CN102665218A - 基于动态分配策略的频谱检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态分配策略的频谱检测系统及方法，涉及无线通信技术领域。该系统包括：感知中心，用于根据认知终端对于每个信道的检测环境参数的变化动态制定认知终端检测多信道的分配策略，并将所述分配策略传递给认知终端；认知终端，用于根据所述感知中心制定的分配策略进行频谱检测，并将检测得到的感知数据发送至所述感知中心。本发明的系统及方法以实现系统性能最优为标准，能够不断地随着环境的变化动态地制定相应的分配策略，从而保证系统性能的最优，且实用性强。

Description

基于动态分配策略的频谱检测系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于动态分配策略的频谱检测系统及方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，人们对于频谱资源的需求愈来愈大，“频谱枯竭”现象日趋明显。为缓解频谱资源缺乏与日益增长的无线业务需求之间的矛盾，认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术作为一种智能频谱共享技术得到了广泛的重视。电气和电子工程师协会(IEEE)的有关工作组(如802.22、802.16)和国际电信联盟(ITU)已先后制定或正在积极制定一系列标准以推动该技术在各种应用场景下的发展。

在目前的认知无线通信中，为了提升非授权用户动态接入“频谱空穴”的机会和认知无线通信系统的整体效益，认知无线通信系统需要在很宽的频带范围内进行频谱检测以寻找“频谱空穴”(宽带检测)。但是目前由于制造工艺受限，认知设备需要的射频前端模/数(A/D)采样器的采样速率没办法满足宽带检测的需求。现今一种可行的方法是将需要检测的宽频带分为多个适合检测设备工作的窄频带，多个认知设备按一定规则检测多个窄频带以实现宽带检测的目的(联合检测)。在集中式检测系统中，多个认知设备将感知数据传输到感知中心，由感知中心分析并最终确定宽频带是否有“频谱空穴”存在。在联合检测中，由于每个认知终端检测不同的信道的能力是不同的，如何分配认知终端去检测不同的信道，使得系统性能达到最大成为了一个问题(多认知终端多信道的分配问题)。

申请号为200810121878.5名为“认知无线通信系统中基于推理的快速多信道联合检测方法”的中国专利中公开了一种认知无线通信系统中基于推理的快速多信道联合检测方法。其关键是认知无线通信系统中的每个用户在每次感知过程中根据理想孤波分布从所有要感知的信道中随机选择部分信道进行感知，并将该部分信道的信道标号以及该部分信道的感知结果发送给融合中心，融合中心再利用置信传播等推理算法对所有信道上主用户的活动状态做出综合分析及判决。该方法有如下缺点：1、该方法中认知终端是随机对多信道进行检测，这种随机分配方式无法保证系统性能最大化；2、该方法中将所有的认知终端都分配给信道，但实际上，由于认知终端对信道的检测性能不同，有些性能过低的认知终端加入系统将会降低系统的性能；3、该方法仅仅涉及算法研究，没有将其与实际相结合，对实际无线技术的应用指导意义不大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够保证认知无线通信系统的性能最大化，且实用性较强的基于动态分配策略的频谱检测系统及方法。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种基于动态分配策略的频谱检测系统，该系统包括：感知中心，用于根据认知终端对于每个信道的检测环境参数的变化动态制定认知终端检测多信道的分配策略，并将所述分配策略传递给认知终端；认知终端，用于根据所述感知中心制定的分配策略进行频谱检测，并将检测得到的感知数据发送至所述感知中心。

优选地，所述感知中心进一步包括：频谱感知接口，用于作为所述感知中心和认知终端之间通信的通道；数据分析模块，用于根据所述感知数据分析所述认知终端对于每个信道的检测环境参数，并将所述感知数据和分析数据发送至感知数据库以及管理模块；管理模块，根据所述分析数据制定接入网络使用信息，以及根据所述分析数据启动分配模块制定分配策略，并将所述分配模块制定的分配策略发送至所述认知终端和感知数据库；分配模块用于根据系统性能要求制定分配策略；感知数据库用于储存所述感知数据、分析数据、接入网络使用信息以及分配策略。

优选地，所述分配模块进一步包括：初步分配单元，根据所述分析数据制定初步分配策略，所述初步分配策略使得每个信道都分配到一个认知终端，且保证在此分配策略下信道的虚警概率的和最小；选择分配单元，对所述初步分配策略制定后所剩余的认知终端进行区分，以保证在制定的分配策略下信道的虚警概率的和最小为依据，将所述剩余的认知终端中对系统性能有提升的终端分配给相应的信道。

本发明还提供了一种基于动态分配策略的检测方法，该方法包括：制定分配策略的步骤：感知中心在认知终端对于每个信道的检测环境参数发生变化时，动态制定认知终端检测多信道的分配策略，并将所述分配策略传递给认知终端；以及认知终端根据所述感知中心制定的分配策略进行频谱检测，并将检测得到的感知数据发送至所述感知中心的步骤。

优选地，所述认知终端对于每个信道的检测环境参数包括每个终端对于每个信道的信道系数以及每个信道的信噪比。

优选地，所述动态制定分配策略的步骤进一步包括：初步分配流程：对认知终端的感知数据进行分析，并根据分析数据制定初步分配策略，使得每个信道都分配到一个认知终端，且保证在此分配策略下信道的虚警概率的和最小；以及选择分配流程：对所述初步分配流程后剩余的认知终端进行区分，以保证在制定的分配策略下信道的虚警概率的和P_fa最小为依据，将对系统性能有提升的终端分配给相应的信道，将对系统性能没有提升的终端排除出分配。

优选地，所述初步分配流程进一步包括步骤：

A1.初始化F＝0，设定如果信道m没有被分配认知终端检测，则P_m，fa＝1，

其中，

为分配策略，f_n，m＝1表示认知终端n检测信道m，f_n，m＝0表示认知终端n没有检测信道m，m＝1，2，...，M，M为信道的个数，n＝1，2，...，N，N为认知终端的个数，且N≥M，P_m，fa为相对于信道m的虚警概率，且

$P_{m,\mathrm{fa}}=Q\left(({\mathrm{\ϵ}}_m-1)\sqrt{\mathrm{u\τ}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{n,m}}\right)m=\mathrm{1,2},...,M$

u为检测时隙的时间长度；τ为认知终端的采样速率；ε_m为对于信道m的检测门限，Q(·)为标准正态分布的Q函数；且满足对于信道m的检测概率

$P_{m,d}=Q\left(\sqrt{\frac{\mathrm{u\τ}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(({2h}_{n,m}^2{\mathrm{\γ}}_m+1)f_{n,m}\right)}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(({\mathrm{\ϵ}}_m-h_{n,m}^2{\mathrm{\γ}}_m-1)f_{n,m}\right)\right)m=\mathrm{1,2},...,M$

为设定的恒定值；

γ_m为信道m的信噪比；h_n，m为认知终端n相对于信道m的信道系数。

A2.令每个认知终端分别对所有的信道进行测试并得到测试矩阵：

其中，x_n，m表示认知终端n对信道m进行测试时得到的虚警概率的和P_fa，且

$P_{\mathrm{fa}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{m,\mathrm{fa}};$

A3.选出对于信道m的最小x_n，m值，确定f_n，m＝1，将信道m以及所述最小x_n，m值对应的认知终端退出所述初步分配流程，直到所有的信道都退出所述初级分配流程。

优选地，所述选择分配流程进一步包括步骤：

B1.若所有的认知终端都已被分配信道，则结束选择分配流程，否则，执行步骤B2；

B2.定义初步分配流程后的测试矩阵为：

让初步分配流程分配后剩余的N-M个认知终端分别对所有M个信道进行测试，得到测试矩阵：

B3.判断在测试得到M(N-M)个

中是否有小于

的

存在，若有，则执行步骤B4，否则，判定剩余的所有N-M个认知终端对M个信道均无效，结束整个分配流程；

B4.在对于每一个信道测试得到的N-M个

中，若

则用

更新X⁰，并执行步骤B5，若

则不更新X⁰，同时认定该

对应的认知终端k对信道m“无效”，在之后的流程中认知终端k不对信道m进行测试，并返回步骤B1，k≤N-M；

B5.选出更新后的X⁰中最小的

值，确定f_n，m＝1，认定所述最小值对应的认知终端k退出整体分配流程，并返回步骤B1。

(三)有益效果

本发明的系统及方法以实现系统性能最优为标准，分为两步实施：1.保证每个信道都被分配一个认知终端；2.对剩余的终端进行区分，如果该终端对系统性能没有提升，则该终端不参与分配。其能够不断地随着环境的变化动态地制定相应的分配策略，从而保证系统性能的最优，且实用性强。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的基于动态分配策略的频谱检测系统结构框图；

图2为依照本发明一种实施方式的基于动态分配策略的频谱检测方法的流程图；

图3为依照本发明一种实施方式的基于动态分配策略的频谱检测方法的时序图；

图4为依照本发明一种实施方式的基于动态分配策略的频谱检测方法中初步分配流程的流程图；

图5为依照本发明一种实施方式的基于动态分配策略的频谱检测方法中选择分配流程的流程图。

具体实施方式

本发明提出的基于动态分配策略的频谱检测系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。

如图1所示，依照本发明一种实施方式的基于动态分配策略的频谱检测系统包括：认知终端以及感知中心。

感知中心控制整个系统的工作，用于在认知终端对于每个信道的检测环境参数的变化时，根据系统性能最优化的需求动态制定认知终端检测多信道的分配策略，并将此分配策略发送至各认知终端，以指导认知终端的频谱检测；接收所有认知终端上传的感知数据，对该感知数据进行分析并作出最终判定，判定是否有“频谱空穴”，并制定认知终端如何使用“频谱空穴”的接入网络使用信息。

认知终端具备频谱检测和数据传输的功能，在检测时隙，根据感知中心制定的分配策略进行频谱检测，并将检测到的感知数据发送至感知中心用作数据分析和判定等；在传输时隙，在感知中心发送的接入网络使用信息的指导下进行数据传输。

感知中心进一步包括：频谱感知接口、数据分析模块、管理模块、分配模块、以及感知数据库。其中：

频谱感知接口连接于感知中心与各认知终端之间，是感知中心和认知终端之间进行数据通信的通道。

数据分析模块用于通过频谱感知接口接收所有认知终端发送的感知数据，根据感知数据分析各个认知终端对于每个信道的检测环境参数(包括每个终端对于每个信道的信道系数以及每个信道自身的信噪比)。分析完毕之后，该模块将感知数据以及分析数据发送至感知数据库作为历史记录，同时将该感知数据以及分析数据也发送给管理模块。

管理模块接收数据分析模块发送的感知数据和分析数据，并进行如下动作：根据该分析数据判定系统所处的无线环境变化是否超过设定的门限，若否，则管理模块依据原有的分配策略对感知数据进行数据融合，判定有无“频谱空穴”以及制定认知终端如何使用“频谱空穴”的接入网络使用信息，并将接入网络使用信息发送至各认知终端以及感知数据库；否则，管理模块将启动分配模块制定新的分配策略，并将制定的新分配策略发送给各认知终端以及感知数据库。

分配模块用于制定系统的分配策略，平时处于关闭状态，在管理模块控制下启动工作。分配模块接收管理模块发送的分析数据，根据该分析数据制定分配策略，并将制定好的分配策略发送给管理模块。该模块在制定分配策略时需要首先确保每个信道至少由一个认知终端检测，然后对剩余的认知终端进行区分，将对系统性能有提升的终端分配给相应的信道，将对系统性能没有提升的终端排除分配。

分配模块进一步包括初步分配单元以及选择分配单元。

初步分配单元，用于根据管理模块发送的分析数据制定初步分配策略，该初步分配策略需使得每个信道都分配到一个认知终端，且保证在此分配策略下信道的虚警概率的和最小。

选择分配单元在初步分配策略的基础上，对剩余的认知终端进行区分，仍以保证在制定的分配策略下的信道的虚警概率的和最小为依据，将对系统性能有提升的终端分配给相应的信道，将对系统性能没有提升的终端排除出分配流程。

感知数据库用于储存系统中和感知相关的数据，以作为历史记录，其接收从数据分析模块传递的感知数据和分析数据，以及从管理模块传递的分配策略和接入网络使用信息等。

如图2所示，依照本发明一种实施方式的基于动态分配策略的频谱检测方法包括步骤：

S1.系统启动，管理模块向认知终端发送检测所有信道的指令。

S2.认知终端接收管理模块发送的指令，执行该指令，根据当前分配策略检测所有信道，并将检测到的所有感知数据上传到数据分析模块。

S3.数据分析模块接收感知数据，根据感知数据分析各个认知终端对于每个信道的检测环境参数，并将感知数据和分析数据发送给感知数据库及管理模块。

S4.管理模块根据该分析数据判定系统所处的无线环境变化是否超过设定的门限，若是，则对感知数据进行数据融合，判定有无“频谱空穴”以及“频谱空穴”的相应使用策略，并将当前的分配策略发送给各认知终端，以及将得到的接入网络使用信息发送给各认知终端和感知数据库，否则，将该分析数据发送至分配模块，并执行步骤S5。

S5.启动分配模块，分配模块接收管理模块发送的分析数据，根据该分析数据制定分配策略，并将制定好的分配策略发送给管理模块后休眠。

S6.管理模块将分配策略分别发送至感知数据库和各认知终端。

S7.认知终端接收分配策略，并根据该分配策略进行检测工作，并将所有感知数据上传到数据分析模块，继续执行步骤S3。

整个时序图如图3所示。

在本实施方式的方法的步骤S5中，制定分配策略时，决定分配策略的参数如下：

$P_{m,d}=Q\left(\sqrt{\frac{\mathrm{u\τ}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(({2h}_{n,m}^2{\mathrm{\γ}}_m+1)f_{n,m}\right)}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(({\mathrm{\ϵ}}_m-h_{n,m}^2{\mathrm{\γ}}_m-1)f_{n,m}\right)\right)m=\mathrm{1,2},...,M$

$P_{m,\mathrm{fa}}=Q\left(({\mathrm{\ϵ}}_m-1)\sqrt{\mathrm{u\τ}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{n,m}}\right)m=\mathrm{1,2},...,M$

其中，u为检测时隙的时间长度；τ为认知终端的采样速率；γ_m为信道m的信噪比，m＝1，2，...，M，M为信道的个数；h_n，m为认知终端n相对于信道m的信道系数，n＝1，2，...，N，N为认知终端的个数，且N≥M；ε_m为相对于信道m的检测门限；

为分配策略，其中f_n，m＝1代表认知终端n检测信道m，f_n，m＝0代表认知终端n没有检测信道m；Q(·)为标准正态分布的Q函数；P_m，d为对于信道m的检测概率；P_m，fa为对于信道m的虚警概率。其中，u、τ为系统已知数据，γ_m、h_n，m为数据分析模块分析得出的数据，ε_m、F为分配模块需要制定的数据。分配模块的目标为：在P_m，d等于系统设定的恒定值的前提下，设计F，使得：

$P_{\mathrm{fa}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{m,\mathrm{fa}}$

最小。

根据上述原则，步骤S5进一步包括步骤：

S5.1初步分配流程：初步分配单元根据管理模块发送的分析数据制定初步分配策略，使得每个信道都分配到一个认知终端，且保证在此分配策略下的信道的虚警概率的和P_fa最小。

S5.2选择分配流程：选择分配单元在初步分配策略的基础上，对剩余的认知终端进行区分，仍以保证在制定的分配策略下的信道的虚警概率的和P_fa最小为依据，将对系统性能有提升的终端分配给相应的信道，对系统性能没有提升的终端将不参与此次分配。

如图4所示，步骤S5.1的初步分配流程进一步包括：

S5.11初步分配单元初始化F＝0(表示没有认知终端分配到信道上)，设定如果信道m没有被分配认知终端检测，则P_m，fa＝1；定义在一次测试中，系统分配某认知终端检测某信道，测试结束时该分配关系解除，

为测试矩阵，其中x_n，m表示认知终端n对信道m进行测试时得到的P_fa值。

S5.12令每个认知终端分别对所有的信道进行测试并得到：

S5.13选出对于信道m的最小x_n，m值，确定f_n，m＝1，将信道m退出初步分配流程，并将最小x_n，m值对应的认知终端也退出初步分配流程。依据这样的方法，依次对剩余的认知终端和信道进行测试，直到所有的信道都退出初级分配单元的分配流程。

如图5所示，步骤S5.2的选择分配流程进一步包括步骤：

S5.21选择分配单元检查是否所有的认知终端都已被分配完，若是，则结束选择分配流程，将制定的分配策略反馈给管理模块，否则，执行步骤S5.22；

定义初步分配流程后的测试矩阵为：

S5.22让初步分配单元分配后剩余的N-M个认知终端分别对所有M个信道进行测试，得到测试矩阵：

S5.23判断在测试得到M(N-M)个

中是否有小于的

存在，若有，则执行步骤S5.24，否则，判定剩余的所有N-M个认知终端对M个信道均无效，结束整个分配流程，并将制定的分配反馈给管理模块。

S5.24在对于每一个信道测试得到的N-M个

中，若则用

更新X⁰，并执行步骤S5.25，若

则不更新X⁰，同时认定该

对应的认知终端k(k≤N-M)对信道m“无效”，在之后的流程中认知终端k不对信道m进行测试，并返回步骤S5.21。

S5.25选出更新后的X⁰中最小的

值，确定f_n，m＝1，认定最小

值对应的认知终端k退出整体分配流程，并返回步骤S5.21。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于动态分配策略的频谱检测系统，其特征在于，该系统包括：

感知中心，用于根据认知终端对于每个信道的检测环境参数的变化动态制定认知终端检测多信道的分配策略，并将所述分配策略传递给认知终端；

认知终端，用于根据所述感知中心制定的分配策略进行频谱检测，并将检测得到的感知数据发送至所述感知中心。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感知中心进一步包括：

频谱感知接口，用于作为所述感知中心和认知终端之间通信的通道；

数据分析模块，用于根据所述感知数据分析所述认知终端对于每个信道的检测环境参数，并将所述感知数据和分析数据发送至感知数据库以及管理模块；

管理模块，根据所述分析数据制定接入网络使用信息，以及根据所述分析数据启动分配模块制定分配策略，并将所述分配模块制定的分配策略发送至所述认知终端和感知数据库；

分配模块用于根据系统性能要求制定分配策略；

感知数据库用于储存所述感知数据、分析数据、接入网络使用信息以及分配策略。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分配模块进一步包括：

初步分配单元，根据所述分析数据制定初步分配策略，所述初步分配策略使得每个信道都分配到一个认知终端，且保证在此分配策略下信道的虚警概率的和最小；

选择分配单元，对所述初步分配策略制定后所剩余的认知终端进行区分，以保证在制定的分配策略下信道的虚警概率的和最小为依据，将所述剩余的认知终端中对系统性能有提升的终端分配给相应的信道。

4.一种基于动态分配策略的检测方法，其特征在于，该方法包括：

制定分配策略的步骤：感知中心在认知终端对于每个信道的检测环境参数发生变化时，动态制定认知终端检测多信道的分配策略，并将所述分配策略传递给认知终端；以及

认知终端根据所述感知中心制定的分配策略进行频谱检测，并将检测得到的感知数据发送至所述感知中心的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述认知终端对于每个信道的检测环境参数包括每个终端对于每个信道的信道系数以及每个信道的信噪比。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述动态制定分配策略的步骤进一步包括：

初步分配流程：对认知终端的感知数据进行分析，并根据分析数据制定初步分配策略，使得每个信道都分配到一个认知终端，且保证在此分配策略下信道的虚警概率的和最小；以及

选择分配流程：对所述初步分配流程后剩余的认知终端进行区分，以保证在制定的分配策略下信道的虚警概率的和Pfa最小为依据，将对系统性能有提升的终端分配给相应的信道，将对系统性能没有提升的终端排除出分配。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述初步分配流程进一步包括步骤：

A1.初始化F＝0，设定如果信道m没有被分配认知终端检测，则P_m，fa＝1，

其中，

为分配策略，f_n，m＝1表示认知终端n检测信道m，f_n，m＝0表示认知终端n没有检测信道m，m＝1，2，...，M，M为信道的个数，n＝1，2，...，N，N为认知终端的个数，且N≥M，P_m，fa为相对于信道m的虚警概率，且

$P_{m,\mathrm{fa}}=Q\left(({\mathrm{\ϵ}}_m-1)\sqrt{\mathrm{u\τ}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{n,m}}\right)m=\mathrm{1,2},...,M$

u为检测时隙的时间长度；τ为认知终端的采样速率；ε_m为对于信道m的检测门限，Q(·)为标准正态分布的Q函数；且满足对于信道m的检测概率

$P_{m,d}=Q\left(\sqrt{\frac{\mathrm{u\τ}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(({2h}_{n,m}^2{\mathrm{\γ}}_m+1)f_{n,m}\right)}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(({\mathrm{\ϵ}}_m-h_{n,m}^2{\mathrm{\γ}}_m-1)f_{n,m}\right)\right)m=\mathrm{1,2},...,M$

为设定的恒定值；

γ_m为信道m的信噪比；h_n，m为认知终端n相对于信道m的信道系数。

A2.令每个认知终端分别对所有的信道进行测试并得到测试矩阵：

其中，x_n，m表示认知终端n对信道m进行测试时得到的虚警概率的和P_fa，且

$P_{\mathrm{fa}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{m,\mathrm{fa}};$

A3.选出对于信道m的最小x_n，m值，确定f_n，m＝1，将信道m以及所述最小x_n，m值对应的认知终端退出所述初步分配流程，直到所有的信道都退出所述初级分配流程。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述选择分配流程进一步包括步骤：

B1.若所有的认知终端都已被分配信道，则结束选择分配流程，否则，执行步骤B2；

B2.定义初步分配流程后的测试矩阵为：

让初步分配流程分配后剩余的N-M个认知终端分别对所有M个信道进行测试，得到测试矩阵：

B3.判断在测试得到M(N-M)个

中是否有小于

的

存在，若有，则执行步骤B4，否则，判定剩余的所有N-M个认知终端对M个信道均无效，结束整个分配流程；

B4.在对于每一个信道测试得到的N-M个

中，若则用

更新X⁰，并执行步骤B5，若

则不更新X⁰，同时认定该

对应的认知终端k对信道m“无效”，在之后的流程中认知终端k不对信道m进行测试，并返回步骤B1，k≤N-M；

B5.选出更新后的X⁰中最小的值，确定f_n，m＝1，认定所述最小值对应的认知终端k退出整体分配流程，并返回步骤B1。

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