TWI432041B - 感知無線電網路系統及其次要使用單元數目的最佳化方法 - Google Patents

Description

感知無線電網路系統及其次要使用單元數目的最佳化方法

本發明係關於一種感知無線電網路系統及其次要使用單元數目的最佳化方法，特別是關於一種可最佳次要使用者數目之感知無線電網路系統及其次要使用單元數目的最佳化方法。

現今，微型感測器可感應、無線通訊及處理資訊，以感應及偵測環境的目標物及其狀態改變，並可處理收集到的數據，再將處理過後的資料以無線傳輸的方式送到資訊融合中心(Fusion Center)或基地台(Base Station)。而無線感測網路(Wireless Sensor Networks)係由一或多個無線資料收集器以及多個感測器(Sensor)所構成的網路系統，其中無線感測網路中的通訊方式係採用無線通訊方式，因此，感測器或是無線資料收集器可方便地設置於任意位置，並可節省佈線費用。

以無線電感知系統為例，檢測器(感測器)可先對待測區域傳送的訊號做頻譜偵測的初步判斷。接著，檢測器將判斷結果傳送至一融合中心，以進行最後的事件判斷。

在傳統的感知無線電網路中，可藉由合作所有的次要使用者來達到較高的偵測能力，且可增加次要使用者的整體傳輸量。然而，當次要使用者的數目越多時，對主要使用者的干擾也越大，因而增加系統的偵測錯誤率。

故，有必要提供一種感知無線電網路系統及其次要使用單元數目的最佳化方法，以解決習知技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種感知無線電網路系統及其次要使用單元數目的最佳化方法，其可在主要使用者不受到干擾的情形下，提升次要使用者的傳輸量。

根據本發明之實施例，本發明提供一種感知無線電網路系統，其包含：至少一主要使用單元；複數個次要使用單元，其中每一該些次要使用單元設有一檢測端，用以偵測該主要使用單元的頻譜，並傳送出一決策值；一資訊融合中心，用以根據該些次要使用單元的該些檢測端的該些決策值來判斷出一決策結果；以及一次要使用單元數目決定單元，用以根據至少一環境參數及該些次要使用單元之該些檢測端的一檢測能力門檻值，來決定該些次要使用單元的一最佳次要使用單元數目值。

在本發明之一實施例中，該檢測端為能量檢測器。

在本發明之一實施例中，該檢測能力門檻值為偵測機率門檻值。

在本發明之一實施例中，該環境參數為平均干擾通道增益、該主要使用單元的傳輸量、該主要使用單元的傳輸功率或事前機率。

又，根據本發明之實施例，本發明的感知無線電網路系統之次要使用單元數目的最佳化方法，其中該感知無線電網路系統包含至少一主要使用單元、複數個次要使用單元、一資訊融合中心及一次要使用單元數目決定單元，該方法包含如下步驟：設定該些次要使用單元之複數個檢測端的一檢測能力門檻值；取得至少一環境參數；以及利用該次要使用單元數目決定單元來根據該環境參數及該檢測能力門檻值，而決定該些次要使用單元的一最佳次要使用單元數目值。

因此，本發明之感知無線電網路系統及其次要使用單元數目的最佳化方法可求得最佳的次要使用單元數目，藉以在主要使用單元不受到干擾的情形下，提升次要使用單元的傳輸量。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，本說明書將特舉出一系列實施例來加以說明。但值得注意的係，此些實施例只係用以說明本發明之實施方式，而非用以限定本發明。

請參照圖1，其顯示依照本發明之一實施例之感知無線電網路系統的系統方塊圖。本實施例的感知無線電(Cognitive Radio)網路系統100包含至少一主要使用單元PU、複數個次要使用單元SU、資訊融合中心130及次要使用單元數目決定單元140。主要使用單元PU和次要使用單元SU例如為可使用無線通訊的電子裝置，例如桌上型電腦、筆記型電腦、掌上型電腦、行動電話、個人數位助理(Personal Digital Assistant,PDA)、隨身導航地圖裝置或多媒體播放器。次要使用單元SU可利用頻譜感測技術來極大化(maximize)本身的傳輸量(throughput)，其設有檢測端121。檢測端121例如為能量檢測器，用以偵測主要使用單元PU的頻譜，並傳送出決策值至資訊融合中心130，其中次要使用單元SU的檢測端121可形成一分散式網路偵測系統。資訊融合中心130可根據次要使用單元SU的檢測端121的決策值來判斷出一決策結果，以判斷主要使用單元PU是否存在。次要使用單元數目決定單元140例如為中央處理器(CPU)、可程式控制器(PLC)、單晶片微處理機(MCU)或其他處理單元，其可內建於資訊融合中心130內，或者設置於資訊融合中心130或系統之外，用以決定次要使用單元SU的一最佳次要使用單元數目值。

請參照圖2，其顯示依照本發明之一實施例之感知無線電網路系統的系統架構圖。在本實施例中，考慮K 個次要使用單元SUs(次要使用者)的情形，次要使用單元SU對於主要使用單元PU(主要使用者)的頻帶進行頻譜偵測後的觀察結果，一般為主要使用單元PU有使用頻帶傳送信號，或者主要使用單元PU並未使用頻帶。因此，第t 個時間點第k 個次要使用單元SU所收到的信號可表示為：

H ₀ ：y _i (t )=w _i (t )　i =1,2,...,K .................(1)

則判定主要使用單元PU不存在。

H ₁ ：y _i (t )=x (t )+w _i (t )　i =1,2,...,K .................(2)

則判定主要使用單元PU為存在。

在本實施例中，次要使用單元SU的檢測端121係使用能量檢測法(Energy detection，ED)來進行檢測，每一個次要使用單元SU會對於接收到的信號進行N 點取樣，並可結合成u _i ，以進行偵測處理：

假設雜訊是高斯分佈N(0,)。因此，在H₀ 的情況下，可視為自由度為N 的卡方分佈(chi-square distribution)；而對於H₁ 而言，則為含有參數η _k 且自由度為N 的非中心卡方分佈(Noncentral chi-square distribution)：

其中，γ _i 為每一次要使用單元SU所接到的訊雜比(Signal-to-noise ratio)。

根據中央極限定理(Central Limit Theorem)，如果取樣數N 充足，則u _k 的隨機分佈可近似為高斯隨機分佈，如下所示：

因此，對於每一個次要使用單元SU，皆有以下的假警報機率和偵測機率：

接著，可考慮K 個次要使用單元SU利用合作式方式，其藉由結合每一次要使用單元SU的假警報機率和偵測機率，並送至資訊融合中心130來使用OR融合法則，以完成最後的決策融合，其運算過程如下：

(1)　首先，每一次要使用單元SU有相同的假警報機率，並利用Neyman-Pearson定理來得到偵測機率。

(2)　將每一次要使用單元SU所判斷的結果送至資訊融合中心130，以做出最後的決定，並得到最後的假警報機率P _{f,cooperative} 和偵測機率P _{d,cooperative} 。

(3)　根據目標函數如下，以找出最佳的次要使用者數目值n，因而可求得次要使用單元SU的最大傳輸量：

max _n R ₀ *[P (D ₀ |H ₀ )P (H ₀ )+P (D ₀ |H ₁ )P (H ₁ )]+n *R ₁ *[P (D ₁ |H ₀ )P (H ₀ )+P (D ₁ |H ₁ )P (H ₁ )]s.t

其中R ₀ 和R ₁ 為次要使用單元SU在H₀ 和H₁ 實際的傳輸量。

接著，利用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)理論條件，次要使用單元SU的最佳個數可推導成以下公式(9)：

請參照圖3，其顯示依照本發明之一實施例之感知無線電網路系統之次要使用單元數目的最佳化方法的方法流程圖。當進行本實施例之感知無線電網路系統100之次要使用單元數目的最佳化方法時，首先，設定次要使用單元SU之檢測端121的檢測能力門檻值(步驟201)，亦即預先設定次要使用單元SU之檢測端121的檢測能力，例如檢測端121的偵測機率門檻值。接著，取得感知無線電網路系統100的至少一環境參數(步驟202)，此環境參數例如為平均干擾通道增益、主要使用單元PU的傳輸量、主要使用單元PU的傳輸功率或事前機率P ₀ 。接著，次要使用單元數目決定單元140可根據環境參數及檢測能力門檻值來求得次要使用單元SU的一最佳次要使用單元數目值(步驟203)。

如上所述，本發明之感知無線電網路系統及其次要使用單元數目的最佳化方法可求得最佳的次要使用者(次要使用單元)數目，藉以在主要使用者(主要使用單元)不受到干擾的情形下，提升次要使用單元的傳輸量。因此，本發明之感知無線電網路系統可在不同的環境下求得最佳的次要使用者數目，以提升次要使用者整體的傳輸量，並可有效地對主要使者產生保護功能。再者，由於本發明之感知無線電網路系統係使用合作式的偵測方式，因而可有效地提高系統的偵測能力。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

PU．．．主要使用單元

SU．．．次要使用單元

100．．．感知無線電網路系統

121．．．檢測端

130．．．資訊融合中心

140．．．次要使用單元數目決定單元

S201．．．設定檢測能力門檻值

S202．．．取得環境參數

S203．．．根據環境參數及檢測能力門檻值來求得最佳次要使用單元數目值

圖1顯示依照本發明之一實施例之感知無線電網路系統的系統方塊圖。

圖2顯示依照本發明之一實施例之感知無線電網路系統的系統架構圖。

圖3顯示依照本發明之一實施例之感知無線電網路系統之次要使用單元數目的最佳化方法的方法流程圖。

PU．．．主要使用單元

SU．．．次要使用單元

100．．．感知無線電網路系統

121．．．檢測端

130．．．資訊融合中心

140．．．次要使用單元數目決定單元

Claims (6)

1. 一種感知無線電網路系統，包含：至少一主要使用單元；複數個次要使用單元，其中每一該些次要使用單元設有一檢測端，用以偵測該主要使用單元的頻譜，並傳送出一決策值；一資訊融合中心，用以根據該些次要使用單元的該些檢測端的該些決策值來判斷出一決策結果；以及一次要使用單元數目決定單元，用以根據至少一環境參數及該些次要使用單元之該些檢測端的一檢測能力門檻值，來決定該些次要使用單元的一最佳次要使用單元數目值；其中該環境參數為平均干擾通道增益、該主要使用單元的傳輸量、該主要使用單元的傳輸功率或事前機率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感知無線電網路系統，其中該檢測端為能量檢測器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之感知無線電網路系統，其中該檢測能力門檻值為偵測機率門檻值。
4. 一種感知無線電網路系統之次要使用單元數目的最佳化方法，其中該感知無線電網路系統包含至少一主要使用單元、複數個次要使用單元、一資訊融合中心及一次要使用單元數目決定單元，該方法包含如下步驟：設定該些次要使用單元之複數個檢測端的一檢測能 力門檻值；取得至少一環境參數；以及利用該次要使用單元數目決定單元來根據該環境參數及該檢測能力門檻值，而決定該些次要使用單元的一最佳次要使用單元數目值；其中該環境參數為平均干擾通道增益、該主要使用單元的傳輸量、該主要使用單元的傳輸功率或事前機率。
5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該檢測端係使用能量檢測法(Energy detection，ED)來進行檢測。
6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該檢測能力門檻值為偵測機率門檻值。