CN113285776A

CN113285776A - 一种基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统及方法

Info

Publication number: CN113285776A
Application number: CN202110537607.3A
Authority: CN
Inventors: 彭艺; 朱桢以
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2021-08-20

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，具体为一种基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统及方法。本协作频谱感知系统包括主用户、次用户、本振信号感知、融合中心和比较判决模块。次用户感知射频环境，将感知信号传输到本振信号感知模块中，本振信号感知模块将处理后的信号传输至融合中心进行融合，再通过比较判决模块和预设值进行对比得出频谱是否空闲的判决结果，根据硬判决的相关准则进行融合判决，得出授权频段中是否有主用户接入的判决结果。本发明通过认知无线电本振泄露检测技术来对空闲频谱进行动态感知，避免发生未感知到授权用户接入而造成冲突的现象，显著提高了频谱感知的准确性，增加了系统的稳定性。

Description

一种基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体为一种基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统及方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。尤其是随着无线局域网(WLAN)技术、无线个人域网络(WPAN)技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授权的频段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务(如电视广播业务等)需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。而相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低。

为了解决频谱资源匮乏的问题，基本思路就是尽量提高现有频谱的利用率。为此，人们提出了认知无线电的概念。认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机”的方式工作在已授权的频段内。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力。

频谱感知是认知无线电的最基本最重要的功能，认知无线它有两个目的，一是认知用户感知周围环境，从而获得频谱特征和概况，可自动有效地利用频谱空穴来满足吞吐量的功能；第二个方面，是在认知用户节点持续性的对频段进行检测时，如果主用户此时需要使用该频段，对主用户的授权频段进行独立有效的检测，能够及时发现是否频段可用。或者从另一方面，通过有效手段将对主用户的影响和干扰尽量减小到可预知的程度上。综上，无线通信系统频谱感知性能的好坏非常重要。

由于在单个用户的频谱感知技术中，我们发现虚警概率和漏检概率无法达到实际操作所需要的标准，技术中的检测容易受到外部环境在检测过程中的各个动态因素的影响，无法实现高的精度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，采用集中式协作频谱感知的具备能够及时准确探测出频谱空洞，降低网络损耗等优点，解决了常规频谱感知碰撞率高的问题，提高系统的吞吐量。

为实现上述能够及时检测到频谱空洞，准确选择接入频段的目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，所述集中式协作频谱感知系统包括主用户、次用户、本振信号感知模块、融合中心模块和比较判决模块，所述次用户感知射频环境，将感知信号传输到本振信号感知模块中，本振信号感知模块将处理后的信号传输至融合中心进行融合，再通过比较判决模块和预设值进行对比得出频谱是否空闲的判决结果；

所述主用户与m个次用户连接，所述m个次用户分别与m个本振信号感知模块连接，所述m个本振信号感知模块与融合中心模块连接，所述融合中心模块与比较判决模块连接；

所述本振信号感知模块包括射频信号接收模块、射频放大器、混频器、滤波器、中频放大器、解调器和本地振荡器，所述射频信号接收模块与射频放大器连接，所述射频放大器与混频器连接，所述混频器还连接有本地振荡器，所述混频器与滤波器连接，所述滤波器与中频放大器连接，所述中频放大器与解调器连接，所述解调器与融合中心连接。

利用上述系统进行频谱感知的方法为：

Step1：m个次用户接收电磁环境中的射频信号，将接收信号输入至对应的本振信号感知模块中；

Step2：本振信号感知模块判断电磁环境中是否存在主用户泄漏的本振信号，将感知结果上传到融合中心；

Step3：融合中心模块汇聚m个参与协作的次用户中的感知结果，根据相关准则进行融合判决，得出授权频段中是否有主用户接入的判决结果。

进一步的，所述融合中心模块采用硬融合的融合准则进行融合，融合之后在比较判决单元和预设的门限值进行对比，得出判决结果。

本发明的工作原理：多个次用户协作感知主用户的存在，并将感知结果传递到融合中心，融合中心设定相应的判决门限，只有当此时的数据信息量达到了或者超过了门限值，才能判定进入下一工作状志，如果没有达到或者远远小于门限值，则无法进行下一工作时序。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1、该基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，通过混频器将本地振荡器的振荡信号与经过射频放大器的接收信号经行混频，通过测量是否存在泄漏出的本振信号来判定主用户是否工作。

2、该基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，通过汇聚多个次用户的感知结果来提高感知的准确度，有效地避免了“阴影遮蔽”和“隐藏终端”等常见的问题。

3、该基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，在数据融合时采用了K-out-of-N的融合准则，相较传统的“与”和“或”融合准则，显著提高了系统的吞吐量。

附图说明

图1为协作频谱感知系统示意图，图2为超外差接收机流程图，图3为集中式协作频谱感知拓扑结构图，图4为融合中心的K-out-of-N融合准则的实施过程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：一种基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，包括主用户、次用户、本振信号感知模块、融合中心模块和比较判决模块，所述次用户感知射频环境，将感知信号传输到本振信号感知模块中，本振信号感知模块将处理后的信号传输至融合中心进行融合，再通过比较判决模块和预设值进行对比得出频谱是否空闲的判决结果；

m个次用户独立感知射频环境，将感知信号传输到本振信号感知模块中，本振信号感知模块输入的信号为Xm(k)、输出感知结果Uk。本振信号感知模块将射频信号进行输入放大和混频，经过滤波处理和中频放大，随后解调信号，将解调结果输入融合中心模块中进行融合，融合之后在比较判决模块和预设的门限值进行对比，得出判决结果。

本振信号感知模块中包含图2所示的超外差接收机，包括射频信号接收模块、射频放大器、混频器、滤波器、中频放大器、解调器和本地振荡器，所述射频信号接收模块与射频放大器连接，所述射频放大器与混频器连接，所述混频器与滤波器连接，所述滤波器与中频放大器连接，所述中频放大器与解调器连接，所述解调器与融合中心连接。

其中混频器连接有本地振荡器，首先将本地振荡器调节到一个固定的振荡频率，将射频信号接收模块接收的信号传入射频放大器，信号经过放大后与本振信号进行混合，随后变频为中频信号，随后通过解调登各项步骤得出接收信号。由于本地振荡器在混频过程中不可避免的会含有本振信号，即本振信号会从无线通信环境中泄漏出去，因此测定本振信号泄漏频率可用来检测主用户是否使用频谱或是否空闲。

基于上述原理，认知无线电系统中的次用户利用接收机来测定系统中的主用户状态，判定其处于工作或空闲状态。具体测定方法如下：在主用户接收机周围内布置大量的微型传感器节点，以微型电视作为接收机检测对象，通过检测传感器接收的信号，使用检测算法直接测定主用户的工作频谱。用以帮助次用户控制其工作频谱。若次用户测定某个信道处于空闲状态，就会在一个合适的共享MAC层与其他次用户协作并交互信息，从而进行通信传输，在整个通信的过程中，次用户需要持续不断的对信道进行检测，一旦检测到主用户的存在，必须在最短的时间内停止自己的信息传输并让出信道，以避免影响主用户的使用，同时检测是否有其他信道可继续使用。

具体方法如下：

Step3：融合中心模块汇聚m个参与协作的次用户中的感知结果，根据相关准则进行融合判决，得出授权频段中是否有主用户接入的判决结果；

融合中心采用的硬决策方式，决策时协作次用户将本地决策的一位二进制信息0/1通过控制信道传送给融合中心，其中0代表没有检侧到主用户信号，1代表检测到主用户信号。因为控制信道只传输一位二进制信息，所以这种方式可以节约控制带宽。

如图4，假设每个次用户都使用一个超外差接收机，并在感知期间对接收信号进行测量，得到感知数据。每个次用户作出自己的独立决策D_i，其中D_i＝1表示检测到主用户，反之，D_i＝0表示未检测到主用户。将其决策D_i上传到融合中心，融合中心收集多个次用户的决策信息，通过K-out-of-N准则做出最终决策D₀，“K-out-of-N”准则是指如果N个认知节点中至少有K个检测到主用户信号存在时，融合中心便判决为信号存在。

在AWGN信道上的检测概率P_d、漏检概率P_m和虚警概率P_f可以表示为：

P_m＝1-P_d (2)

其中，y表示信噪比，m是时间带宽积，Q_m(·,·)是广义的Marcum Q函数，Γ(·)和Γ(·,·)分别表示完全和不完全的伽玛函数。

K-out-of-N准则是指当N个认知节点中至少有K个检测到主用户信号存在时，融合中心才判决为信号存在。表达为：

其中k为大于1小于N的参数，设置共同的检测阈值ε，能够得到总的检测概率Q_d(k,ε)和虚警概率Q_f(k,ε)：

其中Pⁱ _d和Pⁱ _f分别为第i个次用户的独立检测概率和虚警概率。

认知无线网络中的时序包含感知时隙τ和传输时隙，它们在网络中的运用场景分为两种。第一种场景是融合中心检测到主用户不存在，第二种场景是融合中心错误判定主用户存在，C₀表示次用户在主用户不存在时的吞吐量，C₁表示次用户在主用户存在时的吞吐量。由于感知的时隙为τ，帧的总长度为T，因此两种场景下，次用户可实现的吞吐量分别为：

其中，H₀和H₁分别是主用户不存在和存在的假设，P(H₀)和P(H₁)分别表示主用户不存在和存在的概率。

结果表明，协作频谱感知下的吞吐量依赖于融合规则的参数k，通过联合优化后的K-out-of-N准则能保证次用户的较大吞吐量。

综上所述，该基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，通过混频器将本地振荡器的振荡信号与经过射频放大器的接收信号经行混频，通过测量是否存在泄漏出的本振信号来判定主用户是否工作。

其次，该基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，通过汇聚多个次用户的感知结果来提高感知的准确度，有效地避免了“阴影遮蔽”和“隐藏终端”等常见的问题。

再次，该基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，采用集中式协作频谱感知的拓扑结构，该结构将次用户分布在多个路径上，通过利用空间分集，获得协作增益，降低了多径衰落、阴影效应、终端隐匿等因素的影响，相比于单用户感知而言，具有更好的检测性能。

最后，该基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，在融合中心进行融合时，选择融合性能最好的K-out-of-N融合准则，该融合准则能在相同的信噪比下得到较高的吞吐量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于认知无线电的集中式协作频谱感知系统，其特征在于：

所述集中式协作频谱感知系统包括主用户、次用户、本振信号感知模块、融合中心模块和比较判决模块，所述次用户感知射频环境，将感知信号传输到本振信号感知模块中，本振信号感知模块将处理后的信号传输至融合中心进行融合，再通过比较判决模块和预设值进行对比得出频谱是否空闲的判决结果；

所述本振信号感知模块包括射频信号接收模块、射频放大器、混频器、滤波器、中频放大器、解调器和本地振荡器，所述射频信号接收模块与射频放大器连接，所述射频放大器与混频器连接，所述混频器与滤波器连接，所述混频器还连接有本地振荡器，所述滤波器与中频放大器连接，所述中频放大器与解调器连接，所述解调器与融合中心连接。

2.一种协作频谱感知方法，基于如权利要求1所述系统，其特征在于：该方法包括：

3.根据权利要求2所述的一种协作频谱感知方法，其特征在于：所述融合中心模块采用硬融合的融合准则进行融合，融合之后在比较判决单元和预设的门限值进行对比，得出判决结果。

4.根据权利要求3所述的一种协作频谱感知方法，其特征在于：所述硬融合的融合准则为：每个次用户作出自己的独立决策D_i，其中D_i＝1表示检测到主用户，反之，D_i＝0表示未检测到主用户，将其决策D_i上传到融合中心模块，融合中心模块收集多个次用户的决策信息，通过K-out-of-N准则做出最终决策D₀。