CN105578483A - 基于无线传感器网络的高能效协作频谱感知方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于无线传感器网络的高能效协作频谱感知方法，包括：对于未分配传感器的某待感知频段；查找传感器调度方案，从未分配给此待感知频段的传感器中选择一个检测概率最大的传感器；计算频段协作感知后的检测概率，如果协作感知后的检测概率大于等于要求的检测概率并且为该频段选择的传感器数量大于传感器数量的最小值，则完成此频段的传感器选择，对所有频段都按照上述方式进行传感器分配；通过控制信道将每个传感器需要感知的频段发送到传感器；认知基站接收到所有的传感器的感知结果后融合每个频段传感器的感知结果，得出最终每个频段的协作频谱感知结果。本发明可以延长网络的工作时间，提高协作频谱感知的能效。

Description

基于无线传感器网络的高能效协作频谱感知方法
技术领域
本发明属于认知无线电网络(CRNCognitiveRadioNetwork)的频谱感知领域。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，人们对于无线频谱资源的需求也越来越迫切，认知无线电(CognitiveRadio,CR)，作为一种可以大幅提高频谱利用率的技术，受到广泛关注。频谱感知技术是认知无线电系统中最为重要的部分之一。受阴影衰落和多径衰落等复杂信道条件的影响，单个节点往往无法完成高精度的频谱感知。协作频谱感知技术通过使用位于不同位置多个节点同时进行频谱感知，融合多个节点的感知结果，大幅提高了频谱感知的精度。传统的认知无线电网络架构中使用次用户(SecondUsers,SUs)终端进行协作频谱感知。这样的架构会增加次用户设备的成本，同时频繁的感知频谱会增加次用户终端的能量消耗。使用传感器网络进行协作频谱感知可以解决这个问题。传感器网络有很多专门负责频谱感知的传感器节点组成，节点根据认知基站的分配的频段进行频谱感知，完成频谱感知后将结果上报给认知基站。当传感器网络中的传感器数量很多时，可以将传感器分成若干个子集，每个周期内在可以达到感知精度要求的条件下，仅只使用一部分的传感器进行协作频谱感知，让剩余的传感器工作于休眠模式，这样可以大幅度延长网络的工作时间，提高传感器网络的能效。
发明内容
针对需要在传感器辅助认知无线电网络中实现高能效协作频谱感知的问题，提出了一种高能效协作频谱感知方法。该方法能够达到延长传感器网络工作寿命的目标。
本发明的技术方案如下：
一种基于无线传感器网络的高能效协作频谱感知方法，包括下列步骤：
步骤一：在频谱感知开始之前，各个传感器通过控制信道将所有频段的信噪比上传给认知基站，认知基站根据传感器上传的信噪比，计算对应各个频道的频谱感知检测概率；
步骤二：认知基站根据传感器调度方案找到未分配传感器的某待感知频段；
步骤三：认知基站查找传感器调度方案，从未分配给此待感知频段的传感器中选择一个检测概率最大的传感器，将此选择记录到调度方案中；
步骤四：使用OR准则计算步骤三中选择的频段的协作感知后的检测概率，如果协作感知后的检测概率大于等于要求的检测概率并且为该频段选择的传感器数量大于传感器数量的最小值，则完成此频段的传感器选择；对于所有频段都按照上述方法完成传感器分配；
步骤五：通过控制信道将每个传感器需要感知的频段发送到传感器；
步骤六：传感器使用窄带能量法进行频谱感知，将接受到的信号进行采样、平方、求和然后与设定的门限进行比较，完成一个频段的感知后传感器射频电路切换工作频率到另一个频段，继续进行频谱感知；传感器完成分配的所有频段的频谱感知后，通过控制信道将感知结果以0，1的形式通过控制信道上报给认知基站；
步骤七：认知基站接收到所有的传感器的感知结果后根据OR准则融合每个频段传感器的感知结果，得出最终每个频段的协作频谱感知结果。
本发明的传感器调度算法已经在matlab中采用蒙特卡洛方法进行了2000次的仿真实验，同时，为了测试环境因素对算法效果的影响，在接收信号中考虑了-10dB到0dB信噪均值比范围内的噪声干扰。仿真中认知网络包含20个频段，100个进行频谱感知的传感器，为简单起见，假设传感器接收到的各个频段的主用户信号的信噪比服从正态分布，标准差为5dB。实验结果表明，在不同的信噪比条件下，本算法均可以延长传感器网络的工作时间80％以上。由此表明，本算法不仅具有高能效的特性，还具有很好的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明流程框图。
图2为传感器辅助认知无线电网络示意图。
图3为认知网络运行的帧周期图。
最佳实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合图1和图2给出一个具体实例。本实例仅限于说明本发明的一种实施方法，不代表对本发明覆盖范围的限制。
传感器辅助认知无线电网络的模型如图2所示。认知无线电网络和主用户网络部署在同一地区。主用户网络包含主用户基站(PrimaryBaseStation,PBS)和主用户(PrimerUser,PU)，认知无线电网络包含认知基站(CognitiveBaseStation,CBS)，次用户(Secondaryuser,SU)和负责频谱感知的传感器网络。传感器网络中包含大量的传感器节点(Sensornode)。在网络中，频段数量为M，传感器的数量为N。在真实应用场景，传感器部署在一个很大的区域内，信道条件很复杂。在网络模型中假设不同传感器对同一频段的信噪比(SNR)不同，并且同一个传感器对于不同频段也有不同的信噪比。
认知网络的工作在时间上以帧为最小单位。如图3所示，每个一帧包含三个部分：频谱感知时间段(Sensingperiod)，上报结果时间段(Reportingperiod)和数据传输时间段(Transmissionperiod)。频谱感知时间段的时间和每一帧的总时间都是固定的。在感知时间段中传感器依次感知认知基站分配的频段，之后进入休眠模式直至上报结果时间段开始。上报结果时间段内传感器上传感知的结果。之后传感器进入休眠模式，次用户网络开始通信直至下一帧开始。传感器以帧为周期进行协作频谱感知，直至传感器电池耗尽，无法达到要求的感知精度。
具体的高能效协作频谱感知过程描述如下：
步骤一：在频谱感知开始之前，N个传感器通过控制信道将所有M个频段的信噪比γm,n上传给认知基站。认知基站根据传感器上传的信噪比γm,n，计算对应的频谱感知检测概率Pdm,n。
步骤二：认知基站根据传感器调度方案找到未分配传感器的待感知频段，从中随机选择一个频段m,如果所有频段都已经完成传感器的分配则执行步骤五。
步骤三：认知基站查找传感器调度方案，从未分配给此频段的传感器中选择一个检测概率最大的传感器，将此选择记录到调度方案中。
步骤四：使用OR准则计算步骤三中选择的频段的协作感知后的检测概率，如果协作感知后的检测概率大于等于要求的检测概率并且为该频段选择的传感器数量大于传感器数量的最小值，则完成此频段的传感器选择执行步骤二，否则重复步骤三
步骤五：通过控制信道将每个传感器需要感知的频段发送到传感器。
步骤六：传感器使用窄带能量法进行频谱感知，将接受到的信号进行采样、平方、求和然后与设定的门限进行比较。完成一个频段的感知后传感器射频电路切换工作频率到另一个频段，继续进行频谱感知。传感器完成分配的所有频段的频谱感知后，通过控制信道将感知结果以0，1的形式通过控制信道上报给认知基站。
步骤七：认知基站接收到所有的传感器的感知结果后根据OR准则融合每个频段传感器的感知结果，得出最终每个频段的协作频谱感知结果。
步骤八：重复步骤六、七一定次数后执行步骤一传感器重新上传信噪比数据。
步骤九：重复以上步骤直至传感器电池耗尽，记录协作频谱感知的帧数。

Claims (1)

1.一种基于无线传感器网络的高能效协作频谱感知方法，包括下列步骤：
步骤一：在频谱感知开始之前，各个传感器通过控制信道将所有频段的信噪比上传给认知基站，认知基站根据传感器上传的信噪比，计算对应各个频道的频谱感知检测概率。
步骤二：认知基站根据传感器调度方案找到未分配传感器的某待感知频段；
步骤三：认知基站查找传感器调度方案，从未分配给此待感知频段的传感器中选择一个检测概率最大的传感器，将此选择记录到调度方案中；
步骤四：使用OR准则计算步骤三中选择的频段的协作感知后的检测概率，如果协作感知后的检测概率大于等于要求的检测概率并且为该频段选择的传感器数量大于传感器数量的最小值，则完成此频段的传感器选择；对于所有频段都按照上述方法完成传感器分配；
步骤五：通过控制信道将每个传感器需要感知的频段发送到传感器；
步骤六：传感器使用窄带能量法进行频谱感知，将接受到的信号进行采样、平方、求和然后与设定的门限进行比较，完成一个频段的感知后传感器射频电路切换工作频率到另一个频段，继续进行频谱感知；传感器完成分配的所有频段的频谱感知后，通过控制信道将感知结果以0，1的形式通过控制信道上报给认知基站；
步骤七：认知基站接收到所有的传感器的感知结果后根据OR准则融合每个频段传感器的感知结果，得出最终每个频段的协作频谱感知结果。
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