基于重叠联盟博弈的认知无线电合作频谱感知机制

摘要

本发明公开了基于重叠联盟博弈的认知无线电合作频谱感知机制，它包含以下阶段：（1）联盟形成阶段，包括以下步骤：S1、生成节点效用函数并设置其效用门限；S2、网络中的设备通过结为不同的联盟，在经历有限次操作之后形成固定的联盟结构；（2）数据融合阶段，包括以下步骤:S1、每个设备用户广播自身的探测数据；S2、融合的数据；S3、判断出周围的频谱利用情况。本发明的有益效果是：采用分布式的融合机制，各个设备能够自行组织成一个个空间可重叠的联盟，每个联盟内部设备可以共享成员的检测数据，在有效降低了数据传输开销的前提下，完成多用户数据融合，提高了频谱检测准确度，并能够提供更为精细的空间频谱探测。

说明书

技术领域

本发明涉及基于重叠联盟博弈的认知无线电合作频谱感知机制，属于网络 传媒技术技术领域。

背景技术

认知无线电技术是一种旨在提高频谱利用效率的新型技术，该技术通过频 谱感知能够探测到授权频段中未被利用的频谱空隙，在不影响原授权用户的情 况下利用该空隙进行通信，从而提高整个频谱的利用率。在无线通信业务速率 爆炸式增长，频谱资源日益紧张的背景下，认知无线电被认为是一种潜在的挖 掘频谱效率从而提高频谱利用率的有效方法。

认知无线电的关键技术包括：频谱感知、物理层传输技术、无线资源管理、 路由技术、传输层技术、跨层设计及优化、网络安全技术。其中，频谱感知技 术是整个认知无线电最核心的技术，能够在某时、某地准确感知是否存在频谱 空闲频段，以供非授权设备接入该频段；同时还能随之监测是否有新的授权用 户接入该频段，从而使非授权设备及时退出频段，避免对授权用户的干扰。

目前的频谱感知技术可以分为两大类：一类是辅助频谱感知，即从外部获 得频谱利用信息，需要对原授权系统进行一定的调整或增强，包括基于信标、 频谱数据库、频谱代理等方法；另一类是独立频谱感知，不需要对原授权频谱 进行任何改动，直接通过物理设备检测频谱，从而判断当前的频谱状态。由于 独立频谱感知不需要对原授权系统进行任何改动，因而受到了更为广泛的关 注。在独立频谱感知中，包括基于单个设备的频谱检测，以及基于多个设备的 合作频谱检测。在单设备频谱检测中，主要用到的技术包括：匹配滤波器检测、 能量检测、循环平稳特征检测、延时相关性检测等。在多设备检测中，继承了 单设备检测的技术，但通过认知无线电基站融合基站范围内多个设备上传的检 测结果来提高检测的准确程度，这些融合机制一般包括：OR规则、AND规则以 及K-out-of-N规则。

现有的合作频谱检测技术基于一个独立的认知无线电基站，一方面由于基 站范围较大，负责的非授权设备较多，距离用户设备较远，用户上传自身的频 谱检测数据往往需要消耗大量的带宽；另一方面，基站集中式的机制只能把整 个基站范围作为一个整体判断频谱使用情况，使得一些小区域内的频谱空隙无 法发现，从而浪费了可能的本地通信机会。

发明内容

本发明的目的在于提供基于重叠联盟博弈的认知无线电合作频谱感知机 制，能克服现有技术的不足，能够降低检测数据交换带来的带宽消耗，并同时 提供本地的频谱空隙情况。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于重叠联盟博弈的认知无 线电合作频谱感知机制，它包含以下阶段：

（1）、联盟形成阶段，包括以下步骤:

S1、生成节点效用函数并设置其效用门限：用户确定认知无线电网络中的 每点根据通信需求、信号特征、地理位置的参数生成该节点的效用函数U并用 户同时设置自身的“效用门限”α，然后确定用户需要探测频谱空隙的空间需 求范围Ar和电池容量Bl，该空间需求范围Ar包括发射节点和接收节点且能够 覆盖信号影响到的所有区域，

效用函数U为正效用和负效用的差值，其表达式为

U＝U⁺(r_s,ρ_s)-U^-(B_l,D_max),

正效用的表达式为U⁺(r_s,ρ_s)＝f(r_s)g(ρ_s)，

负效用的表达式为U-(Bl，D_max)=h(B_l)w(D_max)

其中，ρ_s为感知密度，定义为有效感知范围内包含k个联盟的节点的密度， ${\rho }_s=\frac{\left|S_e\right|}{\left|A_e\right|},$

S_e＝{i|i∈∪S_j,i in A_s}；

r_s为感知比，定义为有效感知范围与需求范围之比，即

有效感知范围为感知范围与需求范围之交，即A_e＝A_r∩A_s；

感知范围A_s为用户参与了的k个联盟中每个联盟相应的覆盖范围是A_i之 交，

$A_s={\cap }_{i=1}^k{A}_i$

Dmax为用户参与的k个联盟中联盟成员鉴距离该用户最远距离；

S2、网络中的设备通过结为不同的联盟，在经历有限次操作之后形成固定 的联盟结构；

（2）、数据融合阶段，包括以下步骤:

S1、每个设备用户广播自身的探测数据，保证Dmax距离内使得所有和自 己处于至少一个相同联盟的设备都能够正确解调数据；

S2、用户根据收到的检测数据，结合自身的检测数据，采用OR或者AND 规则得到融合的数据；

S3、用户根据融合数据判断空间需求范围Ar内是否含有频谱空隙，从而 判断出周围的频谱利用情况。

所述的正效用体现联盟成员的探测数据能够为节点设备频谱感知带来的 好处，其中，正效用中的函数f是定义域在0～1上的增函数，g是正实数域上 的非负非减的凹函数，具体形式可以自由选取。

所述的负效用体现为了履行联盟义务，即广播自身检测数据给所有所在联 盟成员以及需要付出的带宽开销和能量开销，其中，负效用中的函数h和w都 是正实数域上的非负单调减函数，具体形式可以自由选取。

所述的步骤S2包括以下步骤：

a、初始化时，每个用户自己形成一个独立的联盟，计算初始效用U0；

b、然后用户尝试加入新的联盟或者从已经加入的联盟中退出：

加入新联盟时，要求用户加入后的效用Unew要大于未加入之前的效用 Uold，且该联盟其他成员的效用或者有所提高，或者虽然下降但仍大于其效用 门限；在退出联盟时，仅要求用户退出后的效用Unew要大于未退出之前的效 用Uold；

其中，在决定具体加入或退出哪个联盟时，可以采用贪心算法，即在所有 可行联盟中选择当前最优的联盟加入或退出；

c、在经过有限的K次动作后，或者等待很长时间都没有可行的操作时， 用户不再加入或退出联盟，此时得到固定的联盟结构。

本发明的有益效果在于：采用分布式的融合机制，各个设备能够自行组织 成一个个空间可重叠的联盟，每个联盟内部设备可以共享成员的检测数据，在 有效降低了数据传输开销的前提下，完成多用户数据融合，提高了频谱检测准 确度，并能够提供更为精细的空间频谱探测。

附图说明

图1为本发明联盟形成阶段单个用户流程图；

图2为本发明联盟结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限 于所述。

基于重叠联盟博弈的认知无线电合作频谱感知机制，它包含以下阶段：

（1）、联盟形成阶段，包括以下步骤:

S1、生成节点效用函数并设置其效用门限：用户确定认知无线电网络中的 每点根据通信需求、信号特征、地理位置的参数生成该节点的效用函数U并用 户同时设置自身的“效用门限”α，然后确定用户需要探测频谱空隙的空间需 求范围Ar和电池容量B_l，该空间需求范围Ar包括发射节点和接收节点且能够 覆盖信号影响到的所有区域，

效用函数U为正效用和负效用的差值，其表达式为

U=U+(r_s,ρ_s)-U^-(B_l,D_max),

正效用的表达式为U+(r_s,ρ_s)＝f(r_s)g(ρ_s)，

负效用的表达式为U-(B_l，Dmax)=h(B_l)w(Dmax)，

其中，ρ_s为感知密度，定义为有效感知范围内包含k个联盟的节点的密度， ${\rho }_s=\frac{\left|S_e\right|}{\left|A_e\right|},$

S_e={i|i∈∪S_j,i in A_s}；

r_s为感知比，定义为有效感知范围与需求范围之比，即

有效感知范围为感知范围与需求范围之交，即A_e＝A_r∩A_s；

感知范围A_s为用户参与了的k个联盟中每个联盟相应的覆盖范围是A_i之 交，

$A_s={\cap }_{i=1}^k{A}_i$

Dmax为用户参与的k个联盟中联盟成员鉴距离该用户最远距离；

S2、网络中的设备通过结为不同的联盟，在经历有限次操作之后形成固定 的联盟结构；

（2）、数据融合阶段，包括以下步骤:

S1、每个设备用户广播自身的探测数据，保证Dmax距离内使得所有和自 己处于至少一个相同联盟的设备都能够正确解调数据；

S2、用户根据收到的检测数据，结合自身的检测数据，采用OR或者AND 规则得到融合的数据；

S3、用户根据融合数据判断空间需求范围Ar内是否含有频谱空隙，从而 判断出周围的频谱利用情况。

所述的正效用体现联盟成员的探测数据能够为节点设备频谱感知带来的 好处，其中，正效用中的函数f是定义域在0～1上的增函数，g是正实数域上 的非负非减的凹函数，具体形式可以自由选取。

所述的负效用体现为了履行联盟义务，即广播自身检测数据给所有所在联 盟成员以及需要付出的带宽开销和能量开销，其中，负效用中的函数h和w都 是正实数域上的非负单调减函数，具体形式可以自由选取。

如图1，所述的步骤S2包括以下步骤：

a、初始化时，每个用户自己形成一个独立的联盟，计算初始效用U0；

b、然后用户尝试加入新的联盟或者从已经加入的联盟中退出：

加入新联盟时，要求用户加入后的效用Unew要大于未加入之前的效用 Uold，且该联盟其他成员的效用或者有所提高，或者虽然下降但仍大于其效用 门限；在退出联盟时，仅要求用户退出后的效用Unew要大于未退出之前的效 用Uold；

其中，在决定具体加入或退出哪个联盟时，可以采用贪心算法，即在所有 可行联盟中选择当前最优的联盟加入或退出；

c、在经过有限的K次动作后，或者等待很长时间都没有可行的操作时， 用户不再加入或退出联盟，此时得到固定的联盟结构。

图2给出了一个简单的示意图，其中用户1、用户2、用户3组成联盟1 负责为用户2和用户1到基站的通信探测可用的频谱空穴；用户2、用户3、 用户4组成的联盟2负责为用户3到用户4的通信探测本地频谱空穴，当此联 盟结构形成后，用户1可以得到用户1、用户2、用户3的数据，用户4可以 得到用户2、用户3、用户4的数据，而用户2和用户3可以得到全部四个用 户的数据。

本发明提出的一种分布式的频谱感知机制，根据此机制，用户设备将不再 向认知无线电基站上传检测数据，而是通过效用函数的引导自由地组织为多个 可重叠的本地联盟，然后，每个联盟内部通过广播方式交换检测数据，完成数 据融合和频谱感知。一方面，通过参数控制，可以使本地联盟的地理尺度远小 于小区半径，这使得联盟内部的数据交换消耗的带宽远小于传统的基站集中式 上传机制；另一方面，由于联盟具有天然的地理属性，使得每个设备收到的检 测数据都更能反映本地的频谱使用情况，从而使得小范围内的频谱空隙能够被 利用。