一种基于双门限能量检测的选择式协作频谱感知方法

摘要

本发明公开了一种基于双门限能量检测的选择式协作频谱感知方法，该方法包括以下步骤：1、在主用户信号检测阶段，认知无线电系统中各认知用户采用双门限能量检测方法进行本地频谱感知，如果能量值落在两门限值之外，则可以进行本地判决“H0或H1”；如果能量值落在两门限值之间，认知用户则需保留原始能量检测值；2、在初始检测结果报告阶段，各认知用户平均分配主用户频段，采用选择式策略向融合中心报告各自的初始检测结果，避免了引入参数不可靠的认知检测结果，同时节约了传统的专有控制信道资源；融合中心首先采用等增益准则对接收到的原始能量检测值进行主用户判决，将该判决结果等效为一个节点决策，然后采用“或”准则做出主用户是否存在的最终判决。通过仿真结果表明，本方案可以在不损失ROC性能的前提下，有效地节省专有控制信道资源，同时可获得更高的检测概率。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种频谱感知方法，特别涉 及一种基于双门限能量检测的选择式协作频谱感知方法。

背景技术

随着无线通信业务的持续增长，无线通信系统对频谱资源的需求 不断增加，从而使得无线频谱资源变得越来越稀缺。但是无线频谱资 源是一种不可再生资源，只能对频谱资源再利用，因此研究如何提高 频谱资源的利用率，才能缓解频谱资源稀缺的难题。认知无线电技术 作为一种新兴的智能无线通信技术，突破了传统的固定分配频谱的政 策，通过实时监测目标频段，在对主用户不造成任何干扰的前提下， 允许认知用户“伺机”接入暂时未被主用户使用的空闲频段，有效 的提高了频谱利用率。如果一旦发现主用户重新使用该频段，认知用 户应该及时退出该频段，以保证主用户通信的正常和可靠。

由于无线环境中存在路径损耗、阴影效应、多径效应和隐藏终端 等问题，使得传统单节点检测的检测概率降低，甚至无法检测出主用 户的存在，从而对主用户通信造成干扰。因此协作频谱检测作为能够 提高频谱检测的技术而受到广泛的关注。文献《认知无线电中的协作 频谱感知第一部分：两用户网络》（Cooperative spectrum sensing in  cognitive radio,Part I:Two user networks,G.Ganesan and Y.G.Li, IEEE Transactions on Wireless Communications,2007,6(6):2204-2213） 指出在传统的协作频谱感知方案中，一般均假设认知用户与融合中心 之间存在专有控制信道，但这需要额外的无线频谱资源，并且需要对 专有控制信道资源进行动态管理，增加了系统实现的复杂度。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种针对认知无线电网络的基于双 门限能量检测的选择式协作频谱感知方法，本方法避免协作频谱检测 中难以确定唯一判决门限、多径衰落和阴影衰落等问题，以双门限能 量检测为基础，认知用户平均分配主用户频段，在分配到的时隙上采 用选择式策略向融合中心汇报其初始检测结果；融合中心首先根据等 增益合并准则对原始能量检测值进行判决，将该判决结果等效为一个 节点决策，再通过“或”准则与其他决策节点（指向融合中心报告初 始检测结果H₀或H₁的认知用户）作出主用户是否存在的最终判决， 提高了系统的检测概率。

为实现上述发明目的，本发明基于双门限能量检测的无需专有控 制信道的选择式协作频谱感知的方法，其特征在于，包括以下步骤： 一种基于双门限能量检测的选择式协作频谱感知方法，其特征在于， 包含如下步骤：

（1）、主用户信号检测阶段：

（1a）、认知无线电系统中各认知用户对主用户信号进行本地频 谱感知，得到感知到的主用户能量检测值Y_i；

（1b）、判断各认知用户检测到的主用户能量值Y_i与两门限值λ₁和λ₂的关系，当能量检测值Y_i落在两门限值λ₁和λ₂之外，直接进行本 地判决“H₀或H₁”，H₀表示主用户不存在，H₁表示主用户存在；

（1c）、如果能量检测值Y_i落在两门限值λ₁和λ₂之间，不直接进 行本地判决，认知用户需要保留原始能量检测值Y_i；

（2）初始检测结果报告阶段

（2a）、各认知用户平均分配主用户频段，认知用户在分配到的 子时隙上，将各自的检测结果报告给融合中心；

（2b）采用选择式策略向融合中心汇报初始检测结果，当认知用 户在主用户信号检测阶段未感知到主用户存在，则向融合中心发送一 个经过编码的指示信号，否则不向融合中心发送任何信号以避免和主 用户产生干扰;

(2c)、融合中心对接收到的原始能量检测值Y_i做出主用户判决 “H₀或H₁”，将判决结果等效为一个节点决策，再联合步骤（2b）中 向融合中心汇报的检测结果（包括H₀或H₁）作出主用户是否存在的 最终判决。

进一步的技术方案包括：

步骤（1）中设置2个大小不同的门限值λ₁和λ₂，λ₁＜λ₂，当能 量检测值Y_i＞λ₂时，将检测结果D_i判为1，即主用户信号存在H₁；当 能量检测值Y_i＜λ₁时，将检测结果D_i判为0，即主用户信号不存在H₀； 当能量检测值位于λ₁＜Y_i＜λ₂区间时，则保留原始能量检测值Y_i； 检测结果D_i表示为：

$D_i=\left(\begin{array}{cc}0,& 0<Y_i<{\lambda }_1\\ Y_i,& {\lambda }_1<Y_i<{\lambda }_2\\ 1,& Y_i>{\lambda }_2\end{array},---\left(1\right)\right)$

在步骤（2）中，认知用户CU_i在主用户频段的第i个子信道向融 合中心发送信号β_i(k),融合中心相应的接收信号表示为：

$y_c^i(k,2)=\sqrt{p_s}{h}_{\mathrm{ic}}(k,2){\beta }_i(k,2)+\sqrt{p_p}{h}_{\mathrm{pc}}\left(k\right)\alpha (k,2)+n_c^i(k,2)---\left(2\right)$

其中k表示认知用户分配到的时隙，p_p表示主用户的发射功率， p_s表示认知用户的发射功率；h_ic(k)和h_pc(k)分别表示CU_i到融合中心 和主用户到融合中心的无线信道增益；(k,2)表示零均值和方差为 N₀的加性高斯白噪声；

${\beta }_i\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{D}_i,& H_i(k,1)=H_0\\ 0,& H_i(k,1)=H_1\end{array},---\left(3\right)\right)$

$\alpha (k,2)=\left(\begin{array}{cc}0,& H\left(k\right)=H_0\\ s(k,2),& H\left(k\right)=H_1\end{array},---\left(4\right)\right)$

其中s(k,2)表示主用户在初始检测结果报告阶段的发射信号，根 据式（2）融合中心解码β_i(k)；

根据香农信道编码定理，当认知用户CU_i与融合中心产生中断时， 融合中心在相应子信道上无法接收信号或成功解码，此时融合中心认 为认知用户CU_i没有发送信号，默认CU_i的初始检测结果 H_i(k,2)＝H₁或Y_i；当融合中心在相应子信道上成功接收信号并解码， 那么融合中心认为CU_i发送了信号，即融合中心默认CU_i的初始检测 结果为H_i(k,2)＝H₀；融合中心接收到的来自认知用户CU_i的初始检 测结果表示为：

其中Θ(k,2)＝1表示认知用户CU_i到融合中心之间发生中断，其中μ 表示时间带宽乘积，γ_s表示认知用户发射功率,γ_p表示主用户发射功 率；Θ(k,2)＝0表示认知用户CU_i到融合中心之间没有发生中断；

发生中断表示为：

$\frac{1-a}{M}{\log }_2(1+\frac{{\left|h_{\mathrm{ic}}\left(k\right)\right|}^2{·\gamma }_s{\left|{\beta }_i\left(k\right)\right|}^2}{{\left|h_{\mathrm{pc}}\left(k\right)\right|}^2{·\gamma }_p{\left|\alpha (k,2)\right|}^2+1})<\frac{1}{\mu }---\left(6\right)$

其中a为信号检测开销时间，M为认知用户数量。

在步骤2(c)中，融合中心采用等增益合并准则对接收到的原始 能量检测值Y_i作出主用户判决“H₀或H₁”，再通过“或”准则和步骤 （2b）中向融合中心汇报的检测结果综合作出主用户是否存在的最终 判决。

最终判决对应的感知结果表示为：

（7）其中Y指融合中心采用等增益合并 准则对接收到的原始能量检测值作出的主用户判决结果，H_i(k,2) 为采用逻辑“或”准则对本地判决的检测结果进行处理得到的结果。

本发明的有益效果：本发明采用协作频谱感知技术，避免了因 无线环境中存在路径损耗、阴影效应、多径效应和隐藏终端等问题， 使得传统单节点检测的检测概率降低，甚至无法检测出主用户的存在， 从而对主用户通信造成干扰。由于在传统的协作频谱感知方案中，一 般均假设认知用户与融合中心之间存在专有控制信道，但这需要额外 的无线频谱资源，并且需要对专有控制信道资源进行动态管理，增加 了系统实现的复杂度，本发明抛开传统的专有控制信道，通过平均分 配未被主用户使用的频段，各认知用户在分配到的时隙上通过选择式 的数据传输方案，将初始检测结果汇报给融合中心，避免对主用户通 信产生干扰，有效的提高了检测概率，并提高了频谱利用率。

附图说明

图1为本发明的协作频谱感知系统模型框图；

图2为双门限能量检测判决图；

图3为不同检测概率下，传统方案与改进方案的虚警概率比较性能曲 线图；

图4为不同主用户信号检测开销时间下，虚警概率随检测概率的变化 曲线图；

图5为本发明的基于双门限能量检测的选择式协作频谱感知方法的 流程图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明的原理和具体实施方式作进一步详细描述：

图1所示为本发明的协作频谱感知系统模型图，协作频谱感知系 统中包括一个主用户、M个认知用户和一个信息融合中心。

一种基于双门限能量检测的选择式协作频谱感知方法，包括如下 步骤：

1、主用户信号检测阶段

在时隙k的第一阶段，即主用户信号检测阶段。主用户信号检测阶段 采用的是双门限能量检测方法，通过设置2个大小不同的门限值λ₁ 和λ₂（λ₁＜λ₂）来划分接收信号能量值（图2为双门限能量检测判决 框图），M个认知用户独自对主用户信号进行频谱感知，获得能量检 测值Y_i，i=1,2…M。当能量检测值Y_i＞λ₂时，将检测结果D_i判为1， 即主用户信号存在H₁，当能量检测值Y_i＜λ₁时，将检测结果D_i判为0， 即主用户信号不存在H₀。当检测能量值落在λ₁＜Y_i＜λ₂区间时，则认 知用户保留原始能量检测值Y_i。

则检测结果D_i可表示为：

$D_i=\left(\begin{array}{cc}0,& 0<Y_i<{\lambda }_1\\ Y_i,& {\lambda }_1<Y_i<{\lambda }_2\\ 1,& Y_i>{\lambda }_2\end{array},---\left(1\right)\right)$

2、初始检测结果报告阶段

在时隙k的第二阶段，即初始检测结果报告阶段。各认知用户CU_i平均分配主用户频段，各认知用户CU_i在分配到的子时隙上，将各自 的检测结果报告给融合中心。各认知用户CU_i采用选择式策略向融合 中心汇报初始检测结果，如果认知用户CU_i在主用户检测阶段没有感 知到主用户存在（本地判决结果为H₀的认知用户），则向融合中心发 送一个经过编码后的指示信号；否则不向融合中心发送任何信号以避 免和主用户产生干扰，此时报告给融合中心的检测结果默认为Y_i或 H₁，该检测结果不是通过指示信号的传送报告给融合中心的，而是通 过信号中断这一形式表现的。

认知用户CU_i在主用户频段的第i个子信道向融合中心发送信号 β_i(k),融合中心相应的接收信号可以表示为：

$y_c^i(k,2)=\sqrt{p_s}{h}_{\mathrm{ic}}(k,2){\beta }_i(k,2)+\sqrt{p_p}{h}_{\mathrm{pc}}\left(k\right)\alpha (k,2)+n_c^i(k,2)---\left(2\right)$

其中p_p表示主用户的发射功率，p_s表示认知用户的发射功率；h_ic(k)和 h_pc(k)分别表示CU_i到融合中心和主用户到融合中心的无线信道增益； (k,2)表示零均值和方差为N₀的加性高斯白噪声。

${\beta }_i\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{D}_i,& H_i(k,1)=H_0\\ 0,& H_i(k,1)=H_1\end{array}\right)---\left(3\right)$

$\alpha (k,2)=\left(\begin{array}{cc}0,& H\left(k\right)=H_0\\ s(k,2),& H\left(k\right)=H_1\end{array},---\left(4\right)\right)$

其中s(k,2)表示主用户在时隙k第二阶段的发射信号，根据式（2） 融合中心解码β_i(k)。

根据香农信道编码定理，如果信道容量低于信息传输速率，无论 采用何种解码器都不能正确恢复原始信号，并称为发生中断。当认知 用户CU_i与融合中心产生中断时，融合中心在相应子信道上无法接收 信号或成功解码，此时融合中心认为认知用户CU_i没有发送信号，默 认CU_i的初始检测结果H_i(k,2)＝H₁或Y_i，即认知用户的初始检测结 果为主用户存在或检测值为原始能量值。如果融合中心在相应子信道 上成功接收信号并解码，那么融合中心则认为CU_i发送了信号，即融 合中心默认CU_i的初始检测结果为H_i(k,2)＝H₀。因此，融合中心接 收来自认知用户CU_i的初始检测结果可以表示为：

其中Θ(k,2)＝1表示认知用户CU_i到融合中心之间发生中断，其中 μ表示时间带宽乘积，γ_s表示认知用户发射功率和γ_p表示主用户发射 功率；Θ(k,2)＝0则表示认知用户CU_i到融合中心之间没有发生中断。 发生中断表示为：

$\frac{1-a}{M}{\log }_2(1+\frac{{\left|h_{\mathrm{ic}}\left(k\right)\right|}^2{·\gamma }_s{\left|{\beta }_i\left(k\right)\right|}^2}{{\left|h_{\mathrm{pc}}\left(k\right)\right|}^2{·\gamma }_p{\left|\alpha (k,2)\right|}^2+1})<\frac{1}{\mu }---\left(6\right)$

其中a为信号检测开销时间，M为认知用户数量。

融合中心首先将步骤（1）中保留的并由融合中心接收的原始能量 检测值Y_i进行等增益（EGC）合并融合，作出主用户“H₀或H₁”判决， 将该判决结果等效为一个节点决策，再根据“或”准则与其他决策节 点（针对发送指示信号的认知用户，检测结果为H₀；针对没有发送 指示信号且没有保留原始能量检测值Yi的认知用户，检测结果为H₁） 做出最终的感知结果，即作出主用户是否存在的最终判决。

考虑逻辑“或”准则，感知结果可表示为：（7）

在瑞利衰落信道下，认知无线电系统中认知用户的初始检测概率、 虚警概率、漏检概率分别表示如下：

${\mathrm{Pd}}_i\left(\mu \right)=P\{Y_i>{\lambda }_2|H_1\}$

$={\int }_x{Q}_{\mu }(\sqrt{2\bar{\gamma }},\sqrt{{\lambda }_2})·f_{\gamma }\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(8\right)$

$=e^{-\frac{{\lambda }_2}{2}}\underset{n=0}{\overset{\mu -2}{\Sigma }}\frac{1}{n!}{\left(\frac{{\lambda }_2}{2}\right)}^n+{\left(\frac{1+\bar{\gamma }}{\bar{\gamma }}\right)}^{\mu -1}\left[e^{-\frac{{\lambda }_2}{2(1+\bar{\gamma })}}\right]-e^{-\frac{{\lambda }_2}{2}}\underset{n=0}{\overset{\mu -2}{\Sigma }}\frac{1}{n!}{\left(\frac{{\lambda }_2\bar{\gamma }}{2(1+\bar{\gamma })}\right)}^n]$

${\mathrm{Pm}}_i=1-{\Delta }_{1,j}-{\mathrm{Pd}}_i---\left(9\right)$

${\mathrm{Pf}}_i=P\{Y_i>{\lambda }_2|H_o\}=\frac{\Gamma (\mu ,\frac{{\lambda }_2}{2})}{\Gamma \left(\mu \right)}---\left(10\right)$

其中Q_u表示广义马库姆(Marcum)函数;Γ(μ)和Γ(μ,λ₂/2)表示完 整和不完整Gamma函数；表示平均信噪比，f_γ(x)表示衰落情况下 信噪比的概率分布函数。

根据式（6）、（7）、（8），可以得出采用逻辑“或”准则时，无需 专有控制信道的协作频谱感知在融合中心时的检测概率为：

${\mathrm{Pd}}_{\mathrm{or}}^{\mathrm{proposed}}=1-\underset{K=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}M\\ K\end{array}\right)\underset{i=1}{\overset{K}{\Pi }}\mathrm{Pm}·\underset{j=1}{\overset{M-K}{\Pi }}{\Delta }_{1,j}·\{1-{\mathrm{Pd}}_j[(M-K)·\mu \left]\right\}-\underset{i=1}{\overset{M}{\Pi }}\mathrm{Pm}$

（11）

式中

其表 示主用户存在时检测量Y_i落在门限值λ₁和λ₂之间的概率。和分别表示认知用户CUi到融合中心的无线信道增益h_ic(k)所服从的均 值和主用户到融合中心的无线信道增益h_pc(k)所服从的均值。

根据式（6）、（7）、（10），可以得出采用逻辑“或”准则时，无 需专有控制信道的协作频谱感知在融合中心时的虚警概率为：

${\mathrm{Pf}}_{\mathrm{or}}^{\mathrm{proposed}}=1-\underset{K=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}M\\ K\end{array}\right)\underset{i=1}{\overset{K}{\Pi }}\mathrm{Pn}·\underset{j=1}{\overset{M-K}{\Pi }}{\Delta }_{0,j}·\{1-\frac{\Gamma \left\{\right[(M-K)·\mu ],\frac{\lambda }{2}\}}{\Gamma [(M-K)·\mu ]}\}-\underset{i=1}{\overset{M}{\Pi }}\mathrm{Pn}$

（13）

式中

Δ_0,j＝P{λ₁＜Y_i＜λ₂|H₀}表示主用户不存在时检测量Y_i落在门限 值λ₁和λ₂之间的概率。

本发明提出的基于双门限能量检测的无需专有控制信道的选择 式协作频谱感知的方法的虚警概率与传统的双门限能量检测法的虚 警概率比较可参阅图3。从图3可以看出，在低检测概率区域所提出 的协作频谱感知方案的虚警概率明显大于传统的协作频谱感知方案， 这是因为为了保证主用户通信服务质量不受影响，使得认知用户的初 始检测概率Pd_i必须满足一定的门限值条件（如式（15）所示）；

${\mathrm{Pd}}_i\ge 1-\frac{{\gamma }_p·{\sigma }_{\mathrm{pd}}^2·M[1-{(1-\mathrm{Pout})}^{1/M}]}{{\gamma }_s·{\sigma }_{\mathrm{id}}^2·{(1-\mathrm{Pout})}^{1/M}·(2^{R_p}-1)}---\left(15\right)$

Pout表示给定的主用户通信中断概率门限，R_p表示主用户数据传输 速率。

在高检测概率区域，提出的协作频谱感知方案的虚警概率几乎 与传统的协作频谱感知方案一样，实际的认知无线电系统中，例如 IEEE无线区域网标准规定频谱感知的检测概率必须大于0.9，从这角 度上看本文提出的方案在不损失ROC性能的前提下，有效地节省了 专有报告信道资源。

图4给出了不同主用户信号检测开销时间下，虚警概率随检测概 率的变化曲线。从图4可以看出通过合理的增加主用户信号的检测时 间，可以有效的改善认知用户的初始检测性能，本发明方案的虚警概 率也随之下降。

综上所述本发明的方法的贡献在于：

1、采用协作频谱感知技术，避免因无线环境中存在路径损耗、阴影 效应、多径效应和隐藏终端等问题，使得传统单节点检测的检测概率 降低，甚至无法检测出主用户的存在，从而对主用户通信造成干扰。

2、采用选择式策略汇报检测结果技术，避免了一些检测结果不可靠 的数据传输到融合中心，降低了融合中心数据处理的复杂度，同时避 免了对主用户通信的干扰。

3、采用无需专有控制信道技术，减少因传统的协作频谱感知方案中 假设认知用户与融合中心之间存在专有控制信道，减少了额外的无线 频谱资源，避免了对专有控制信道资源进行动态管理，降低了系统实 现的复杂度。

4、采用双门限能量检测技术，避免了协作频谱检测中存在难以确定 唯一判决门限、多径衰落和阴影衰落等问题。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的 方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。