CN103338085B - 基于双门限值的两层协作频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双门限值的两层协作频谱感知方法，包括以下步骤：通过假定虚警概率，计算出门限值；第一层感知：各认知用户的能量统计信息与门限值比较，如果信息在两个门限值之间则进行第二层感知，否则将其判决结果进行两比特编码；第二层感知：重新计算各认知用户能量统计信息，将其与门限值比较，如果在两个门限值之间则用两次信息的均值与两门限值的均值比较，将其判决结果也进行两比特编码；最后在融合中心将所有认知用户的判决结果融合在一起，做出主用户是否存在的最终判决。本发明的基于双门限值的两层协作频谱感知方法具有可靠性高、复杂度低等优点。

Description

基于双门限值的两层协作频谱感知方法

技术领域

本发明涉及一种通信传输的监控测试方法，具体涉及一种基于双门限值的两层协作频谱感知方法。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，无线通信业务量的不断增大与无线频谱资源紧张的矛盾日益凸显，究其主要原因并不是频谱资源过少，而是频谱资源的利用率不高。1999年瑞典的Joseph Mitola博士提出了认知无线电技术，它是在软件无线电基础上发展起来的一种新型通信技术。它通过对周围电磁环境进行频谱感知，得到授权网络当前“空洞”的频谱，调整无线传输参数并且机会式地接入，既避免了对该频段上的授权用户的干扰，又保证了认知设备的传输。认知无线电的一个关键技术和实现前提就是如何快速和准确的频谱感知。

频谱感知的主要任务是在感兴趣的某些频段中检测授权用户信号是否出现，据此判断授权用户是否正在占用此频段进行通信，最终决策出认知用户能否使用此频段。频谱感知可以通过单用户实现，也可以通过多个用户协作实现。单用户频谱感知具有两方面的限制。首先，单用户的感知灵敏度有限；其次，单用户频谱感知只能反映本节点周围的频谱可用情况，而不能反映整个通信范围的频谱可用情况。相比之下，多用户协作频谱感知可以解决上述两方面的问题，协作频谱感知可以利用认知无线电网络内不同地理位置的认知用户构成的空间分集，大大提高全局的检测性能，并且可以获得全局的频谱可用情况。

目前针对多用户协作频谱感知的研究主要集中在对本地感知结果的信息融合处理上，传统的融合方法有“或融合”、“与融合”等，虽然实现简单，传输开销小，但是这些单比特的局部决策由于丢失了大量信息，不能为合并提供足够的信息，所以在一定程度上限制了检测性能。SUN Chunhua等人于2007年在IEEE Wireless Communication andNetworking Conference上发表的一篇会议论文《Cooperative spectrum sensing forcognitive radios under bandwidth constrains》中给出了一种双门限判决的方法，算法采用两个门限值对信号能量进行判决，接收信号能量位于延迟判决区间（两门限值之间）的感知用户不参与最后的判决，该算法能够有效的节约传输带宽的开销，但是此算法忽略了一部分感知用户的有用信息，而且算法的检测性能与传统的能量检测相比也没有明显的提高。中国专利文献CN103036622A公开了一种自适应双门限的认知无线电频谱检测方法，虽然这种方法抗噪声能力强、保障了用户终端上通信系统的稳定性以及提高了频谱资源的利用率，但是算法的复杂度比较高。可见上述各方法均存在一定的缺点，需要一种可靠性高、复杂度低的频谱感知方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可靠性高、复杂度低的基于双门限值的两层协作频谱感知方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于双门限值的两层协作频谱感知方法，用于由一个主用户、M个认知用户和一个融合中心组成的多用户协作频谱感知系统，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：M个认知用户分别对主用户信号通过以下能量检测方式进行频谱感知：

(1)将认知用户对于频谱感知的二元信号检测问题描述为如下的假设检验模型：

$x\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\ω}\left(n\right)& H_0\\ s\left(n\right)+\mathrm{\ω}\left(n\right)& H_1\end{array}\right.$

式中H₀表示主用户不存在，H₁表示只有主用户存在，n＝1,...,N，N表示采样点数，x(n)表示认知用户接收到的信号，s(n)表示主用户发送的信号，ω(n)是均值为0，方差为加性高斯白噪声；

(2)利用能量检测算法计算出认知用户的判决统计量Y和虚警概率P_f：

$Y=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2$

$P_f=P\{Y>\mathrm{\γ}|H_o\}=Q\left(\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\σ}}_n^2}{\sqrt{1/N}\left({\mathrm{\σ}}_n^2\right)}\right)$

式中γ是检测门限值，Q(·)为一般的Q函数；

(3)假定虚警概率P_f1、P_f2(P_f1＞P_f2)，计算出门限值γ₁、γ₂(γ₁＜γ₂)：

${\mathrm{\γ}}_1=(\sqrt{1/N}{Q}^{-1}\left(P_{f1}\right)+1){\mathrm{\σ}}_n^2$

${\mathrm{\γ}}_2=(\sqrt{1/N}{Q}^{-1}\left(P_{f2}\right)+1){\mathrm{\σ}}_n^2$

步骤二：第一层频谱感知，根据步骤一计算出各认知用户的判决统计量Y₁，并与门限值γ₁、γ₂进行比较，将最终的判决结果进行两比特编码：

步骤三：第二层频谱感知，再根据步骤一重新计算出各认知用户的判决统计量Y₂，并与门限值γ₁、γ₂进行比较，将最终的判决结果进行两比特编码：

式中门限值γ₃＝(γ₁+γ₂)/2；

步骤四：将认知用户的两比特判决结果D_i发送给融合中心，做出主用户是否存在的最终判断，判断过程如下：

(1)在融合中心，为了将所有的认知用户两比特判决结果D_i融合在一起，D_i应该如下所示转换成带符号的整数：

(2)在融合中心将所有的认知用户的判决结果融合在一起，做出主用户是否存在的最终判决：

有益效果：本发明通过双门限值和两层协作的算法，能够明显提高检测结果的可靠性，改善系统频谱感知的性能，提高频谱资源的利用率，抗噪声性能强并且算法的复杂度低。

附图说明

图1是本发明的实施例的系统框架图；

图2是本发明的实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例：在如图1所示的多用户协作频谱感知的系统中，包含一个主用户，M个认知用户和一个融合中心。

在该系统中，采用以下步骤进行频谱感知，其方法流程图如图2所示：

步骤一：M个认知用户分别对主用户信号通过以下能量检测方式进行频谱感知：

(1)将认知用户对于频谱感知的二元信号检测问题描述为如下的假设检验模型：

$x\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\ω}\left(n\right)& H_0\\ s\left(n\right)+\mathrm{\ω}\left(n\right)& H_1\end{array}\right.$

式中H₀表示主用户不存在，H₁表示只有主用户存在，n＝1,...,N，N表示采样点数，x(n)表示认知用户接收到的信号，s(n)表示主用户发送的信号，ω(n)是均值为0，方差为加性高斯白噪声。

(2)利用能量检测算法计算出认知用户的判决统计量Y和虚警概率P_f：

$Y=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2$

当主用户不存在时，判决统计量Y服从自由度为N的中心卡方分布，当主用户存在时则服从自由度为N的非中心卡方分布，非中心参数为主用户信号能量和AWGN信道的双边功率谱之比。当采样点数N增大时，判决统计量Y近视为高斯分布：

$Y~\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Normal}({\mathrm{\σ}}_n^2,\frac{2}{N}{\mathrm{\σ}}_n^4)& H_0\\ \mathrm{Normal}({\mathrm{\σ}}_s^2+{\mathrm{\σ}}_n^2,\frac{2}{N}{({\mathrm{\σ}}_s^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)}^2)& H_1\end{array}\right.$

式中为主用户信号的平均功率，为噪声方差。同时可以计算出认知用户的检测概率P_d和虚警概率P_f表达式如下：

$P_d=P\{Y>\mathrm{\γ}|H_1\}=Q\left(\frac{\mathrm{\γ}-({\mathrm{\σ}}_s^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)}{\sqrt{1/N}({\mathrm{\σ}}_s^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)}\right)$

$P_f=P\{Y>\mathrm{\γ}|H_0\}=Q\left(\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\σ}}_n^2}{\sqrt{1/N}{\mathrm{\σ}}_n^2}\right)$

式中γ是检测门限值，Q(·)为一般的Q函数。

(3)假定虚警概率P_f1、P_f2(P_f1＞P_f2)，计算出门限值γ₁、γ₂(γ₁＜γ₂)：

${\mathrm{\γ}}_1=(\sqrt{1/N}{Q}^{-1}\left(P_{f1}\right)+1){\mathrm{\σ}}_n^2$

${\mathrm{\γ}}_2=(\sqrt{1/N}{Q}^{-1}\left(P_{f2}\right)+1){\mathrm{\σ}}_n^2$

步骤二：第一层频谱感知，根据步骤一计算出各认知用户的判决统计量Y₁，并与门限值γ₁、γ₂进行比较，将最终的判决结果进行两比特编码：

步骤三：第二层频谱感知，再根据步骤一重新计算出各认知用户的判决统计量Y₂，并与门限值γ₁、γ₂进行比较，将最终的判决结果进行两比特编码：

式中门限值γ₃＝(γ₁+γ₂)/2。

步骤四：将认知用户的两比特判决结果D_i发送给融合中心，融合中心做出主用户是否存在的最终判断，其判断过程如下：

(1)在融合中心，为了将所有的认知用户两比特判决结果D_i融合在一起，D_i应该如下所示转换成带符号的整数：

(2)在融合中心将所有的认知用户的判决结果融合在一起，做出主用户是否存在的最终判决：

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于双门限值的两层协作频谱感知方法，用于由一个主用户、M个认知用户和一个融合中心组成的多用户协作频谱感知系统，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：所述M个认知用户分别对主用户信号通过以下能量检测方式进行频谱感知：

(1)将认知用户对于频谱感知的二元信号检测问题描述为如下的假设检验模型：

式中H₀表示主用户不存在，H₁表示主用户存在，n＝1,...,N，N表示采样点数，x(n)表示认知用户接收到的信号，s(n)表示主用户发送的信号，ω(n)是均值为0，方差为加性高斯白噪声；

(2)利用能量检测算法计算出认知用户的判决统计量Y和虚警概率P_f：

式中γ是检测门限值，Q(·)为一般的Q函数；

(3)假定虚警概率P_f1、P_f2,P_f1＞P_f2，计算出门限值γ₁、γ₂,γ₁＜γ₂：

步骤二：第一层频谱感知，根据步骤一计算出认知用户的判决统计量Y₁，并与门限值γ₁、γ₂进行比较，将最终的判决结果进行两比特编码：

步骤三：第二层频谱感知，再根据步骤一重新计算出认知用户的判决统计量Y₂，并与门限值γ₁、γ₂进行比较，将最终的判决结果进行两比特编码：

式中门限值γ₃＝(γ₁+γ₂)/2；

步骤四：将认知用户的两比特判决结果Di发送给融合中心，做出主用户是否存在的最终判断，判断过程如下：

(1)在融合中心将Di转换成带符号的整数：

(2)在融合中心将所有的认知用户的判决结果融合在一起，做出主用户是否存在的最终判决：

。