專利名稱：基于ds證據(jù)理論的協(xié)作頻譜感知方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜感知技術(shù)，是一種基于Dempter-Shafer (DS)證據(jù)理論的協(xié)作頻譜感知改進(jìn)方法,可用于報告帶寬受限和存在高度沖突數(shù)據(jù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜感知。
背景技術(shù)：
近年來，無線通信的快速增長導(dǎo)致授權(quán)頻帶和非授權(quán)頻帶上的無線服務(wù)需求都急劇增長。然而，目前的固定頻譜分配策略使得頻譜利用率很低。為了解決頻譜資源短缺和頻譜利用率不高的問題，人們提出了認(rèn)知無線電CR的概念。CR技術(shù)能夠有效地利用未占用頻帶的間歇期，進(jìn)而提高頻譜利用率。在CR網(wǎng)絡(luò)中，每個次級用戶SU的基本任務(wù)就是通過感知射頻環(huán)境來檢測授權(quán)用戶LU是否出現(xiàn)，進(jìn)而識別可利用的頻譜空洞，并保護(hù)LU不受有害干擾。這一過程就是頻譜感知。頻譜感知的宗旨有兩個第一，SU不能對LU造成有害 干擾，當(dāng)發(fā)現(xiàn)LU出現(xiàn)時，SU切換到其他可利用頻帶，或者限制其自身功率到LU可接受的水平；第二，SU要有效地識別和利用頻譜空洞，從而達(dá)到所需的吞吐量和服務(wù)質(zhì)量。實際環(huán)境中，頻譜感知的檢測性能會受到很多因素的限制，如多徑衰落、陰影效應(yīng)和接收機(jī)不確定性。如圖I所示，授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)LU Tx與每個SU之間用于觀測LU信號的信道稱為感知信道，每個SU與融合中心FC之間用于發(fā)送感知數(shù)據(jù)的信道稱為控制信道，第3個次級用戶SU3因多徑衰落和陰影效應(yīng)可能不能正確檢測到授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)LU Tx的信號，第η個次級用戶SUn由于接收機(jī)不確定性可能對授權(quán)用戶接收機(jī)LU Rx造成干擾。但是第I個次級用戶SU1可以很好地檢測到LU的狀態(tài)，如果它把感知信息共享給其他SUJlJ可以克服單個SU感知的不足。因此，提出了協(xié)作頻譜感知的概念。協(xié)作頻譜感知的主要思想是通過融合多個SU對LU的本地檢測結(jié)果，得到最終判決，提高感知性能。這種由于SU的空間分集而獲得的性能改善即為協(xié)作增益。協(xié)作頻譜感知在帶來協(xié)作增益的同時還會引起協(xié)作開銷，例如比單個SU感知多出的額外的感知時間、能量損耗、控制信道帶寬需求以及協(xié)作感知設(shè)備等。如何利用多個SU的感知信息進(jìn)行融合是協(xié)作頻譜感知的關(guān)鍵技術(shù)。常見的融合準(zhǔn)則有數(shù)據(jù)融合和硬決策融合。其中數(shù)據(jù)融合協(xié)作其優(yōu)點(diǎn)是增益大，但對控制信道的帶寬需求較大；硬決策融合其優(yōu)點(diǎn)是實現(xiàn)簡單，但協(xié)作增益有限。因此，人們提出了軟決策融合算法，通過引入與本地感知相關(guān)的置信度，折中協(xié)作增益與報告帶寬開銷。由于無線信道的不穩(wěn)定性，次級用戶的本地檢測可能無法確定授權(quán)用戶信號是否存在，DS證據(jù)理論可以有效的解決這種不確定性問題，因此被應(yīng)用到協(xié)作頻譜感知中。如 Q. Peng 在 Thel7th IEEE International Symposium on Person, Indoorand Mobile Radio Communications(PIMRCj 2006) 《A Distributed Spectrum SensingScheme Based on Credibility and Evidence Theory in Cognitive Radio Context)) 一文中最先將DS證據(jù)理論用于協(xié)作頻譜感知過程中，提出了一種優(yōu)于硬決策融合的軟決策融合方法CET，聯(lián)合所有SU的本地感知結(jié)果，通過DS證據(jù)理論合成準(zhǔn)則進(jìn)行融合得到最終判決結(jié)果，有效地提高了檢測概率并降低了虛警概率。Nhan Nguyen-Thanh在The IEEECommunications Letters 2009〈〈An Enhanced Cooperative Spectrum Sensing SchemeBased on Evidence Theory and Reliability Source Evaluation in Cognitive RadioContext)) 一文中提出了基于DS證據(jù)理論的協(xié)作頻譜感知增強(qiáng)方案Enhanced EvidenceTheory，在CET方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)了基本概率分配函數(shù)的構(gòu)建，并利用信噪比估計分布式網(wǎng)絡(luò)中每個本地SU的基本概率分配，進(jìn)一步提高了感知性能。然而，基于DS證據(jù)理論的協(xié)作頻譜感知方法還存在不少缺點(diǎn)1)在本地頻譜感知的過程中，每個SU至少要發(fā)送兩個基本概率分配到融合中心FC，而不只是一個邏輯硬判決結(jié)果，隨著SU的增多，用于報告感知數(shù)據(jù)的帶寬將不斷變大，使得協(xié)作開銷隨之增大；2)在FC進(jìn)行融合判決的過程中，如果由于惡意用戶或故障節(jié)點(diǎn)的存在，SU發(fā)送的感知結(jié)果中存在高度沖突數(shù)據(jù)，則FC利用DS證據(jù)理論合成準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，有可能導(dǎo)致推理結(jié)果出現(xiàn)悖論，使得檢測性能降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有方法的不足，提出一種基于DS證據(jù)理論的協(xié)作 頻譜感知方法，以降低控制信道的帶寬，減小協(xié)作開銷，并改善出現(xiàn)高度沖突數(shù)據(jù)時的檢測性能。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)關(guān)鍵是次級用戶SU利用投影近似法對所有基本概率分配進(jìn)行投影分解，使調(diào)整后不確定授權(quán)用戶LU信號是否存在的基本概率分配m' ,(Ω)等于O ;融合中心FC根據(jù)不同SU證據(jù)矢量之間的距離得到可信度，把可信度作為權(quán)重對不同SU的基本概率分配進(jìn)行加權(quán)平均。具體實現(xiàn)過程包括如下(I)根據(jù)DS證據(jù)理論，用識別框架{ΗρΗ。，Ω}表示頻譜感知的結(jié)果，其中H1表示存在授權(quán)用戶LU信號，Htl表示不存在授權(quán)用戶LU信號，Ω表示不確定授權(quán)用戶LU信號是否存在；(2)所有次級用戶SU分別進(jìn)行本地能量檢測，得到能量檢測統(tǒng)計量Ei，其中i =1，2，…，n，i代表次級用戶SU的序號，η代表認(rèn)知無線電CR網(wǎng)絡(luò)中次級用戶SU的數(shù)量； (3)第i個次級用戶SUi利用能量檢測統(tǒng)計量Ei分別計算存在授權(quán)用戶LU信號H1的基本概率分配HIi (H1)、不存在授權(quán)用戶LU信號H。的基本概率分配HIi (Ho)，以及不確定授權(quán)用戶LU信號是否存在的基本概率分配Hii ( Ω ):
I( (x-u. )21Mi(Hi)= I -7== exp ---dx
J \Ι2πσ I σ y
I (、
f+ Iχ-Mft - IIni(H0)= , exp ---dx
jE' 42πσ1 I JHIi(Q) = I-IIii (H1) -Hii (H0)，式中，μ Ii和分別表示存在授權(quán)用戶LU信號H1情況下能量檢測統(tǒng)計量Ei的均值和方差，μ 0i和分別表示不存在授權(quán)用戶LU信號Htl情況下能量檢測統(tǒng)計量Ei的均值和方差，exp表示指數(shù)函數(shù)；(4)根據(jù)投影近似法調(diào)整所有基本概率分配，使調(diào)整后不確定授權(quán)用戶LU信號是否存在的基本概率分配m' i ( Ω )為O :(4a)根據(jù)存在授權(quán)用戶LU信號H1的基本概率分配Hii (H1)與不存在授權(quán)用戶LU信號Htl的基本概率分配11^ (H0)的比值，計算不確定授權(quán)用戶LU信號是否存在的基本概率分配Hii ( Ω )到存在授權(quán)用戶LU信號H1的投影《#和到不存在授權(quán)用戶LU信號Htl的投影分別為
權(quán)利要求
1.一種基于DS證據(jù)理論的協(xié)作頻譜感知方法,包括如下步驟 (1)根據(jù)DS證據(jù)理論，用識別框架HΩ}表示頻譜感知的結(jié)果，其中H1表示存在授權(quán)用戶LU信號，Htl表示不存在授權(quán)用戶LU信號，Ω表示不確定授權(quán)用戶LU信號是否存在； (2)所有次級用戶SU分別進(jìn)行本地能量檢測，得到能量檢測統(tǒng)計量Ei，其中i=1，2，…，n，i代表次級用戶SU的序號，η代表認(rèn)知無線電CR網(wǎng)絡(luò)中次級用戶SU的數(shù)量； (3)第i個次級用戶SUi利用能量檢測統(tǒng)計量Ei分別計算存在授權(quán)用戶LU信號H1的基本概率分配Kii (H1)、不存在授權(quán)用戶LU信號Htl的基本概率分配Hii (H0)，以及不確定授權(quán)用戶LU信號是否存在的基本概率分配Hii ( Ω ):
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于DS證據(jù)理論的協(xié)作頻譜感知方法，其中步驟(2)所述的所有次級用戶SU分別進(jìn)行本地能量檢測，是指各次級用戶SU分別將T時間內(nèi)接收到信號的N個采樣值進(jìn)行平方求和，從而獲得檢測統(tǒng)計量Ei
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于DS證據(jù)理論的協(xié)作頻譜感知方法，其中步驟(6)所述的融合中心FC根據(jù)證據(jù)矢量之間的距離得到可信度，按如下步驟進(jìn)行 (3a)設(shè)第i個次級用戶SUi調(diào)整后的所有基本概率分配構(gòu)成證據(jù)矢量
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于DS證據(jù)理論的協(xié)作頻譜感知方法。主要解決現(xiàn)有方法對控制信道帶寬需求高，以及在數(shù)據(jù)高度沖突情況下性能下降嚴(yán)重的問題。其實現(xiàn)方法是各次級用戶利用能量檢測統(tǒng)計量計算所有基本概率分配，然后采用投影近似法調(diào)整基本概率分配，減少發(fā)送到融合中心的數(shù)據(jù)；融合中心根據(jù)各次級用戶證據(jù)矢量之間的距離判斷可信度，并以可信度作為權(quán)重對各次級用戶的基本概率分配進(jìn)行加權(quán)平均，再根據(jù)加權(quán)平均后基本概率分配的大小關(guān)系對授權(quán)用戶信號是否存在做出最終判決。本發(fā)明能夠減少報告信道所需帶寬，改善數(shù)據(jù)高度沖突情況下檢測性能，可用于認(rèn)知無線電系統(tǒng)中利用協(xié)作頻譜感知方法判斷頻譜使用情況。
文檔編號H04W72/04GK102711120SQ201210161619
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者于美婷, 劉偉, 劉勤, 文璐, 李釗, 趙林靖 申請人:西安電子科技大學(xué)