CN107592172B - 一种基于感知性能的多信道能效频谱感知方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于感知性能的多信道能效频谱感知方法。首先，建立认知无线电频谱感知二元假设模型；然后，推导多信道条件下认知无线电用户传输一个数据包所需的感知总能耗与感知时间的关系；最后，将所要求的感知性能(目标检测概率、目标虚警概率)作为约束条件，计算多信道条件下传输一个数据包所需的最小感知能耗。本发明从满足感知性能要求的角度给出了多信道条件下的最短感知时间及其最小感知能耗。
Description
一技术领域
本发明涉及一种认知无线电频谱感知技术，特别是一种基于感知性能的多信道能效频谱感知方法。
二背景技术
频谱感知是认知无线电中的关键技术之一，其目标是准确、快速地检测频谱空穴，从而为次用户在不干扰主用户的前提下高效利用频谱提供基础。通常，频谱感知的性能由检测概率和虚警概率表示。检测概率越高，主用户越能被更好地保护。虚警概率越低，一个信道被次用户使用的机会就越多。此外，在追求绿色通信的今天，认知无线电也需要考虑能耗问题。其中，频谱感知的能耗是认知无线电能耗的重要组成部分。目前，已有文献将能耗问题引入了频谱感知的研究中，如通过粗略感知获得信道感知顺序，再对选定的信道进行精细感知，从而减少总的感知能耗；或根据先前的感知结果确定下一步感知行动，从而减少感知开销。但已有算法大多是通过某种感知策略来降低感知能耗，而没有考虑到感知性能要求，如检测概率、虚警概率等要求对感知能耗的影响；或者只考虑单个信道的能效感知技术，没有考虑多个信道下的宽带能效感知。
三发明内容
因此，本方法提供了一种基于感知性能的多信道能效频谱感知方法，目的是满足感知性能要求前提下，实现多个信道的最小能耗频谱感知。
实现本发明的技术方案为：一种基于感知性能的多信道能效频谱感知方法，其步骤为：第一步，建立认知无线电频谱感知二元假设模型。第二步，推导多信道条件下认知无线电用户传输一个数据包所需的感知总能耗与感知时间的关系。第三步，将所要求的感知性能(目标检测概率、目标虚警概率)作为约束条件，计算多信道条件下传输一个数据包所需的最小感知能耗。
本发明与现有的能效频谱感知方法相比，其显著优点是：给出了多信道条件下考虑感知性能要求时的最小感知能耗。
四附图说明
附图是本发明一种基于感知性能的多信道能效频谱感知方法的流程图，同时也是本专利的摘要附图。
五具体实施方式
下面结合附图对基于感知性能的多信道能效频谱感知方法作进一步描述。首先做出如下假设：
1、环境中存在一个主用户(PU)和一个次用户(SU)，且它们共享M个信道，各信道之间的状态是彼此独立的。
2、主用户具有频谱接入的优先权，次用户为认知无线电用户，采用能量检测法对频谱进行感知，一次感知M个信道，判断该信道是否被主用户占用。
3、次用户周期性地对各信道进行感知，若当前信道空闲则利用当前信道进行数据传输，若当前信道忙且有其它空闲信道则切换到最近的空闲信道进行数据传输，若所有信道均感知为忙则在本信道停止等待下一个感知周期。每个周期中感知时间为τs，数据传输时间为T。
具体实施方式为：
1、建立认知无线电频谱感知二元假设模型。
根据信道是否被主用户占用，每个信道存在两个状态，即空闲状态和忙状态，故感知问题可表示为下述二元假设：
式中H0表示该信道空闲；H1表示该信道被主用户占用；w(n)表示独立同分布的零均值加性高斯白噪声，其方差为
h(n)表示信道增益；s(n)表示主用户信号。
2、推导多信道条件下次用户传输一个数据包所需的感知能耗与感知时间的关系。
根据能量检测相关理论，在某个信道上次用户对主用户的检测概率可表示为：
式中Q(·)为互补累积分布函数(Q函数)，fs为采样速率，λ为检测门限，γ为次用户接收主用户信号时的信噪比，Pft为所要求的虚警概率。在某个信道上次用户对主用户检测的虚警概率可表示为：
式中Pdt为所要求的检测概率。因此，当前信道感知为空闲的概率Pi1表示如下：
Pi1(τs)＝(1-ρ)(1-Pf(τs))+ρ(1-Pd(τs)) (4)
式中ρ是主用户占用信道的概率。其余M-1个信道均感知为忙的概率Pb(M-1)表示如下：
Pb(M-1)(τs)＝((1-ρ)Pf(τs)+ρPd(τs))M-1 (5)
所有信道均感知为忙的概率Pb表示如下：
Pb(τs)＝(1-Pi1(τs))Pb(M-1)(τs) (6)
所以，次用户进行数据传输的传输概率Pt可表示为：
Pt＝1-Pb(τs) (7)
次用户完成时长为S的数据包的传输所需的平均时间为Ts＝S/Pt，则完成一个数据包传输需要的感知次数如下：
式中
为向上取整运算，T为次用户每个感知周期中用于传输的时间。因此可得传输一个数据包的感知总能耗为：
J(τs)＝N(τs)τsEs (9)
式中Es为次用户单位时间的感知能耗。
3、计算多信道条件下次用户传输一个数据包所需的最小感知能耗。
在满足检测概率和虚警概率要求的前提下，次用户传输一个数据包所需的最小感知能耗可表示为如下的优化问题：
式中J(τs)是完成一个数据包传输所需的感知能耗，Pd(τs)、Pf(τs)分别为感知时间τs下的检测概率和虚警概率，Pdt、Pft分别为所要求的检测概率和虚警概率。
根据优化问题的约束条件，当采样频率fs固定时，求解满足式(10)约束条件的感知时间。将式(2)和式(3)分别代入不等式Pd(τs)≥Pdt和Pf(τs)≤Pft，均可得到：
式中γ为次用户接收主用户信号时的信噪比。
由于在能量检测中，感知能耗与感知时长成正相关关系，感知时长越短，感知能耗越小。故为使传输一个数据包的感知总能耗最小，在满足约束条件情况下，应取感知时间为式(11)中的最小值：
将式(12)表示的最小感知时间代入式(9)中，得到传输一个数据包所需的最小感知能耗：
因此，次用户根据式(12)给出的感知时间进行感知，将在满足所要求的检测概率和虚警概率前提下，获得最低感知能耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (1)
1.一种基于感知性能的多信道能效频谱感知方法，其步骤为：第一，建立认知无线电频谱感知二元假设模型，假设环境中存在一个主用户(PU)和一个次用户(SU)，且它们共享M个信道，各信道之间的状态是彼此独立的；次用户周期性地对各信道进行感知，若当前信道空闲则利用当前信道进行数据传输，若当前信道忙且有其它空闲信道则切换到最近的空闲信道进行数据传输，若所有信道均感知为忙则在本信道停止等待下一个感知周期；每个周期中感知时间为τS，数据传输时间为T；根据信道是否被主用户占用，每个信道存在两个状态，即空闲状态和忙状态，故感知问题可表示为下述二元假设：
式中，H0表示该信道空闲；H1表示该信道被主用户占用；w(n)表示独立同分布的零均值加性高斯白噪声，其方差为
h(n)表示信道增益；s(n)表示主用户信号；
第二，推导多信道条件下认知无线电用户传输一个数据包所需的感知总能耗与感知时间的关系：根据能量检测相关理论，在某个信道上次用户对主用户的检测概率可表示为：
式中Q(·)为互补累积分布函数，即Q函数，fs为采样速率，λ为检测门限，γ为次用户接收主用户信号时的信噪比，Pft为所要求的虚警概率；在某个信道上次用户对主用户检测的虚警概率可表示为：
式中，Pdt为所要求的检测概率；因此，当前信道感知为空闲的概率Pi1表示如下：
Pi1(τs)＝(1-ρ)(1-Pf(τs))+ρ(1-Pd(τs)) (4)
式中ρ是主用户占用信道的概率；其余M-1个信道均感知为忙的概率Pb(M-1)表示如下：
Pb(M-1)(τs)＝((1-ρ)Pf(τs)+ρPd(τs))M-1 (5)
所有信道均感知为忙的概率Pb表示如下：
Pb(τs)＝(1-Pi1(τs))Pb(M-1)(τs) (6)
所以，次用户进行数据传输的传输概率Pt可表示为：
Pt＝1-Pb(τs) (7)
次用户完成时长为S的数据包的传输所需要的平均时间为Ts＝S/Pt，则完成一个数据包传输需要的感知次数如下：
式中
为向上取整运算，T为次用户每个感知周期中用于传输的时间；因此可得传输一个数据包的感知总能耗为：
J(τs)＝N(τs)τsEs (9)
式中Es为次用户单位时间的感知能耗；
第三，将所要求的感知性能作为约束条件，计算多信道条件下传输一个数据包所需的最小感知能耗：在满足检测概率和虚警概率要求的前提下，次用户传输一个数据包所需的最小感知能耗可表示为如下的优化问题：
式中J(τs)是完成一个数据包传输所需的感知能耗，Pd(τs)、Pf(τs)分别为感知时间τs下的检测概率和虚警概率，Pdt、Pft分别为所要求的检测概率和虚警概率；根据优化问题的约束条件，当采样频率fs固定时，求解满足式(10)约束条件的感知时间，将式(2)和式(3)分别代入不等式Pd(τs)≥Pdt和Pf(τs)≤Pft，均可得到：
式中γ为次用户接收主用户信号时的信噪比；由于在能量检测中，感知能耗与感知时长成正相关关系，感知时长越短，感知能耗越小；故为使传输一个数据包的感知总能耗最小，在满足约束条件情况下，应取感知时间为式(11)中的最小值：
将式(12)表示的最小感知时间代入式(9)中，得到传输一个数据包所需的最小感知能耗：
因此，次用户根据式(12)给出的感知时间进行感知，将在满足所要求的检测概率和虚警概率前提下，获得最低感知能耗。
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