CN104868961B - 基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统和方法，该方法根据授权信道占用的特点，结合分步式协作检测思想，提出了一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知方法。当授权信道中主用户存在或不存在的持续时间远远大于感知周期，认知节点系统可以根据上一轮的感知结果推断本轮感知过程中主用户状态，且根据推测结果采用不同的分步式协作感知算法从而提高系统性能和效率。仿真结果表明，相比于硬合并、软合并和非基于主用户状态的分步式协作感知算法，该方法可以在感知时间略微增加的条件下，以较小的传输带宽获得检测性能的较大提高。

Description

基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统和方法，属于计算机无线通信技术领域。

背景技术

计算机无线通信和个人通信在过去几十年间得到了飞速地发展，各种系统结构、协议标准和网络架构层出不穷。随着无线通信业务的快速增长，日益增长的频谱需求与有限的频谱资源之间的矛盾，已成为制约无线通信发展的主要瓶颈之一。而世界各国现行的频率使用政策除分配极少的ISM开放频段之外，大多采用许可证制度，即授权用户使用规定频段，非授权用户不得使用。而且研究表明，授权频谱的实际利用率较低。因此，不管技术上怎么提高频谱利用率，只要授权用户暂时未用规定频段，分配给该用户的频率资源就被浪费了。为了在这样一个动态的环境中更充分地利用已分配的频率资源，认知无线电技术应运而生。它可以在对现有授权用户只造成一定限制干扰前提下有效地利用频谱空洞。频谱感知的目的在于快速发现频域、时域和地域上动态出现的频谱空穴，以供认知用户机会方式利用频谱。

同时，为了不对主用户造成干扰，认知用户在利用频谱空穴进行通信的过程中，需要能够快速感知出主用户的再次出现，及时进行频谱切换，腾出信道供主用户使用，或者继续使用原来频段，但是需要调整传输功率或者改变调制方式来避免干扰。频谱感知主要是物理层的技术，是频谱管理、频谱共享和频谱移动性管理的前提。

现有的频谱感知方法主要有：匹配滤波器检测，能量检测和循环平稳特征检测。其中，匹配滤波器检测需要认知用户已知主用户发射信号的有关信息(如，调制方式，脉冲波形等)；循环平稳特征检测的计算复杂度过高，并且需要较长的观察时问以提取信号的特征信息；相比之下，能量检测具有实现简单，无需系统额外信息的优点。不过，在实际的无线传播环境中，非协作感知因单个检测用户的衰落和噪声等不利因素，容易导致其检测结果与实际情况产生偏差。为了进一步提高检测精度，同时又不过分增加设备复杂度，人们提出了协作频谱感知技术研究，利用认知用户间的相互协作，可以有效消除阴影衰落的影响，降低单个认知用户的检测要求。协作感知从多个分布式的认知用户收集感知数据，通过处于不同地理位置的多个认知用户间的彼此协作，削弱外界不利因素对单个认知用户所造成的负面影响，最终提高认知无线电系统的检测性能。

然而目前的许多协作感知算法都要求参与协作的所有认知节点在本地检测之后上传其本 地检测结果或检测统计量至融合中心，然后融合中心根据一定的融合准则判决主用户是否存在。但是，在带宽受限的窄带系统下，当认知节点数目较多时，基于FDMA的上传方式容易造成控制信道拥塞；而基于TDMA的上传方式耗时较多从而影响感知实时性。因此，近年来分步式协作感知算法得到了广泛关注。但是所提许多算法都存在感知性能和感知效率等诸多问题。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于根据授权信道占用的特点，结合分步式协作检测思想，提出了一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统和方法，该方法当授权信道中主用户存在或不存在的持续时间远远大于感知周期，认知节点系统可以根据上一轮的感知结果推断本轮感知过程中主用户状态，且根据推测结果采用不同的分步式协作感知算法从而提高系统性能和效率。仿真结果表明，相比于硬合并、软合并和非基于主用户状态的分步式协作感知算法，该算法可以在感知时间略微增加的条件下以较小的传输带宽获得检测性能的较大提高。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统的实现方法，该方法包括：1)本发明综合考虑认知节点的信道条件和历史感知成绩为其设置信任度。2)初次感知采用软合并方案，且在感知之前先对所有认知节点进行训练，借此排除恶意用户和感知环境很差的认知节点。3)依据授权信道中主用户存在或不存在的持续时间远远大于感知周期，认知节点系统可以根据上一轮的感知结果推断本轮感知过程中主用户状态，且根据推测结果采用不同的分步式协作感知方法，从而提高了系统的性能和效率。

方法流程：

步骤1：各CU_i(i＝1,…,N)参加训练，设置信任度，并根据信任度阈值判定是否有资格参与协作感知。

步骤2：满足信任度条件的各CU_i(i＝1,…,V)采用软合并方案进行初次感知，判定主用户状态。

步骤3：若前轮检测主用户存在，则本轮感知采用PPSCSS算法；否则，本轮感知采用PASCSS算法。

步骤4：统计感知次数，判断是否达到信任度更新条件。若条件满足，则更新权重；否则返回步骤3。

其中，本发明上述步骤3中的基于主用户存在的分步式算法(PPSCSS)包括如下步骤：

步骤1：参与协作的各认知用户CU_i(i＝1,…,V)按信任度从大到小排列，独立进行本地检测，判断主用户是否存在。

步骤2：在所有未传输本地检测结果的认知用户集合中，信任度最高的认知用户优先传输 其本地检测结果至融合中心FC。若当前认知用户判定主用户存在，则FC以此广播全局结果，算法结束；否则，信任度次高的认知节点传输其本地检测结果。

步骤3：若传输其本地检测结果的认知用户数m_t≤V/2，返回步骤2；若m_t>V/2，则所有CU_i(i＝1,…,V)传输其本地检测统计量至FC，FC采用软合并方案判定主用户状态。

本发明的上述方法应用于移动通信技术领域。

本发明提供了一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统，该系统包括：主用户、认知用户和融合中心。

所述的主用户是认知无线电系统感知频段内的授权用户，即：感知对象，在授权频段内具有一定的无线收发功能。

所述的认知用户是认知无线电系统中感知授权频段的独立节点，即：实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能。

所述的融合中心是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数据的设备，在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算和融合能力。

本发明系统的主用户是认知无线电系统感知频段内的授权用户，即：感知对象，在授权频段内具有一定的无线收发功能，比如：特定频段上某一时段内频谱利用率较低的TV终端；认知用户是认知无线电系统中感知授权频的独立节点，即实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能，比如智能传感器节点；融合中心是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数据的设备，在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算和融合能力，比如具有无线收发功能的数据处理终端。

本发明系统的主用户发射机发射信号能够被感知；认知用户采用能量检测器接收并过滤主用户发射机信号，然后将信号能量值或本地判决结果传至融合中心；各模块之间可通过特定的控制频段或空闲的授权频段进行无线通信。

有益效果：

1、本发明综合考虑认知节点的信道条件和历史感知成绩为其设置信任度，更加真实可信。

2、本发明初次感知采用软合并，且在感知之前先对所有认知节点进行训练，借此排除恶意用户和感知环境很差的认知节点。

3、本发明依据授权信道中主用户存在或不存在的持续时间远远大于感知周期，认知节点系统可以根据上一轮的感知结果推断本轮感知过程中主用户状态，且根据推测结果采用不同的分步式协作感知算法，从而提高系统性能和效率。

附图说明

图1为本发明的认知无线电系统结构示意图。

图2为本发明感知周期帧结构图。

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统，该系统包括：主用户、认知用户和融合中心。

所述的主用户是认知无线电系统感知频段内的授权用户，即：感知对象，在授权频段内具有一定的无线收发功能。

所述的认知用户是认知无线电系统中感知授权频段的独立节点，即：实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能。

所述的融合中心是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数据的设备，在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算和融合能力。

本发明的主用户是认知无线电系统感知频段内的授权用户，即：感知对象，在授权频段内具有一定的无线收发功能，比如特定频段上某一时段内频谱利用率较低的TV终端；认知用户是认知无线电系统中感知授权频的独立节点，即实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能，比如智能传感器节点；融合中心是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数据的设备，在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算和融合能力，比如具有无线收发功能的数据处理终端。

主用户发射机发射信号可以被感知；认知用户采用能量检测器接收并过滤主用户发射机信号，然后将信号能量值或本地判决结果传至融合中心；各模块之间可通过特定的控制频段或空闲的授权频段进行无线通信。

本发明基于上述应用模型(场景)，其实现的过程如图3所示，包括如下步骤：

步骤1：各CU_i(i＝1,…,N)参加训练，设置信任度，并根据信任度阈值判定是否有资格参与协作感知。

步骤2：满足信任度条件的各CU_i(i＝1,…,V)采用软合并方案进行初次感知，判定主用户状态。

步骤3：若前轮检测主用户存在，则本轮感知采用PPSCSS算法；否则，本轮感知采用PASCSS算法。

步骤4：统计感知次数，判断是否达到信任度更新条件。若条件满足，则更新权重；否则返回步骤3。

如图2所示，本发明的感知周期分为感知时段和传输时段。而感知时段分为感知和报告 阶段。由于能量检测器性能相同，所以感知阶段一般相同，而报告阶段因采用算法的不同而异。在感知周期一定的情况下，由于感知时间和传输带宽不同，所以感知效率有所不同。PSSCSS算法的目标是在保证检测可靠性的条件下降低系统检测开销。

综上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。在发明所披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明所揭露的技术范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：各CU_i(i＝1,…,N)参加训练，设置信任度，并根据信任度阈值判定是否有资格参与协作感知；

步骤2：满足信任度条件的各CU_i(i＝1,…,V)采用软合并方案进行初次感知，判定主用户状态；

步骤3：若前轮检测主用户存在，则本轮感知采用分步式算法(PPSCSS)；否则，本轮感知采用PASCSS算法，其中，所述步骤3中的基于主用户存在的分步式算法(PPSCSS)包括如下步骤：

步骤3-1：参与协作的各认知用户CU_i(i＝1,…,V)按信任度从大到小排列，独立进行本地检测，判断主用户是否存在；

步骤3-2：在所有未传输本地检测结果的认知用户集合中，信任度最高的认知用户优先传输其本地检测结果至融合中心FC，若当前认知用户判定主用户存在，则FC以此广播全局结果，算法结束；否则，信任度次高的认知节点传输其本地检测结果；

步骤3-3：若传输其本地检测结果的认知用户数m_t≤V/2，返回步骤3-2；若m_t>V/2，则所有CU_i(i＝1,…,V)传输其本地检测统计量至FC，FC采用软合并方案判定主用户状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统的实现方法，其特征在于：所述方法的各认知节点的本地检测信息具有不同的可信度。

3.根据权利要求1所述的一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统的实现方法，其特征在于：所述步骤3的本轮感知采用软合并，且在感知之前先对所有认知节点进行训练。

4.根据权利要求1所述的一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统的实现方法，其特征在于：所述方法依据授权信道中主用户存在或不存在的持续时间远远大于感知周期，认知节点系统根据上一轮的感知结果推断本轮感知过程中主用户状态，且根据推测结果采用不同的分步式协作感知算法。

5.根据权利要求1所述的一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统的实现方法，其特征在于：所述方法应用于移动通信技术领域。

6.根据权利要求4所述的一种基于主用户状态的分步式协作频谱感知系统的实现方法，其特征在于，所述系统的主用户发射机发射信号能够被感知；认知用户采用能量检测器接收并过滤主用户发射机信号，然后将信号能量值或本地判决结果传至融合中心；所述的主用户、认知用户和融合中心之间通过特定的控制频段或空闲的授权频段进行无线通信。