一種新型的基于能量檢測的雙門限協(xié)作頻譜感知算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線系統(tǒng)的頻譜感知技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 頻譜感知是認(rèn)知無線系統(tǒng)最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，目前各個(gè)國家都在開展研究，頻 譜感知的主要任務(wù)是快速識(shí)別出信道占用狀況，確定哪些頻段為空閑頻段，從而將其賦給 次用戶進(jìn)行通信。在實(shí)際運(yùn)行的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，往往有很多個(gè)認(rèn)知用戶和授權(quán)用戶存在。 若授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)覆蓋范圍半徑為R，認(rèn)知用戶1、2、3在此區(qū)域內(nèi)，認(rèn)知用戶4落在此區(qū)域 外。當(dāng)認(rèn)知用戶1和認(rèn)知用戶3與授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)之間有巨大障礙物時(shí)，認(rèn)知用戶1和認(rèn) 知用戶3將處于不利的位置上，極有可能無法接收到授權(quán)用戶的信號(hào)信息；認(rèn)知用戶4由于 處于所覆蓋范圍外，可能根本接收不到授權(quán)用戶信息，這些情況都導(dǎo)致認(rèn)知用戶無法判斷 出授權(quán)用戶是否存在，從而導(dǎo)致認(rèn)知用戶做出錯(cuò)誤的頻譜檢測判決。
[0003] 認(rèn)知用戶單獨(dú)的對(duì)頻譜進(jìn)行檢測，由于所在的位置不同，實(shí)際通信信道受到外界 各種干擾源的影響、遮蔽效應(yīng)以及多徑衰落均不相同，信道性能好的，衰減小的認(rèn)知用戶能 更準(zhǔn)確的檢測授權(quán)用戶是否存在，而信道性能差的處在惡劣條件下認(rèn)知用戶則不能很好的 檢測授權(quán)用戶是否存在，會(huì)出現(xiàn)隱蔽終端問題，但依據(jù)判決結(jié)果卻強(qiáng)行占用信道，顯然基于 單個(gè)認(rèn)知用戶頻譜檢測具有一定的局限性，判決結(jié)果具有一定的不確定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種一種新型的基于能量檢測的雙門限協(xié)作頻譜感知算法， 是為了解決現(xiàn)有快速識(shí)別出信道占用狀況時(shí)，但依據(jù)判決結(jié)果卻強(qiáng)行占用信道，顯然基于 單個(gè)認(rèn)知用戶頻譜檢測具有一定的局限性，判決結(jié)果存在一定的不確定性的問題。
[0005] 所述的目的是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的：所述的一種新型的基于能量檢測的雙門限協(xié) 作頻譜感知算法，它的方法步驟為：
[0006] 步驟一：考慮一個(gè)中心單元或者基站和M個(gè)認(rèn)知用戶參與合作頻譜感知；中心單 元負(fù)責(zé)管理認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)和所有的M個(gè)合作認(rèn)知用戶；在此網(wǎng)絡(luò)中假設(shè)每個(gè)認(rèn)知用戶進(jìn) 行本地感知的過程是相互獨(dú)立的，均采用雙門限能量頻譜感知算法來進(jìn)行；第i個(gè)合作認(rèn) 知用戶的感知情況，檢測模型表示如下：
[0008] 式中，s(n)為輸入的授權(quán)用戶信息，假設(shè)服從均值為零，方差為< 的正態(tài)分布， w(n)為高斯白噪聲，服從均值為零，方差為^4的正態(tài)分布，&表示測試端只有噪聲,H1表示 測試端有授權(quán)用戶信息和噪聲，假設(shè)噪聲采樣值相互獨(dú)立同分布，并且與信號(hào)采樣值也相 互獨(dú)立，則在Η。下$~,V(0，cr,;/)，在氏下X,.~+σ·、:)/]，也即在N個(gè)抽樣求和后， 輸出統(tǒng)計(jì)量T1可以表示為：
[0010] 協(xié)作頻譜檢測充分利用各個(gè)認(rèn)知用戶感知數(shù)據(jù)信息，顯著提高頻譜感知結(jié)果的可 靠性能，因此我們采用了基于能量檢測的雙門限的協(xié)作頻譜感知策略；
[0011] 步驟二：.每個(gè)參與合作頻譜感知的認(rèn)知用戶首先檢查它所接收到的授權(quán)用戶信 號(hào)的能量；判決能量統(tǒng)計(jì)量Ti是否小于門限λ。或者大于等于門限λ i，小于門限λ。則認(rèn) 為所感知的授權(quán)信道當(dāng)前空閑，判決為大于等于門限A1，則認(rèn)為授權(quán)用戶正在使用當(dāng) 前頻段，判決為" 1";我們用D1表示第i個(gè)用戶的本地感知結(jié)果，D i取數(shù)據(jù)"0"或" 1"，判決 結(jié)果送入融合中心，融合中心根據(jù)本地的感知結(jié)果，采用自適應(yīng)K秩硬融合策略：下面 對(duì)對(duì)K秩硬融合準(zhǔn)則判決進(jìn)行分析，假設(shè)一共有M個(gè)認(rèn)知用戶參與協(xié)作感知，基于能量感知 的雙門限算法的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，其k秩融合策略聯(lián)合檢測概率和虛警概率表達(dá)式為：
[0014] k= 1即為"或"融合，k = M即為"與"融合；傳統(tǒng)的K秩融合投票門限值固定， 一般為尤2I，其中「"|為ceiling函數(shù)，此時(shí)稱為Majority準(zhǔn)則；對(duì)頻譜狀態(tài)作出判 決，判決結(jié)果用R1來表示，表達(dá)式可寫為：
[0016] 若&為1，表示融合中心判決授權(quán)用戶存在，授權(quán)用戶不可以占用信道；若1為0， 判決授權(quán)用戶不存在，授權(quán)用戶可以接入信道進(jìn)行通信；
[0017] 步驟三：如果Ti落入由門限λ。和λ i構(gòu)成的不可靠區(qū)間，g卩λ。彡Ti〈 λ i，則第i 個(gè)合作認(rèn)知用戶將自己接收到的信號(hào)直接上傳到融合中心，在融合中心采用EGC軟融合策 略數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，并與軟融合門限值進(jìn)行比較，并作出判決，采用EGC準(zhǔn)則的融合中心 的檢測過程可以表示為：
[0018]
[0019] 其中，Xecc為預(yù)設(shè)門限值；文獻(xiàn)[6]指出Φ Eec服從正態(tài)分布：
[0021] 其中，γι表示第i個(gè)用戶的接收信噪比，N表示采樣點(diǎn)數(shù)，M表示認(rèn)知用戶數(shù)；所 以聯(lián)合檢測概率和虛警概率為：
M
[0024] 式中，F(xiàn) = ￡.?為信息融合中心瞬時(shí)信噪比； H-
[0025] 采用EGC準(zhǔn)則，參與的M個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)將本地的感知觀測值Ti直接傳送給融合中 心，融合中心再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，若各節(jié)點(diǎn)權(quán)值取l/νΥ/'融合中心接收的信號(hào)：
[0027] 將判決結(jié)果傳送給用戶，若判決結(jié)果用R2來表示，表達(dá)式可寫為判決規(guī)則如下：
[0029] 其中，
，若馬為1，表示融合中心判決授權(quán)用戶存在，認(rèn)知用戶不 可以占用信道；若馬為〇,表示融合中心判決授權(quán)用戶不存在，認(rèn)知用戶可以接入信道進(jìn)行 通信。
[0030] 本發(fā)明通過將K秩融合策略和EGC軟融合策略的有效結(jié)合，有效的提升合作頻譜 感知效率，節(jié)省系統(tǒng)開銷，相比較單用戶自適應(yīng)雙門限能量檢測，多融合準(zhǔn)則的雙門限協(xié)作 頻譜感知算法檢測，性能得到有效提高，通過仿真，驗(yàn)證了該策略的有效性、優(yōu)越性。
【附圖說明】
[0031] 圖1是雙門限能量檢測硬合并和軟合并相結(jié)合結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0032] 圖2是三種方法不同信噪比下檢測性能比較示意圖；
[0033] 圖3是三種算法上傳數(shù)據(jù)量曲線比較示意圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0034] 一：結(jié)合圖1、圖2、圖3所示，它的方法步驟為：
[0035] 步驟一：考慮一個(gè)中心單元或者基站和M個(gè)認(rèn)知用戶參與合作頻譜感知；中心單 元負(fù)責(zé)管理認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)和所有的M個(gè)合作認(rèn)知用戶；在此網(wǎng)絡(luò)中假設(shè)每個(gè)認(rèn)知用戶進(jìn) 行本地感知的過程是相互獨(dú)立的，均采用雙門限能量頻譜感知算法來進(jìn)行；第i個(gè)合作認(rèn) 知用戶的感知情況，檢測模型表示如下：
[0037] 式中，s(n)為輸入的授權(quán)用戶信息，假設(shè)服從均值為零，方差為ex]的正態(tài)分布， w (η)為高斯白噪聲，服從均值為零，方差為的正態(tài)分布，H。表示測試端只有噪聲，H i表示 測試端有授權(quán)用戶信息和噪聲，假設(shè)噪聲采樣值相互獨(dú)立同分布，并且與信號(hào)采樣值也相 互獨(dú)立，則在H。下弋~，.在氏下a~Λ1〇,((Τ,:? +σ])/]:，也即在N個(gè)抽樣求和后， 輸出統(tǒng)計(jì)量T1可以表示為：
[0039] 協(xié)作頻譜檢測充分利用各個(gè)認(rèn)知用戶感知數(shù)據(jù)信息，顯著提高頻譜感知結(jié)果的可 靠性能，因此我們采用了基于能量檢測的雙門限的協(xié)作頻譜感知策略；
[0040] 步驟二：.每個(gè)參與合作頻譜感知的認(rèn)知用戶首先檢查它所接收到的授權(quán)用戶信 號(hào)的能量；判決能量統(tǒng)計(jì)量Ti是否小于門限λ?；蛘叽笥诘扔陂T限λ i，小于門限λ。則認(rèn) 為所感知的授權(quán)信道當(dāng)前空閑，判決為大于等于門限A1，則認(rèn)為授權(quán)用戶正在使用當(dāng) 前頻段，判決為" 1";我們用D1表示第i個(gè)用戶的本地感知結(jié)果，D i取數(shù)據(jù)"0"或" 1"，判決 結(jié)果送入融合中心，融合中心根據(jù)本地的感知結(jié)果，采用自適應(yīng)K秩硬融合策略：下面 對(duì)對(duì)K秩硬融合準(zhǔn)則判決進(jìn)行分析，假設(shè)一共有M個(gè)認(rèn)知用戶參與協(xié)作感知，基于能量感知 的雙門限算法的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，其k秩融合策略聯(lián)合檢測概率和虛警概率表達(dá)式為：

[0043] k= 1即為"或"融合，k = M即為"與"融合；傳統(tǒng)的K秩融合投票門限值固定， 一般為C :=.「M 其中? 1為ceiIing函數(shù)，此時(shí)稱為Majority準(zhǔn)則；對(duì)頻譜狀態(tài)作出判 決，判決結(jié)果用R1來表示，表達(dá)式可寫為：
[0045] 若&為1，表示融合中心判決授權(quán)用戶存在，授權(quán)用戶不可以占用信道；若1為0， 判決授權(quán)用戶不存在，授權(quán)用戶可以接入信道進(jìn)行通信；
[0046] 步驟三：如果Ti落入由門限λ，λ i構(gòu)成的不可靠區(qū)間，即λ ATi〈 λ i，則第i 個(gè)合作認(rèn)知用戶將自己接收到的信號(hào)直接上傳到融合中心，在融合中心采用EGC軟融合策 略數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，并與軟融合門限值進(jìn)行比較，并作出判決，采用EGC準(zhǔn)則的融合中心 的檢測過程可以表示為：
[0048] 其中，Xecc為預(yù)設(shè)門限值；文獻(xiàn)[6]指出Φ Eec服從正態(tài)分布：
[0050] 其中，Y1表示第i個(gè)用戶的接收信噪比，N表示采樣點(diǎn)數(shù)，M表示認(rèn)知用戶數(shù)；所 以聯(lián)合檢測概率和虛警概率為：
[0053] 式中，
為信息融合中心瞬時(shí)信噪比；
[0054] 采用EGC準(zhǔn)則，參與的M個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)將本地的感知觀測值Ti直接傳送給融合中 心，融合中心再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，若各節(jié)點(diǎn)權(quán)值取I/W，融合中心接收的信號(hào)：
[0056] 將判決結(jié)果傳送給用戶，若判決結(jié)果用R2來表示，表達(dá)式可寫為判決規(guī)則如下：
[0058] 其中，
I若私為1，表示融合中心判決授權(quán)用戶存在，認(rèn)知用戶不