CN104022839B - 一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法，涉及认知无线电合作频谱感知技术，属于无线电频谱感知技术领域。本发明为解决现有的or准则方法虚警概率较高，经常当主用户不使用频段时，判定为主用户在使用频段，从而一定程度上的降低了频谱利用率的问题。提出了一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法，该方法包括认知用户频谱感知阶段；检测结果报告阶段；融合中心采取dor准则判决；以及合作频谱感知的信息融合判决方法的评价方法。本发明适用于无线电频谱的感知。

Description

一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法

技术领域

本发明涉及认知无线电合作频谱感知技术，具体涉及利用多传感器感知并进行信息融合的一种融合判决方法，属于无线电频谱感知技术领域。

背景技术

随着移动通信业务的不断发展，频带资源更加紧张，传统的固定频谱分配方式具有较低的频谱资源利用效率，已经不能满足当前的需求。在这样的背景下，认知无线电频谱感知技术愈加受到了重视。

认知无线电系统能够感知周围环境的频谱利用和信道信息，结合用户自身的通信需求，通过改变载频、调制方式等传输参数来适应运行环境的变化。这样，某一时刻空闲的频段就不会因为主用户不在而继续闲置，而是被感知用户所利用，从而实现了一种动态的频谱分配，极大的提高了频谱资源利用率。

单点频谱感知是频谱感知技术的基础，感知结果仅取决于一个感知节点所得到的数据。其主要分为信号采集，特征提取以及频谱判决三个步骤。

信号采集过程常采用传统的奈奎斯特采样定理或压缩感知理论。

信号采集完成后，我们对采样得到的数据进行特征提取，得到数据某一个角度的衡量参数，将此参数与预先设定的门限进行比较，从而实现频谱的判决。

合作频谱感知是基于单节点频谱感知的一种感知策略，它将多个单节点频谱感知结果进行某一层级的融合，利用融合结果做出最终的判决。这种方式可以利用相邻节点间的相关和非相关性，在相应的感知策略和融合算法下可以进一步提高频谱感知的实时性和准确性。

为了减少发送数据量，通常采用硬判决方式，即决策级融合。此时，各个感知节点分别进行本地频谱感知并进行判决，将判决结果发送给融合中心，融合进行最终判决。融合中心判决一般基于koutofn准则，其特例or准则，and准则以及大多数准则得到了广泛的应用。

一、or准则：即使所有用户中只有一个用户主张某一判决(H0或H1)，基站最终判决结果和此用户一致。系统的检测概率和虚警概率分别为：

$P_d=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P_{\mathrm{di}})---\left(1\right)$

$P_f=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P_{\mathrm{fi}})---\left(2\right)$

其中，n为协作用户数，P_di和P_fi分别表示第i个认知节点的检测概率和虚警概率。

二、and准则：当且仅当所有用户都主张某一判决时(H0或H1)，基站最终判决才为该判决。该准则的一个原则是用漏检概率换取较小的虚警概率。系统的检测概率和虚警概率分别为：

$P_d=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{P}_{\mathrm{di}}---\left(3\right)$

$P_f=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{P}_{\mathrm{fi}}---\left(4\right)$

三、大多数准则：当参与合作的n个感知节点中超过大半的感知节点主张某判决(H0或H1)时，基站最终结果和该主张一致。

频谱感知的根本原则是：当主用户使用频段时，必须保证它的使用；当主用户不使用频段时，认知用户才可以使用。因此，频谱感知中必须保证很高的检测概率，对于虚警概率的要求不需要特别苛刻。这样，or准则以其方式简单，检测概率高而得到了广泛的应用。

然而，or准则虚警概率较高，经常当主用户不使用频段时，判定为主用户在使用频段，从而一定程度上的降低了频谱利用率。

发明内容

本发明的目的是提出一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法，以解决针对现有的or准则方法虚警概率较高，经常当主用户不使用频段时，判定为主用户在使用频段，从而一定程度上的降低了频谱利用率的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明所述的一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法，所述方法包括以下步骤，对于每个感知节点，设置高低两个门限，低门限λ₁和高门限λ₂，如图2所示；设P_d1,i和P_f1,i为第i个感知节点低门限λ_1,i所对应的检测概率和虚警概率，P_d2,i和P_f2,i为第i个感知节点高门限λ_2,i所对应的检测概率和虚警概率；设有n个感知用户作为合作频谱感知的协作用户；

步骤一、认知用户频谱感知阶段

各感知节点对主用户信号进行本地频谱感知，得到感知到的主用户能量检测值Y_i，比较Y_i与低门限λ_1,i和高门限λ_2,i的关系；

步骤二、检测结果报告阶段

当感知节点未检测到主用户信号时(H0)，不向融合中心发送数据，节约信道并避免对频谱环境产生干扰；当感知节点判定主用户存在时(H1)，向融合中心发送数据1；当感知节点判定为不确定状态时，向融合中心发送数据0代表此种状态；计算本阶段的发送数据量；

步骤三、融合中心采取dor准则判决

对于融合中心，当接收到数据1的个数大于1个时，判决为主用户存在；当接收到数据1的个数为1个，并接收到数据0的个数大于等于1个时，判决为主用户存在；其他情况判决为主用户不存在。

本发明的有益效果是：

一、dor准则具有or准则检测概率高的优势，且相对于or准则具有更低的虚警概率。

二、相对于普通的or准则发送的数据量P₀n+P₁n有明显的减少，减少发送数据量依据低门限来定，可以减少90％以上，提高了频谱的利用率。

附图说明

图1是本发明方法的流程图，各个感知用户采用双门限能量检测方式感知频谱状况，将感知结果发送给融合中心，融合中心采取dor准则判决，获得最终感知结果；

图2是门限设定说明图；

图3是检测概率对比图；

图4是虚警概率对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法，其特征在于所述方法包括以下步骤，对于每个感知节点，设置高低两个门限，低门限λ₁和高门限λ₂，如图2所示；设P_d1,i和P_f1,i为第i个感知节点低门限λ_1,i所对应的检测概率和虚警概率，P_d2,i和P_f2,i为第i个感知节点高门限λ_2,i所对应的检测概率和虚警概率；设有n个感知用户作为合作频谱感知的协作用户；

步骤一、认知用户频谱感知阶段

各感知节点对主用户信号进行本地频谱感知，得到感知到的主用户能量检测值Y_i，比较Y_i与低门限λ_1,i和高门限λ_2,i的关系；

步骤二、检测结果报告阶段

当感知节点未检测到主用户信号时(H0)，不向融合中心发送数据，节约信道并避免对频谱环境产生干扰；当感知节点判定主用户存在时(H1)，向融合中心发送数据1；当感知节点判定为不确定状态时，向融合中心发送数据0代表此种状态；计算本阶段的发送数据量；

步骤三、融合中心采取dor准则判决

对于融合中心，当接收到数据1的个数大于1个时，判决为主用户存在；当接收到数据1的个数为1个，并接收到数据0的个数大于等于1个时，判决为主用户存在；其他情况判决为主用户不存在。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述的比较方式为：

当能量检测值Y_i低于低门限λ_1,i时，判定主用户不存在(H0)；当能量检测值Y_i高于高门限λ_2,i时，判定主用户存在(H1)；当能量检测值Y_i介于低门限λ_1,i和高门限λ_2,i时，判定为不确定状态。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二所述的发送数据量的计算方法如下：

设P₀为主用户不在的概率，P₁为主用户存在的概率，则此时发送的数据量为：

$P_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{f1,i}+P_1\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{d1,i}---\left(5\right).$

相对于普通的or准则发送的数据量P₀n+P₁n有明显的减少；其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法的评价方法，其特征在于所述评价方法是通过计算虚警概率和检测概率来实现的，具体计算公式为：

虚警概率：

$P_f=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P_{f2,i})-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{f2,k}\underset{i\≠k}{\overset{n}{\underset{i=1}{\mathrm{\Π}}}}(1-P_{f1,i})---\left(6\right)$

检测概率：

$P_d=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P_{d2,i})-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{d2,k}\underset{i\≠k}{\overset{n}{\underset{i=1}{\mathrm{\Π}}}}(1-P_{d1,i})---\left(7\right)$

当计算出的虚警概率值越接近于0和检测概率值越接近于1时，频谱感知检测的准确性越高。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

本发明的效果验证如下：

对比or准则，当高门限λ_2,i等于单门限检测时的门限λ_i时，采用dor准则时虚警概率和检测概率都有所降低。虚警概率降低了：

$\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{f2,k}\underset{i\≠k}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}}(1-P_{f1,i})---\left(8\right)$

检测概率降低了：

$\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{d2,k}\underset{i\≠k}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}}(1-P_{d1,i})---\left(9\right)$

采用能量检测有：

$P_{d1,i}=Q_u(\sqrt{2{\mathrm{\γ}}_i},\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{1,i}})---\left(10\right)$

P_f1,i＝Γ(u,λ_1,i/2)/Γ(u)(11)

γ_i为第i个感知节点的信噪比，u为自由度，Q_u(a,x)为普遍马库姆函数，Γ(a,x)和Γ(a)分别为不完整伽马函数和完整伽马函数。

可知，当门限λ_1,i越大，即与高门限λ_2,i越接近，P_f1,i和P_d1,i越小，虚警概率和检测概率降低的越多。

由仿真结果图3可知，当检测概率较高时，采用dor判决方式，整体的检测概率下降很低，由仿真结果图4可知，对虚警概率有较大提升。

Claims (3)

1.一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法，其特征在于所述方法包括以下步骤，对于每个感知节点，设置高低两个门限，低门限λ₁和高门限λ₂，设P_d1,i和P_f1,i为第i个感知节点低门限λ_1,i所对应的检测概率和虚警概率，P_d2,i和P_f2,i为第i个感知节点高门限λ_2,i所对应的检测概率和虚警概率；设有n个感知用户作为合作频谱感知的协作用户；

步骤一、认知用户频谱感知阶段

各感知节点对主用户信号进行本地频谱感知，得到感知到的主用户能量检测值Y_i，比较Y_i与低门限λ_1,i和高门限λ_2,i的关系；

步骤二、检测结果报告阶段

当感知节点未检测到主用户信号时，不向融合中心发送数据，当感知节点判定主用户存在时，向融合中心发送数据1；当感知节点判定为不确定状态时，向融合中心发送数据0代表此种状态；计算本阶段的发送数据量；

所述的发送数据量的计算方法如下：

设P₀为主用户不在的概率，P₁为主用户存在的概率，则此时发送的数据量为：

$P_0\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{f1,i}+P_1\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{d1,i}---\left(5\right)$

步骤三、融合中心采取dor准则判决

对于融合中心，当接收到数据1的个数大于1个时，判决为主用户存在；当接收到数据1的个数为1个，并接收到数据0的个数大于等于1个时，判决为主用户存在；其他情况判决为主用户不存在。

2.根据权利要求1所述的一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法，其特征在于步骤一所述的比较方式为：

当能量检测值Y_i低于低门限λ_1,i时，判定主用户不存在；当能量检测值Y_i高于高门限λ_2,i时，判定主用户存在；当能量检测值Y_i介于低门限λ_1,i和高门限λ_2,i时，判定为不确定状态。

3.对权利要求1所述的一种应用于合作频谱感知的信息融合判决方法的评价方法，其特征在于所述评价方法是通过计算虚警概率和检测概率来实现的，具体计算公式为：

虚警概率：

$P_f=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Π}}(1-P_{f2,i})-\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{f2,k}\underset{\underset{i\≠k}{i=1}}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P_{f1,i})---\left(6\right)$

检测概率：

$P_d=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Π}}(1-P_{d2,i})-\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{d2,k}\underset{\underset{i\≠k}{i=1}}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P_{d1,i})---\left(7\right)$

当计算出的虚警概率值越接近于0和检测概率值越接近于1时，频谱感知检测的准确性越高。