專利名稱：一種基于自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò))中的機(jī)會(huì)協(xié)作頻譜感知，尤其是一種基于自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜檢測(cè)方法，利用認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中次用戶間的自適應(yīng)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合以改善對(duì)主用戶的檢測(cè)性能，屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著天然有限的無(wú)線頻譜資源與日益增長(zhǎng)的通信業(yè)務(wù)需求之間的矛盾日益激化，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，作為一種新的解決思路，其核心思想就是使無(wú)線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用所發(fā)現(xiàn)的頻譜機(jī)會(huì)的能力。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)雖然能以更為靈活的方式來(lái)管理有限的無(wú)線頻譜資源，但是從理論走向?qū)崿F(xiàn)之前還需解決一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，使非授權(quán)用戶能與授權(quán)用戶共享頻譜，且保證不會(huì)干擾授權(quán)用戶正常通信。它主要包括兩方面的內(nèi)容，一是對(duì)授權(quán)用戶的感知；二是根據(jù)感知結(jié)果進(jìn)行重配置，從而實(shí)現(xiàn)與授權(quán)系統(tǒng)的共存。
如何快速準(zhǔn)確地對(duì)授權(quán)系統(tǒng)進(jìn)行感知，這是認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)是否能進(jìn)入實(shí)際使用階段的決定因素。由于認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)需要頻繁地在未被充分利用的授權(quán)頻段上切換，因而它必須首先快速準(zhǔn)確地感知到機(jī)會(huì)的存在后，才能加以利用。頻譜感知是確保主用戶不受到次用戶干擾的關(guān)鍵技術(shù)。一方面，它要感知到盡可能多的可利用機(jī)會(huì)，保證空閑頻段不被浪費(fèi)，另一方面，它又必須要確保機(jī)會(huì)頻譜接入對(duì)授權(quán)主用戶的使用造成盡可能小的影響。
為了克服單用戶檢測(cè)易受衰落和噪聲等不利因素影響的不足，人們提出了基于多用戶協(xié)作的頻譜感知技術(shù)，通過(guò)利用認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的分布式用戶進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，以此顯著提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能。目前，基于數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知研究大多集中于融合準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)，如“AND”融合準(zhǔn)則、“OR”融合準(zhǔn)則、貝葉斯融合準(zhǔn)則和最大后驗(yàn)概率融合準(zhǔn)則等，很少考慮認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的鏈路衰落特性，設(shè)計(jì)相應(yīng)的自適應(yīng)協(xié)作策略，以此提高系統(tǒng)的頻譜感知性能。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的鏈路衰落特性，設(shè)計(jì)相應(yīng)的自適應(yīng)協(xié)作策略，以此提高系統(tǒng)的頻譜感知性能。本發(fā)明從考慮主用戶與次用戶間無(wú)線信道狀況的角度出發(fā)，根據(jù)信道衰落大小確定次用戶檢測(cè)信息是否可信，若次用戶檢測(cè)信息可信則前傳至數(shù)據(jù)融合中心，以此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自適應(yīng)協(xié)作數(shù)據(jù)融合，從而有效對(duì)抗無(wú)線衰落和多徑傳播等不利因素對(duì)快速準(zhǔn)確判斷主用戶狀態(tài)所造成的負(fù)面影響。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種基于自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜檢測(cè)方法，其特征在于設(shè)置包括一個(gè)主用戶、兩個(gè)次用戶和一個(gè)數(shù)據(jù)融合器組成的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，從主用戶與次用戶間無(wú)線信道狀況的角度出發(fā)，根據(jù)信道衰落大小確定次用戶檢測(cè)信息是否可信，若次用戶檢測(cè)信息可信，則前傳至數(shù)據(jù)融合中心，以此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自適應(yīng)協(xié)作數(shù)據(jù)融合，從而有效對(duì)抗無(wú)線衰落和多徑傳播等不利因素對(duì)快速準(zhǔn)確判斷主用戶狀態(tài)所造成的負(fù)面影響； 兩個(gè)次用戶接收到主用戶的發(fā)射信號(hào)后，分別將其接收信號(hào)的信噪比與可信門(mén)限δ進(jìn)行比較，以判定自身是否可信，如果接收信號(hào)信噪比大于可信門(mén)限，則次用戶判定為可信并將其接收信號(hào)解調(diào)后前傳至數(shù)據(jù)融合中心；反之，若接收信號(hào)信噪比小于可信門(mén)限，則次用戶判定為不可信節(jié)點(diǎn)，此時(shí)次用戶不對(duì)其接收信號(hào)進(jìn)行解碼，數(shù)據(jù)融合中心將處理后的最終結(jié)果回送給兩個(gè)次用戶和次用戶；由于次用戶只需判決主用戶存在與否，因此對(duì)于次用戶來(lái)說(shuō)主用戶發(fā)射信號(hào)只需承載1比特信息，根據(jù)信息論編碼定理，只要信道容量大于數(shù)據(jù)速率，接收端即可實(shí)現(xiàn)正確解碼，因此，只要次用戶端的接收信噪比大于1dB，即可正確判決主用戶存在與否，故本方法取可信門(mén)限δ＝1。
具體步驟是 記s為主用戶P存在的指示信號(hào)，s＝0表示主用戶P不需要使用無(wú)線頻譜，s＝Es則表示主用戶P需要使用無(wú)線頻譜，記Hp＝H0和Hp＝H1分別為s＝0和s＝Es相應(yīng)的二元假設(shè)條件，因此，次用戶1和次用戶2接收到的來(lái)自主用戶P的無(wú)線信號(hào)可以分別表示為 y1(k)＝hp1(k)s+n1(k) y2(k)＝hp2(k)s+n2(k) 其中，hp1(k)和hp2(k)分別表示主用戶P到次用戶1和主用戶P到次用戶2間的瑞利衰落系數(shù)，n1(k)和n2(k)則分別表示次用戶1和次用戶2端的復(fù)高斯白噪聲； 根據(jù)上述信號(hào)表達(dá)式可求得次用戶1和次用戶2端的接收信噪比為 γ1＝|hp1(k)|2γs；γ2＝|hp2(k)|2γs 其中，γs＝Es/N0表示主用戶信號(hào)的發(fā)射信噪比，次用戶1和次用戶2分別利用接收信噪比γ1和γ2進(jìn)行自身的可信判決，即，若γi(i＝1，2)大于可信門(mén)限δ，則判決為可信用戶，否則視為不可信用戶；同時(shí)，只有可信用戶才會(huì)將其接收信號(hào)前傳至數(shù)據(jù)融合器，以此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合；采用伯努利隨機(jī)變量C1和C2分別表征次用戶1和次用戶2的可信判決結(jié)果，即Ci＝0(i＝1，2)表示次用戶i不可信，Ci＝1表示次用戶i可信，數(shù)據(jù)融合器將得到四種不同的組合情況 Caseθ＝1兩個(gè)次用戶均判決不可信用戶C1＝0，C2＝0，即 γ1＜δ；γ2＜δ 此時(shí)，數(shù)據(jù)融合器將沒(méi)有數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，所以在這種情況下，數(shù)據(jù)融合器將無(wú)法檢測(cè)出主用戶； Caseθ＝2次用戶1判決為可信用戶C1＝1，次用戶2判決為不可信C2＝0，即 γ1＞δ；γ2＜δ 這種情況下，次用戶1按照解碼前傳策略，從其接收信號(hào)y1(k)中將主用戶指示信號(hào)s解調(diào)出來(lái)，并將其解調(diào)結(jié)果再轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)融合器，由于此時(shí)次用戶1可信，意味著次用戶1能正確解調(diào)出主用戶指示信號(hào)，所以數(shù)據(jù)融合器端的接收信號(hào)可以表示為 yc(k)＝h1c(k)s+nc(k) 其中，nc(k)表示均值為零，方差為N0的復(fù)高斯白噪聲； Caseθ＝3次用戶1判決為不可信用戶C1＝0，次用戶2判決為可信C2＝1，即 γ1＜δ；γ2＞δ 此時(shí)，次用戶2按照解碼前傳策略，從其接收信號(hào)y2(k)中將主用戶指示信號(hào)s解調(diào)出來(lái)，并將其解調(diào)結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)融合器，同理，數(shù)據(jù)融合器端的接收信號(hào)表示為 yc(k)＝h2c(k)s+nc(k) Caseθ＝4次用戶1和次用戶2均判決為可信用戶C1＝1，C2＝1，即 γ1＞δ；γ2＞δ 此時(shí)，次用戶1和次用戶2都將按照解碼前傳策略，分別從其各自的接收信號(hào)y1(k)和y2(k)中正確解調(diào)出主用戶指示信號(hào)，并將其解碼結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)融合器，因此，數(shù)據(jù)融合器將收到兩份信號(hào)拷貝， 優(yōu)越性的衡量準(zhǔn)則為系統(tǒng)檢測(cè)概率及檢測(cè)時(shí)間，因?yàn)樗岱桨富诖斡脩艨尚哦鹊淖赃m應(yīng)融合，所以先分別分析可能出現(xiàn)的四種情況下系統(tǒng)的檢測(cè)概率以及各種情況分別出現(xiàn)的概率，綜合即可得出系統(tǒng)在所提方案下的性能 Caseθ＝1兩個(gè)次用戶均判決不可信，因此系統(tǒng)檢測(cè)概率為0； Caseθ＝2次用戶1判決為可信用戶C1＝1，次用戶2判決為不可信C2＝0，此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)概率即次用戶1采用獨(dú)立檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)概率為 其中，

針對(duì)次用戶1獨(dú)立檢測(cè)所需的時(shí)隙數(shù)，采用隨機(jī)變量τ1進(jìn)行表示，顯然，變量τ1服從幾何分布，即次用戶1需要i個(gè)時(shí)隙才能檢測(cè)出主用戶存在的概率為 Pr(τ1＝i)＝(1-Pd，1)i-1Pd，1；i＝1，2，3，… 因此，次用戶1獨(dú)立檢測(cè)時(shí)所需要的平均檢測(cè)時(shí)間T1為 Caseθ＝3次用戶1判決為不可信用戶C1＝0，次用戶2判決為可信C2＝1，此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)概率即次用戶2采用獨(dú)立檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)概率可根據(jù)次用戶1的分析結(jié)果類比得出，次用戶2采用獨(dú)立檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)概率Pd，2和平均檢測(cè)時(shí)間T2分別為 和 其中，Pf，2表示為次用戶2的虛警概率； Caseθ＝4次用戶1和次用戶2均判決為可信用戶C1＝1，C2＝1，即系統(tǒng)檢測(cè)概率為2個(gè)次用戶的檢測(cè)概率的乘積。
根據(jù)數(shù)據(jù)融合器所得到的4種不同情況，可求得 θ＝1時(shí)的條件概率為 Pr(θ＝1)＝Pr(C1＝0，C2＝0)＝Pr(γ1＜δ，γ2＜δ) 由于|hp1(k)|2和|hp2(k)|2分別服從參數(shù)為1/σp12和1/σp22的指數(shù)分布，并且相互獨(dú)立，所以上 式進(jìn)一步求得 由于θ＝1時(shí)兩個(gè)次用戶均不可信，數(shù)據(jù)融合器將沒(méi)有數(shù)據(jù)信息來(lái)判決住用戶的存在與否，所以此時(shí)的檢測(cè)概率為零，即 Pd，c(θ＝1)＝0 以此類推，求得相應(yīng)的條件概率Pr(θ＝2)為 同時(shí)，可以得到此時(shí)的檢測(cè)概率Pd，c(θ＝2)為 式中，

且參數(shù)Pf，c表示為采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合進(jìn)行主用戶檢測(cè)時(shí)的虛警概率， 同理，求得 和 最后，當(dāng)θ＝4時(shí)，即2個(gè)次用戶均為可信用戶，則此時(shí)相應(yīng)的條件概率Pr(θ＝4)求得如下 利用“AND”邏輯規(guī)則對(duì)接收到得兩份拷貝進(jìn)行融合處理，則相應(yīng)的檢測(cè)概率Pd，c(θ＝4)和虛警概率Pf，c可以寫(xiě)為 Pd，c(θ＝4)＝Pr{|h1c(k)|2Es+|nc，1(k)|2＞λ，|h2c(k)|2Es+|nc，2(k)|2＞λ} 和 Pf，c＝Pr{|nc，1(k)|2＞λ，|nc，2(k)|2＞λ} 此處考慮了兩個(gè)可信次用戶檢測(cè)結(jié)果的融合，所以在虛警概率一定的情況下，能量檢測(cè)的判決門(mén)限將降低，即檢測(cè)概率會(huì)因用戶協(xié)作而有所提高。聯(lián)合上兩式，我們可得 Pd，c(θ＝4)＝a×b 其中 因此，綜合上述四種不同情況，所提出的基于自適應(yīng)用戶協(xié)作的數(shù)據(jù)融合方案的檢測(cè)概率可以求得， 同理，相應(yīng)的平均檢測(cè)時(shí)間為 其中，

針對(duì)次用戶1獨(dú)立檢測(cè)所需的時(shí)隙數(shù)，采用隨機(jī)變量τ1進(jìn)行表示，顯然，變量τ1服從幾何分布，即次用戶1需要i個(gè)時(shí)隙才能檢測(cè)出主用戶存在的概率為 Pr(τ1＝i)＝(1-Pd，1)i-1Pd，1；i＝1，2，3，… 因此，次用戶1獨(dú)立檢測(cè)時(shí)所需要的平均檢測(cè)時(shí)間T1為 類比，我們可以求得次用戶2采用獨(dú)立檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)概率Pd，2和平均檢測(cè)時(shí)間T2分別為 和 其中，Pf，2表示為次用戶2的虛警概率； 根據(jù)數(shù)據(jù)融合器所得到的4種不同情況，可求得 θ＝1時(shí)的條件概率為 Pr(θ＝1)＝Pr(C1＝0，C2＝0)＝Pr(γ1＜δ，γ2＜δ) 由于|hp1(k)|2和|hp2(k)|2分別服從參數(shù)為1/σp11和1/σp22的指數(shù)分布，并且相互獨(dú)立，所以上 式進(jìn)一步求得 由于θ＝1時(shí)兩個(gè)次用戶均不可信，數(shù)據(jù)融合器將沒(méi)有數(shù)據(jù)信息來(lái)判決住用戶的存在與否，所以此時(shí)的檢測(cè)概率為零，即 Pd，c(θ＝1)＝0 以此類推，求得相應(yīng)的條件概率Pr(θ＝2)為 同時(shí)，可以得到此時(shí)的檢測(cè)概率Pd，c(θ＝2)為 式中，

且參數(shù)Pf，c表示為采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合進(jìn)行主用戶檢測(cè)時(shí)的虛警概率，同理，求得 和 最后，當(dāng)θ＝4時(shí)，即2個(gè)次用戶均為可信用戶，則此時(shí)相應(yīng)的條件概率Pr(θ＝4)求得如下 利用“AND”邏輯規(guī)則對(duì)接收到得兩份拷貝進(jìn)行融合處理，則相應(yīng)的檢測(cè)概率Pd，c(θ＝4)和虛警概率Pf，c可以寫(xiě)為 Pd，c(θ＝4)＝Pr{|h1c(k)|2Es+|nc，1(k)|2＞λ，|h2c(k)|2Es+|nc，2(k)|2＞λ} 和 Pf，c＝Pr{|nc，1(k)|2＞λ，|nc，2(k)|2＞λ} 此處考慮了兩個(gè)可信次用戶檢測(cè)結(jié)果的融合，所以在虛警概率一定的情況下，能量檢測(cè)的判決門(mén)限將降低，即檢測(cè)概率會(huì)因用戶協(xié)作而有所提高。聯(lián)合上兩式，我們可得 Pd，c(θ＝4)＝a×b 其中 因此，綜合上述四種不同情況，所提出的基于自適應(yīng)用戶協(xié)作的數(shù)據(jù)融合方案的檢測(cè)概率可以求得， 同理，相應(yīng)的平均檢測(cè)時(shí)間為 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果 頻譜感知即對(duì)主用戶使用頻譜狀態(tài)的判斷是認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對(duì)次用戶獨(dú)立檢測(cè)主用戶效果欠佳的實(shí)際問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于自適應(yīng)用戶數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知方案，通過(guò)利用認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中次用戶間的自適應(yīng)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合以改善對(duì)主用戶的檢測(cè)性能，可以在提高頻譜的使用效率，并將對(duì)主用戶使用頻譜的影響降低到最低限度。本發(fā)明提出的基于自適應(yīng)用戶協(xié)作的數(shù)據(jù)融合方案，在考慮各個(gè)用戶信道狀況及判決結(jié)果可信程度的基礎(chǔ)上，對(duì)可信的判決結(jié)果進(jìn)行融合，最終作出對(duì)主用戶狀態(tài)信息的判決，并將此判決結(jié)果通知不可信用戶，以提高認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)對(duì)主用戶的整體檢測(cè)效率，使次用戶對(duì)主用戶通信產(chǎn)生的不利影響減小到最低限度。仿真數(shù)值結(jié)果表明所提出的自適應(yīng)協(xié)作方案與獨(dú)立檢測(cè)方案相比，能夠顯著提高對(duì)主用戶的檢測(cè)概率，減少系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間。



圖1為本發(fā)明方法的系統(tǒng)模型圖； 圖2為次用戶感知信息融合過(guò)程示意圖； 圖3為放大重傳下所提中繼選擇準(zhǔn)則的性能效果圖； 圖4為解碼重傳下所提中繼選擇準(zhǔn)則的性能效果圖； 圖5為自適應(yīng)協(xié)作傳輸方案的誤碼性能曲線。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明基于自適應(yīng)用戶協(xié)作的數(shù)據(jù)融合方案主要用于實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的多用戶協(xié)作頻譜感知，具有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、分布式處理等優(yōu)點(diǎn)。具體實(shí)施方案如下 圖1為實(shí)現(xiàn)本方案的系統(tǒng)模型圖；如圖所示本發(fā)明考慮由一個(gè)主用戶，兩個(gè)次用戶和一個(gè)數(shù)據(jù)融合器組成的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，其中次用戶接收到主用戶的發(fā)射信號(hào)，并按照一定的自適應(yīng)策略前傳給數(shù)據(jù)融合器。
圖1給出的所有無(wú)線鏈路均采用瑞利衰落模型進(jìn)行信道建模，同時(shí)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)都將受到復(fù)高斯白噪聲污染，其中復(fù)高斯白噪聲的均值為零，功率為N0。針對(duì)本發(fā)明所采用的系統(tǒng)模型，我們做如下幾點(diǎn)假設(shè)(1)所有無(wú)線信道在空間上相互獨(dú)立，互不相關(guān)；(2)次用戶對(duì)其接收信號(hào)進(jìn)行前傳時(shí)，采用解碼前傳(DF，Decode-and-Forward)策略；(3)數(shù)據(jù)融合器對(duì)接收到的信號(hào)采用”AND”邏輯規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。此外，無(wú)線信道衰落因子hp1(k)，hp2(k)，h1c(k)和h2c(k)的方差分別記為σp12，σp22，σ1c2和σ2c2。
不妨記

為次用戶1對(duì)主用戶存在與否的檢測(cè)結(jié)果，即

表示次用戶1沒(méi)有檢測(cè)出主用戶，

則表示次用戶1檢測(cè)出主用戶存在。根據(jù)檢測(cè)概率的定義，即次用戶在假設(shè)條件Hp＝H1下檢測(cè)出主用戶存在的概率，我們可以求得 根據(jù)信號(hào)表達(dá)式并采用能量檢測(cè)器，上式可以進(jìn)一步寫(xiě)為 Pd，1＝Pr{|hp1(k)|2Es+|n1(k)|2＞λ} 其中，參數(shù)λ表示能量檢測(cè)器的檢測(cè)門(mén)限，其取值大小由虛警概率確定。根據(jù)虛警概率的定義，即次用戶在假設(shè)條件Hp＝H0下誤檢主用戶存在的概率，可以求得 Pf，1＝Pr{|n1(k)|2＞λ} 聯(lián)合上兩式，求得次用戶1采用獨(dú)立檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)概率為 其中，

針對(duì)次用戶1獨(dú)立檢測(cè)所需的時(shí)隙數(shù)，采用隨機(jī)變量τ1進(jìn)行表示。顯然，變量τ1服從幾何分布，即次用戶1需要i個(gè)時(shí)隙才能檢測(cè)出主用戶存在的概率為 Pr(τ1＝i)＝(1-Pd，1)i-1Pd，1；i＝1，2，3，… 因此，次用戶1獨(dú)立檢測(cè)時(shí)所需要的平均檢測(cè)時(shí)間T1為 類比，我們可以求得次用戶2采用獨(dú)立檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)概率Pd，2和平均檢測(cè)時(shí)間T2分別為 和 其中，Pf，2表示為次用戶2的虛警概率。下面，我們將著重分析本方案所提出的自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合方案的檢測(cè)性能。根據(jù)γ1＞δ；γ2＜δ，容易求得θ＝1時(shí)的條件概率為 Pr(θ＝1)＝Pr(C1＝0，C2＝0)＝Pr(γ1＜δ，γ2＜δ) 將γ1＝|hp1(k)|2γs；γ2＝|hp2(k)|2γs代入上式得到， 由于|hp1(k)|2和|hp2(k)|2分別服從參數(shù)為1/σp12和1/σp22的指數(shù)分布，并且相互獨(dú)立，所以上式可進(jìn)一步求得 由于θ＝1時(shí)兩個(gè)次用戶均不可信，數(shù)據(jù)融合器將沒(méi)有數(shù)據(jù)信息來(lái)判決住用戶的存在與否，所以此時(shí)的檢測(cè)概率為零，即 Pd，c(θ＝1)＝0 以此類推，根據(jù)式γ1＞δ；γ2＜δ，求得相應(yīng)的條件概率Pr(θ＝2)為 同時(shí)，根據(jù)yc(k)＝h1c(k)s+nc(k)，可以容易得到此時(shí)的檢測(cè)概率Pd，c(θ＝2)為 式中，

且參數(shù)Pf，c表示為采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合進(jìn)行主用戶檢測(cè)時(shí)的虛警概率。
同理，根據(jù)γ1＜δ；γ2＞δ和yc(k)＝h2c(k)s+nc(k)，容易求得 和 最后，當(dāng)θ＝4時(shí)，即2個(gè)次用戶均為可信用戶，則根據(jù)γ1＞δ；γ2＞δ，此時(shí)相應(yīng)的條件概率Pr(θ＝4)求得如下 由于此時(shí)數(shù)據(jù)融合器將收到兩份數(shù)據(jù)拷貝yc，1(k)和yc，2(k)，如

所示。利用“AND”邏輯規(guī)則對(duì)接收到得兩份拷貝進(jìn)行融合處理，則相應(yīng)的檢測(cè)概率Pd，c(θ＝4)和虛警概率Pf，c可以寫(xiě)為 Pd，c(θ＝4)＝Pr{|h1c(k)|2Es+|nc，1(k)|2＞λ，|h2c(k)|2Es+|nc，2(k)|2＞λ} 和 Pf，c＝Pr{|nc，1(k)|2＞λ，|nc，2(k)|2＞λ} 此處考慮了兩個(gè)可信次用戶檢測(cè)結(jié)果的融合，所以在虛警概率一定的情況下，能量檢測(cè)的判決門(mén)限將降低，即檢測(cè)概率會(huì)因用戶協(xié)作而有所提高。聯(lián)合如上兩式，我們?nèi)菀椎玫? Pd，c(θ＝4)＝a×b 其中 因此，綜合上述四種不同情況，所提出的基于自適應(yīng)用戶協(xié)作的數(shù)據(jù)融合方案的檢測(cè)概率可以求得， 同理，相應(yīng)的平均檢測(cè)時(shí)間為 其中，參數(shù)Pd，c如

所示。
圖2給出了自適應(yīng)協(xié)作前傳策略的實(shí)現(xiàn)框圖。次用戶1和次用戶2分別將其接收信號(hào)的信噪比與可信門(mén)限(δ)進(jìn)行比較，以判定自身是否可信。如果接收信號(hào)信噪比大于可信門(mén)限，則次用戶判定為可信并將其接收信號(hào)解調(diào)后前傳至數(shù)據(jù)融合中心。反之，若接收信號(hào)信噪比小于可信門(mén)限，則次用戶判定為不可信節(jié)點(diǎn)，此時(shí)次用戶不對(duì)其接收信號(hào)進(jìn)行解碼。最后，數(shù)據(jù)融合中心將處理后的最終結(jié)果回送給次用戶1和次用戶2。此處說(shuō)明，由于次用戶只需判決主用戶存在與否，因此對(duì)于次用戶來(lái)說(shuō)主用戶發(fā)射信號(hào)只需承載1比特信息。根據(jù)信息論編碼定理可知，只要信道容量大于數(shù)據(jù)速率，接收端即可實(shí)現(xiàn)正確解碼(例如，采用一定糾錯(cuò)碼技術(shù)等)。因此，只要次用戶端的接收信噪比大于1dB，即可正確判決主用戶存在與否，故本文將取可信門(mén)限δ＝1。
對(duì)本發(fā)明提出的協(xié)作頻譜檢測(cè)算法，我們分別對(duì)獨(dú)立檢測(cè)方案和自適應(yīng)協(xié)作檢測(cè)方案進(jìn)行了Matlab仿真性能比較，以此說(shuō)明自適應(yīng)協(xié)作方案的優(yōu)越性。圖3給出了獨(dú)立檢測(cè)和協(xié)作檢測(cè)方案的檢測(cè)時(shí)間隨信噪比變化的性能曲線。容易看出，自適應(yīng)協(xié)作檢測(cè)方案對(duì)應(yīng)的檢測(cè)時(shí)間小于獨(dú)立檢測(cè)方案，即，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)采用自適應(yīng)協(xié)作方案的話，可以更加快速地檢測(cè)到主用戶狀態(tài)。圖4和圖5則相應(yīng)給出了


γs＝10dB和δ＝1時(shí)，獨(dú)立檢測(cè)方案和自適應(yīng)協(xié)作檢測(cè)方案的檢測(cè)概率和檢測(cè)時(shí)間隨虛警概率的變化情況。從圖4中容易看出，當(dāng)信噪比γs一定時(shí)，檢測(cè)概率隨虛警概率的要求放寬而逐漸增加，并且協(xié)作檢測(cè)方案的檢測(cè)概率始終優(yōu)于獨(dú)立檢測(cè)方案。圖5則表明了自適應(yīng)協(xié)作方案所需的檢測(cè)時(shí)間小于獨(dú)立檢測(cè)方案，這也進(jìn)一步說(shuō)明基于自適應(yīng)用戶協(xié)作的數(shù)據(jù)融合方案可以減少認(rèn)知系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間，改善認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的感知性能。
權(quán)利要求
1.一種基于自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜檢測(cè)方法，其特征在于設(shè)置包括一個(gè)主用戶、兩個(gè)次用戶和一個(gè)數(shù)據(jù)融合器組成的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，從主用戶與次用戶間無(wú)線信道狀況的角度出發(fā)，根據(jù)信道衰落大小確定次用戶檢測(cè)信息是否可信，若次用戶檢測(cè)信息可信，則前傳至數(shù)據(jù)融合中心，以此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自適應(yīng)協(xié)作數(shù)據(jù)融合，從而有效對(duì)抗無(wú)線衰落和多徑傳播等不利因素對(duì)快速準(zhǔn)確判斷主用戶狀態(tài)所造成的負(fù)面影響；
兩個(gè)次用戶接收到主用戶的發(fā)射信號(hào)后，分別將其接收信號(hào)的信噪比與可信門(mén)限δ進(jìn)行比較，以判定自身是否可信，如果接收信號(hào)信噪比大于可信門(mén)限，則次用戶判定為可信并將其接收信號(hào)解調(diào)后前傳至數(shù)據(jù)融合中心；反之，若接收信號(hào)信噪比小于可信門(mén)限，則次用戶判定為不可信節(jié)點(diǎn)，此時(shí)次用戶不對(duì)其接收信號(hào)進(jìn)行解碼，數(shù)據(jù)融合中心將處理后的最終結(jié)果回送給兩個(gè)次用戶和次用戶；由于次用戶只需判決主用戶存在與否，因此對(duì)于次用戶來(lái)說(shuō)主用戶發(fā)射信號(hào)只需承載1比特信息，根據(jù)信息論編碼定理，只要信道容量大于數(shù)據(jù)速率，接收端即可實(shí)現(xiàn)正確解碼，因此，只要次用戶端的接收信噪比大于1dB，即可正確判決主用戶存在與否，故本方法取可信門(mén)限δ＝1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜檢測(cè)方法，其特征在于具體步驟是
記s為主用戶P存在的指示信號(hào)，s＝0表示主用戶P不需要使用無(wú)線頻譜，s＝Es則表示主用戶P需要使用無(wú)線頻譜，記Hp＝H0和Hp＝H1分別為s＝0和s＝Es相應(yīng)的二元假設(shè)條件，因此，次用戶1和次用戶2接收到的來(lái)自主用戶P的無(wú)線信號(hào)可以分別表示為
y1(k)＝hp1(k)s+n1(k)
y2(k)＝hp2(k)s+n2(k)
其中，hp1(k)和hp2(k)分別表示主用戶P到次用戶1和主用戶P到次用戶2間的瑞利衰落系數(shù)，n1(k)和n2(k)則分別表示次用戶1和次用戶2端的復(fù)高斯白噪聲；
根據(jù)上述兩式，求得次用戶1和次用戶2端的接收信噪比為
γ1＝|hp1(k)|2γs；γ2＝|hp2(k)|2γs
其中，γs＝Es/N0表示主用戶信號(hào)的發(fā)射信噪比，次用戶1和次用戶2分別利用接收信噪比γ1和γ2進(jìn)行自身的可信判決，即，若γi(i＝1，2)大于可信門(mén)限δ，則判決為可信用戶，否則視為不可信用戶；同時(shí)，只有可信用戶才會(huì)將其接收信號(hào)前傳至數(shù)據(jù)融合器，以此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合；采用伯努利隨機(jī)變量C1和C2分別表征次用戶1和次用戶2的可信判決結(jié)果，即Ci＝0(i＝1，2)表示次用戶i不可信，Ci＝1表示次用戶i可信，數(shù)據(jù)融合器將得到四種不同的組合情況
①Caseθ＝1兩個(gè)次用戶均判決不可信用戶C1＝0，C2＝0，即
γ1＜δ；γ2＜δ
此時(shí)，數(shù)據(jù)融合器將沒(méi)有數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，所以在這種情況下，數(shù)據(jù)融合器將無(wú)法檢測(cè)出主用戶；
②Caseθ＝2次用戶1判決為可信用戶C1＝1，次用戶2判決為不可信C2＝0，即
γ1＞δ；γ2＜δ
這種情況下，次用戶1按照解碼前傳策略，從其接收信號(hào)y1(k)中將主用戶指示信號(hào)s解調(diào)出來(lái)，并將其解調(diào)結(jié)果再轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)融合器，由于此時(shí)次用戶1可信，意味著次用戶1能正確解調(diào)出主用戶指示信號(hào)，所以數(shù)據(jù)融合器端的接收信號(hào)可以表示為
yc(k)＝h1c(k)s+nc(k)
其中，nc(k)表示均值為零，方差為N0的復(fù)高斯白噪聲；
③Caseθ＝3次用戶1判決為不可信用戶C1＝0，次用戶2判決為可信C2＝1，即
γ1＜δ；γ2＞δ
此時(shí)，次用戶2按照解碼前傳策略，從其接收信號(hào)y2(k)中將主用戶指示信號(hào)s解調(diào)出來(lái)，并將其解調(diào)結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)融合器，同理，數(shù)據(jù)融合器端的接收信號(hào)表示為
yc(k)＝h2c(k)s+nc(k)
④Caseθ＝4次用戶1和次用戶2均判決為可信用戶C1＝1，C2＝1，即
γ1＞δ；γ2＞δ
此時(shí)，次用戶1和次用戶2都將按照解碼前傳策略，分別從其各自的接收信號(hào)y1(k)和y2(k)中正確解調(diào)出主用戶指示信號(hào)，并將其解碼結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)融合器，因此，數(shù)據(jù)融合器將收到兩份信號(hào)拷貝，
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜檢測(cè)方法，其特征在于根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)概率及檢測(cè)時(shí)間，分析數(shù)據(jù)融合器將得到四種不同的組合情況下，系統(tǒng)的檢測(cè)概率以及各種情況分別出現(xiàn)的概率，綜合即可得出系統(tǒng)的性能
Caseθ＝1兩個(gè)次用戶均判決不可信，因此系統(tǒng)檢測(cè)概率為0；
Caseθ＝2次用戶1判決為可信用戶C1＝1，次用戶2判決為不可信C2＝0，此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)概率即次用戶1采用獨(dú)立檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)概率為
其中，
針對(duì)次用戶1獨(dú)立檢測(cè)所需的時(shí)隙數(shù)，采用隨機(jī)變量τ1進(jìn)行表示，顯然，變量τ1服從幾何分布，即次用戶1需要i個(gè)時(shí)隙才能檢測(cè)出主用戶存在的概率為
Pr(τ1＝i)＝(1-Pd，1)i-1Pd，1；i＝1，2，3，…
因此，次用戶1獨(dú)立檢測(cè)時(shí)所需要的平均檢測(cè)時(shí)間T1為
Caseθ＝3次用戶1判決為不可信用戶C1＝0，次用戶2判決為可信C2＝1，此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)概率即次用戶2采用獨(dú)立檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)概率可根據(jù)次用戶1的分析結(jié)果類比得出，次用戶2采用獨(dú)立檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)概率Pd，2和平均檢測(cè)時(shí)間T2分別為
和
其中，Pf，2表示為次用戶2的虛警概率；
Caseθ＝4次用戶1和次用戶2均判決為可信用戶C1＝1，C2＝1，即系統(tǒng)檢測(cè)概率為2個(gè)次用戶的檢測(cè)概率的乘積。
根據(jù)數(shù)據(jù)融合器所得到的4種不同情況，可求得θ＝1時(shí)的條件概率為
Pr(θ＝1)＝Pr(C1＝0，C2＝0)＝Pr(γ1＜δ，γ2＜δ)
由于|hp1(k)|2和|hp2(k)|2分別服從參數(shù)為1/σp12和1/σp22的指數(shù)分布，并且相互獨(dú)立，所以上式進(jìn)一步求得
由于θ＝1時(shí)兩個(gè)次用戶均不可信，數(shù)據(jù)融合器將沒(méi)有數(shù)據(jù)信息來(lái)判決住用戶的存在與否，所以此時(shí)的檢測(cè)概率為零，即
Pd，c(θ＝1)＝0
以此類推，求得相應(yīng)的條件概率Pr(θ＝2)為
同時(shí)，可以得到此時(shí)的檢測(cè)概率Pd，c(θ＝2)為
式中，
且參數(shù)Pf，c表示為采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合進(jìn)行主用戶檢測(cè)時(shí)的虛警概率，同理，求得
和
最后，當(dāng)θ＝4時(shí)，即2個(gè)次用戶均為可信用戶，則此時(shí)相應(yīng)的條件概率Pr(θ＝4)求得如下
利用“AND”邏輯規(guī)則對(duì)接收到得兩份拷貝進(jìn)行融合處理，則相應(yīng)的檢測(cè)概率Pd，c(θ＝4)和虛警概率Pf，c可以寫(xiě)為
Pd，c(θ＝4)＝Pr{|h1c(k)|2Es+|nc，1(k)|2＞λ，|h2c(k)|2Es+|nc，2(k)|2＞λ}和
Pf，c＝Pr{|nc，1(k)|2＞λ，|nc，2(k)|2＞λ}
此處考慮了兩個(gè)可信次用戶檢測(cè)結(jié)果的融合，所以在虛警概率一定的情況下，能量檢測(cè)的判決門(mén)限將降低，即檢測(cè)概率會(huì)因用戶協(xié)作而有所提高。聯(lián)合上兩式，我們可得
Pd，c(θ＝4)＝a×b
其中
因此，綜合上述四種不同情況，所提出的基于自適應(yīng)用戶協(xié)作的數(shù)據(jù)融合方案的檢測(cè)概率可以求得，
同理，相應(yīng)的平均檢測(cè)時(shí)間為
全文摘要
一種基于自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜檢測(cè)方法，設(shè)置包括一個(gè)主用戶、兩個(gè)次用戶和一個(gè)數(shù)據(jù)融合器組成的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，從主用戶與次用戶間無(wú)線信道狀況的角度出發(fā)，根據(jù)信道衰落大小確定次用戶檢測(cè)信息是否可信，若次用戶檢測(cè)信息可信，則前傳至數(shù)據(jù)融合中心，以此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自適應(yīng)協(xié)作數(shù)據(jù)融合，從而有效對(duì)抗無(wú)線衰落和多徑傳播等不利因素對(duì)快速準(zhǔn)確判斷主用戶狀態(tài)所造成的負(fù)面影響。
文檔編號(hào)H04W24/00GK101815312SQ201010136299
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者朱佳 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)