CN111565080B - 一种基于认知无线电自适应频谱感知与分配方法 - Google Patents

一种基于认知无线电自适应频谱感知与分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于认知无线电自适应频谱感知与分配方法，包括基于自适应双门限的能量检测方法和基于最大网络效益的空穴频谱分配方法；待接入无线电环境首先经过基于自适应双门限的能量检测方法进行频谱检测，然后再通过基于最大网络效益的空穴频谱分配方法进行频谱分配，最后使认知用户实现接入。利用认知无线电技术，结合自适应双门限能量检测感知无线电频谱空穴，建立图论着色模型，依据最大化网络效益原则为认知用户分配频谱资源。本方法可有效提高频谱资源利用率，改善网络效益。

Description

一种基于认知无线电自适应频谱感知与分配方法
技术领域
本发明涉及无线电技术领域，特别涉及一种基于认知无线电自适应频谱感知与分配方法。
背景技术
随着工作区域无线设备的增加，频谱资源有限且分配模式不统一，导致无线电频谱资源日益紧张，严重制约了新设备的安装与接入。目前常用的频谱直接接入或静态接入的模式，存在频谱空穴不连续，空闲频谱不确定等问题，所以需要一种频谱资源的动态合理分配方法，提高无线频谱资源的利用率，从而更好的适应未来无线通信需求的发展。
发明内容
为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供一种基于认知无线电自适应频谱感知与分配方法，利用认知无线电技术，结合自适应双门限能量检测感知无线电频谱空穴，建立图论着色模型，依据最大化网络效益原则为认知用户分配频谱资源。本方法可有效提高频谱资源利用率，改善网络效益。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于认知无线电自适应频谱感知与分配方法，包括基于自适应双门限的能量检测方法和基于最大网络效益的空穴频谱分配方法；待接入无线电环境首先经过基于自适应双门限的能量检测方法进行频谱检测，然后再通过基于最大网络效益的空穴频谱分配方法进行频谱分配，最后使认知用户实现接入。
(一)所述的基于自适应双门限的能量检测方法包括如下：
无线电环境中，频谱资源有很大一部分被已授权用户使用，新增认知用户随意接入将严重影响正常的通信质量和网络效益；本方法无需信号的先验信息，直接对环境中指定频谱内的信号能量计算；建立频谱信号检测模型
Figure BDA0002423976330000011
其中，H0代表被测频谱内只有噪声信号存在，H1代表被测频谱内有既有噪声信号，又有已授权用户存在，即频谱已被占用；s(t)代表授权用户信号，t采样点，在本模型中假设其服从正态分布，均值为零，方差为
Figure BDA0002423976330000021
n(t)代表噪声信号，假设为高斯白噪声，均值为零，方差为
Figure BDA0002423976330000022
采样时，保证各采样信号正交且同分布；
在H0条件下采样值服从高斯分布，表示为
Figure BDA0002423976330000023
在H1条件下，采用值分布可以表示为
Figure BDA0002423976330000024
初始的判决门限为λ，可计算获得检测概率Pd和虚警Pf分别为
Figure BDA0002423976330000025
Figure BDA0002423976330000026
其中
Figure BDA0002423976330000027
Pd代表被测频谱中确实存在授权用户，而认知用户正确检测出来的概率，Pd值越大，证明授权用户收到的干扰概率越小；
Pf代表在被测频谱中不存在授权用户，而认知用户未能识别出的概率，Pf的值越小，证明频谱空穴识别程度越高，频谱资源利用率将越高；
设立双重判断门限值，λ0和λ1(λ0<λ1)，门限差值，即不确定度为k，收到噪声不确定影响，取值范围1<k，计算得到：
Figure BDA0002423976330000028
Figure BDA0002423976330000029
其中，
Figure BDA00024239763300000210
Q函数表示标准正态分布的右尾函数。
频谱空穴感知流程如下：
1)选取初始频谱W＝ωmin，ωmin为环境授权频谱下限；
2)计算频谱W上信号的能量综合T，当T大于λ1时，则判定该频谱已被其他信号占用；当T小于λ0时，则判定频谱为空穴，可以使用；
3)当判决统计量T落入λ0和λ1之间时，则认定为该信道不能做判决，此自适应的调整不确定参数k，使门限发生变化，在重复步骤1；
4)当步骤2重复次数超过做大检测次数N时，则直接判定该信道已被信号占用
5)当判定频谱存在已授权信号或频谱可用时，调整检测频谱为W＝W+w，同时重复步骤2；其中，w为频谱检测步进值，代表认知用户在单一通信频谱需要占用的最小带宽；
6)当W≥ωmax，ωmax表示环境授权频谱上限，检测完成。
(二)所述的基于最大网络效益的空穴频谱分配方法如下：
通过频谱感知，获得认知用户可用的频谱空穴资源；将频谱资源分配映射成为一个无向图并着色；将每一个无线用户作为一个独立的顶点，每个顶点对应着一个可选颜色集合，即频谱空穴集合，此时不同顶点对应可用频谱可能不一样；考虑不同认知用户对于频谱资源需求不同，且用户间距离和发射功率也不同，设计频谱分配流程如下：
1)根据协作式最大网络效益方式，计算每个节点的标签值label和对应的颜色color
Figure BDA0002423976330000031
Figure BDA0002423976330000032
其中，Dn,w表示在频谱w上与认知用户n竞争的认识用户数量，ln表示认知用户n的可用频谱；bn,w表示认知用户n使用信道w带来的网络效益，当an,w＝1表示信道w分配给认知用户；
2)筛选具有最高标签值的节点，并优先为该节点分配颜色color，即优先分配频谱资源；
3)进行拓扑更新，包括从节点的颜色集中删除已分配的颜色和从与该节点有冲突的节点的颜色集中删除该被分配的颜色；
4)如果计算的图为空，则分配流程结束，否则返回步骤1，继续循环分配。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明利用认知无线电技术，结合自适应双门限能量检测感知无线电频谱空穴，建立图论着色模型，依据最大化网络效益原则为认知用户分配频谱资源。本方法可有效提高频谱资源利用率，改善网络效益；
2)无线电环境中，频谱资源有很大一部分被已授权用户使用，新增认知用户随意接入将严重影响正常的通信质量和网络效益；本方法无需信号的先验信息，直接对环境中指定频谱内的信号能量计算。
附图说明
图1是本发明的频谱自适应感知与分配流程图；
图2是本发明的图论着色频谱分配流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
一种基于认知无线电自适应频谱感知与分配方法，包括基于自适应双门限的能量检测方法和基于最大网络效益的空穴频谱分配方法。
如图1所示，待接入无线电环境首先经过基于自适应双门限的能量检测方法进行频谱检测，然后再通过基于最大网络效益的空穴频谱分配方法进行频谱分配，最后使认知用户实现接入。
(一)所述的基于自适应双门限的能量检测方法包括如下：
无线电环境中，频谱资源有很大一部分被已授权用户使用，新增认知用户随意接入将严重影响正常的通信质量和网络效益；本方法无需信号的先验信息，直接对环境中指定频谱内的信号能量计算；建立频谱信号检测模型
Figure BDA0002423976330000041
其中，H0代表被测频谱内只有噪声信号存在，H1代表被测频谱内有既有噪声信号，又有已授权用户存在，即频谱已被占用；s(t)代表授权用户信号，t采样点，在本模型中假设其服从正态分布，均值为零，方差为
Figure BDA0002423976330000042
n(t)代表噪声信号，假设为高斯白噪声，均值为零，方差为
Figure BDA0002423976330000043
采样时，保证各采样信号正交且同分布；
在H0条件下采样值服从高斯分布，表示为
Figure BDA0002423976330000051
在H1条件下，采用值分布可以表示为
Figure BDA0002423976330000052
初始的判决门限为λ，可计算获得检测概率Pd和虚警Pf分别为
Figure BDA0002423976330000053
Figure BDA0002423976330000054
其中
Figure BDA0002423976330000055
Pd代表被测频谱中确实存在授权用户，而认知用户正确检测出来的概率，Pd值越大，证明授权用户收到的干扰概率越小；
Pf代表在被测频谱中不存在授权用户，而认知用户未能识别出的概率，Pf的值越小，证明频谱空穴识别程度越高，频谱资源利用率将越高；
设立双重判断门限值，λ0和λ1(λ0<λ1)，门限差值，即不确定度为k，收到噪声不确定影响，取值范围1<k，计算得到：
Figure BDA0002423976330000056
Figure BDA0002423976330000057
其中，
Figure BDA0002423976330000058
Q函数表示标准正态分布的右尾函数；
频谱空穴感知流程如下：
1)选取初始频谱W＝ωmin，ωmin为环境授权频谱下限；
2)计算频谱W上信号的能量综合T，当T大于λ1时，则判定该频谱已被其他信号占用；当T小于λ0时，则判定频谱为空穴，可以使用；
3)当判决统计量T落入λ0和λ1之间时，则认定为该信道不能做判决，此自适应的调整不确定参数k，使门限发生变化，在重复步骤1；
4)当步骤2重复次数超过做大检测次数N时，则直接判定该信道已被信号占用
5)当判定频谱存在已授权信号或频谱可用时，调整检测频谱为W＝W+w，同时重复步骤2；其中，w为频谱检测步进值，代表认知用户在单一通信频谱需要占用的最小带宽；
6)当W≥ωmax，ωmax表示环境授权频谱上限，检测完成；
(二)所述的基于最大网络效益的空穴频谱分配方法如下：
通过频谱感知，获得认知用户可用的频谱空穴资源；将频谱资源分配映射成为一个无向图并着色；将每一个无线用户作为一个独立的顶点，每个顶点对应着一个可选颜色集合，即频谱空穴集合，此时不同顶点对应可用频谱可能不一样；考虑不同认知用户对于频谱资源需求不同，且用户间距离和发射功率也不同。
如图2所示，设计频谱分配流程如下：
1)根据协作式最大网络效益方式，计算每个节点的标签值label和对应的颜色color
Figure BDA0002423976330000061
Figure BDA0002423976330000062
其中，Dn,w表示在频谱w上与认知用户n竞争的认识用户数量，ln表示认知用户n的可用频谱；bn,w表示认知用户n使用信道w带来的网络效益，当an,w＝1表示信道w分配给认知用户；
2)筛选具有最高标签值的节点，并优先为该节点分配颜色color，即优先分配频谱资源；
3)进行拓扑更新，包括从节点的颜色集中删除已分配的颜色和从与该节点有冲突的节点的颜色集中删除该被分配的颜色；
4)如果计算的图为空，则分配流程结束，否则返回步骤1，继续循环分配。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (1)

1.一种基于认知无线电自适应频谱感知与分配方法，其特征在于，包括基于自适应双门限的能量检测方法和基于最大网络效益的空穴频谱分配方法；待接入无线电环境首先经过基于自适应双门限的能量检测方法进行频谱检测，然后再通过基于最大网络效益的空穴频谱分配方法进行频谱分配，最后使认知用户实现接入；
(一)所述的基于自适应双门限的能量检测方法包括如下：
建立频谱信号检测模型
Figure FDA0003659735250000018
其中，H0代表被测频谱内只有噪声信号存在，H1代表被测频谱内有既有噪声信号，又有已授权用户存在，即频谱已被占用；s(t)代表授权用户信号，t采样点，在本模型中假设其服从正态分布，均值为零，方差为
Figure FDA0003659735250000011
n(t)代表噪声信号，假设为高斯白噪声，均值为零，方差为
Figure FDA0003659735250000012
采样时，保证各采样信号正交且同分布；
在H0条件下采样值服从高斯分布，表示为
Figure FDA0003659735250000013
在H1条件下，采用值分布可以表示为
Figure FDA0003659735250000014
初始的判决门限为λ，可计算获得检测概率Pd和虚警Pf分别为
Figure FDA0003659735250000015
Figure FDA0003659735250000016
其中
Figure FDA0003659735250000017
Pd代表被测频谱中确实存在授权用户，而认知用户正确检测出来的概率，Pd值越大，证明授权用户收到的干扰概率越小；
Pf代表在被测频谱中不存在授权用户，而认知用户未能识别出的概率，Pf的值越小，证明频谱空穴识别程度越高，频谱资源利用率将越高；
设立双重判断门限值，λ0和λ1(λ0<λ1)，门限差值，即不确定度为k，受到噪声不确定影响，取值范围1<k，计算得到：
Figure FDA0003659735250000021
Figure FDA0003659735250000022
其中，
Figure FDA0003659735250000023
Q函数表示标准正态分布的右尾函数；
频谱空穴感知流程如下：
1)选取初始频谱W＝ωmin，ωmin为环境授权频谱下限；
2)计算频谱W上信号的能量综合T，当T大于λ1时，则判定该频谱已被其他信号占用；当T小于λ0时，则判定频谱为空穴，可以使用；
3)当判决统计量T落入λ0和λ1之间时，则认定为该频谱不能做判决，此自适应的调整不确定参数k，使门限发生变化，在重复步骤1；
4)当步骤2重复次数超过做大检测次数N时，则直接判定该频谱已被信号占用；
5)当判定频谱存在已授权信号或频谱可用时，调整检测频谱为W＝W+w，同时重复步骤2；其中，w为频谱检测步进值，代表认知用户在单一通信频谱需要占用的最小带宽；
6)当W≥ωmax，ωmax表示环境授权频谱上限，检测完成；
(二)所述的基于最大网络效益的空穴频谱分配方法如下：
通过频谱感知，获得认知用户可用的频谱空穴资源；将频谱资源分配映射成为一个无向图并着色；将每一个无线用户作为一个独立的顶点，每个顶点对应着一个可选颜色集合，即频谱空穴集合，设计频谱分配流程如下：
1)根据协作式最大网络效益方式，计算每个节点的标签值label和对应的颜色color
Figure FDA0003659735250000024
Figure FDA0003659735250000031
其中，Dn,w表示在频谱w上与认知用户n竞争的认识用户数量，ln表示认知用户n的可用频谱；bn,w表示认知用户n使用信道w带来的网络效益，当an,w＝1表示信道w分配给认知用户；
2)筛选具有最高标签值的节点，并优先为该节点分配颜色color，即优先分配频谱资源；
3)进行拓扑更新，包括从节点的颜色集中删除已分配的颜色和从与该节点有冲突的节点的颜色集中删除已分配的颜色；
4)如过计算的图为空，则分配流程结束，否则返回步骤1，继续循环分配。
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