CN103780316B - 一种用于认知无线电频谱共享的被动式接收机检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信中的认知无线电领域，尤其涉及一种用于认知无线电频谱共享的被动式接收机检测方法。本发明基于CT和PR的位置关系，提出假设和将CT在PR所使用频段的中监听到的信号强度E作为判决统计量，根据概率统计，计算E在假设和下的累积分布函数；根据假设和下的能量E的分布情况，确定判决事实，设计双门限检测器，在允许的干扰概率下计算门限η^L和η^H的最佳值。与传统能量检测法相比，本发明所提出的方法能够通过设定的双门限，在一定的干扰概率下，提高约100%到300%的接入机会。

Description

一种用于认知无线电频谱共享的被动式接收机检测方法

技术领域

本发明属于移动通信中的认知无线电领域，尤其涉及一种用于认知无线电频谱共享的被动式接收机检测方法。

背景技术

在认知无线电(CR，Cognitive Radio)中，频谱共享能够使认知用户同时接入主用户正在使用的频段，但认知用户需要获取认知用户发射机(CT，Cognitive Transmitter)到主用户接收机(PR，Primary Receiver)之间的信道状态信息(CSI，Channel StateInformation)。在实际系统中，获取这个信息对认知用户发射机来说是非常困难的，因此，认知无线电技术的发展和应用受到了阻碍。

为了解决以上问题，现有研究提出一些主动式接收机检测方法。这些方法在检测之前需要发射一些探测信号，因而会对工作中的主用户接收机造成干扰。在主用户系统中，对工作中的主用户造成干扰是不被允许的。

为了解决这个问题，本发明提出了一种被动式主用户接收机检测方法，即“双门限检测”。在本发明所提出的方法中，认知用户只需要被动监听信号，不需要发射探测信号，就能在避免对主用户系统造成干扰的情况下，检测出工作中的主用户接收机是否在认知用户发射机的信号覆盖范围之内，从而达到共享频谱的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于认知无线电频谱共享的被动式接收机检测方法。

为了方便描述，首先对术语进行定义：

主用户发射机(PT,Primary Transmitter)：主用户系统中的信号发射端。

主用户接收机(PR,Primary Receiver)：主用户系统中的信号接收端。

认知用户发射机(CT，Cognitive Transmitter)：认知用户系统中的信号发射端。

信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)：信号功率与噪声功率的比值。

闭环功率控制(CLPC,Closed Loop Power Control)：发射端的功率根据接收端信噪比的变化调整，从而保证接收端的接收质量。

下面，对本发明采用的模型进行介绍：

本发明采用的模型中考虑了一个主用户系统和一个认知用户系统，包括主用户发射机PT、主用户接收机PR和一个认知用户发射机CT,为了表述方便，表示主用户发射机PT到主用户接收机PR之间的信道的路径损耗，h₁表示主用户发射机PT到主用户接收机PR之间的信道的多径衰落，表示主用户发射机PT到认知用户发射机CT之间的信道的路径损耗，h₂表示主用户发射机PT到认知用户发射机CT之间的信道的多径衰落，相应的信道增益表示为和

在模型中，主用户发射机PT使用f频段在主用户信道上向主用户接收机PR发送数据。同时，认知用户也试图接入f频段，为了避免对主用户接收机PR处的干扰，认知用户发射机CT需要根据检测信号能量的变化实时决定是否接入f频段。

本发明的目的通过如下步骤实现：

S1、基于CT和PR的位置关系，提出假设和包括：

S11、主用户接收机在认知用户发射机的信号覆盖范围之内时，定义这种情况为假设则不接入共用的频段以避免对主用户接收机进行干扰；

S12、主用户接收机在认知发射机的信号覆盖范围之外时，定义这种情况为假设则认知用户发射机就可以接入共用的频段而不对主用户接收机进行干扰；

S2、将CT在PR所使用频段的中监听到的信号强度E作为判决统计量，根据概率统计，计算E在假设和下的累积分布函数，包括：

S21、主用户PT以功率p(瓦特，W)向PR发送单位能量信号x(k)，主用户PR接收到的主用户信号为：p满足其中，k表示信号采样的序号，满足1≤k≤K，其中K表示最大采样数，γ_T表示PR的闭环功率控制目标信噪比，n₁表示PR处的高斯白噪声，n₁服从均值为0，方差为的高斯分布，即n₁～(0,1)；

S22、认知用户CT监听到的PT发送给PR的信号为：即 $y_2\left(k\right)=\frac{h_2}{h_1}\sqrt{\frac{g_2{\mathrm{\γ}}_T{\mathrm{\σ}}_1^2}{g_1}}x\left(k\right)+n_2\left(k\right),$ 令 $\mathrm{\Ω}=h_2^2/h_1^2,$ Φ＝g₂/g₁，则 $y_2\left(k\right)=\sqrt{{\mathrm{\γ}}_T{\mathrm{\σ}}_1^2\mathrm{\Ω\Φ}}x\left(k\right)+n_2\left(k\right),$ 其中，Ω和Φ为随机变量,n₂表示CT处的高斯白噪声,n₂服从均值为0，方差为的高斯分布，即n₂～(0,1)，表示主用户发射机PT到认知用户发射机CT之间的信道的路径损耗，h₂表示主用户发射机PT到认知用户发射机CT之间的信道的多径衰落；

S23、进行K次采样，CT接收到的主用户信号强度为：即E≈Kγ_TΩΦ，其中，E≈Kγ_TΩΦ为近似表达式；

S24、计算检验统计量E的累计分布函数(CDF)F_E(e)：

即，

其中，Π₁表示PR在CT的信号覆盖范围时Φ的取值范围，Π₀表示PR不在CT的信号覆盖时Φ的取值范围；

S25、假设当PR在CT的信号覆盖范围之内时，由于CT的信号覆盖范围通常都远小于PT的信号覆盖范围，PR和CT到PT的距离相似，则认为d＝l，对于一个给定的γ_TdB，检测能量E的累积分布函数的表达式为：

当γ_TdB为随机变量，在假设下的检测能量E的累积分布函数表达式为

其中，γ_TdB为以dB为单位的目标信噪比，所述γ_TdB服从范围为[γ_L,γ_H]的均匀分布，所述γ_L和γ_H的典型值一般为5dB和20dB，则γ_TdB的概率分布函数为 $f_{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{dB}}}\left({\mathrm{\γ}}_{T_{\mathrm{dB}}}\right)=f_{{\mathrm{\Γ}}_T}\left(10{\log }_{10}{\mathrm{\γ}}_T\right)=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_H-{\mathrm{\γ}}_L},{\mathrm{\γ}}_L\≤{\mathrm{\γ}}_{T_{\mathrm{dB}}}\≤{\mathrm{\γ}}_H,$ 其中，γ_L和γ_H的单位均为dB，γ_L为目标信噪比的下限，γ_H为目标信噪比的上限，l表示PT和PR之间的距离，d表示CT到PT之间的距离，R表示PT的信号覆盖范围的半径S26、假设当PR在CT的信号覆盖范围之外时，由于R＞＞r，CT的信号覆盖范围通常远小于PT的信号覆盖范围，忽略CT的信号覆盖范围，对于一个给定的γ_TdB，检测能量E的累积分布函数的表达式为：当γ_TdB为随机变量的情况，得到假设下的检测能量E的累积分布函表达式为

S3、根据假设和下的能量E的分布情况，确定判决事实，设计双门限检测器，在允许的干扰概率下计算门限η^L和η^H的最佳值，包括：

S31、设定信号高能量门限η^H和信号低能量门限η^L,给定判决规则

S32、得到CT的接入概率：

S33、得到CT对PR干扰概率：

其中，为PR位于CT与PT的信号覆盖范围的重叠部分与PT的信号覆盖范围的比值；

S34、给定一个PR能够容忍的最大干扰概率I_c，则通过

得到一对最佳门限，使CT的接入概率达到最大。

进一步地，S22所述的随机变量Ω和Φ的概率分布函数(PDF)为f_Ω(ω)和 其中，Φ＝(l/d)^m，2≤m≤6，0≤l≤R，d表示CT到PT之间的距离，l表示PR到PT之间的距离，m表示路径损耗系数，R表示PT的信号覆盖范围的半径。

进一步地，m＝2。

本发明的有益效果是：本发明提出的接收机检测方法属于被动式，可以检测出工作中的主用户接收机的位置，从而使认知用户能够接入正在被主用户使用的频段，同时不干扰工作中的主用户接收机。与传统能量检测法相比，本发明所提出的方法能够通过设定的双门限，在一定的干扰概率下，提高约100％到300％的接入机会。

附图说明

图1是发明中考虑的系统模型。

图2是本发明的判决门限选取示意图。

图3是认知用户仿真。

图4是理论与传统方法的最佳接判决限随着CT到PT之间的距离变化的对比仿真。

图5是理论与传统方法的干扰概率随着CT到PT之间的距离变化的对比仿真。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施方式：

当认知用户发射机和主用户接收机距离比较近时，如图1中假设认知用户发射机的接收信号能量很可能在门限η^L和η^H以内。这是因为尽管它们的小尺度衰落是相互独立的，但它们的路径损耗相似。另一方面，当认知用户发射机和主用户接收机距离比较远时，例如图1中假设认知用户发射机的接收信号能量很可能在门限η^L和η^H以内。这是因为尽管它们的小尺度衰落是相互独立的，但它们的路径损耗不同，而路径损耗是无线信道中的决定性因素。所以对于认知用户发射机来说能够通过测量主用户信号的能量E与门限η^L和η^H来比较，若E＜η^L或者E＞η^H则为假设反之则为假设当为假设时认知用户发射机可以对频谱进行共享而不对主用户接收机进行干扰。

图1中，PT表示主用户发射机，PR表示主用户接收机，CT表示认知用户发射机，l表示两个主用户PT和PR之间的距离，d表示认知用户CT到主用户发射机PT之间的距离，r表示认知用户发射机CT的信号覆盖范围的半径，R表示主用户发射机PT的信号覆盖范围的半径，表示主用户发射机PT到主用户接收机PR之间的信道的大尺度衰落系数，h₁表示主用户发射机PT到主用户接收机PR之间的信道的小尺度衰落系数，表示主用户发射机PT到认知用户发射机CT之间的信道的大尺度衰落系数，h₂表示主用户发射机PT到认知用户发射机CT之间的信道的小尺度衰落系数，主用户发射机PT，主用户接收机PR和认知用户发射机CT共用一个频段，主用户发射机PT通过这个频段发射信号给主用户接收机PR，认知用户发射机CT监听这个频段的信号，假设表示主用户接收机PR在认知用户发射机CT的信号覆盖范围之内，假设表示主用户接收机PR不在认知用户发射机CT的信号覆盖范围之内。

图2是本发明的判决门限选取示意图。图中的曲线为两个假设下，判决统计量E(单位为dB)的累积分布函数的仿真曲线和理论曲线，η^L和η^H分别是判决低门限和判决高门限，单位为dB。

图3是认知用户仿真，理论与传统方法的最大接入概率随着CT到PT之间的距离变化的对比。

其中，DTD表示本发明中的双门限检测法，ED表示传统的能量检测法，下同。d为CT到PT之间的距离，单位为米。

图4是仿真，理论与传统方法的最佳接判决限随着CT到PT之间的距离变化的对比。

其中，d为CT到PT之间的距离，单位为米。η^L，η^H和η分别为最佳低门限，最佳高门限，传统方法的门限，他们的单位均为dB。

图5是仿真，理论与传统方法的干扰概率随着CT到PT之间的距离变化的对比。

其中，d为CT到PT之间的距离，单位为米。

S1、基于CT和PR的位置关系，提出假设和包括：

S11、主用户接收机在认知用户发射机的信号覆盖范围之内时，定义这种情况为假设则不接入共用的频段以避免对主用户接收机进行干扰；

S12、主用户接收机在认知发射机的信号覆盖范围之外时，定义这种情况为假设则认知用户发射机就可以接入共用的频段而不对主用户接收机进行干扰；

S2、将CT在PR所使用频段的中监听到的信号强度E作为判决统计量，根据概率统计，计算E在假设和下的累积分布函数，包括：

S21、主用户PT以功率p(瓦特，W)向PR发送单位能量信号x(k)，主用户PR接收到的主用户信号为： $y_1\left(k\right)=h_1\sqrt{g_{1}p}x\left(k\right)+n_1\left(k\right),1\≤k\≤K,$ p满足 $p=\frac{{\mathrm{\γ}}_T{\mathrm{\σ}}_1^2}{h_1^2{g}_1},$ 其中，k表示信号采样的序号，满足1≤k≤K，其中K表示最大采样数，γ_T表示PR的闭环功率控制目标信噪比，n₁和n₂表示PR和CT处的高斯白噪声，n₁和n₂分别服从均值为0，方差为的高斯分布，即n₁～(0,1)和n₁～(0,1)；

S22、认知用户CT监听到的PT发送给PR的信号为：即 $y_2\left(k\right)=\frac{h_2}{h_1}\sqrt{\frac{g_2{\mathrm{\γ}}_T{\mathrm{\σ}}_1^2}{g_1}}x\left(k\right)+n_2\left(k\right),$ 令 $\mathrm{\Ω}=h_2^2/h_1^2,$ Φ＝g₂/g₁，则 $y_2\left(k\right)=\sqrt{{\mathrm{\γ}}_T{\mathrm{\σ}}_1^2\mathrm{\Ω\Φ}}x\left(k\right)+n_2\left(k\right),$ 其中，Ω和Φ为随机变量。

Ω的概率分布函数：由于多径衰落系数h₁和h₂服从瑞利分布，他们的能量服从指数分布和那么它们能量的比值Ω的概率分布函数如下：

$f_{\mathrm{\Ω}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{{(1+\mathrm{\ω}2)}^2}.$

Φ的概率分布函数：由于PR等概率的随机分布在PT的信号覆盖范围之内，则PR到PT之间的距离l有以下概率分布函数

$f\left(l\right)=\frac{2l}{R^2},0\≤l\≤R,$

其中R表示PT的信号覆盖范围的半径。由于路径损耗是随着距离的增加而减少的变量，则我们给出以下路径损耗模型

$\begin{array}{cc}{g}_1=\frac{C}{l^m}& g_2=\frac{C}{d^m}\end{array},$

其中C是一个常数,d表示CT到PT之间的距离,m表示路径损耗系数(m＝2～6)。对于一个给定的d，Φ的概率分布函数可以表示为

其中Φ＝(l/d)^m，在接下来的式子中我们给定m＝2。

S23、进行K次采样，CT接收到的主用户信号强度为：即E≈Kγ_TΩΦ，其中，E≈Kγ_TΩΦ为近似表达式；

S24、计算检验统计量E的累计分布函数(CDF)F_E(e)：

即，

$E\left[\mathrm{dB}\right]=10{\log }_{10}\left(K\right)+{\mathrm{\γ}}_{T_{\mathrm{dB}}}+10{\log }_{10}\left(\mathrm{\Φ}\right)+10{\log }_{10}\left(\mathrm{\Ω}\right),$ 其中，Π₁表示PR在CT的信号覆盖范围时Φ的取值范围，Π₀表示PR不在CT的信号覆盖时Φ的取值范围；

S25、假设当PR在CT的信号覆盖范围之内时，由于CT的信号覆盖范围通常都远小于PT的信号覆盖范围，PR和CT到PT的距离相似，则认为d＝l，对于一个给定的γ_TdB，检测能量E的累积分布函数的表达式为：

当γ_TdB为随机变量，在假设下的检测能量E的累积分布函数表达式为

其中，γ_TdB为以dB为单位的目标信噪比，所述γ_TdB服从范围为[γ_L,γ_H]的均匀分布，所述γ_L和γ_H的典型值一般为5dB和20dB，则γ_TdB的概率分布函数为

$f_{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{dB}}}\left({\mathrm{\γ}}_{T_{\mathrm{dB}}}\right)=f_{{\mathrm{\Γ}}_T}\left(10{\log }_{10}{\mathrm{\γ}}_T\right)=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_H-{\mathrm{\γ}}_L},{\mathrm{\γ}}_L\≤{\mathrm{\γ}}_{T_{\mathrm{dB}}}\≤{\mathrm{\γ}}_H,$ 其中，γ_L和γ_H的单位均为dB，γ_L为目标信噪比的下限，γ_H为目标信噪比的上限；

S26、假设当PR在CT的信号覆盖范围之外时，由于R＞＞r，CT的信号覆盖范围通常远小于PT的信号覆盖范围，忽略CT的信号覆盖范围，对于一个给定的γ_TdB，检测能量E的累积分布函数的表达式为：当γ_TdB为随机变量的情况，得到假设下的检测能量E的累积分布函表达式为

S3、根据假设和下的能量E的分布情况，确定判决事实，设计双门限检测器，在允许的干扰概率下计算门限η^L和η^H的最佳值，包括：

S31、设定信号高能量门限η^H和信号低能量门限η^L,给定判决规则

S32、得到CT的接入概率：

S33、得到CT对PR干扰概率：

其中，为PR位于CT与PT的信号覆盖范围的重叠部分与PT的信号覆盖范围的比值；

S34、给定一个PR能够容忍的最大干扰概率I_c，则通过

得到一对最佳门限，使CT的接入概率达到最大。

参照图1中的系统模型，其中，CT和PT的覆盖范围的半径分别为r＝100m，R＝500m，路径损耗系数m＝2，每次采样的样本数量K＝2。

实例中考虑主用户PR的目标接收信噪比γ_T在γ_L＝5dB和γ_H＝20dB之间，能够容忍的最大干扰概率为I_c＝0.01。根据黎曼-皮尔森标准，传统能量检测在此实例中的虚警概率为0.01。

图3，4和5展示了认知用户CT随着距PT的距离d从10m到800m变化中的仿真，理论和传统能量检测的估计性能对比，从图5可以看出，本发明的方法所达到的干扰概率与传统的能量检测法的干扰概率十分接近。结合图5和图3，可以很明显地看到，当d＜300m和d＞400m时，在相近的干扰概率下，双门限检测法能够比传统的能量检测法平均多出100％和300％的接入机会，从而使频谱的利用率的提高了100％到300％。从图4可以看出，造成这样的性能差距，是由于本发明的算法能够根据CT距PT的距离的变化而选取最佳检测门限，而传统的能量检测法则不能。

Claims (3)

1.一种用于认知无线电频谱共享的被动式接收机检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于认知用户发射机CT和主用户接收机PR的位置关系，提出假设和包括：

S11、主用户接收机在认知用户发射机的信号覆盖范围之内时，定义这种情况为假设则不接入共用的频段以避免对主用户接收机进行干扰；

S12、主用户接收机在认知发射机的信号覆盖范围之外时，定义这种情况为假设则认知用户发射机就可以接入共用的频段而不对主用户接收机进行干扰；

S2、将CT在PR所使用频段的中监听到的信号强度E作为判决统计量，根据概率统计，计算E在假设和下的累积分布函数，包括：

S21、PT主用户发射机以功率p向PR发送单位能量信号x(k)，主用户PR接收到的主用户信号为：1≤k≤K，p满足其中，k表示信号采样的序号，满足1≤k≤K，其中K表示最大采样数，γ_T表示PR的闭环功率控制目标信噪比，n₁表示PR处的高斯白噪声，n₁服从均值为0，方差为的高斯分布，即n₁～(0,1),表示PT到PR之间的信道的路径损耗，h₁表示PT到PR之间的信道的多径衰落；

S22、CT监听到的PT发送给PR的信号为：即 $y_2\left(k\right)=\frac{h_2}{h_1}\sqrt{\frac{g_2{\mathrm{\γ}}_T{\mathrm{\σ}}_1^2}{g_1}}x\left(k\right)+n_2\left(k\right),$ 令 $\mathrm{\Ω}=h_2^2/h_1^2,$ Φ＝g₂/g₁，则 $y_2\left(k\right)=\sqrt{{\mathrm{\γ}}_T{\mathrm{\σ}}_1^2\mathrm{\Ω\Φ}}x\left(k\right)+n_2\left(k\right),$ 其中，Ω和Φ为随机变量，n₂表示CT处的高斯白噪声,n₂服从均值为0，方差为的高斯分布，即n₂～(0,1),表示主用户发射机PT到认知用户发射机CT之间的信道的路径损耗，h₂表示主用户发射机PT到认知用户发射机CT之间的信道的多径衰落；

S23、进行K次采样，CT接收到的主用户信号强度为：即E≈Kγ_TΩΦ，其中，E≈Kγ_TΩΦ为近似表达式；

S24、计算检验统计量E的累计分布函数(CDF)F_E(e)：

即，

$E\left[\mathrm{dB}\right]=10{\log }_{10}\left(K\right)+{\mathrm{\γ}}_{T_{\mathrm{dB}}}+10{\log }_{10}\left(\mathrm{\Φ}\right)+10{\log }_{10}\left(\mathrm{\Ω}\right),$ 其中，Π₁表示PR在CT的信号覆盖范围时Φ的取值范围，Π₀表示PR不在CT的信号覆盖时Φ的取值范围；

S25、假设当PR在CT的信号覆盖范围之内时，由于CT的信号覆盖范围通常都远小于PT的信号覆盖范围，PR和CT到PT的距离相似，则认为d＝l，对于一个给定的γ_TdB，检测能量E的累积分布函数的表达式为：

当γ_TdB为随机变量，在假设下的检测能量E的累积分布函数表达式为

其中，γ_TdB为以dB为单位的目标信噪比，所述γ_TdB服从范围为[γ_L,γ_H]的均匀分布，所述γ_L和γ_H的典型值一般为5dB和20dB，则γ_TdB的概率分布函数为 $f_{{\mathrm{\Γ}}_{T_{\mathrm{dB}}}}\left({\mathrm{\γ}}_{T_{\mathrm{dB}}}\right)=f_{{\mathrm{\Γ}}_T}\left(10{\log }_{10}{\mathrm{\γ}}_T\right)=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_H-{\mathrm{\γ}}_L},{\mathrm{\γ}}_L\≤{\mathrm{\γ}}_{T_{\mathrm{dB}}}\≤{\mathrm{\γ}}_H,$ 其中，γ_L和γ_H的单位均为dB，γ_L为目标信噪比的下限，γ_H为目标信噪比的上限，l表示PT和PR之间的距离，d表示CT到PT之间的距离，R表示PT的信号覆盖范围的半径；

S26、假设当PR在CT的信号覆盖范围之外时，由于R＞＞r，CT的信号覆盖范围通常远小于PT的信号覆盖范围，忽略CT的信号覆盖范围，对于一个给定的γ_TdB，检测能量E的累积分布函数的表达式为：当γ_TdB为随机变量的情况，得到假设下的检测能量E的累积分布函表达式为

S3、根据假设和下的能量E的分布情况，确定判决事实，设计双门限检测器，在允许的干扰概率下计算门限η^L和η^H的最佳值，包括：

S31、设定信号高能量门限η^H和信号低能量门限η^L,给定判决规则

S32、得到CT的接入概率：

S33、得到CT对PR干扰概率：

其中，为PR位于CT与PT的信号覆盖范围的重叠部分与PT的信号覆盖范围的比值；

S34、给定一个PR能够容忍的最大干扰概率I_c，则通过

η^H≥η^L

得到一对最佳门限，使CT的接入概率达到最大。

2.根据权利要求1所述的一种用于认知无线电频谱共享的被动式接收机检测方法，其特征在于：S22所述的随机变量Ω和Φ的概率分布函数(PDF)为f_Ω(ω)和 $f_{\mathrm{\Ω}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{{(1+\mathrm{\ω})}^2},$ 其中，Φ＝(l/d)^m，2≤m≤6，0≤l≤R，d表示CT到PT之间的距离，l表示PR到PT之间的距离，m表示路径损耗系数，R表示PT的信号覆盖范围的半径。

3.根据权利要求2所述的一种用于认知无线电频谱共享的被动式接收机检测方法，其特征在于：m＝2。