CN103209037A - 一种基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法。该方法首先通过设计合理的帧结构将时间化分成固定长度的时间片。在每个时间片内，感知性能差的次级用户将会被优先剔除，不再参与下一轮的协作频谱感知，从而可以显著减少感知用户数、提高频谱检测性能。该方法通过对帧结构和协作感知方案的设计，能够解决分布式认知无线电网络中存在的协作频谱感知用户数过多和恶意用户干扰的问题。理论分析和仿真结果表明，同现有的协作频谱感知方法相比，该方法可以在一个宽松的条件下有效的减小参与协作感知的次级用户数，剔除恶意干扰用户，同时提高认知无线网络的频谱检测性能。

Description

一种基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法

技术领域：

本发明属于认知无线网络技术领域，涉及一种基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法。

背景技术：

在过去的二十年里，随着无线通信技术的飞速发展，无线设备与服务大幅增加，从而导致可用频谱资源日益稀缺。然而在一些广播电视频段，频谱资源的利用率却十分低下。为了缓解这种频谱资源的相对匮乏与绝对浪费之间的矛盾、提高频谱资源利用率，Mitola博士在1999年提出了认知无线电（Cognitive Radio,CR）的概念。在认知无线电网络中，次级用户（Secondary Users,SUs）在不对主用户（Primary Users,PU）造成干扰的情况下，可以动态的伺机使用主用户的频谱资源进行通信，从而提高频谱利用率。在现有的认知无线电频谱接入方案中，主要研究的是Overlay模式的频谱使用方式，也就是说仅仅只有当信道空闲时，次级用户才可以使用该条信道；一旦主用户返回，次级用户必须立即退出该信道以免对主用户造成干扰。由此可以看出，认知无线电的一个核心内容就是动态实时的检测频谱资源是否空闲，称之为频谱感知。

在大部分情况下，受限于无线信道条件的影响，例如衰落、噪声、干扰以及隐藏终端等问题，单个次级用户的频谱感知性能（包括检测概率与虚报概率）并不能达到一个可以接受的范围。为了解决这一问题，可以让更多的次级用户同时对信道状态进行检测，然后综合处理这些次级用户的检测结果，称之为协作频谱感知。根据次级用户在发送感知结果之前是否先在本地做出信道状态的判决，可以将协作频谱感知分为两大类：软组合与硬组合。在软组合中，次级用户不对检测到的信道信息进行处理，而是直接将检测结果发送给其它次级用户；在硬组合中，次级用户首先做出关于信道状态的本地判决，然后将二值判决结果发送给其它次级用户。

目前的协作频谱感知方案大多都只是针对单信道频谱感知，为了以更大的概率发现可用频谱资源、提高频谱利用率，多信道协作频谱感知逐渐成为研究热点。在多信道协作频谱感知中要求更多的次级用户参与频谱感知，现存的大部分感知方案都假设一个完全的感知场景，也就是所有的次级用户都参与到协作感知中。然而，感知用户数的增加将导致更多的额外开销，例如时间、能量等，从而降低网络吞吐量和使用寿命。特别是当一些检测性能差的或者恶意用户参与到协作感知中时，系统的检测性能将会受到较大影响。

发明内容：

本发明的目的是为了克服在多信道协作频谱感知中，参与感知的用户数过多和认知网络的频谱检测性能较差的问题；提出一种基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，该方法可以在一个宽松的条件下有效的减小参与协作感知的用户数，剔除恶意干扰用户，同时提高系统的频谱感知性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种认知无线网络中基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，其特征在于，包括以下操作：

1）在认知无线网络中N个次级用户，K个授权信道，以及一个公共控制信道；只有当信道空闲的时候才允许次级用户利用主用户信道进行数据传输，而一旦主用户返回，次级用户必须立即无条件的退让出所占用的信道；将系统时间化分成一系列的时间片，每个时间片为一个超帧，每个超帧由N1个帧组成，每帧为一个迭代周期；

2）在每一帧中，参与频谱感知的次级用户首先获得自己的二值感知结果，然后通过协作感知接受其他次级用户的二值感知结果，通过比较判决自己是否继续参与下一帧的频谱感知，感知性能差的次级用户将会被优先剔除，不再参与下一帧的协作频谱感知；有数据发送需求的次级用户在公共控制信道上竞争可用信道，竞争获胜的次级用户开始数据传输；在每帧结束时，每个参与感知的次级用户使用一个具有两个时隙的遗忘函数更新本地感知数据库；

3）按照步骤2）的操作，上帧运行完成后进行下一帧的运行。

所有次级用户之间严格时间同步，将时间划分成固定长度的超帧；每帧划分为四个时隙，依次为本地感知时隙、协作时隙、竞争时隙和数据传送时隙；其中本地感知时隙又划分为L_i个子时隙，在每个子时隙内，次级用户从K条信道中选择一条信道进行频谱感知。

在本地感知时隙，每个次级用户选择L_i条信道进行频谱感知，并根据能量检测方法做出关于信道状态的二值判决（1、-1），其中1表示信道空闲，-1表示信道被占用；

在协作时隙，次级用户通过CSMA/CA策略在公共控制信道上广播本地判决结果；在该时隙末尾，每个次级用户根据接收到的所有其它次级用户的感知结果，利用‘MAJORITY’逻辑准则对K条信道的信道状态进行最终判决；在该时隙末尾，次级用户i首先找出判决结果可信度最高的信道；然后找出所有参与感知该条信道的次级用户，并计算所有这些次级用户的感知错误数，所述的感知错误数为每个次级用户的本地感知结果与全网信道状态判决结果不同的信道个数，然后按照感知错误数从大到小对这些次级用户进行排序；如果次级用户i处于该有序序列的前d个元素，则次级用户i在下个时隙停止感知，否则次级用户i继续参与协作频谱感知；

在竞争时隙，具有数据发送需求的次级用户在公共控制信道上通过CSMA/CA策略竞争可用信道；

在数据发送时隙，竞争获胜的次级用户在所选择的信道上开始数据传输。

在本地感知时隙中，设第i个次级用户感知了L_i条信道，第j个信道被m_j个次级用户感知，m_j为奇数；每个次级用户维护一个本地感知信息库C，令c_j表示第j个信道的状态信息，则C={c₁,c₂,…c_K}；在初始状态下，c_j=0，对j=1,2,…K；L_i=a，对i=1,2,…N，1<a<K；m_j=b；

第i个次级用户的信道判决结果用一个1×K维的矩阵decision_i表示，其中如果decision_i的第j个元素decision_i(j)为-1，则表示第j个信道被主用户占用，若为1则表示空闲，为0则表示次级用户i并没有感知第j个信道。

在协作时隙中，当某个次级用户广播时，其它所有的次级用户都处于侦听状态，接收该广播信息；当第i个次级用户接收到所有其它次级用户的感知结果后，立即更新本地感知信息库：

$c_j=c_j+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{decision}}_i\left(j\right),j=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;K.$

如果c_j>0，则判决第j个信道空闲；c_j<0则表示第j个信道被主用户占用。

在协作时隙末尾时，每个次级用户还首先从感知信息库C中找出判决结果可信度最高的信道j，即：

c_j=max(|C|)=max(|c₁|,|c₂|,…|c_K|)

然后找出所有参与感知该条信道的次级用户U_j:

U_j={SU_i|decision_i(j)≠0,i=1,2,…N}

计算所有这些次级用户的感知错误数error，即：

error={error_i|SU_i∈U_j}

然后按照感知错误数从大到小对这些次级用户进行排序，如果次级用户SU_i恰好处于该有序序列的前d个元素，

表示不大于x的最小整数，m_j表示感知第j条信道的次级用户数，则次级用户i在下个时隙停止感知，否则次级用户i继续参与协作频谱感知。

所述的更新本地感知数据库为：

在每帧结束时，第t个时隙的本地感知信息库为C_t={c_1,t,c_2,t,…,c_k,t}，其中c_k,t表示第k条信道在第t个时隙的信道状态；c_k,t>0表示第k条信道空闲，c_k,t<0表示第k条信道在第t个时隙被主用户占用；感知第k条信道的次级用户数为奇数，从而c_k,t≠0；

设定遗忘函数为α(·)，满足条件α³(·)≡0，则本地感知信息库的更新如下：

c_j,t=α(c_j,t)

其中，α(·)函数如下：

$\mathrm{\&alpha;}\left(c_{j,t}\right)=\left\{\begin{array}{cc}4& c_{j,t}\&GreaterEqual;5\\ 2& 3\&le;c_{j,t}<5\\ 0& -3<c_{j,t}<3\\ -2& -5<c_{j,t}\&le;-3\\ -4& c_{j,t}\&le;-5\end{array}\right...$

与现有技术相比本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提出的基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，通过设计合理的帧结构和感知筛选策略，能够解决分布式认知无线电网络中协作频谱感知用户数过多和恶意用户干扰的问题。通过在每轮迭代中优先剔除感知性能差的次级用户或者恶意干扰用户来达到减少参与协作频谱感知的次级用户数，同时提高全网频谱检测性能的目标。

同现有的协作频谱感知方案相比，本发明可以在一个相对宽松的条件下优先剔除检测性能差的次级用户或者恶意用户，每个次级用户仅仅只需要知道其它次级用户的二值感知结果，而并不需要预先知道其它信息，例如其它次级用户的信噪比、虚报概率、检测概率等。有效的减少参与协作频谱感知的次级用户数，同时提高认知网络的频谱检测性能。

附图说明：

图1为本发明的系统模型图；

图2为本发明的帧结构图；

图3为当每个信道的感知用户数为3时，不同逻辑准则下的ROC仿真曲线；

图4为当每个信道的感知用户数为3时，不同逻辑准则下的信噪比与检测概率之间的关系。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提出的基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，是在多信道协作频谱感知中，通过在每轮迭代中优先剔除感知性能差的次级用户或者恶意干扰用户来达到减少参与协作频谱感知的次级用户数，同时提高全网频谱检测性能的目标。与传统的协作频谱感知方法相比，本发明所提出的迭代筛选策略基于一个相对宽松的条件。在每轮的迭代筛选中，每个次级用户仅仅只需要知道其它次级用户的二值感知结果，而并不需要预先知道其它信息，例如其它次级用户的信噪比、虚报概率、检测概率等。

在本发明中，首先通过设计合理的帧结构将时间分成固定长度的时间片。在每个时间片内，感知性能差的次级用户将会被优先剔除，不再参与下一轮的协作频谱感知，从而可以显著的减少感知用户数。考虑到信道状态改变的缓慢性，在每轮迭代的最后，通过对感知信息库执行一个二个时隙的遗忘函数来进一步提高全网频谱检测性能。

本发明提出的一种认知无线电中基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，将系统时间化分成一系列的时间片，每个时间片为一个超帧，每个超帧由N1个帧组成，每帧为一个迭代周期；在每一帧中，参与频谱感知的次级用户首先获得自己的二值感知结果，然后通过协作感知接受其他次级用户的二值感知结果，通过比较判决自己是否继续参与下一帧的频谱感知，感知性能差的次级用户将会被优先剔除，不再参与下一帧的协作频谱感知；有数据发送需求的次级用户在公共控制信道上竞争可用信道，竞争获胜的次级用户开始数据传输；在每帧结束时，每个参与感知的次级用户使用一个具有两个时隙的遗忘函数更新本地感知数据库。

具体的操作步骤如下：

1-1）本发明中的协作频谱感知方法是应用在一个分布式认知无限电网络中，该网络含有N个次级用户（SUn），K条已经被分配给了若干个主用户的授权信道（信道1～信道K），和一个用于次级用户之间通信的公共控制信道，如图1所示。在本发明中，仅仅只有当信道空闲的时候才允许次级用户（SU）利用主用户信道进行数据传输，而一旦主用户（PU）返回，次级用户必须立即无条件的退让出所占用的信道，以免对主用户造成干扰，也就是‘OVERLAY’模式。在本发明中，次级用户之间时间严格同步，因此需要一个时间同步装置，例如GPRS等。将系统时间化分成一系列的时间片（N1个），称为一个超帧，每个超帧由N1个帧组成，每帧即为一个迭代周期。

1-2）、将一个帧进一步化分成4个时隙，分别为本地感知时隙、协作时隙、竞争时隙和数据发送时隙，如图2所示。在本地感知时隙，第i个次级用户从K条信道中选择L_i条信道并利用能量检测方法进行频谱感知，生成L_i个二值判决结果；在协作时隙，参与感知的次级用户利用CSMA/CA策略分别在公共控制信道上广播自己的本地二值判决结果；在竞争时隙，有数据发送需求的次级用户在公共控制信道上使用CSMA/CA策略竞争可用信道；在数据发送时隙，竞争获胜的次级用户开始数据传输。

在每一帧中，参与频谱感知的次级用户根据当前帧的协作感知结果判决自己是否继续参与下一帧的频谱感知，具体步骤如下：

步骤1：假设第i个次级用户感知了L_i条信道，第j个信道被m_j个次级用户感知，这里要求m_j为奇数。每个次级用户维护一个本地感知信息库C，令c_j表示第j个信道的状态信息，则C={c₁,c₂,…c_K}。在初始状态下，令c_j=0，对j=1,2,…K；L_i=a，对i=1,2,…N，这里1<a<K；m_j=b，对j=1,2,…K，这里3≤b≤N。假设所有的次级用户都已经选择好了自己所要感知的信道。

步骤2：在本地感知时隙，每个次级用户使用能量检测方法检测自己所选择的L_i条信道，并做出信道状态的二值判决结果（1，-1），如果主用户存在，则为-1，否则为1。第i个次级用户的信道判决结果可以用一个1×K维的矩阵decision_i表示，其中如果decision_i的第j个元素decision_i(j)为-1，则表示第j个信道被主用户占用，若为1则表示空闲，为0则表示次级用户i并没有感知第j个信道。

步骤3：在协作时隙，次级用户首先使用CSMA/CA策略在公共控制信道上广播自己的本地感知结果。当某个次级用户广播时，其它所有的次级用户都处于侦听状态，接收该广播信息。当第i个次级用户接收到所有其它次级用户的感知结果后，立即更新本地感知信息库，如下

$c_j=c_j+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{decision}}_i\left(j\right),j=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;K.---\left(1\right)$

如果c_j>0，则判决第j个信道空闲；与之相反，c_j<0则表示第j个信道被主用户占用。这里c_j的绝对值越大，则表示判决结果的可信度越高。考虑到感知用户数m_i为奇数，从而c_j≠0。

步骤4：在竞争时隙，有数据发送需求的次级用户在公共控制信道上使用CSMA/CA策略竞争可用信道。

步骤5：在数据发送时隙，竞争获胜的次级用户开始数据传输。

步骤6：剔除感知错误数最多的用户。这里以第i个次级用户SU_i执行筛选方法为例。首先从感知信息库C中找出判决结果可信度最高的信道j，即：

c_j=max(|C|)=max(|c₁|,|c₂|,…|c_K|)   (2)

然后找出所有参与感知该条信道的次级用户U_j:

U_j={SU_i|decision_i(j)≠0,i=1,2,…N}   (3)

计算所有这些次级用户的感知错误数error（这里感知错误数定义为每个次级用户的本地感知结果与最终全网信道状态判决结果不同的信道个数），即：

error={error_i|SU_i∈U_j}   (4)

然后按照感知错误数从大到小对这些次级用户进行排序。如果次级用户SU_i恰好处于该有序序列的前d个元素（

这里

表示不大于x的最小整数，m_j表示感知第j条信道的次级用户数），则次级用户i在下个时隙停止感知，否则次级用户i继续参与协作频谱感知。

步骤7：所有次级用户升级本地感知信息库，C=α(C)。

步骤8：在下一帧，返回步骤2）

在每帧结束时，每个参与感知的次级用户使用一个具有两个时隙的遗忘函数更新本地感知数据库，具体步骤如下：

设定遗忘函数α(·)为具有两个时隙的遗忘函数，即满足条件α³(·)≡0，则第j个信道在第t个时隙的本地感知信息库更新公式如下：

c_j,t=α(c_j,t)   (5)

其中，α(·)函数如下：

$\mathrm{\&alpha;}\left(c_{j,t}\right)=\left\{\begin{array}{cc}4& c_{j,t}\&GreaterEqual;5\\ 2& 3\&le;c_{j,t}<5\\ 0& -3<c_{j,t}<3\\ -2& -5<c_{j,t}\&le;-3\\ -4& c_{j,t}\&le;-5\end{array}\right.---\left(6\right)$

为了验证本发明的性能，将本发明的迭代筛选方法与传统的硬组合逻辑准则（‘AND准则’，‘OR准则’，以及‘MAJORITY准则’）进行了性能仿真对比。该仿真主要研究了次级用户的迭代筛选性能、系统检测概率与虚报概率之间的ROC曲线，以及系统检测概率与信噪比SNR之间的关系。具体的仿真参数如表1所示：

表1 仿真参数设置

初始状态下，假设不同信道上的感知用户数和性能差的次级用户数都相等。仿真结果显示，经过几轮迭代筛选后，最终SU个数稳定时每个信道的感知SU个数m_j为3，稳定时的平均迭代次数为8个时隙，且性能差的次级用户已经被完全剔除。图3显示了当系统稳定时，系统的检测概率与虚报概率之间的ROC曲线关系，可以看出，本发明所提出的迭代筛选方法明显优于传统的硬组合逻辑准则‘AND准则’、‘OR准则’和‘MAJORITY准则’。在相同的虚报概率下，迭代筛选方法可以得到更大的检测概率。图4显示了当系统稳定时，各条信道的检测概率与信噪比之间的关系，可以看出，在相同的信噪比条件下，本发明所提出的迭代筛选方法明显优于传统的硬组合逻辑准则。

Claims (7)

1.一种认知无线网络中基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，其特征在于，包括以下操作：

1）在认知无线网络中N个次级用户，K个授权信道，以及一个公共控制信道；只有当信道空闲的时候才允许次级用户利用主用户信道进行数据传输，而一旦主用户返回，次级用户必须立即无条件的退让出所占用的信道；将系统时间化分成一系列的时间片，每个时间片为一个超帧，每个超帧由N1个帧组成，每帧为一个迭代周期；

2）在每一帧中，参与频谱感知的次级用户首先获得自己的二值感知结果，然后通过协作感知接受其他次级用户的二值感知结果，通过比较判决自己是否继续参与下一帧的频谱感知，感知性能差的次级用户将会被优先剔除，不再参与下一帧的协作频谱感知；有数据发送需求的次级用户在公共控制信道上竞争可用信道，竞争获胜的次级用户开始数据传输；在每帧结束时，每个参与感知的次级用户使用一个具有两个时隙的遗忘函数更新本地感知数据库；

3）按照步骤2）的操作，上帧运行完成后进行下一帧的运行。

2.如权利要求1所述的认知无线网络中基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，其特征在于，所有次级用户之间严格时间同步，将时间划分成固定长度的超帧；每帧划分为四个时隙，依次为本地感知时隙、协作时隙、竞争时隙和数据传送时隙；其中本地感知时隙又划分为L_i个子时隙，在每个子时隙内，次级用户从K条信道中选择一条信道进行频谱感知。

3.如权利要求2所述的认知无线网络中基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，其特征在于，在本地感知时隙，每个次级用户选择L_i条信道进行频谱感知，并根据能量检测方法做出关于信道状态的二值判决（1、-1），其中1表示信道空闲，-1表示信道被占用；

在协作时隙，次级用户通过CSMA/CA策略在公共控制信道上广播本地判决结果；在该时隙末尾，每个次级用户根据接收到的所有其它次级用户的感知结果，利用‘MAJORITY’逻辑准则对K条信道的信道状态进行最终判决；在该时隙末尾，次级用户i首先找出判决结果可信度最高的信道；然后找出所有参与感知该条信道的次级用户，并计算所有这些次级用户的感知错误数，所述的感知错误数为每个次级用户的本地感知结果与全网信道状态判决结果不同的信道个数，然后按照感知错误数从大到小对这些次级用户进行排序；如果次级用户i处于该有序序列的前d个元素，则次级用户i在下个时隙停止感知，否则次级用户i继续参与协作频谱感知；

在竞争时隙，具有数据发送需求的次级用户在公共控制信道上通过CSMA/CA策略竞争可用信道；

在数据发送时隙，竞争获胜的次级用户在所选择的信道上开始数据传输。

4.如权利要求3所述的认知无线网络中基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，其特征在于，在本地感知时隙中，设第i个次级用户感知了L_i条信道，第j个信道被m_j个次级用户感知，m_j为奇数；每个次级用户维护一个本地感知信息库C，令c_j表示第j个信道的状态信息，则C={c₁,c₂,…c_K}；在初始状态下，c_j=0，对j=1,2,…K；L_i=a，对i=1,2,…N，1<a<K；m_j=b；

第i个次级用户的信道判决结果用一个1×K维的矩阵decision_i表示，其中如果decision_i的第j个元素decision_i(j)为-1，则表示第j个信道被主用户占用，若为1则表示空闲，为0则表示次级用户i并没有感知第j个信道。

5.如权利要求3所述的认知无线网络中基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，其特征在于，在协作时隙中，当某个次级用户广播时，其它所有的次级用户都处于侦听状态，接收该广播信息；当第i个次级用户接收到所有其它次级用户的感知结果后，立即更新本地感知信息库：

$c_j=c_j+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{decision}}_i\left(j\right),j=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;K.$

如果c_j>0，则判决第j个信道空闲；c_j<0则表示第j个信道被主用户占用。

6.如权利要求3所述的认知无线网络中基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，其特征在于，在协作时隙末尾时，每个次级用户首先从感知信息库C中找出判决结果可信度最高的信道j，即：

c_j=max(|C|)=max(|c₁|,|c₂|,…|c_K|)

然后找出所有参与感知该条信道的次级用户U_j:

U_j={SU_i|decision_i(j)≠0,i=1,2,…N}

计算所有这些次级用户的感知错误数error，即：

error={error_i|SU_i∈U_j}

然后按照感知错误数从大到小对这些次级用户进行排序，如果次级用户SU_i恰好处于该有序序列的前d个元素，

表示不大于x的最小整数，m_j表示感知第j条信道的次级用户数，则次级用户i在下个时隙停止感知，否则次级用户i继续参与协作频谱感知。

7.如权利要求2所述的认知无线网络中基于迭代筛选的多信道协作频谱感知方法，其特征在于，所述的更新本地感知数据库为：

在每帧结束时，第t个时隙的本地感知信息库为C_t={c_1,t,c_2,t,…,c_k,t}，其中c_k,t表示第k条信道在第t个时隙的信道状态；c_k,t>0表示第k条信道空闲，c_k,t<0表示第k条信道在第t个时隙被主用户占用；感知第k条信道的次级用户数为奇数，从而c_k,t≠0；

设定遗忘函数为α(·)，满足条件α³(·)≡0，则本地感知信息库的更新如下：

c_j,t=α(c_j,t)

其中，α(·)函数如下：

$\mathrm{\&alpha;}\left(c_{j,t}\right)=\left\{\begin{array}{cc}4& c_{j,t}\&GreaterEqual;5\\ 2& 3\&le;c_{j,t}<5\\ 0& -3<c_{j,t}<3\\ -2& -5<c_{j,t}\&le;-3\\ -4& c_{j,t}\&le;-5\end{array}\right..$

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