CN110855386B - 一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法 - Google Patents

一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法，其计算每个频带的接收信号的功率；对所有频带的接收信号的功率从大到小进行排序；对尚未实现频谱感知判决的频带的接收信号的功率进行归一化处理；最大化功率比较公式；若功率比较公式的最大值小于阈值，则把所有尚未实现频谱感知判决的频带判决为没有被其它无线通信业务占用，然后结束频谱感知过程；否则，把部分频带判决为被其它无线通信业务占用，并进入下一次迭代；优点是每次迭代能够对多个频带进行频谱感知的判决，完成多频带频谱感知消耗的时间短，能够利用不同频带间的功率比较实现频谱感知，无需设置判决门限。

Description

一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法
技术领域
本发明涉及一种认知无线电系统中的频谱感知技术，尤其是涉及一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法。
背景技术
随着无线通信业务的快速增长，人们对频谱资源的需求量不断提高，频谱资源缺乏的现象变得越来越严重。一方面，无线通信业务的快速发展和各种系统、协议、网络的不断出现，使更多的设备需要使用无线电频谱；另一方面，频谱资源固定分配策略下的授权用户频谱使用排它性使得无法有效利用频谱资源。因此，频谱资源固定分配策略是造成频谱资源缺乏现象的主要原因之一。认知无线电技术能够有效提高频谱资源利用率，是实现频谱资源动态分配的主要方案之一。频谱感知是认知无线电技术中的重要组成部分，其可以有效防止采用认知无线电技术的无线通信业务对在同一频带中的其它无线通信业务产生干扰，频谱感知的性能直接关系到无线通信业务的质量。
在实际应用中，采用认知无线电技术的认知用户需要对多个频带进行频谱感知，以便多个认知用户能够接入空闲的频带，同时使部分认知用户通过频带切换实现长时间信息传输。现有的多频带频谱感知方案主要有两类。第一类是顺序频谱感知方案，即认知用户每次只能对一个频带实现频谱感知，这类方案的缺点是当频带数量较多时，完成多频带频谱感知消耗的时间较长。第二类是并行频谱感知方案，即同时在所有频带实现频谱感知，这类方案的缺点是需要根据噪声功率来设置判决门限，而噪声功率的不确定性使得难以有效设置判决门限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法，其每次迭代都能够对多个频带同时进行频谱感知的判决，且无需设置判决门限。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在认知无线电系统中，设定频带的总数量为N个；然后计算每个频带的接收信号的功率，将第n个频带的接收信号的功率记为pn；其中，N和n均为正整数，N＞1，n的初始值为1，1≤n≤N；
步骤二：对N个频带的接收信号的功率从大到小进行排序，当不同频带的接收信号的功率相同时，这些功率的顺序任意排列，将排序后的N个频带的接收信号的功率构成的集合记为Ω，
Figure BDA0002218460230000021
其中，
Figure BDA0002218460230000022
对应表示Ω中的第1个功率、第2个功率、第j个功率、第N个功率，
Figure BDA0002218460230000023
j为正整数，j的初始值为1，1≤j≤N；
步骤三：令Ωno表示尚未实现频谱感知判决的频带的接收信号的功率构成的集合，并令Ωno的初始值为Ω；令i表示正整数，并令i的初始值为1；令H表示Ω中的所有功率对应的频带中被其它无线通信业务占用的段带的序号构成的集合，并令H的初始值为空集；
步骤四：将Ωno表示为
Figure BDA0002218460230000024
然后对
Figure BDA0002218460230000025
中的每个功率进行归一化处理，将
Figure BDA0002218460230000026
经归一化处理后得到的值记为
Figure BDA0002218460230000027
将
Figure BDA0002218460230000028
经归一化处理后得到的值记为
Figure BDA0002218460230000029
将
Figure BDA00022184602300000210
经归一化处理后得到的值记为
Figure BDA00022184602300000211
将
Figure BDA00022184602300000212
经归一化处理后得到的值记为
Figure BDA00022184602300000213
其中，
Figure BDA00022184602300000214
表示Ωno中序号为i的功率，
Figure BDA00022184602300000215
表示Ωno中序号为i+1的功率，
Figure BDA00022184602300000216
表示Ωno中序号为i+2的功率，
Figure BDA00022184602300000217
表示Ωno中序号为N的功率；
步骤五：令k表示正整数，k在i+1到N范围内取值的情况下计算使得功率比较公式
Figure BDA00022184602300000218
取得最大值时k的值，将计算得到的k的值记为kmax；其中，i+1≤k≤N，kmax∈[i+1,N]，t为正整数，i≤t≤N，
Figure BDA0002218460230000031
表示Ωno中序号为t的功率经归一化处理后得到的值；
步骤六：判断
Figure BDA0002218460230000032
的值是否小于设定阈值d，如果是，则判定
Figure BDA0002218460230000033
中的每个功率对应的频带没有被其它无线通信业务占用，然后结束频谱感知过程；否则，判定
Figure BDA0002218460230000034
中
Figure BDA0002218460230000035
至序号为kmax-1的功率
Figure BDA0002218460230000036
各自对应的频带被其它无线通信业务占用，然后将序号i至kmax-1加入H中，接着令i＝kmax，再返回步骤四进行下一次迭代；其中，i＝kmax中的“＝”为赋值符号。
所述的步骤四中，
Figure BDA0002218460230000037
其中，
Figure BDA0002218460230000038
所述的步骤六中，设定阈值d的取值为0.6。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明方法首先对所有频带的接收信号的功率从大到小进行排序，然后进行迭代处理，在每次迭代过程中，通过功率比较公式找到排序后的接收信号的功率的一个序号，把该序号之前的接收信号的功率对应的频段判定为被其它无线通信业务占用，把其它接收信号的功率放入下一次迭代处理，直至功率比较公式小于设定阈值，由于大部分迭代过程能够对多个频带进行频谱感知的判决，克服了顺序频谱感知方案每次只能对一个频带进行频谱感知的判决而导致的频谱感知消耗的时间较长的问题。
2)本发明方法在利用功率比较公式时，通过比较不同频段之间的接收信号的功率的值来实现频谱感知，无需设置判决门限，解决了并行频谱感知方案难以有效设置判决门限的问题。
附图说明
图1为本发明方法的总体实现框图；
图2为在频带的总数量为100个，且有30个频带被其它无线通信业务占用，这些被其它无线通信业务占用的频带的接收信号的信噪比由固定信噪比和随机信噪比相加得到，固定信噪比都相等而随机信噪比由0dB到20dB之间均匀分布的随机变量独立产生的条件下，本发明方法的检测概率与虚警概率随着固定信噪比变化的曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法，其总体实现框图如图1所示，其包括以下步骤：
步骤一：在认知无线电系统中，设定频带的总数量为N个；然后采用现有技术计算每个频带的接收信号的功率，将第n个频带的接收信号的功率记为pn；其中，N和n均为正整数，N＞1，在本实施例中取N＝100，n的初始值为1，1≤n≤N。
步骤二：对N个频带的接收信号的功率从大到小进行排序，当不同频带的接收信号的功率相同时，这些功率的顺序任意排列，将排序后的N个频带的接收信号的功率构成的集合记为Ω，
Figure BDA0002218460230000041
其中，
Figure BDA0002218460230000042
对应表示Ω中的第1个功率、第2个功率、第j个功率、第N个功率，
Figure BDA0002218460230000043
j为正整数，j的初始值为1，1≤j≤N。
步骤三：令Ωno表示尚未实现频谱感知判决的频带的接收信号的功率构成的集合，并令Ωno的初始值为Ω；令i表示正整数，并令i的初始值为1；令H表示Ω中的所有功率对应的频带中被其它无线通信业务占用的段带的序号构成的集合，并令H的初始值为空集。
步骤四：将Ωno表示为
Figure BDA0002218460230000044
然后对
Figure BDA0002218460230000045
中的每个功率进行归一化处理，将
Figure BDA0002218460230000046
经归一化处理后得到的值记为
Figure BDA0002218460230000047
将
Figure BDA0002218460230000048
经归一化处理后得到的值记为
Figure BDA0002218460230000049
将
Figure BDA00022184602300000410
经归一化处理后得到的值记为
Figure BDA00022184602300000411
将
Figure BDA00022184602300000412
经归一化处理后得到的值记为
Figure BDA00022184602300000413
其中，
Figure BDA00022184602300000414
表示Ωno中序号为i的功率，
Figure BDA0002218460230000051
表示Ωno中序号为i+1的功率，
Figure BDA0002218460230000052
表示Ωno中序号为i+2的功率，
Figure BDA0002218460230000053
表示Ωno中序号为N的功率；在Ωno为初始值Ω时，
Figure BDA0002218460230000054
即为
Figure BDA0002218460230000055
Figure BDA0002218460230000056
即为
Figure BDA0002218460230000057
Figure BDA0002218460230000058
即为
Figure BDA0002218460230000059
在此具体实施例中，步骤四中，
Figure BDA00022184602300000510
Figure BDA00022184602300000511
其中，
Figure BDA00022184602300000512
步骤五：令k表示正整数，k在i+1到N范围内取值的情况下计算使得功率比较公式
Figure BDA00022184602300000513
取得最大值时k的值，将计算得到的k的值记为kmax；其中，i+1≤k≤N，kmax∈[i+1,N]，t为正整数，i≤t≤N，
Figure BDA00022184602300000514
表示Ωno中序号为t的功率经归一化处理后得到的值。
步骤六：判断
Figure BDA00022184602300000515
的值是否小于设定阈值d，如果是，则判定
Figure BDA00022184602300000516
中的每个功率对应的频带没有被其它无线通信业务占用，然后结束频谱感知过程；否则，判定
Figure BDA00022184602300000517
中
Figure BDA00022184602300000518
至序号为kmax-1的功率
Figure BDA00022184602300000519
各自对应的频带被其它无线通信业务占用，然后将序号i至kmax-1加入H中，接着令i＝kmax，再返回步骤四进行下一次迭代；其中，i＝kmax中的“＝”为赋值符号，设定阈值d的取值为0.6，该值是通过大量实验获得的。
以下通过计算机仿真，进一步说明本发明方法的可行性。
假设频带的总数量为N＝100，每个频带的接收信号的功率通过采样100个样本来计算得到。设定100个频带中有30个频带被其它无线通信业务占用，这些被其它无线通信业务占用的频带的接收信号的信噪比由固定信噪比和随机信噪比相加得到，其中，所有频带的接收信号的固定信噪比都相等，而每个频带的接收信号的随机信噪比由0dB到20dB之间均匀分布的随机变量独立产生。阈值d＝0.6。图2给出了本发明方法的检测概率与虚警概率随着固定信噪比变化的曲线。从图2中可以看出，当固定信噪比不小于-6dB时，本发明方法的虚警概率不大于0.1，而检测概率大于0.95。

Claims (3)

1.一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在认知无线电系统中，设定频带的总数量为N个；然后计算每个频带的接收信号的功率，将第n个频带的接收信号的功率记为pn；其中，N和n均为正整数，N＞1，n的初始值为1，1≤n≤N；
步骤二：对N个频带的接收信号的功率从大到小进行排序，当不同频带的接收信号的功率相同时，这些功率的顺序任意排列，将排序后的N个频带的接收信号的功率构成的集合记为Ω，
Figure FDA0002218460220000011
其中，
Figure FDA0002218460220000012
对应表示Ω中的第1个功率、第2个功率、第j个功率、第N个功率，
Figure FDA0002218460220000013
j为正整数，j的初始值为1，1≤j≤N；
步骤三：令Ωno表示尚未实现频谱感知判决的频带的接收信号的功率构成的集合，并令Ωno的初始值为Ω；令i表示正整数，并令i的初始值为1；令H表示Ω中的所有功率对应的频带中被其它无线通信业务占用的段带的序号构成的集合，并令H的初始值为空集；
步骤四：将Ωno表示为
Figure FDA0002218460220000014
然后对
Figure FDA0002218460220000015
中的每个功率进行归一化处理，将
Figure FDA0002218460220000016
经归一化处理后得到的值记为
Figure FDA0002218460220000017
将
Figure FDA0002218460220000018
经归一化处理后得到的值记为
Figure FDA0002218460220000019
将
Figure FDA00022184602200000110
经归一化处理后得到的值记为
Figure FDA00022184602200000111
将
Figure FDA00022184602200000112
经归一化处理后得到的值记为
Figure FDA00022184602200000113
其中，
Figure FDA00022184602200000114
表示Ωno中序号为i的功率，
Figure FDA00022184602200000115
表示Ωno中序号为i+1的功率，
Figure FDA00022184602200000116
表示Ωno中序号为i+2的功率，
Figure FDA00022184602200000117
表示Ωno中序号为N的功率；
步骤五：令k表示正整数，k在i+1到N范围内取值的情况下计算使得功率比较公式
Figure FDA00022184602200000118
取得最大值时k的值，将计算得到的k的值记为kmax；其中，i+1≤k≤N，kmax∈[i+1,N]，t为正整数，i≤t≤N，
Figure FDA0002218460220000021
表示Ωno中序号为t的功率经归一化处理后得到的值；
步骤六：判断
Figure FDA0002218460220000022
的值是否小于设定阈值d，如果是，则判定
Figure FDA0002218460220000023
中的每个功率对应的频带没有被其它无线通信业务占用，然后结束频谱感知过程；否则，判定
Figure FDA0002218460220000024
中
Figure FDA0002218460220000025
至序号为kmax-1的功率
Figure FDA0002218460220000026
各自对应的频带被其它无线通信业务占用，然后将序号i至kmax-1加入H中，接着令i＝kmax，再返回步骤四进行下一次迭代；其中，i＝kmax中的“＝”为赋值符号。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法，其特征在于所述的步骤四中，
Figure FDA0002218460220000027
其中，
Figure FDA0002218460220000028
3.根据权利要求1或2所述的一种基于功率比较的多频带迭代频谱感知方法，其特征在于所述的步骤六中，设定阈值d的取值为0.6。
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Multichannel Selection for Cognitive Radio Networks With RF Energy Harvesting;Mengdi Xu 等;《IEEE Wireless Communications Letters》;20171016;1178-181 *
基于频谱感知的动态频谱管理研究;乔晓瑜;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20140215;I136-20 *

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