CN103338458A - 一种用于认知无线电系统的协作频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于认知无线电系统的协作频谱感知方法，包括：步骤10）建立认知网络，各感知节点每隔一时间周期向融合中心汇报其接收到的授权用户信号的信噪比；步骤20）融合中心对信噪比进行比较，将信噪比最大的感知节点作为第一感知节点，第一感知节点将频谱感知结果传送给融合中心；步骤30）若频谱感知结果为授权频段上授权用户正在工作，则该频谱感知结果为最终的判决结果；否则进入步骤40）；步骤40）融合中心通过公共信道通知其他K个信噪比较大的感知节点进行频谱感知；步骤50）融合中心对频谱感知结果进行分析，作出判决结果。该方法有着更高的检测概率，且需要较少的额外时间、带宽与能量消耗等开销。

Description

一种用于认知无线电系统的协作频谱感知方法

技术领域

本发明属于认知无线电系统领域，具体来说，涉及一种用于认知无线电系统的协作频谱感知方法。

背景技术

近年来，随着无线业务的高速增长，频谱资源日益短缺；而目前的频谱资源是授权固定分配。近年来频谱占用测量数据表明大量已分配频谱在时间和空间上的平均利用率比较低。

为了解决频谱资源分配不合理的问题，基于动态频谱接入的认知无线电技术被提了出来。它通过感知频谱空洞为次用户提供接入授权频段的机会，同时避免次用户对授权用户造成干扰。检测感兴趣的频段是否处于空闲状态是认知无线电的首要工作，因此频谱感知技术是实现认知无线电系统的基础和前提。

传统的单节点频谱感知技术有能量检测、循环特征检测和匹配滤波器检测等，其中能量检测是非相干检测，对相位同步要求不高，具有计算复杂度低，检测时间短，实现简单等优点。因此单节点感知常常使用能量检测，但是其性能受信道状态的影响较大，此外单节点检测的检测性能常常被多径衰落、阴影效应等问题制约。多节点协作频谱感知可以通过空间分集来有效提高检测性能，即利用多个认知设备的频谱感知结果，做出最终的判决。尽管协作感知能够拥有协作增益，如频谱检测性能的提高以及对感知需求的降低，但它同时会造成额外的开销，如额外的感知时间、时延、能量损耗以及由协同感知引起的其他形式的性能下降。

具体而言，在协作频谱感知方面，现有的技术需要解决问题主要如下：

（1）在传统的协作频谱感知中，若所有的感知节点在本地各自进行感知，并将感知结果上报给中央控制节点来做出最终频谱资源判决，则需要消耗额外的开销，如感知节点上报时间开销，额外的能量开销等。

（2）由于某些无线信道情况较差的用户存在，导致最终的感知结果出现错误。因此，并不是参与协作的用户越多系统的感知性能越好。

鉴于上述传统的频谱感知中存在的问题，需要一种能够减少能量消耗与额外时间开销的协作频谱感知技术。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于认知无线电系统的协作频谱感知方法，该协作频谱感知方法相比于单节点感知有着更高的检测概率，相比于传统的协作频谱感知需要较少的额外时间、带宽与能量消耗等开销。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于认知无线电系统的协作频谱感知方法，该频谱感知方法包括以下步骤：

步骤10）建立一个含有N个感知节点的认知网络，N个感知节点每隔一时间周期向融合中心汇报其接收到的授权用户信号的信噪比；

步骤20）融合中心对各感知节点接收到授权用户信号的信噪比进行比较，并将信噪比最大的感知节点作为第一感知节点，融合中心控制第一感知节点进行频谱感知，第一感知节点将频谱感知结果传送给融合中心；

步骤30）融合中心接收第一感知节点的频谱感知结果，若频谱感知结果为授权频段上授权用户正在工作，则该频谱感知结果为最终的判决结果；否则进入步骤40）；

步骤40）融合中心通过公共信道通知除第一感知节点以外的K个信噪比较大的感知节点进行频谱感知，K个感知节点将各自的频谱感知结果上报给融合中心；其中，K为整数，且1≤K<N-1；

步骤50）利用判断准则，融合中心对K个感知节点上报的频谱感知结果进行分析，并作出最终的判决结果。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的方法利用接收信噪比最高的感知节点进行频谱感知，使得判决结果具有较高的可靠性。此外，为减小对授权用户的干扰，在单节点感知结果为授权用户不存在时，再次让其他节点协作感知频谱，做出最终的判决。相比于传统的协作频谱感知，需要的平均额外感知时间、带宽与能量消耗等开销减少，且平均比特开销也减少。同时相比于单节点感知，本发明具有更高的检测概率，可以更好的保护授权用户的利益。这是由于本发明首先选择信噪比最大的用户进行频谱感知，仅当其感知结果为授权用户没有工作时，才需再次利用其他感知节点来协作感知，因此需要更少的开销。相对于单节点感知，有其他感知节点参与协作感知，因而有着较高的检测概率。

附图说明

图1是本发明步骤10）构建的认知网络的结构图。

图2是本发明的流程框图。

图3是在各感知节点信噪比相差较大情况下，本发明的方法与传统方法的性能曲线比较图。

图4是在各感知节点信噪比相差较大情况下，本发明的方法与传统方法的检测概率曲线比较图。

图5是在各感知节点信噪比相差较小情况下，本发明的方法与传统方法的检测概率曲线比较图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步阐述。

本发明的认知无线电系统具备设备有若干个感知节点，与一个融合决策中心。其中若干个感知节点与融合决策中心之间通过专用信道进行通信。

感知节点设备支持：感知节点的收发机具备感知能力，可通过宽带天线、功率放大器、自适应滤波器等射频硬件技术完成。且感知节点还具备估算接收到授权用户的信号的信噪比的算法模块。该节点具备定时功能，周期地向融合中心汇报其接收到授权用户的信噪比。并在感知结束后，具备将感知结果通过专用信道传送给决策融合中心的功能，且能够接收融合中心的信号。

融合中心设备支持：融合中心具有收发机，能够接收感知节点的上报结果功能，且能够利用专用信道向各个感知节点传送信息。此外，还具备对感知结果进行判决的算法模块。

如图1和图2所示，本发明的一种用于认知无线电系统的协作频谱感知方法，包括以下步骤：

步骤10）建立一个含有N个感知节点的认知网络，N个感知节点每隔一时间周期向融合中心汇报其接收到的授权用户信号的信噪比。

在步骤10）中，作为优选，N的取值范围为N≥5。各个感知节点采用能量检测方法。一般来说，感知节点接收到授权用户的信噪比变化比较缓慢，时间周期可以设定的长一些。作为优选，时间周期为20分钟至40分钟。

步骤20）融合中心对各感知节点接收到授权用户信号的信噪比进行比较，并将信噪比最大的感知节点作为第一感知节点，融合中心控制第一感知节点进行频谱感知，第一感知节点将频谱感知结果传送给融合中心。

步骤30）融合中心接收第一感知节点的频谱感知结果，若频谱感知结果为授权频段上授权用户正在工作，则该频谱感知结果为最终的判决结果；否则进入步骤40）；

步骤40）融合中心通过公共信道通知除第一感知节点以外的K个信噪比较大的感知节点进行频谱感知，K个感知节点将各自的频谱感知结果上报融合中心；其中，K为整数，且1≤K<N-1；

步骤50）利用判断准则，融合中心对K个感知节点上报的频谱感知结果进行分析，并作出最终的判决结果。

在步骤50）中，判断准则为AND准则，OR准则，Most准则或加权准则等等这些准则均为现有技术。

下面例举一个具体实施例。

一种用于认知无线电系统的协作频谱感知方法，包括以下步骤：

步骤10）建立一个含有7个感知节点的认知网络，7个感知节点每20分钟向融合中心汇报其接收到的授权用户信号的信噪比。

步骤20）融合中心对各感知节点接收到授权用户信号的信噪比进行比较，并将信噪比最大的感知节点作为第一感知节点n，融合中心控制第一感知节点n进行频谱感知，第一感知节点接收到授权用户信号的能量为Y_n，与满足给定虚警概率的门限值λ_n作比较，并将判决结果D_n传送给融合中心；判决结果用公式表示如下：

$D_n=\left\{\begin{array}{cc}1,& Y_n>{\mathrm{\&lambda;}}_n\\ 0,& Y_n\&le;{\mathrm{\&lambda;}}_n\end{array}.\right.$

步骤30）融合中心接收第一感知节点n的频谱感知结果，若频谱感知结果为D_n=1，则最终判决结果为D₀=1；若判决结果为D_n=0，则进入步骤40）；

步骤40）融合中心通过公共信道通知除第一感知节点以外的K（K<6）个信噪比较大的感知节点进行频谱感知，第i个感知节点接收信号能量为Y_i，与满足给定虚警概率的门限值λ_i作比较，得到判决结果D_i：

$D_i=\left\{\begin{array}{cc}1,& Y_i>{\mathrm{\&lambda;}}_i\\ 0,& Y_i\&le;{\mathrm{\&lambda;}}_i\end{array}\right.$

然后，K个感知节点将感知结果上报给融合中心；其中，i=1、2、…、K。

步骤50）利用Most准则，融合中心对K个感知节点上报的频谱感知结果进行分析，并作出最终的判决结果D₀：

表示对K/2向上取整。

系统最终判决结果可等效写成式（1）：

    式（1）

下面从平均感知比特开销、平均感知时间开销、检测概率三个方面对本发明的方法的性能进行分析。

（1）平均感知比特位开销：

假设P(H₁)表示授权用户正在工作的先验概率，P(H₀)表示授权用户没有工作的先验概率。信噪比最高的感知节点n判决结果D_n=1的概率P₁为：

P₁=P{Y_n>λ_n|H₀}P(H₀)+P{Y_n>λ_n|H₁}P(H₁)

其中，Y_n为感知节点n的接收信号能量，λ_n为感知节点n检测的门限值，H₀表示授权用户没有在工作，H₁表示授权用户正在工作，P{Y_n>λ_n|H₀}表示授权用户没有在工作时感知节点的感知结果为授权用户正在工作的概率，P{Y_n>λ_n|H₁}表示授权用户在工作时感知节点的感知结果为授权用户正在工作的概率。

感知节点n判决结果D_n=0的概率P₀为：

P₀=P{Y_n≤λ_n|H₀}P(H₀)+P{Y_n≤λ_n|H₁}P(H₁)

其中，P{Y_n≤λ_n|H₀}表示授权用户没有在工作时感知节点的感知结果为授权用户没有在工作的概率，P{Y_n≤λ_n|H₁}表示授权用户在工作时感知节点的感知结果为授权用户没有在工作的概率。

当D_n=1时，感知比特位数为1；D_n=0时，总感知比特位数即为K+1位，因此平均感知比特数K_avg为：

K_avg=P₁+(K+1)P₀=1+KP₀

而对于传统的协作感知比特位数为K_trad=N。可以看出，本发明的方法的感知比特位与信噪比最高的感知节点n的判决结果D_n=0的概率相关。因此，平均比特位要小于传统的协作感知的平均比特位。

（2）平均感知时间分析

协作的时间开销分析过程与平均感知比特位的分析过程类似，当信噪比最高的认知用户n判决结果D_n=1时，感知时间的总开销T₁=τ_s+τ_r其中，τ_s为频谱感知的时间，τ_r为上报感知结果的时间。当判决结果D_n=0时，则需要额外的感知时间T₀=τ_s+Kτ_r。则平均感知时间T_avg为：

T_avg=T₁+P₀T₀=(1+P₀)τ_s+(1+P₀K)τ_r。

对于传统的协作感知的感知总时间为T_trad=τ_s+Nτ_r。当N远大于K时，本发明提出的方法平均感知时间开销要小于传统的协作感知方法。

（3）检测概率与虚警概率分析

由式（1）可知，检测概率由两部分组成，一部分是信噪比最高的感知节点（第一感知节点）的检测概率P_dn，另一部分由信噪比较高的其他K个感知节点的联合检测概率组成P_D，总的检测概率Q_D如式（2）所示：

Q_D=P_dn+P_D    式（2）

其中，P_dn=P{Y_n>λ_n|H₁}，Y_n为感知节点n的接收信号能量，λ_n为感知节点n检测的门限值，H₁表示授权用户正在工作。

虚警概率同样由两部分组成，一部分是信噪比最高的感知节点的虚警概率P_fn，另一部分由信噪比较高的其他K个用户的联合虚警概率组成P_F，总的虚警概率Q_F如式（3）所示：

Q_F=P_fn+P_F    式（3）

其中，P_fn=P{Y_n>λ_n|H₀}，Y_n为感知节点n的接收信号能量，λ_n为感知节点n检测的门限值，H₀表示授权用户没有在工作。

由式（2）与式（3）可以看出，本发明的方法的检测概率高于单节点感知的检测概率，相应的虚警概率也大一些。检测概率与虚警概率两者本身就是相互约束，检测概率高，虚警概率也上升；虚警概率低，检测概率也降低。这可以在一定的虚警概率下来提高检测概率。

下面通过仿真实验对本发明的方法与单节点感知、传统的协作感知从检测性能上进行比较。仿真采用Matlab软件，仿真中采用信道为加性高斯信道，仿真中共有N=7个感知节点，且K=4。每个感知节点采样点数为1000，仿真次数为50000次。仿真结果如图3—图5所示。图3与图4中7个感知节点信噪比分别为-8，-9，-10，-11，-12，-13，-14dB。图3为ROC曲线，即Q_D-Q_F曲线，横坐标表示联合检测虚警概率，单位为1，纵坐标表示联合检测概率，单位为1。图4是各感知节点信噪比相差较大（即各节点的信噪比差值的均值大于1dB）、各个单感知节点的虚警概率相同时，系统的联合检测概率曲线，横坐标表示单节点感知虚警概率，单位为1，纵坐标表示联合检测概率，单位为1。图5是各感知节点信噪比相差不大（即各节点的信噪比差值的均值小于1dB）、各感知节点的虚警概率相同时，系统的联合检测概率曲线，其中，横坐标表示单节点感知虚警概率，单位为1，纵坐标表示联合检测概率，单位为1。图5中各感知节点信噪比为-8，-8.2，-8.4，-8.6，-8.8，-9，-9.2dB，图中单节点感知曲线的信噪比为各感知节点信噪比的最大值。

从图3至图5的仿真结果图可以看出：在各感知节点虚警概率设定的情况下，本发明的检测概率要高于单节点感知（信噪比最大的感知节点）与传统的协作感知，更有利于保护授权用户不受干扰。在信噪比相差较大的情况下，从ROC曲线可以看出，本发明的方法的性能要优于单节点感知；在联合虚警概率较低时，本发明的方法性能略低于传统协作感知，这是因为传统协作感知用额外的时间开销等来改善性能，但是在虚警概率可忍受的范围(10^-2,10^-1)内，本发明的方法与传统协作感知性能接近。

上面对本发明的实例与具体实施方法进行了描述，以便于本领域的技术人员理解方明，但是本发明并不局限于这样特别陈述和实施例。本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示作各种具体变形和组合，这些仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于认知无线电系统的协作频谱感知方法，其特征在于，该频谱感知方法包括以下步骤：

步骤10）建立一个含有N个感知节点的认知网络，N个感知节点每隔一时间周期向融合中心汇报其接收到的授权用户信号的信噪比；

步骤20）融合中心对各感知节点接收到授权用户信号的信噪比进行比较，并将信噪比最大的感知节点作为第一感知节点，融合中心控制第一感知节点进行频谱感知，第一感知节点将频谱感知结果传送给融合中心；

步骤30）融合中心接收第一感知节点的频谱感知结果，若频谱感知结果为授权频段上授权用户正在工作，则该频谱感知结果为最终的判决结果；否则进入步骤40）；

步骤40）融合中心通过公共信道通知除第一感知节点以外的K个信噪比较大的感知节点进行频谱感知，K个感知节点将各自的频谱感知结果上报给融合中心；其中，K为整数，且1≤K<N-1；

步骤50）利用判断准则，融合中心对K个感知节点上报的频谱感知结果进行分析，并作出最终的判决结果。

2.按照权利要求1所述的用于认知无线电系统的协作频谱感知方法，其特征在于，所述的步骤10）中，N的取值范围为N≥5。

3.按照权利要求1所述的用于认知无线电系统的协作频谱感知方法，其特征在于，所述的步骤10）中，时间周期为20分钟至40分钟。

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