CN105634624B

CN105634624B - 一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法

Info

Publication number: CN105634624B
Application number: CN201410582501.5A
Authority: CN
Inventors: 梁炜; 郑萌; 许驰; 张晓玲
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2017-12-15
Anticipated expiration: 2034-10-27
Also published as: CN105634624A

Abstract

本发明涉及认知无线网络的协作频谱感知技术，具体地说它是一种面向认知无线电网络的频域协作频谱感知方法。本发明包括以下步骤：单认知用户进行能量检测和本地决策；单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心；融合中心对单认知用户的感知结果进行载波级融合；融合中心对多认知用户的感知结果进行用户级融合；认知无线网络根据融合中心的感知结果进行动态频谱接入决策。本发明中各CRU采用OFDM子载波二进制幅值调制方法向FC汇报本地感知结果，实现了时域上多用户的并行传输，显著减少了协作频谱感知的报告时延。

Description

一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法

技术领域

本发明涉及认知无线网络的协作频谱感知技术，具体地说它是一种面向认知无线电网络的频域协作频谱感知方法。

背景技术

由于无线通信技术的快速发展和无线设备的层出不穷，无线电频谱资源在当前已经面临了严重的短缺和拥塞问题。根据美国FCC的报告显示，大量已分配授权频段的频谱利用率均处于极低水平。因此，认知无线电技术应运而生，被认为是解决由于传统的静态频谱划分所造成的上述问题的有效途径。认知无线电通过准确的频谱感知，可以检测到主用户(Primary User，PU)的活动情况，当PU不占用授权信道时，实现认知用户(Cognitive RadioUser，CRU)的机会式频谱接入，从而提高频谱的利用率；当PU出现在授权信道时，CRU迅速从授权信道退出，避免对PU造成干扰。因此，准确且快速的频谱感知技术是实现认知无线网络动态频谱接入的前提。

现有的频谱感知技术主要包括能量感知，循环特征检测，匹配滤波等，这些感知技术具有不同的应用特点和背景，属于单用户的感知技术。然而，在无线通信的过程中，不可避免地存在多径衰落，阴影和隐藏终端等问题，单用户的频谱感知往往不能达到理想的频谱感知性能，容易对PU造成一定干扰。利用空间上分散的CRU进行协作频谱感知是一种提升频谱感知性能的有效途径。

传统认知无线网络的协作感知工作方式是：首先由单个CRU进行本地的频谱感知，可采用的感知方法包括能量感知，匹配滤波等；然后协作的CRU将感知结果通过控制信道发送给融合中心(Fusion Center，FC)，FC对多个CRU的感知结果进行全局融合，判断PU是否占用当前信道；最后，认知无线网络根据FC广播的决策结果选择是否接入或退出当前PU信道。FC进行决策融合的方式主要包括软融合和硬融合两种方式。其中，软融合要求各CRU发送原始采样数据，具有准确性高的特点，但是网络开销较大；而硬融合仅要求各CRU发送1bit 的本地判决结果即可，相比之下网络开销较小，但是准确性有限。理论上，参与协作感知的CRU数量越多，协作感知的准确性越高，对PU的保护性越强，相应信道的频带利用率也越高；但是，由于现有的认知无线网络中，CRU均采用TDMA的通信方式向FC汇报本地决策。这样，认知用户越多，报告感知结果的时延也就越大，导致用户进行数据传输的时间也就越少，吞吐量越低。

发明内容

针对传统认知无线网络协作频谱感知的汇报时间过长(特别是参与合作的CRU数量较多时)导致网络吞吐量降低的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种面向认知无线电网络的频域协作频谱感知方法，适用于采用OFDM物理层的认知无线网络，可以实现协作频谱感知过程从时域到频域的转变。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，包括以下步骤：

单认知用户进行能量检测和本地决策；

单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心；

融合中心对单认知用户的感知结果进行载波级融合；

融合中心对多认知用户的感知结果进行用户级融合；

认知无线网络根据融合中心的感知结果进行动态频谱接入决策。

所述单认知用户进行能量检测和本地决策的过程为：

每个认知用户均配备能量检测器，收集授权信道上的信号能量信息；

根据二元假设检验模型，每个认知用户做出关于当前授权信道是否可用的本地决策：如果认知用户所收集的信号能量值大于事先设定的能量感知阈值，则认知用户判定当前授权信道不可用；否则，认知用户判定当前授权信道可用。

所述二元假设检验模型为：

其中，N_i＝τ_sf_s表示信号能量检测器所采集的样本数，τ_s表示采样时间，f_s表示奈奎斯特采样频率，满足条件f_s≥2W，W表示待检测授权信道的带宽，H₀和H₁分别表示当前授权信道上PU不存在和存在的情形，u_i(n)表示背景噪声，s(n)表示主用户信号，h_i表示从PU到认知用户i的信道增益。

所述认知用户所收集的信号能量为：

其中，y_i(n)为认知用户收集的信号，T_i(y_i)为信号y_i(n)的能量，N_i为信号能量检测器所采集的样本数。

所述单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心的过程为：参与协作感知的各认知用户将本地感知结果进行二进制幅度调制，然后通过所分配到的OFDM子载波并行发送给融合中心；所述二进制幅度调制中，本地决策“1”对应幅值为1的子载波，本地决策“0”对应幅值为0的子载波。

所述各认知用户所使用的子载波集合由融合中心集中分配，分配原则为：子载波的选取只采用OFDM系统的奇数或偶数子载波序列。

所述融合中心对单认知用户的感知结果进行载波级融合的过程为：

融合中心对已分配的OFDM子载波逐一检测，得到每个子载波所代表的本地决策结果；

对从属于同一个载波集的子载波进行载波级融合，从而获得单认知用户的感知结果；所述载波级融合采用K_s-out-of-N的硬融合准则，即当传输本地感知结果的N个子载波中，有至少K_s个子载波显示该认知用户的感知结果为1时，判定该认知用户的载波级融合结果为1；否则，该认知用户的载波级融合结果为0；所述K_s为载波级融合的阈值。

所述融合中心对多认知用户的感知结果进行用户级融合的过程为：

融合中心在完成载波级融合结果后，获得了各认知用户的感知结果；

基于多个认知用户的感知结果，融合中心可以进一步完成用户级融合，即全局融合；所述用户级融合采用K-out-of-N的硬决策融合，即认知无线网络中的 M个认知用户中，如果有至少K个用户的感知结果为1，则判定全局感知结果为1，即当前的授权信道可用；否则，判定全局感知结果为0，即当前的授权信道不可用；所述K为用户级融合的阈值。

所述认知无线网络根据融合中心的感知结果进行动态频谱接入决策的过程为：融合中心完成载波级和用户级的两级融合后，获得了全局感知结果；当全局感知结果显示当前信道被主用户占用时，认知无线网络选择不接入该信道，在认知无线网络占用了该授权信道的情况下立即撤出当前信道，以确保主用户不受干扰；当全局感知结果显示当前信道未被主用户占用时，认知无线网络接入该信道。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明中多个CRU采用OFDM系统的正交子载波并行发送本地感知结果，极大减少了协作过程中的汇报时间。

2.由于每个CRU采用多个正交子载波并行发送本地感知结果，FC采用载波级和用户级的两级融合决策，有效提高了协作频谱感知的准确性。

3.各CRU采用OFDM子载波二进制幅值调制方法向FC汇报本地感知结果，实现了时域上多用户的并行传输，显著减少了协作频谱感知的报告时延。

附图说明

图1协作频谱感知示意图；

图2控制信道子载波示意图；

图3认知用户子载波分配策略示意图；

图4协作感知两级融合示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提出了一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其主要思想是利用OFDM系统的子载波对多个CRU的本地感知结果(0和1)进行二进制幅度调制。由于所有CRU利用不同的正交子载波并行传输，协作频谱感知的汇报时间将极大地缩短。基于此，本发明在FC端还采用载波和用户的两级融合策略提高协作感知的可靠性，进而提升网络的吞吐量。

本发明的实现步骤主要包括：(1)单个CRU进行能量检测和本地决策；(2)单CRU将感知结果通过OFDM载波并行传输给FC；(3)FC对单CRU的感知结果进行载波级融合；(4)FC对多CRU的感知结果进行用户级融合；(5)认知无线网络根据FC的感知结果进行动态频谱接入决策。

下面结合附图，对本发明的具体步骤做如下详细说明。

步骤(1)单个CRU进行能量检测和本地决策

假设认知无线网络中共有M个认知用户参与协作感知，则CRU i(i＝1,2,...,M)对PU的存在性进行二元假设的模型如下：

其中，N_i＝τ_sf_s表示信号能量检测器所采集的样本数。f_s是Nyquist采样频率，满足条件f_s≥2W。u_i(n)和s(n)分别表示背景噪声和PU信号，它们是相互独立的零均值高斯过程，方差分别为和即和

基于上述假设检验模型，能量检测器收集的能量值可以表示为然后，认知用户i(记为CRU_i)可以按照式(2)进行本地决策：

其中，ε_i表示能量检测阈值。

多个CRU同步执行能量检测过程，其基本过程相同，均包括滤波，AD转换，平方求和以及阈值比较过程。这样，多个CRU可以实现协作频谱感知，其感知结构如图1所示。

步骤(2)单CRU将感知结果通过OFDM载波并行传输给FC

各CRU将本地感知结果进行二进制幅度调制，然后通过所分配到的OFDM子载波并行发送给FC。其中，各CRU所使用的子载波集合由FC集中分配。具体分配策略如下：

将公共控制信道划分为2S个相互重叠的子载波信道，如图2(a)所示。为了消除相邻子载波的相互干扰，取其奇数(或偶数)序列的子载波作为CRU的传输子载波，如图2(b)所示。这样，FC将S个子载波分配给M个CRU，假设各CRU均可获得等量的N个子载波，显然，S和N需要满足如下条件：

MN≤S

假设S_i＝{s_i,1,s_i,2,...,s_i,N}表示第i个CRU分配到的子载波集，并且各子载波集还需满足如下条件：

其中，S表示公共控制信道的子载波集合。为了使得S_i中子载波尽可能分散，本发明中令S_i中的子载波s_i,k，k＝0,1,...,N-1与S中的第i+kM个子载波对应。

例如，当公共控制信道共有256个子载波时，采用其偶数序列子载波，一共可以使用其中的S＝128个子载波。当N＝8时，即每个CRU分配8个子载波时，最多可以容纳16个CRU参与协作感知。如图3所示，CRU₁,CRU₂和CRU₁₆所分配到的子载波集分别是：S₁＝{1,17,33,49,64,81,97,113}，S₂＝{2,18,34,50,66,82,98,114}，S₁₆＝{16,32,48,64,80,96,112,128}。

这样，认知用户CRU_i就与子载波集S_i相对应。使用该子载波集，每个CRU_i可以实现多载波并行传输。采用这种方式，可以有效提高感知结果传输的抗干扰和多径效应的能力，有助于提高系统的频谱感知准确性。

接下来，FC将对感知结果进行载波级和用户级的两级融合，其过程如图4所示，分别对应步骤(3)和步骤(4)。

步骤(3)FC对单CRU的感知结果进行载波级融合

FC首先通过能量检测技术对已分配的OFDM子载波逐一检测，以得到每个子载波所代表的本地决策结果，然后对从属于同一个载波集的子载波进行载波级融合，从而获得单CRU的感知结果。载波级融合采用K_s-out-of-N的硬融合准则，即某个CRU所分配的N个子载波中，当至少有K_s个子载波被检测为幅值为1(“活跃”)时，该CRU的载波级融合结果为1；否则，该CRU的载波级融合结果为0(“不活跃”)。

FC对子载波i的能量检测过程可以用如下二元假设的模型描述：

其中，和分别对应子载波i的本地决策为0和1的情形，为FC在子载波i上所采集的信号，表示子载波i的背景高斯白噪声，其均值为0且方差为表示FC在每个子载波上所采集的信号样本数。

于是，每个子载波的检测概率p_d和误警概率p_f分别为

其中，γ为FC处的信噪比，λ为每个子载波的能量检测阈值，函数Γ(x,y)和Q_m(x,y)分别定义如下：

这样，单CRU的载波级融合的检测概率和误警概率分别为：

和

其中，N为每个CRU分配的子载波数量，K_s为载波级融合的阈值。

由于单CRU采用了多载波并行传输的机制，少数载波的误检或者漏检可以通过载波级融合得到有效更正。此外，载波级融合的检测性能还可以通过寻找最优融合规则和载波分配规则进一步提高。在给定优化目标的情况下，如最小化最优载波级融合规则可以通过穷举法找到。

步骤(4)FC对多CRU的感知结果进行用户级融合

FC获得载波级融合结果后，等同于获得了每个CRU的感知结果。根据多个CRU的感知结果，FC进一步完成用户级融合。该过程与传统认知无线网络的协作感知相同，采用K-out-of-M的硬融合策略准则，即认知无线网络中的M个CRU中，至少有K个用户判定PU占用授权信道，则判定全局感知结果为1，即当前的授权信道可用。否则，判定全局感知结果为0，即当前的授权信道不可用。至此，用户级融合的检测概率P_d和误警概率P_f分别为：

和

其中，和分别为单CRU的检测概率和误警概率，M为参与用户级融合的CRU数量，K为用户级融合的阈值。

用户级融合可以有效更正由少数不完美载波级融合所导致的误检或者漏检。此外，用户级融合的检测性能还可以通过寻找最优融合规则K^*进一步提高。在给定优化目标的情况下，如最小化P_f+(1-P_d),最优用户级融合规则K^*可以通过穷举法找到。

步骤(5)认知无线网络根据FC的感知结果进行动态频谱接入决策

认知无线网络的FC获得全局感知结果后，根据该感知结果决定是否接入PU授权信道。当全局感知结果为1时，表示PU正在占用授权信道，则FC应发送广播，通知网内CRU不可接入该信道。如果网络已经工作在该信道，应通知全网迅速撤离该信道，避免对PU造成干扰。当全局感知结果为0时，表示PU没有占用该授权信道，则FC发送广播，通知CRU接入该信道进行数据传输。

Claims

1.一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤：

单认知用户进行能量检测和本地决策；

单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心；

融合中心对单认知用户的感知结果进行载波级融合；

融合中心对多认知用户的感知结果进行用户级融合；

认知无线网络根据融合中心的感知结果进行动态频谱接入决策；

对从属于同一个载波集的子载波进行载波级融合，从而获得单认知用户的感知结果；所述载波级融合采用K_s-out-of-N的硬融合准则，即当传输本地感知结果的N个子载波中，有至少K_s个子载波显示该认知用户的感知结果为1时，判定该认知用户的载波级融合结果为1；否则，该认知用户的载波级融合结果为0；所述K_s为载波级融合的阈值；

基于多个认知用户的感知结果，融合中心可以进一步完成用户级融合，即全局融合；所述用户级融合采用K-out-of-M的硬决策融合，即认知无线网络中的M个认知用户中，如果有至少K个用户的感知结果为1，则判定全局感知结果为1，即当前的授权信道可用；否则，判定全局感知结果为0，即当前的授权信道不可用；所述K为用户级融合的阈值。

2.根据权利要求1所述的一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其特征在于，所述单认知用户进行能量检测和本地决策的过程为：

3.根据权利要求2所述的一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其特征在于，所述二元假设检验模型为：

4.根据权利要求2所述的一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其特征在于，所述认知用户所收集的信号能量为：

<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </msub> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow>

5.根据权利要求1所述的一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其特征在于，所述单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心的过程为：参与协作感知的各认知用户将本地感知结果进行二进制幅度调制，然后通过所分配到的OFDM子载波并行发送给融合中心；所述二进制幅度调制中，本地决策“1”对应幅值为1的子载波，本地决策“0”对应幅值为0的子载波。

6.根据权利要求5所述的一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其特征在于，所述各认知用户所使用的子载波集合由融合中心集中分配，分配原则为：子载波的选取只采用OFDM系统的奇数或偶数子载波序列。

7.根据权利要求1所述的一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其特征在于，所述认知无线网络根据融合中心的感知结果进行动态频谱接入决策的过程为：融合中心完成载波级和用户级的两级融合后，获得了全局感知结果；当全局感知结果显示当前信道被主用户占用时，认知无线网络选择不接入该信道，在认知无线网络占用了授权信道的情况下立即撤出当前信道，以确保主用户不受干扰；当全局感知结果显示当前信道未被主用户占用时，认知无线网络接入该信道。