基于差分能量检测的双门限协作频谱感知方法

摘要

本发明公开了一种基于差分能量检测的双门限协作频谱感知方法，该方法解决了能量检测中能量门限易受噪声不确定性影响和传统双门限方法存在感知失败的问题。本发明首先对每个认知用户进行本地感知，在传统双门限能量检测的基础上，对处于双门限之间的能量值采用差分能量检测，对处于双门限之外的能量值采用传统能量检测；然后将每个认知用户的本地判决结果发送至系统融合中心，采用“OR”融合准则得到系统总判决结果。本发明方法结合了差分检测和双门限检测都能够克服噪声不确定性影响的优点，使得基于能量检测的认知无线电频谱感知性能得到了进一步提高。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机无线通信技术领域，特别涉及一种基于差分能量检测的双门限协作频谱感知方法。

背景技术

随着我国计算机无线电技术的飞速发展，无线频谱资源日益匮乏，原有现有的基于授权的静态频谱分配方式已不能很好地适应时代的发展要求。据调查统计发现，目前大部分授权频段大多数时间是处于空闲状态，利用率很低。而与此同时，某些未授权频段却因竞争使用而拥挤不堪（如手机通信频段）。在此情况下，如何能够有效地提高频谱利用率认知无线电技术已成为当前研究的热点。

认知无线电技术的两个最主要目标是高度可靠的通信方式以及高效的频谱利用效率。频谱感知技术是认知无线电的关键技术之一，在确保不对授权用户产生干扰的情况下，检测频谱空穴，并监测授权用户（即主用户）信号活动状态。通过允许非授权用户（即认知用户）与授权用户共享频谱来提高无线频谱利用率。

常用的频谱感知方法有能量检测、匹配滤波器检测、循环平稳检测、基于协方差特征值检测等。匹配滤波器检测能获得最佳的性能，但其主要缺点是需要预知主用户的完整信息。循环平稳检测利用通信信号具有循环平稳特性而高斯噪声不具有循环平稳特性这一特点区分主用户信号和噪声，检测性能好，但其复杂度和计算量较高。能量检测是最简捷的频谱感知方法，它通过比较能量检测值与预先设定的能量阈值来检测主用户信号。但能量阈值与信道噪声水平有关，易受噪声不确定性影响。

目前，针对能量检测中噪声不确定性的问题，已有多种解决方法，例如：一种差分检测方法，该方法的主要特点是以能量差值作为检测统计量，避免了噪声不确定性的影响。差分检测的原理是：在只有噪声信号的情况下，信道能量大小变化很小，可以忽略；而当主用户突然出现，信道能量会突然增大，因此可以通过观测能量的差值来判断信道状态。另有一种双门限能量检测方法，通过设置两个能量门限来缓解噪声不确定性的影响，该方法将观测能量划分为三个区域，对双门限之外的区域进行融合判决，但对双门限之间的区域不予融合判决，因此大大降低了感知信息的利用率，并且当所有能量值都处于两个门限之间时，便会造成感知失败问题。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于针对现有的认知无线电系统中传统双门限能量检测的感知失败问题，提出一种基于差分能量检测的双门限协作检测方法。该方法是在传统双门限能量检测的基础上，在双门限之间采用差分检测方法，在双门限之外采用传统能量检测方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提出了一种基于差分能量检测的双门限协作频谱感知方法，该方法是采用传统的二元假设模型，H₀表示授权频段未被主用户占用，处于空闲状态，认知用户可以使用频谱；H₁表示授权频段正在被主用户占用，处于繁忙状态，认知用户不可以使用频谱。本发明中认知系统的模型为：一个主用户、K个认知用户，信号采样数为N，并假设信道噪声为加性高斯白噪声，忽略信道衰落和阴影效应。本发明采用“或”融合判决准则进行协作频谱感知，即当一个或一个以上认知用户判决为主用户信号存在时，则认为主用户占用授权频道；当所有认知用户都判决为主用户信号不存在时，则认为主用户未占用授权信道。

方法流程：

步骤1：每个认知用户分别接收授权信道上的信号，并计算能量统计值Y。

步骤2：比较上述步骤1中得到的能量统计值Y和两个预先设置的能量门限值λ₁、λ₂（λ₁>λ₂）；如果Y≥λ₁，则表明主用户正在占用授权信道，判决结果为“1”；否则如果Y>λ₂，即信号能量位于双门限之间，则采用差分能量检测，转步骤3；如果Y<λ₂，则表明主用户未占用授权信道，判决结果为“0”；

步骤3：根据上述步骤1，计算能量差值ΔY_i和平均能量差值ΔY。根据差分检测原理，如果ΔY_i≥c·ΔY，则表明主用户正在占用授权信道，判决结果为“1”；否则表明主用户未占用授权信道，判决结果为“0”。c为预先设置的判决系数，大小取决于噪声不确定度的大小。

步骤4：将每个认知用户的判决结果“0”或“1”发送至系统融合中心，系统融合中心采用“OR”准则进行判决，即当一个或一个以上认知用户判决为主用户信号存在时，则认为主用户占用授权频道；当所有认知用户都判决为主用户信号不存在时，则认为主用户未占用授权信道。

有益效果：

1、本发明的实现过程简单，具有无需主用户信道先验信息的特点。

2、本发明的结合了双门限检测和差分检测都能够克服噪声不确定性影响使得基于能量检测的认知无线电频谱感知性能得到了进一步的提高。

附图说明

图1为本发明的认知无线电系统能量检测原理框图。

图2为本发明的协作感知框图。

图3本发明方法的单用户检测流程框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，首先通过带通滤波器对认知用户接收到的信号进行滤波，随后将带通滤波器的输出进行平方运算，并对该信号在某个固定的周期内进行积分，得到信号的能量统计值，最后，将该能量统计值与一个预先设定的能量门限值进行比较，如果大于门限值则表示主用户正在占用授权信道，否则表示主用户未占用授权信道。

如图2所示，每个认知用户首先采用基于差分能量检测的双门限检测方法进行本地判决，然后将本地判决结果发送至系统融合中心，采用“OR”准则得出系统总判决结果。

如图3所示，本发明的单用户检测步骤如下：

步骤1：每个认知用户分别接收授权信道上的信号，并计算能量统计值Y。

步骤2：比较上述步骤1中得到的能量统计值Y和两个预先设置的能量门限值λ₁、λ₂（λ₁>λ₂）；如果Y≥λ₁，则表明主用户正在占用授权信道，判决结果为“1”；否则如果Y>λ₂，即信号能量位于双门限之间，则采用差分能量检测，转步骤3；如果Y<λ₂，则表明主用户未占用授权信道，判决结果为“0”；

步骤3：根据上述步骤1，计算能量差值ΔY_i和平均能量差值ΔY。根据差分检测原理，如果ΔY_i≥c·ΔY，则表明主用户正在占用授权信道，判决结果为“1”；否则表明主用户未占用授权信道，判决结果为“0”。c为预先设置的判决系数，大小取决于噪声不确定度的大小。

综上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。在发明所披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明所揭露的技术范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。