主用戶多電平環(huán)境下的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)聯(lián)合頻譜感知方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種主用戶多電平環(huán)境下的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)聯(lián)合頻譜感知方法，包括：初始化系統(tǒng)參數(shù)，包括主用戶各工作狀態(tài)電平大小、次用戶頻譜感知門限個(gè)數(shù)及各個(gè)門限大小、以及次用戶在一個(gè)感知時(shí)隙內(nèi)接受的樣本個(gè)數(shù)；各次用戶分別在本地獨(dú)立完成頻譜感知，得出檢測(cè)主用戶狀態(tài)的結(jié)果；各次用戶分別將獨(dú)立的頻譜感知結(jié)果匯總到融合中心，融合中心根據(jù)收到的結(jié)果生成決策向量；融合中心根據(jù)得到的決策向量，基于多數(shù)人投票原則進(jìn)行決策；主用戶具有兩個(gè)以上的工作電平。根據(jù)本發(fā)明，在不需要任何有關(guān)主用戶先驗(yàn)知識(shí)的條件下，僅僅依靠各次用戶獨(dú)立檢測(cè)結(jié)果匯總的決策向量進(jìn)行決策融合，方案實(shí)施簡(jiǎn)單，性能較好，具有很強(qiáng)實(shí)用性。
【專利說明】主用戶多電平環(huán)境下的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)聯(lián)合頻譜感知方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在主用戶多電平環(huán)境下基于多數(shù)人投票原則的認(rèn)知無(wú)線電系 統(tǒng)聯(lián)合頻譜感知方法，涉及多個(gè)次用戶（Secondary User)在聯(lián)合頻譜感知時(shí)對(duì)主用戶 (Primary User)狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行決策融合時(shí)的方案。

【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，無(wú)線電通信頻譜是一種寶貴的自然資源，一般采用的是基于頻譜授 權(quán)的靜態(tài)頻帶分配的原則，即由政府授權(quán)使用。由于通信行業(yè)的迅速發(fā)展，無(wú)線局域網(wǎng) (WLAN)、無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)（WPAN)等技術(shù)的出現(xiàn)，無(wú)線通信的需求不斷增長(zhǎng)，頻譜資源貧乏 的問題日益嚴(yán)重；另外一方面，一些通信業(yè)務(wù)（如電視廣播業(yè)務(wù)等）需要通信網(wǎng)絡(luò)提供一定 的保護(hù)，使他們免受其他通信業(yè)務(wù)的干擾，頻率管理部門專門分配了特定的授權(quán)頻段，但是 相當(dāng)數(shù)量的授權(quán)頻譜資源的利用率卻非常低。于是就出現(xiàn)了這樣的事實(shí)：某些部分的頻譜 資源相對(duì)較少但其實(shí)承載的業(yè)務(wù)量很大，而另外一些已授權(quán)的頻譜資源利用率卻很低。因 此，可以得出這樣的結(jié)論：目前的頻譜資源分配方法已經(jīng)不能適應(yīng)日益增長(zhǎng)的無(wú)線需求，需 要一種更合理高利用率的頻譜分配方法。Joseph Mitola在軟件無(wú)線電的基礎(chǔ)上提出了認(rèn) 知無(wú)線電的概念，為這個(gè)問題提供了解決方法。
[0003] 認(rèn)知無(wú)線電的基本出發(fā)點(diǎn)就是：為了提高頻譜利用率，在已授權(quán)頻段沒被使用或 只有很少的通信業(yè)務(wù)在活動(dòng)的情況下，具有認(rèn)知功能的無(wú)線通信設(shè)備可以按照某種"伺機(jī) (Opportunistic Way)"的方式工作在已授權(quán)的頻段內(nèi)。這種在空域、時(shí)域和頻域中出現(xiàn)的 可以被利用的頻譜資源被稱為"頻譜空洞"。認(rèn)知無(wú)線電的核心思想就是使無(wú)線通信設(shè)備具 有發(fā)現(xiàn)"頻譜空洞"并合理利用的能力。當(dāng)非授權(quán)通信用戶通過"借用"的方式使用已授權(quán) 的頻譜資源時(shí)，必須保證他的通信不會(huì)影響到其他已授權(quán)用戶的通信。要做到這一點(diǎn)，非授 權(quán)用戶必須按照一定的規(guī)則來使用所發(fā)現(xiàn)的"頻譜空洞"。在認(rèn)知無(wú)線電中，這樣的規(guī)則是 以某種機(jī)器可理解的形式（如XML語(yǔ)言）加載到通信終端上。由于這些規(guī)則可以隨時(shí)根據(jù) 頻譜的利用情況、通信業(yè)務(wù)的負(fù)荷與分布等進(jìn)行不斷的調(diào)整，因此通過這些規(guī)則，頻譜管理 者就能以更靈活的方式來管理寶貴的頻譜資源。
[0004] 認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能無(wú)線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識(shí)別外界通信環(huán)境，用建筑理 解的方法來學(xué)習(xí)外界環(huán)境，并且通過實(shí)時(shí)調(diào)整特定工作參數(shù)(如發(fā)射功率，載波頻率和調(diào)制 方法)，將系統(tǒng)的射頻接發(fā)系統(tǒng)自適應(yīng)地調(diào)整到某個(gè)統(tǒng)計(jì)狀態(tài)，以達(dá)到下列兩個(gè)主要目標(biāo)： 1.任何時(shí)間、地點(diǎn)通信的高可靠性；2.頻譜的高效利用。
[0005] 在認(rèn)知無(wú)線電中，為了合理有效地利用空閑頻段進(jìn)行通信，必須對(duì)無(wú)線傳輸場(chǎng)景 進(jìn)行分析，首要的任務(wù)就是頻譜感知，查找能夠用來進(jìn)行認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)業(yè)務(wù)通信的頻譜 空洞。常用的頻譜感知算法有：匹配濾波器、能量檢測(cè)、周期特性檢測(cè)、本地泄露檢測(cè)等，其 中能量檢測(cè)器應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)樗O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且不需要太多關(guān)于主用戶狀態(tài)的先驗(yàn)知識(shí)。 然而，在實(shí)際的頻譜感知實(shí)現(xiàn)過程中，由于諸如信道衰落、陰影效應(yīng)等作用影響，單個(gè)用戶 的檢測(cè)結(jié)果往往會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，因此更多地時(shí)候往往考慮利用多個(gè)次用戶實(shí)施聯(lián)合頻 譜檢測(cè)（Cooperative Spectrum Sensing)來提高對(duì)主用戶狀態(tài)檢測(cè)的可靠性，其中在決策 融合的過程中一些典型的方法有："邏輯-與"準(zhǔn)則，"邏輯-或"準(zhǔn)則和"k-out-of N"準(zhǔn) 則。
[0006] 在傳統(tǒng)的頻譜感知中，一般只考慮主用戶具有兩個(gè)狀態(tài)，即"工作在固定電平上" 和"空閑"狀態(tài)。然而這種假設(shè)在實(shí)際中并不經(jīng)常成立，例如在如今許多標(biāo)準(zhǔn)中，主用戶可以 根據(jù)需要工作在預(yù)先設(shè)計(jì)的不同電平上，而且在許多關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電功率分配的研究中， 主用戶工作的電平也不能是一直不變的。因此我們很有必要考慮當(dāng)主用戶工作在多電平下 的頻譜感知問題。當(dāng)主用戶工作在多電平時(shí)，由于主用戶狀態(tài)的增多，單個(gè)用戶獨(dú)立進(jìn)行頻 譜感知的可靠性變得更低，在進(jìn)行聯(lián)合頻譜感知時(shí)，傳統(tǒng)的基于兩元假設(shè)的頻譜感知方法 不再成立并且傳統(tǒng)的對(duì)于頻譜感知的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不再適用，因此我們需要在傳統(tǒng)聯(lián)合頻譜 感知的思路上做出新的拓展，建立一套基于主用戶多電平情況下的聯(lián)合感知決策融合策略 以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] (-）要解決的技術(shù)問題
[0008] 本發(fā)明的目的是如何提供一種在主用戶多電平環(huán)境下基于多數(shù)人投票原則的認(rèn) 知無(wú)線電系統(tǒng)聯(lián)合頻譜感知的決策融合方法，不需要主用戶的先驗(yàn)知識(shí)，通過各個(gè)次用戶 獨(dú)立檢測(cè)結(jié)果匯總的決策向量進(jìn)行決策融合。
[0009] (二）技術(shù)方案
[0010] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種主用戶多電平環(huán)境下的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)聯(lián)合頻 譜感知方法，其包括：初始化系統(tǒng)參數(shù)，包括主用戶各工作狀態(tài)電平大小、次用戶頻譜感知 門限個(gè)數(shù)及各個(gè)門限大小、以及次用戶在一個(gè)感知時(shí)隙內(nèi)接受的樣本個(gè)數(shù)；
[0011] 各次用戶分別在本地獨(dú)立完成頻譜感知，得出檢測(cè)主用戶狀態(tài)的結(jié)果；
[0012] 各次用戶分別將獨(dú)立的頻譜感知結(jié)果匯總到融合中心，融合中心根據(jù)收到的結(jié)果 生成決策向量；
[0013] 融合中心根據(jù)得到的決策向量，基于多數(shù)人投票原則進(jìn)行決策。
[0014] 所述主用戶具有兩個(gè)以上的工作電平。
[0015] 優(yōu)選地，次用戶獨(dú)立進(jìn)行頻譜感知時(shí)不要求具有主用戶各電平的先驗(yàn)知識(shí)。
[0016] 優(yōu)選地，各次用戶獨(dú)立作出決策并且將判斷結(jié)果發(fā)至融合中心。
[0017] 優(yōu)選地，融合中心在決策前對(duì)收到的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯集，得到?jīng)Q策向量。
[0018] 優(yōu)選地，融合中心在進(jìn)行決策融合時(shí)依據(jù)檢測(cè)結(jié)果匯集的決策向量。
[0019] 優(yōu)選地，融合中心的決策過程包括兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為判斷主用戶是否空閑， 若不空閑則在第二階段判斷主用戶的具體工作電平，并將判斷結(jié)果反饋給各次用戶，否則 跳過第二階段。
[0020] 優(yōu)選地，檢測(cè)概率定義為所有主用戶工作電平正確檢測(cè)概率之和，或者，定義為所 有主用戶狀態(tài)被正確檢測(cè)的概率之和；或者，自行定義。
[0021] 優(yōu)選地，決策融合結(jié)果出錯(cuò)的概率隨著錯(cuò)判電平狀態(tài)與實(shí)際電平狀態(tài)之間間隔狀 態(tài)數(shù)的增多而減小。
[0022] (三）有益效果
[0023] 根據(jù)本發(fā)明，在主用戶多電平的情況下，不需要任何有關(guān)主用戶先驗(yàn)知識(shí)的條件 下，僅僅依靠各次用戶獨(dú)立檢測(cè)結(jié)果匯總的決策向量進(jìn)行決策融合，方案實(shí)施簡(jiǎn)單，性能較 好，具有很強(qiáng)實(shí)用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)配置圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的檢測(cè)概率與理論分析結(jié)果關(guān)于信噪比的關(guān)系圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的不同情況錯(cuò)判概率關(guān)于信噪比的關(guān)系圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的檢測(cè)概率關(guān)于次用戶人數(shù)的關(guān)系圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0029] 為了闡述本發(fā)明的細(xì)節(jié)信息，首先圖1給出的系統(tǒng)配置，考慮一個(gè)具有單一主用 戶和K個(gè)次用戶的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，其中主用戶具有多個(gè)發(fā)射電平，設(shè)為不失 一般性有 i > /.\ > 0, V7。
[0030] 本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】為：
[0031] 步驟一：系統(tǒng)初始化，包括主用戶各工作狀態(tài)電平大小，主用戶與次用戶間信道增 益估計(jì)值，次用戶頻譜感知門限個(gè)數(shù)及各個(gè)門限大小，次用戶在一個(gè)感知時(shí)隙內(nèi)接受的樣 本個(gè)數(shù)等，定義Yk為主用戶到第k個(gè)次用戶的瞬時(shí)信道功率增益，考慮到頻譜感知的時(shí)間 相對(duì)于信道變化頻率而言很小且頻譜感知的過程相對(duì)于主用戶狀態(tài)變化的時(shí)間很短，那么 可以認(rèn)為主用戶的狀態(tài)和信道增益Y k在一次頻譜感知過程中不發(fā)生改變。
[0032] 對(duì)于第k個(gè)次用戶SU-k，設(shè)在一次檢測(cè)過程中，其收到的第j個(gè)符號(hào)為：
[0033]

【權(quán)利要求】
1. 一種主用戶多電平環(huán)境下的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)聯(lián)合頻譜感知方法，其特征在于，包 括： 初始化系統(tǒng)參數(shù)，包括主用戶各工作狀態(tài)電平大小、次用戶頻譜感知門限個(gè)數(shù)及各個(gè) 門限大小、以及次用戶在一個(gè)感知時(shí)隙內(nèi)接受的樣本個(gè)數(shù)； 各次用戶分別在本地獨(dú)立完成頻譜感知，得出檢測(cè)主用戶狀態(tài)的結(jié)果； 各次用戶分別將獨(dú)立的頻譜感知結(jié)果匯總到融合中心，融合中心根據(jù)收到的結(jié)果生成 決策向量； 融合中心根據(jù)得到的決策向量，基于多數(shù)人投票原則進(jìn)行決策； 所述主用戶具有兩個(gè)以上的工作電平。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，次用戶獨(dú)立進(jìn)行頻譜感知時(shí)不要求具有主 用戶各電平的先驗(yàn)知識(shí)。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，各次用戶獨(dú)立作出決策并且將判斷結(jié)果發(fā) 至融合中心。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，融合中心在決策前對(duì)收到的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行 匯集，得到?jīng)Q策向量。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，融合中心在進(jìn)行決策融合時(shí)依據(jù)檢測(cè)結(jié)果 匯集的決策向量。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，融合中心的決策過程包括兩個(gè)階段，第一個(gè) 階段為判斷主用戶是否空閑，若不空閑則在第二階段判斷主用戶的具體工作電平，并將判 斷結(jié)果反饋給各次用戶，否則跳過第二階段。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，檢測(cè)概率定義為所有主用戶工作電平正確 檢測(cè)概率之和，或者，定義為所有主用戶狀態(tài)被正確檢測(cè)的概率之和；或者，自行定義。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，決策融合結(jié)果出錯(cuò)的概率隨著錯(cuò)判電平狀 態(tài)與實(shí)際電平狀態(tài)之間間隔狀態(tài)數(shù)的增多而減小。
【文檔編號(hào)】H04W16/14GK104254078SQ201310268346
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】高飛飛, 李家琛, 丁添 申請(qǐng)人:清華大學(xué)