知测量结果，wi，k表示相应的权重。
根据本发明的一个实施方式，提供一种感知无线网络的协作频谱感知方法，所述感知无线网络中包括一个汇聚中心和至少一个本地感知节点，所述方法包括：
本地感知节点接收来自汇聚中心的感知测量指令和频谱感知参数；
本地感知节点根据感知测量指令和频谱感知参数进行频谱感知并收集测量结果；
本地感知节点根据测量结果和频谱感知参数计算其感知自信度；
本地感知节点将感知自信度与一个自信度门限进行比较，如果感知自信度大于自信度门限，本地感知节点将感知信息发送回汇聚中心；如果感知自信度小于自信度门限，本地感知节点放弃本轮的感知，不发送感知结果给汇聚中心。
根据本发明的一个可选实施例，所述自信度门限来自汇聚中心。
根据本发明的一个可选实施例，所述汇聚中心根据不同场景动态调整自信度门限。
根据本发明的一个可选实施例，所述本地感知节点根据预定义的规则计算其感知自信度。
根据本发明的一个可选实施例，所述预定义规则为：Ci＝wi，1*[Tsensing]+wi，2*[PFA]+wi，3*[SNR]+wi，4*[Hi]+wi，5*[Mi]，其中，Ci表示第i个本地感知节点的感知自信度，Tsensing表示感知周期，PFA表示最大可容忍的虚警概率，SNR是观测频谱的即时SNR，Hi表示在主用户和感知节点之间的信道增益，Mi表示感知测量结果，wi，k表示相应的权重。
根据本发明的一个实施方式，提供一种感知无线网络的本地感知节点，所述感知无线网络中还包括一个汇聚中心，所述本地感知节点包括：
接收单元，用于接收来汇聚中心的感知测量指令和频谱感知参数；
感知测量单元，用于根据感知测量指令和频谱感知参数进行频谱感知测量并收集测量结果；
自信度计算单元，用于根据测量结果和频谱感知参数计算其感知自信度；
比较单元，用于将感知自信度与一个自信度门限进行比较；
发送单元，如果比较单元输出感知自信度大于自信度门限，发送单元将感知信息发送回汇聚中心。
根据本发明的一个可选实施例，所述自信度门限来自汇聚中心。
根据本发明的一个可选实施例，所述汇聚中心根据不同场景动态调整自信度门限。
根据本发明的一个可选实施例，所述本地感知节点根据预定义的规则计算其感知自信度。
根据本发明的一个可选实施例，所述预定义规则为：Ci＝wi，1*[Tsensing]+wi，2*[PFA]+wi，3*[SNR]+wi，4*[Hi]+wi，5*[Mi]，其中，Ci表示第i个本地感知节点的感知自信度，Tsensing表示感知周期，PFA表示最大可容忍的虚警概率，SNR是观测频谱的即时SNR，Hi表示在主用户和感知节点之间的信道增益，Mi表示感知测量结果，wi，k表示相应的权重。
利用本发明的感知方案，可以有效降低反馈传输开销，并且维持感知精度。
附图说明
通过以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面了解，本发明的其他目的和效果将变得更加清楚和易于理解，其中：
图1表示根据本发明的一个实施方式的感知无线网络的协作频谱感知过程示意图。
图2表示根据本发明的实施方式的本地感知节点结构示意图。
在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
以下结合附图具体描述本发明的实施方式。
本发明的实施方式基于频谱共享系统实现，为描述方便，以IEEE802.22标准规范的系统为例，但上述设定仅为示例性说明。它的应用并不局限于IEEE 802.22，它也可应用于解决其它频谱共享系统的频谱感知问题。
根据本发明的一个实施方式的感知无线网络的协作频谱感知过程示意图如图1所示，假设在协作无线网络中有一个汇聚中心，N个协作感知节点，每个感知节点都有本地感知单元。首先，在步骤S111处，汇聚中心发送感知测量指令和感知参数，在步骤S101，本地感知节点接收感知测量指令和感知参数；在步骤S102，本地感知节点根据感知测量指令和感知参数进行频谱感知，并且收集感知测量结果；在步骤S103，本地感知节点根据预定义的规则计算其感知自信度；例如，第i个感知节点的自信度度量可定义为：
Ci＝wi，1*[Tsensing]+wi，2*[PFA]+wi，3*[SNR]+wi，4*[Hi]+wi，5*[Mi]
其中，Ci表示第i个本地感知节点的感知自信度，Tsensing表示感知周期，PFA表示最大可容忍的虚警概率，SNR是观测频谱的即时SNR，Hi表示在主用户和感知节点之间的信道增益，Mi表示感知测量结果，wi，k表示相应的权重。应合理设计权重来正确反映本地感知的自信度。基于这样的规则，可得到第i个感知节点的感知自信度，自信度度量Ci，取值为0和1之间，自信度度量Ci，越大，则其感知越可靠。感知自信度度量的设计与具体的系统有关，此处给出的感知自信度度量计算仅为举例目的，可设计其他精细的准则来反映感知自信度。
在步骤S104，本地感知节点获得本地感知自信度后，将其与一个预定义门限CT进行比较，如果Ci＞CT，则认为该第i个节点的感知是可靠的，则执行步骤S106，将感知信息发送回汇聚中心进行全局合并。如果Ci≤CT，则认为该感知是不可靠的，则执行步骤S105，放弃本轮的感知，不发送感知结果给汇聚中心。这样，低自信度的本地感知就被滤掉。门限CT由汇聚中心预定义并发送给各本地感知节点，汇聚中心可根据不同场景对门限CT进行动态调整。在一些协作感知方案中，低自信度的感知信息在汇聚中心合并，甚至会恶化全局感知性能。在这样的情形下，预定义自信度门限值可设置相对高一点，以避免低自信度感知节点的负面影响。通过设置一个合适的自信度门限CT，放弃低自信度的感知仍能够维持全局感知性能。
接着，在步骤S112，汇聚中心接收来自各本地感知节点的频谱感知结果，在步骤S113处，将接收到的频谱感知结果进行全局合并，并在步骤S114处，做出全局频谱判决。
图2给出根据本发明的一个实施方式的本地感知节点结构示意图。
本发明的实施方式中，本地感知节点200包括接收单元201，感知测量单元202，自信度计算单元203，比较单元204和发送单元205。具体的，接收单元201被配置为接收来自汇聚中心的感知测量指令和感知参数，感知测量单元202被配置为根据接收到的感知测量指令和感知参数进行本地感知测量，并收集测量结果；自信度计算单元203被配置为根据预定义的规则计算其感知自信度；例如，第i个感知节点的自信度度量可定义为：
Ci＝wi，1*[Tsensing]+wi，2*[PFA]+wi，3*[SNR]+wi，4*[Hi]+wi，5*[Mi]
其中，Ci表示第i个本地感知节点的感知自信度，Tsensing表示感知周期，PFA表示最大可容忍的虚警概率，SNR是观测频谱的即时SNR，Hi表示在主用户和感知节点之间的信道增益，Mi表示感知测量结果，wi，k表示相应的权重。应合理设计权重来正确反映本地感知的自信度。基于这样的规则，可得到第i个感知节点的感知自信度，自信度度量Ci，取值为0和1之间，自信度度量Ci，越大，则其感知越可靠。感知自信度度量的设计与具体的系统有关，此处给出的感知自信度度量计算仅为举例目的，可设计其他精细的准则来反映感知自信度。
比较单元204被配置为将自信度计算单元获得本地感知自信度后与一个预定义门限CT进行比较，如果Ci＞CT，则认为该第i个节点的感知是可靠的，则由发送单元205将感知信息发送回汇聚中心进行全局合并。如果Ci≤CT，则认为该感知是不可靠的，则放弃本轮的感知，无需将感知信息输出到发送单元205。这样，低自信度的本地感知就被滤掉。门限CT由汇聚中心预定义并发送给各本地感知节点，汇聚中心可根据不同场景对门限CT进行动态调整。在一些协作感知方案中，低自信度的感知信息在汇聚中心合并，甚至会恶化全局感知性能。在这样的情形下，预定义自信度门限值可设置相对高一点，以避免低自信度感知节点的负面影响。通过设置一个合适的自信度门限CT，放弃低自信度的感知仍能够维持全局感知性能。
本发明有两大优点，其一，降低了传输开销，因为低自信度的感知节点不发送任何感知信息到汇聚中心，有效地节省了传输资源，提高了协作无线系统的频谱效率。另一方面，现有的协作感知方案中，如加权合并算法，子带选择算法等，低自信度的感知对全局感知的影响很小，在上述感知方案中应用本发明，如果合理设置预定义感知门限值CT使其合理的小，则全局感知性能不受影响。
本发明可以以硬件、软件、固件以及它们的组合来实现。本领域技术人员应该认识到，也可以在供任何合适数据处理系统使用的信号承载介质上所设置的计算机程序产品中体现本发明。这种信号承载介质可以是传输介质或用于机器可读信息的可记录介质，包括磁介质、光介质或其他合适介质。可记录介质的示例包括：硬盘驱动器中的磁盘或软盘、用于光驱的光盘、磁带，以及本领域技术人员所能想到的其他介质。本领域技术人员应该认识到，具有合适编程装置的任何通信设备都将能够执行如程序产品中体现的本发明方法的步骤。
从上述描述应该理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本发明各实施方式进行修改和变更。本说明书中的描述仅仅是用于说明性的，而不应被认为是限制性的。本发明的范围仅受权利要求书的限制。

Claims (9)

1.一种感知无线网络的协作频谱感知方法，所述感知无线网络中包括一个汇聚中心和一个本地感知节点，所述方法包括：
所述汇聚中心发送感知测量指令和频谱感知参数；
所述本地感知节点接收所述感知测量指令和所述频谱感知参数；
所述本地感知节点根据所述感知测量指令和所述频谱感知参数进行频谱感知并收集测量结果；
所述本地感知节点根据所述测量结果和所述频谱感知参数计算其感知自信度，其中，所述本地感知节点根据预定义的规则计算其感知自信度，所述预定义规则为：Ci＝wi，1*[Tsensing]+wi，2*[PFA]+wi，3*[SNR]+wi，4*[Hi]+wi，5*[Mi]，其中，Ci表示第i个本地感知节点的感知自信度，Tsensing表示感知周期，PFA表示最大可容忍的虚警概率，SNR是观测频谱的即时SNR，Hi表示在主用户和感知节点之间的信道增益，Mi表示感知测量结果，wi，k表示相应的权重；
所述本地感知节点将所述感知自信度与一个自信度门限进行比较，
如果所述感知自信度大于所述自信度门限，该本地感知节点将感知信息发送至汇聚中心，所述汇聚中心接收所述感知节点发送的所述感知信息，并对收到的感知信息进行全局合并，做出全局频谱决定；
如果所述感知自信度小于所述自信度门限，该本地感知节点放弃本轮的感知，不发送感知结果给所述汇聚中心。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自信度门限由所述汇聚中心预定义。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述汇聚中心根据不同场景动态调整所述自信度门限。
4.一种感知无线网络的协作频谱感知方法，所述感知无线网络中包括一个汇聚中心和至少一个本地感知节点，所述方法包括：
本地感知节点接收来自汇聚中心的感知测量指令和频谱感知参数；
本地感知节点根据感知测量指令和频谱感知参数进行频谱感知并收集测量结果；
本地感知节点根据测量结果和频谱感知参数计算其感知自信度其中，所述本地感知节点根据预定义的规则计算其感知自信度，所述预定义规则为：Ci＝wi，1*[Tsensing]+wi，2*[PFA]+wi，3*[SNR]+wi，4*[Hi]+wi，5*[Mi]，其中，Ci表示第i个本地感知节点的感知自信度，Tsensing表示感知周期，PFA表示最大可容忍的虚警概率，SNR是观测频谱的即时SNR，Hi表示在主用户和感知节点之间的信道增益，Mi表示感知测量结果，wi，k表示相应的权重；
本地感知节点将感知自信度与一个自信度门限进行比较，如果感知自信度大于所述自信度门限，本地感知节点将感知信息发送回所述汇聚中心；如果感知自信度小于所述自信度门限，本地感知节点放弃本轮的感知，不发送感知结果给所述汇聚中心。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述自信度门限来自所述汇聚中心。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述汇聚中心根据不同场景动态调整所述自信度门限。
7.一种感知无线网络的本地感知节点，所述感知无线网络中还包括一个汇聚中心，所述本地感知节点包括：
接收单元，用于接收来所述汇聚中心的感知测量指令和频谱感知参数；
感知测量单元，用于根据感知测量指令和频谱感知参数进行频谱感知测量并收集测量结果；
自信度计算单元，用于根据测量结果和频谱感知参数计算其感知自信度，其中，所述本地感知节点根据预定义的规则计算其感知自信度，所述预定义规则为：Ci＝wi，1*[Tsensing]+wi，2*[PFA]+wi，3*[SNR]+wi，4/[Hi]+wi，5*[Mi]，其中，Ci表示第i个本地感知节点的感知自信度，Tsensing表示感知周期，PFA表示最大可容忍的虚警概率，SNR是观测频谱的即时SNR，Hi表示在主用户和感知节点之间的信道增益，Mi表示感知测量结果，wi，k表示相应的权重；
比较单元，用于将感知自信度与一个自信度门限进行比较；
发送单元，如果比较单元输出感知自信度大于所述自信度门限，发送单元将感知信息发送回所述汇聚中心。
8.根据权利要求7所述的本地感知节点，其特征在于，所述自信度门限来自所述汇聚中心。
9.根据权利要求7所述的本地感知节点，其特征在于，所述汇聚中心根据不同场景动态调整所述自信度门限。
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