CN103763043A - 基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及认知无线电频、谱感知频谱检测、无线网络技术，尤其涉及一种基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法。认知无线电技术是针对无线应用环境中频谱资源短缺的一种有效方法。主用户空闲频谱感知的频谱检测技术是认知无线网络中不可或缺的技术，认知用户检测主用户频谱的能力受限于多径效应和阴影效应，这样就导致了频谱检测概率的低下。本发明提出了一种应用5个认知用户合作机制的合作式频谱检测方案，推导出了“或”准则和“与”准则两种融合准则下的全局错误虚警概率和全局检测概率的数学公式，得到了两种融合准则下的检测概率和信噪比的关系图。仿真结果表明，提出的检测方案是能够改善认知用户对于主用户频谱检测的效率的。

Description

基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法

技术领域

本发明涉及认知无线电频、谱感知频谱检测、无线网络技术，尤其涉及一种基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法。

背景技术

当前日益增长的频谱需求与有限的频谱资源之间的矛盾是制约无线通信发展的主要瓶颈，然而根据调查，目前在授权频段内的频谱资源利用率却处于非常低的水平，无线通信正在面临着非常巨大的挑战。无线电频谱资源一般是由政府统一授权分配使用，这种固定分配频谱的管理方式常常会出现频谱资源分配不均，甚至浪费的情形，这与日益严重的频谱短缺问题相互矛盾。认知无线电技术作为一种智能频谱共享技术有效的缓解了这一矛盾。它通过感知时域、频域和空域等频谱环境，自动搜寻已授权频段的空闲频谱并合理利用，达到提高现有频谱利用率的目的。认知无线电可以在已授权的频段内寻找空闲频谱，并在不影响授权用户正常通信的前提下动态地利用频谱资源，从而从根本上解决因频谱资源的固定分配方式所导致的频谱利用不合理的问题。

我们需要认知无线网络发现可利用的频谱资源，多种无线技术将带来不同的利用频谱资源的方法来感知频谱。本发明提出了一种由终端导向的基于多模终端和认知无线技术的频谱分配方案，本方案中，从网络运作者的观点来看，即便每个用户不知道其他用户的具体位置，认知用户也可以合理使用接入策略便可获得高效的频谱利用率。从用户的观点来看，多模终端在异构网络下的自动平衡能够确保移动环境下的服务质量。

发明内容

1、需解决的技术问题

目前的频谱感知方法存在以下三种缺陷：一、采用物理层和媒体接入层联合检测的跨层设计方法可以极大地提高频谱感知的可靠性及检测时间。二、目前的工作集中在单个认知用户网络中空闲频谱的检测，并没有考虑两个甚至多个认知无线电网络同时存在，通过相互竞争来获取某一个频段的使用权的情况。三、通信有可能产生拥塞，不能确定主用户接收方的位置。由于主用户与认知用户之间缺少信令交互，对主用户发射机检测的假定是基于主用户接收机位置未知的。因此认知用户只能依赖于局部观察的微弱主用户发射机信号。合作式频谱感知虽然提高了主用户的检测率，但它仍然是针对主用户发射机的检测，由于缺乏主用户接收机信息所以不能完全避免干扰，而且发射机检测模型不能避免隐藏节点问题，因此还是未能解决主用户接收机检测的问题，也就无法完全避免对主用户的干扰。

2、技术方案

本发明提供一种基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法，包括：检测和汇报两个阶段。合作式频谱感知技术是指在同一无线频谱环境的范围内，通过合并多个认知无线电节点的本地检测结果来进行频谱感知的一项技术。单一节点的检测性能随着信道的衰落变得下降，合作式频谱感知策略可以克服这一缺点，同时，还能够降低阴影效应带来的不利影响，从而加强频谱感知系统的整体检测性能。

合作式频谱检测当中，许多认知用户感知目标信道并且相互通信，这样是为了给处于阴影中的感知用户提供检测信息并让中心节点做出正确的决断。这样，可以有效避免由于阴影效应引起的错误决断，提高检测效率，避免由于认知用户的位置不确定和阴影终端问题引发的干扰。

集中的合作式频谱检测包括检测和汇报两个阶段。检测阶段，认知节点采用本地频谱检测的方法独立地进行频谱检测；汇报阶段，所有认知节点发送各自判决的信息到信息融合中心，并由中心节点做出最终判决。在频谱检测方案中，我们提出单节点二元假设模型，H ₀代表主用户不存在，H ₁代表主用户存在，假设有n个认知用户参与合作检测，根据单一节点感知检测，每个认知节点做出相应的本地判决u _s：

                                                                                                   （1）

假设传输过程中无噪声，融合中心收到n个判决信息，按照某种融合准则对u _s经过处理，得到全局判决结果u ₀，过程如图1所示。本方案遵循“与”准则和“或”准则，并在此基础上分析了3用户和5用户合作式频谱感知的性能，下面来分别进行描述。

“与”准则：

“与”逻辑合并，即中心节点将每个本地节点的判决结果用逻辑“与”的方式进行合并，即当所有的节点都判定授权用户信号存在的时候，中心节点才最终判决为授权用户存在，否则判决不存在授权用户。假设第i个节点的检测概率与虚警概率分别为P _d和P _f，则可得到采用“与”逻辑后的虚警概率Q _f、检测概率Q _d和丢失概率Q _m分别为：

                                                         （2）                                                                                                          

                                                         （3）                                                                                                               

                                                      （4）                                                                                                          

其中，N代表参与合作感知的本地节点数目，合作式频谱感知系统的错误虚警概率P _f由公式（5）得到：

                                          （5）                                                                                                                       

合作式频谱感知系统的有效检测概率P _d由公式（6）给出：

                                       （6）                                                                                                                 

其中

， T=0.001, W=50000，

，

是用户数与门限值的乘积。

“或”准则：

“或”逻辑合并，即中心节点将每个本地节点的判决结果用逻辑“或”的方式进行合并，即当有一个本地节点判定授权用户信号存在的话，中心节点就判决为授权用户存在，否则判决不存在授权用户。假设第i个节点的检测概率与虚警概率分别为P _d和P _f，则可得到采用“或”逻辑后得到的检测概率Q _d，虚警概率Q _f和丢失概率Q _m，分别为：

                                                            （7）

                                                  （8）                                                                                                              

                                                               （9）  

3、有益效果

本发明提出一种基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法，可以克服单节点检测中检测性能受信道衰落导致性能下降等问题，同时还能够降低阴影效应带来的不利影响，从而提高频谱感知系统整体的检测性能。

附图说明

图1集中的合作式检测数据融合模型

图2“与”融合准则下检测概率和错误虚警概率的关系

图3“与”融合准则下检测概率和信噪比的关系

图4“或”融合准则下检测概率和错误虚警概率的关系

图5“或”融合准则下检测概率和信噪比的关系

图6两种融合准则下检测概率和虚警概率的关系图

图7两种融合准则下检测概率和信噪比的关系图

具体实施方式

本发明主要利用MATLAB平台，在信号带宽W=50000，采样频率Fs=2W=2*50000，重复次数count=5000下进行的。信噪比相同时，我们分别对单用户，3用户和5用户合作感知的结果进行了比较，图2和图3表明“与”融合准则检测在相同信噪比和相同虚警概率的情况下，随着用户数的增多，其检测概率也随之增加，但随着认知节点数的进一步增加，检测概率的增长十分有限，这是因为“与”准则是当且仅当所有的认知节点都检测到主用户的信号时，感知系统才会确认该频谱正在被主用户占用。因此，“与”准则并不会轻易地得出主用户信号存在的判决，只有当参与协作的各节点均支持这一判决时，系统才会确认这一判决。这种规则导致了在单节点检测概率和虚警概率不变的前提下，通过“与”准则融合后的整体虚警概率能够大幅降低，但作为代价，整体检测概率也随之降低。可见，“与”准则是以牺牲检测概率来换取系统整体虚警概率的减小的。“与”融合准则在单用户感知信噪比值较小的时候才显示出来优势，因为单用户感知在信噪比值较小的时候不能依靠其他的力量来帮助它准确地做出判断，而“与”融合准则检测可以依靠其他信噪比值较大的节点来帮助，因此会显示出更好的性能，但同时由于“与”融合准则检测条件苛刻，需要每个认知用户都判决为授权用户存在时中心节点才判为授权用户存在，固然比起信噪比值较大的单用户能量检测的检测性能要差。

图4和图5表明“或”融合准则检测在相同信噪比和相同虚警概率的情况下，随着用户的增多，其检测概率也随之增加。“或”准则的融合条件较为柔和，只要有一个认知用户判断授权用户存在，融合中心就认为它是存在的。相同虚警概率情况下，“或”融合准则的检测概率比任何一个单用户能量感知都要高，相同检测概率时，“或”准则的虚警概率比任何一个单用户能量感知都要小，在这种环境中它的检测性能比单用户感知好。但是，“或”准则在有效地提高全局检测概率的同时却换来了全局虚警概率的增加。

我们可以从图6和图7看出，在相同的虚警概率和信噪比的情况下，5用户的“与”融合准则检测和5用户的“或”融合准则检测比单用户检测的检测概率要高。从图中我们主要得出的是在相同虚警概率、相同用户数和相同的信噪比的情况下，当虚警概率在一个虚警值之前时，“与”融合准则检测的检测概率是优于“或”融合准则检测的；但是在过了这个虚警值之后，就能明显地看出“或”融合准则的检测概率要优于“与”融合准则的检测概率。所以，在使用合作式检测法时，首先要确定用户的不同数值特点再来决定使用何种检测方法，这样才能达到最好的检测效果。

“或”准则检测和“与”准则检测各自的倾向不同，前者倾向于认知通信的吞吐量，而后者严格把关对主用户系统的干扰限制。但是很高的检测概率会使得认知用户有很少机会接入空洞建立通信，从而认知通信吞吐量会有一定的损失，因此可以看出，不同的准则有不同的适合环境。

Claims (5)

1.一种基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法，包括：检测和汇报两个阶段，检测阶段，认知节点采用本地频谱检测的方法独立地进行频谱检测；汇报阶段，所有认知节点发送各自判决的信息到信息融合中心，并由中心节点做出最终判决。

2.如权利要求1所述的一种基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法，其特征在于：本方案遵循“与”准则和“或”准则。

3.如权利要求1-2所述的一种基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法，其特征在于：“与”逻辑合并，即中心节点将每个本地节点的判决结果用逻辑“与”的方式进行合并，即当所有的节点都判定授权用户信号存在的时候，中心节点才最终判决为授权用户存在，否则判决不存在授权用户。

4.如权利要求1-2所述的一种基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法，其特征在于：“或”逻辑合并，即中心节点将每个本地节点的判决结果用逻辑“或”的方式进行合并，即当有一个本地节点判定授权用户信号存在的话，中心节点就判决为授权用户存在，否则判决不存在授权用户。

5.如权利要求1-4所述的一种基于协作式认知网络高效无线频谱感知方法，其特征在于：可以克服单节点检测中检测性能受信道衰落导致性能下降等问题，同时还能够降低阴影效应带来的不利影响，从而提高频谱感知系统整体的检测性能。

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