CN103209035B - 一种基于策略库选择的频谱感知方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于策略库选择的频谱感知方法，将信道依划分为N个信道受保护等级，在网络初始化阶段，在认知用户侧建立用于存储各种单点感知的算法的单点感知算法策略库，A、基站向各个认知用户下发携带感知信道信息的感知任务消息，所述信道信息中包括感知信道的频点信息和信道受保护等级i，1≤i≤N；B、认知用户接收到感知任务消息后，从单点感知算法策略库中读取相应的单点感知算法进行频谱感知，并将感知信息上报给基站；C、基站根据上报的感知信息中信道相关参数判断出信道受保护等级，根据所述信道受保护等级从融合判决算法策略库选择相应策略对感知结果进行融合判决，并将融合判决的结果下发给各认知用户。

Description

一种基于策略库选择的频谱感知方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于策略库选择的频谱感知方法。
背景技术
无线频谱是一种极其珍贵的资源，随着无线通信技术的高速发展和人们对无线业务需求的增加，频谱资源稀缺问题越来越严重，而研究表明当前授权频谱的频谱利用率却非常低。认知无线电是一种通过感知频谱然后进行动态的频谱资源分配的技术，其目标在于从时间、空间和频率等多维度实现对频谱资源的重复利用和共享，从而极大地提高了频谱利用效率。
在当前的认知无线电网络中包括一个基站和多个认知用户，常用的工作模式是单点感知，认知用户通过对信道的感知来检测授权用户是否存在。当认知用户在某一频段检测到授权用户存在时，认知用户进行频谱切换离开该频段以避免对授权用户造成干扰。单点感知有多种算法，常见的是能量感知和循环平稳特征感知。认知用户采用某种单点感知方式检测到信道中授权用户的存在情况，然后将结果上报基站，基站根据各点的感知结果对信道中的授权用户存在情况做出判断。
然而，无线环境中存在着比如多径衰落、阴影和噪声等不确定因素的影响，从而增加了单个认知用户检测结果的不确定性。而协作多用户协作频谱感知(以下简称为协作感知)则改善了这种不确定因素影响情况下的频谱感知。研究表明，协作感知可提高系统检测性能，缩短检测时间，同时降低对本地检测精度以及终端设备的要求。
协作感知中，多个认知用户的本地检测结果上报给基站，基站汇集各节点的感知结果，在融合判决中心按照数据融合算法进行融合判决，常用的融合判决算法有and、or和most算法。
在现有技术中，针对单点感知的改进方法的主要包括以下几个出发点：基于双门限而进行感知算法选择；划分高低能量频段而进行感知算法选择；根据认知用户传输信号的功能要求进行感知算法选择；基于感知结果的可靠度而进行感知算法选择；基于认知用户的可靠度而选择可靠的认知用户上报信息而采用and算法进行融合判决。
现有技术方案中，为了提高算法的检测性能而提出了不同的改进算法机制，但是在过程中都默认使用同一种感知技术和融合判决技术。然而在协作感知中，各个认知用户可能采用不同的感知技术，不同的感知、融合算法有不同的检测性能，因此选择的算法方案不同，算法复杂度和检测概率都不相同。固定一种感知和融合判决技术虽然操作方便，但没有充分考虑到各个不同频段对感知的不同需求，因此往往感知性能并不理想。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于策略库选择的频谱感知方法，从信道受保护等级出发，在策略库中选择合适的感知算法和融合判决算法进行协作感知，从而分别满足各信道的感知性能要求。
本发明实施例提供的一种基于策略库选择的频谱感知方法，将信道依划分为N个信道受保护等级，在网络初始化阶段，在认知用户侧建立用于存储各种单点感知的算法的单点感知算法策略库，每一个信道受保护等级对应至少一个单点感知算法，在基站侧建立用于存储协作感知过程中的融合判决算法的融合判决算法策略库，每一个信道受保护等级对应至少一个融合判决算法；该方法包括如下步骤：
A、基站向各个认知用户下发携带感知信道信息的感知任务消息，所述信道信息中包括感知信道的频点信息和信道受保护等级i，1≤i≤N；
B、认知用户接收到感知任务消息后，根据消息的参数，判断其需要感知的信道受保护等级，根据判断结果，认知用户从单点感知算法策略库中读取相应的单点感知算法进行频谱感知，并将感知信息上报给基站；
C、基站根据上报的感知信息中信道相关参数判断出信道受保护等级，根据所述信道受保护等级从融合判决算法策略库选择相应策略对感知结果进行融合判决，并将融合判决的结果下发给各认知用户。
较佳地，划分信道受保护等级所依据的指标包括：干扰容忍度、检测概率、虚警概率、信道使用率或以上指标的任意组合。
较佳地，所述单点感知算法策略库中的单点感知算法包括：两步能量感知算法，和/或能量感知及循环平稳特征感知相结合的算法。
较佳地，所述融合判决算法策略库中的融合判决算法包括：与算法、或算法、和/或多数算法。
较佳地，认知用户上报的感知信息包括：信道受保护级标志位，频点数据以及上报数据位F；其中信道受保护级标志位表示上报的信道受保护等级，频点数据精确标志该认知用户感知的信道，上报数据位F记录认知用户感知结束后对信道使用情况的判决，如果感知过程中未发现信道被使用，则F＝0；若单点在感知过程中发现该感知信道被使用，则F＝1。
较佳地，信道受保护等级越高，则需要越高的检测概率。
从以上技术方案可以看出，从信道受保护等级出发，在策略库中选择合适的单点感知算法和融合判决算法进行协作感知，从而分别满足各信道的感知性能要求。该方案充分考虑到各个不同频段对感知的不同需求，感知性能较现有技术有较大改进。
附图说明
图1为信道受保护等级和对应的策略选择之间的关系示意图；
图2为本发明实施例提供的认知230系统中的协同感知方案流程图；
图3为单点感知的不同受保护等级信道中采用算法的检测概率比较图；
图4为单点感知的不同受保护等级信道中采用算法的虚警概率比较图；
图5为不同受保护等级的信道采用不同的融合判决算法的检测概率比较图；
图6为不同受保护等级的信道采用不同的融合判决算法的虚警概率比较图。
具体实施方式
针对现有技术中存在的问题，本发明针对有不同受保护等级信道的网络系统，提出了一种基于策略库选择的协作感知和数据融合方案。从信道受保护等级出发，在策略库中选择合适的单点感知算法和融合判决算法进行协作感知，从而分别满足各信道的感知性能要求。单点感知算法以及融合判决算法的区分及评价依据，包括但不限于以下这些参数即：检测概率，虚警概率，算法复杂度，存储开销等指标。策略选择可用于单点感知，也可用于融合判决，以及二者联合使用的情况。
本发明的基本内容包括：
A、将信道依照一定的判断指标划分为若干的信道受保护等级，这一系列等级从高到低依次为1，2，…，N。
在这里，划分信道受保护等级所依据的指标包括但不限于干扰容忍度，检测概率，虚警概率，信道使用率等，在一个实施例中，使用检测概率和虚警概率来说明划分受保护等级这个问题。信道受保护等级越高，则需要越高的检测概率，此时对虚警概率的要求则可以适当放低，即虚警概率可适当提高。而信道受保护等级越低，则需要越低的虚警概率，此时降低检测概率。
B、网络初始化阶段，在认知用户侧建立单点感知算法策略库，用于存储各种单点感知算法，其中包括但不限于：两步能量感知算法，和/或，能量感知及循环平稳特征感知相结合的算法。
C、在网络初始化阶段，在基站(BS，Base Station)侧建立融合判决算法策略库，用于存储协作感知过程中的融合判决算法，包括与算法、或算法和/或多数算法等，但不局限于提出的这几种算法。
D、基站向认知用户下发携带感知信道信息和信道受保护等级的感知任务消息。认知用户接收到感知任务消息后，根据消息中携带的参数，判断其需要感知的信道受保护等级。根据判断结果，认知用户从单点感知算法策略库中读取相应感知策略进行频谱感知。
E、当感知信息由认知用户上报到基站后，基站根据上报的感知信息中信道相关参数判断出信道受保护等级。基站根据认知用户感知的信道受保护等级，从融合判决算法策略库选择相应策略对感知结果进行融合判决。该步骤包括：
基站接收到来自认知用户的感知结果消息后，判断被认知用户感知的同一个信道的信道受保护等级，并根据判断结果从融合判决算法策略库中读取相应策略。
F、基站按照相应策略进行数据融合，结束后将融合判决的结果下发给各认知用户。
为使本发明技术方案的原理、技术效果以及特点更加清楚，以下参照附图对本发明的具体实施方式进行详细阐述。
图1示出了信道受保护等级和对应的策略选择之间的关系。如图1所示，系统中的信道划分为不同的受保护等级，从高到低依次为受保护等级1，受保护等级2，受保护等级3，…，受保护等级N。划分等级所依据的指标包括但不限于干扰容忍度，检测概率，虚警概率，信道使用率等，在本实施例中，使用检测概率和虚警概率这两个指标来说明划分受保护等级这个问题。信道受保护等级越小，则需要越高的检测概率，此时对虚警概率的要求则可以适当放低，即虚警概率可适当提高。而信道受保护等级越小，则需要越低的虚警概率，此时可以使检测概率降低。
对应受保护等级为i的信道，认知用户从感知策略库中选择对应编号i的单点感知策略进行感知，而基站也选择编号i的融合判决算法进行数据融合判决。策略算法选择可用于单点感知，也可用于融合判决，以及二者联合使用的情况。
图2给出了本发明实施例提供的频谱感知实现流程，包括如下步骤：
步骤201：基站将待感知的信道信息作为感知任务下发给各需要进行感知的认知用户，所述信道信息中包括感知信道的频点信息和信道受保护等级i，从而各认知用户得到相关的信道感知参数。
步骤202：认知用户接收到感知任务消息后，根据消息的参数，判断其需要感知的信道受保护等级。
步骤203：根据判断结果，认知用户从单点感知算法策略库中读取相应感知策略。
步骤204：认知用户根据感知策略分别进行信道感知。
步骤205：各个认知用户将感知结果发送给基站。
步骤206：当感知信息由认知用户上报到基站后，基站根据上报的信息中信道相关参数判断出信道受保护等级。
步骤207-208：基站根据认知用户感知的信道受保护等级，从融合判决算法策略库选择相应策略对感知结果进行融合判决。
步骤209：基站将融合判决的结果下发给各认知用户。
整个感知和数据融合过程的具体步骤如下：
步骤一，网络初始化过程中，基站建立融合判决算法策略库，其中包含融合判决算法and、or、most，但不只局限于这几种算法。认知用户建立单点感知算法策略库，其中包含两步能量感知算法和能量感知及循环平稳特征感知相结合的算法，但不只局限于这几种算法。
And、or、most算法属于基本的硬判决算法，本发明中不多加说明。而两步能量感知算法和能量感知及循环平稳特征感知相结合的算法属于改进的算法，它们基于基本的能量感知和循环平稳特征感知算法。其中，两步能量感知算法是这样一种算法，在认知用户第一次执行能量感知之后，如果检测到其他用户的存在，则执行第二次能量感知来确定此时信道中其他用户的存在情况；而能量感知及循环平稳特征感知的联合算法属于这样一种算法，当认知用户第一次执行能量感知且观测到授权用户存在时，执行循环平稳特征感知算法。两步能量感知的时间复杂度低于后一种算法，但同时它的检测概率也低于后一种算法。考虑到不同受保护等级的检测精度需求不同，所以本发明设计了这两种改进的算法，它们的感知精度均高于普通的能量感知算法。本发明实施例的仿真验证以这两种算法为例。
步骤二，基站将待感知的信道信息下发给各需要进行感知的认知用户，该信息中包括感知信道的频点信息和信道受保护等级i，从而各节点得到相关的信道感知参数；
步骤三，认知用户根据信道受保护等级i，从感知策略库中选择对应编号i的单点感知算法，在静默期内进行频谱感知。其中，感知策略库内包含的感知算法有两步能量感知算法、能量和循环平稳特征感知结合的感知算法，其他一些新型的优化算法也可以添加进策略库，不只局限于这两种算法。
步骤四，单点感知完成之后，节点上报基站感知结果。上报的信道感知结果信息中包括信道受保护级标志位flag，频点数据以及上报数据位F。其中标志位flag分别置为对应的1，2，…，N，它表示上报的信道受保护等级为1，2，…，N。频点数据精确标志了此时该认知用户感知的为哪一个信道。最后一个上报数据F则记录认知用户感知结束后对信道使用情况的判决。如果感知过程中未发现信道被使用，则上报单字节数据F＝0；若单点在感知过程中发现该感知信道被使用，则上报单字节数据F＝1。
认知用户将结果上报基站，等待基站下发融合判决结果。
步骤五，基站根据认知用户上报的感知消息，判断感知信道的受保护等级，从基站的融合判决算法策略库中选择对应的融合判决算法，对相关认知用户的上报数据0或1进行数据融合判决。在这里，融合判决算法策略库中包括了and算法、or算法和most算法，但不只局限于这几种算法。这些算法对数据进行处理，根据一定的融合规则得到最终的信道授权用户存在状态。
步骤六，基站下发融合判决结果信息。认知用户根据融合判决结果，做出继续通信或者退避的决定。
图3和图4给出了两种改进的单点感知算法的性能比较。如图所示，能量感知和循环平稳特征感知结合的算法虚警概率大大低于两步能量感知，而检测概率稍大于两步感知。可见能量感知和循环平稳特征感知结合的算法具有性能优越性，但同时它的复杂度较高，会带来较大的时间开销。
图5和图6给出了协作感知的融合判决算法性能比较。仿真比较了三种改进算法的检测概率和虚警概率以及原有算法的检测及虚警概率。在仿真验证的过程中，我们在受保护等级1的信道中使用能量感知和循环谱感知结合的单点感知算法及融合判决or算法，只要有一个认知用户发现了授权用户的存在，则认知用户就不能使用该信道，需切换而退出该信道，防止给信道造成干扰。在受保护等级N的信道选择两步能量感知和and算法进行感知，在用户组中所有用户都检测到授权用户存在的条件下才会进行信道切换，从而尽可能的提高认知用户的信道使用率。等级为i的信道选择使用MOST算法和两步能量感知的单点算法仿真来配合性能对比。
如图所示，将它们与改进前的能量感知/or算法的仿真性能曲线对比。原有协作算法的检测概率最高，但是同时它的虚警概率也最高，达到了0.3以上。这个数值远大于改进算法的最大值0.1。这也就是意味着在信道通信时将噪声误判为授权信号的概率最大，因此认知用户的通讯中断频率最高。在信道受保护等级N的信道中，这种时常中断的通讯给认知用户带来不必要的切换从而减低认知用户的通信质量。
而本发明实施例的方案则大大改善了这种情况。两种极端情况，即受保护等级1的信道采用能量感知和循环平稳特征感知相结合的感知算法和or融合判决算法，受保护等级N的信道采用两步能量感知和and融合判决算法。设受保护等级i的信道采用两步能量感知和most判决算法。图5中，受保护等级1信道的检测概率大于受保护等级i和N的信道检测概率，这是融合判决算法的性质，也满足了这几种不同等级中信道的检测性能要求。而原有协作算法即单点采用能量感知，而融合判决采用or算法，这种方法虽然检测概率稍高，但它的虚警概率太大，达到了0.3以上，因此其实它并不适合在划分信道等级的系统中使用。结合图6我们看到，两种改进的方案虚警概率都在0.1以下。这符合我们的预期。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于策略库选择的频谱感知方法，其特征在于，将信道依划分为N个信道受保护等级，在网络初始化阶段，在认知用户侧建立用于存储各种单点感知的算法的单点感知算法策略库，每一个信道受保护等级对应至少一个单点感知算法，在基站侧建立用于存储协作感知过程中的融合判决算法的融合判决算法策略库，每一个信道受保护等级对应至少一个融合判决算法；该方法包括如下步骤：
A、基站向各个认知用户下发携带感知信道信息的感知任务消息，所述信道信息中包括感知信道的频点信息和信道受保护等级i，1≤i≤N；
B、认知用户接收到感知任务消息后，根据消息的参数，判断其需要感知的信道受保护等级，根据判断结果，认知用户从单点感知算法策略库中读取相应的单点感知算法进行频谱感知，并将感知信息上报给基站；
C、基站根据上报的感知信息中信道相关参数判断出信道受保护等级，根据所述信道受保护等级从融合判决算法策略库选择相应策略对感知结果进行融合判决，并将融合判决的结果下发给各认知用户。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，划分信道受保护等级所依据的指标包括：干扰容忍度、检测概率、虚警概率、信道使用率或以上指标的任意组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单点感知算法策略库中的单点感知算法包括：两步能量感知算法，和/或能量感知及循环平稳特征感知相结合的算法。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述融合判决算法策略库中的融合判决算法包括：与算法、或算法、和/或多数算法。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，认知用户上报的感知信息包括：信道受保护级标志位，频点数据以及上报数据位F；其中信道受保护级标志位表示上报的信道受保护等级，频点数据精确标志该认知用户感知的信道，上报数据位F记录认知用户感知结束后对信道使用情况的判决，如果感知过程中未发现信道被使用，则F＝0；若单点在感知过程中发现该感知信道被使用，则F＝1。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，信道受保护等级越高，则需要越高的检测概率。
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Pledgor: POTEVIO INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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