一种感知无线电中空闲频谱的双次协作检测方法

摘要

本发明申请保护一种感知无线电系统中空闲频谱检测的双次协作检测方法，涉及无线通信系统。该方法是将传统协作检测算法中参与协作的多个感知用户划分到不同的群里，需要通信的感知用户为该群的群首，然后通过群内协作以及群间协作来达到减少控制信道开销和提高系统检测性能的目的。群内感知用户采用能量检测算法本地判断授权给主用户的某频段上是否存在主用户信号，并将本地判断结果传送到群首，群首融合这些本地判决作出群判决结果，感知基站对群判决结果进一步融合判决，从而得到该系统的最终判决。采用本方法很大程度上减少了传递给感知基站的判决结果比特数，这样就大大节省了控制信道的带宽，检测性能得到了提升。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及感知无线电技术。

背景技术

感知无线电是一种无线电系统，它能够自动地检测周围的环境情况，智能地调整系统的参数以适应环境的变化，在不对授权用户(下文简称为主用户)造成干扰的条件下从空间、频率、时间等多维地利用空闲频谱资源进行通信。感知无线电系统中，空闲频谱检测技术是决定感知无线电技术能否实现的关键技术。空闲频谱检测算法主要可以分为两大类：多用户合作的协作检测算法以及单用户的本地频谱检测算法。

协作检测算法中，主用户发射端检测是感知用户通过分析侦听到的信号中是否存在主用户信号来判断频谱的使用状态，它是一种未知主用户接收端位置情况下的检测。常用的算法有匹配滤波器检测算法、能量检测算法及循环平稳特征检测算法。主用户接收端检测是相对于主用户发射端检测而言的，它是通过判断主用户接收端是否处于工作状态来判断主用户系统是否正在使用感兴趣频谱的方法。常用的主用户接收端检测的算法：本振泄露检测和基于干扰温度的检测。

由于感知无线电用户(下文简称为感知用户)和主用户之间不能够直接的进行信令交互，因此频谱检测工作的实施只能靠感知用户对主用户信号的截获来进行检测。在主用户信号被截获的过程中，不可避免的受到多径、阴影以及本地干扰等因素的影响，从而增加了单个感知用户检测不可靠的现象出现，为了克服该问题，多个感知用户协作检测成了迫切要求。协作检测是指多个感知用户相互合作而执行的检测，它通过融合多个感知用户的检测信息来更准确地判断主用户是否存在。传统/单次协作检测算法实施过程分为两步：第一步各个用户先执行本地检测算法，做出主用户存在或者主用户不存在的判决；第二步：感知用户的判决结果传送到感知基站，基站通过不同的融合准则再做出主用户是否存在的最终判断。

文献[A.Ghasemi and E.S.Sousa，“Collaborative spectrumsensing for opportunistic access in fading environments，”in Proc.1st IEEE Symp.New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks，Baltimore，USA，Nov.8-11，2005，pp：131-136]公开了一种协作检测的方法，我们将其称为传统/单次协作检测。传统/单次协作检测算法在性能上优于本地频谱检测算法，但是在协作检测中，感知用户需要控制信道来给感知基站传送判决结果，一般情况下这个控制信道是带限的。即使是每个感知用户只将判决结果(最简单情况为1个比特，如“0”或者“1”分别对应不存在主用户或存在主用户)传送给感知基站，当参与协作的用户数量很大时，它们所需的控制信道带宽也会很大，会过多占用信道资源。这里我们提出了一种双次协作检测方法，与单次协作检测算法对比，不仅节省了感知无线电系统的控制信道的带宽，而且检测性能也有了很大的提高。

发明内容

协作检测中感知用户需要控制信道来给感知基站传送本地判决结果，一般情况下这个控制信道是带限的。在传统/单次协作检测中，所有协作的用户都需要给感知基站传送本地判决结果，当参与协作的用户数量很大时，它们所需的控制信道带宽也会很大。本发明针对传统/单次协作检测算法中多个感知用户分别把自己的判决结果传送给基站，造成带宽有限的控制信道负担重的问题，提出了空闲频谱感知的一种双次协作检测算法，适合具有感知基站的感知无线电系统。

本发明解决上述问题的技术方案是，提出一种双次协作空闲频谱感知方法，该方法具体包括：(1)需要通信的两个感知用户通过感知基站进行握手，成功后两个感知用户分别向自己周围一定范围(其半径一般小于两个感知用户之间的距离)发出进行协作空闲频谱检测请求，在该范围的所有感知用户形成一个协作频谱检测群。这样，有两个协作频谱检测群，需要通信的感知用户为该群的群首。(2)协作频谱检测群内各感知用户采用能量检测算法等方法作为本地频谱检测算法，本地判断授权给主用户的某频段上是否存在主用户信号，并将本地判断结果传送到群首。群首收集本群内各感知用户的本地判决，根据OR准则或者AND准则融合这些本地判决结果作出群判决结果。(3)群首将群判决结果送入感知基站融合，组成感知基站的判决统计量，在感知基站处对群判决结果进一步采用OR准则或者AND准则判决，从而得到感知无线电系统的最终判决。

在双次协作检测方法中，只有需要通信的感知用户(群首)而非所有感知用户的判决结果传递到基站，很大程度上减少了传递给感知基站的判决结果比特数，这样就大大节省了控制信道的带宽。与单次协作检测算法对比检测性能也有了很大的提高，解决频谱资源匮乏的问题。

附图说明

图1两个感知用户握手和形成协作频谱检测群示意图。

图2本地检测算法采用的能量检测算法示意图。

图3双次协作检测的示意框图。

图4OR融合规则下双次协作检测算法与单次协作检测算法ROC比较。

图5AND融合规则下双次协作检测算法与单次协作检测算法ROC比较。

具体实施方式

本发明提出一种双次协作检测方法，群内的感知用户采用能量检测算法等作为本地判决，本地判断授权给主用户的某频段上是否存在主用户信号，群首收集本群内各感知用户的本地判决，并进行群判决，将群判决结果发送到感知基站，作为感知基站的判决统计量。现针对附图和具体实例对本发明的实施作进一步具体描述。

第一步，需要通信的一个感知用户向感知基站发出与另一个感知用户的通信请求，通过感知基站需要通信的两个感知用户进行握手。如图1所示为两个感知用户握手和形成协作频谱检测群示意图。如群1中的感知用户CRN需要与群2中的感知用户CR1进行通信，群1中的CRN发送通信请求，通过感知基站与群2中的CRN进行握手。

第二步，握手成功后，两个感知用户群2中CR1、群1中CRN分别向自己周围一定范围(其半径一般小于两个感知用户之间的距离)发出进行协作空闲频谱检测请求，在该范围内接收到协作空闲频谱检测请求的所有感知用户形成一个协作频谱检测群(如果有的感知用户收到两个协作空闲频谱检测请求，则响应首先收到的协作空闲频谱检测请求，并将其归入该协作频谱检测群)。这样，感知无线电系统中形成两个协作频谱检测群，群内包含各自独立的感知用户CR1-CRN，需要通信的感知用户为该群的群首，如图1中，群1中CRN为群首用户，群2中CR1为群首用户。

第三步，每个群内各感知用户采用能量检测算法作为本地频谱检测算法。如图2所示为本发明采用能量检测算法作为本地检测算法进行本地判决的示意图。

一个协作频谱检测群内各感知用户将接收到的未知信号通过一个低通滤波器滤除带外噪声和邻近信号，然后依次经过模/数转换器，平方器，N个抽样求和后，得到检测统计量Y，将其与预先设定的门限值进行比较来判断。大于门限值时可以判定该频段上存在主用户信号，设置本地判决结果为“1”，将其标志为H1，表明感知用户不适合在该频段上工作；当检测统计量Y小于门限值时可以判定该频段上仅有噪声，不存在主用户信号，设置本地判决结果为“0”，将其标志为H0，表明感知用户可以借用该频段。

为了节省控制信道带宽，群内每个感知用户只将1bit的判决结果传给群首，并将判决结果的标志存入检测系统存储器中。其中“1”表示感知用户检测的频段上存在主用户，“0”表示该频段不存在主用户。

第四步，第1次协作，也是群内协作。如图3所示为本发明的双次协作检测的示意框图，其中上半部分为群内协作。

对于授权给主用户的某段频谱，群内每个感知用户基于自己的本地频谱检测算法根据检测统计量y₁、…、y_N，独立的完成本地判决，判决该段频谱是否存在主用户，分别获得本地判决结果u₁、…、u_N，并将本地判决结果送到群首。群首根据本地判决结果利用OR准则或AND准则作出群内判决，其结果为u_0j(j＝1，...，K)。

第五步，第二次协作：群间协作，见图3中下半部分。

需要通信的两个感知用户(群首)分别将两个协作频谱检测群的判决结果{u_0j(j＝1，2)，这里K＝2}发送到感知基站，这些判决结果组成感知基站的判决统计量，感知基站基于这些统计量利用OR准则或AND准则获得最终的判决结果D。

协作检测中，感知用户需要控制信道来给感知基站传送本地判决结果，一般情况下这个控制信道是带限的。为了节省控制信道带宽，感知用户只将1bit的判决结果(0或者1)传给感知基站。在传统/单次协作检测中，所有协作的用户都需要给感知基站传送本地判决结果，当参与协作的用户数量很大时，它们所需的控制信道带宽也会很大。但本发明的双次协作方法，只有群首的两个判决结果送入感知基站进行判决，大大减少了传送的数据量，节省控制信道带宽。

以下对OR融合准则或AND融合准则作进一步具体描述。

OR准则

只要有一个感知用户支持判决为H1，感知基站最终判决结果就判为该判决H1，即“或”运算准则。协作系统检测存储器中的标志，只要有一个感知用户设置的标志为H1，即支持判决主用户存在，群首和基站作出最终判决该频段中存在主用户，将总的判决结果标志置为H1；只有当存储器中的标志全部为H0，即所有感知用户的判决结果均为频段中不存在主用户时，群首或基站作出判决该频段中不存在主用户，将总的判决结果标志置为H0。

即当协作系统融合中心的统计量Y满足：

用虚警概率和检测概率来描述作为感知无线电系统中衡量检测性能指标，进行OR准则协作后的虚警概率和检测概率分别为：

$P_F=1-\underset{i=1}{\overset{N}{\Pi }}(1-p_{\mathrm{fi}})---\left(2\right)$

$P_D=1-\underset{i=1}{\overset{N}{\Pi }}(1-p_{\mathrm{di}})---\left(3\right)$

其中，N为参加协作的感知用户个数，p_fi、p_di分别表示第i个用户的本地虚警概率和本地检测概率，该融合方案有较小的漏检概率和较大的虚警概率。

AND准则

当所有的感知用户都支持某判决为H1时，感知基站最终判决结果才为判决H1，即“与”运算准则。协作系统检测存储器中的标志，只有当所有感知用户都作出主用户存在的判决，存储器中设置的标志全部为H1时，群首和基站作出最终判决该频段中存在主用户，将总的判决结果标志置为H1。只要有一个感知用户设置的标志为H0，即支持判决不存在主用户，群首和基站作出最终判决该频段中不存在主用户，并将总的判决结果标志置为H0。

即当协作系统融合中心的统计量Y满足：

进行协作后的虚警概率和检测概率分别为：

$P_F=\underset{i=1}{\overset{N}{\Pi }}{p}_{\mathrm{fi}}---\left(4\right)$

$P_D=\underset{i=1}{\overset{N}{\Pi }}{p}_{\mathrm{di}}---\left(5\right)$

与OR规则相比该融合方案牺牲了漏检概率来换取虚警概率的减小。

在感知无线电频谱检测中主要通过相同条件下检测概率的大小来衡量系统的性能。虚警概率是指主用户信号不存在但是误判为存在主用户信号的概率，检测概率就是正确判断的概率，而且漏检概率与检测概率之和为1。引入协作检测后，我们考虑的衡量系统检测性能的参数则是全局检测概率与全局虚概率。

在双次协作检测系统中，令P_f，j，P_d，j分别代表群j中群虚警概率、检测概率，群数为K(K≥2)时由式(2)、(3)得出OR规则下两次协作的频谱检测系统的全局检测概率以及全局虚警概率为：

$P_D=1-\underset{j=1}{\overset{K}{\Pi }}(1-P_{d,j})---\left(6\right)$

$P_F=1-\underset{j=1}{\overset{K}{\Pi }}(1-P_{f,j})---\left(7\right)$

由式(4)、(5)AND规则下两次协作的频谱检测系统的全局检测概率以及全局虚警概率为：

$P_D=\underset{i=1}{\overset{K}{\Pi }}{P}_{d,j}---\left(8\right)$

$P_F=\underset{i=1}{\overset{K}{\Pi }}{P}_{f,j}---\left(9\right)$

我们可以将单次协作检测看成是双次协作检测算法中分群数(K＝1)的特殊情况。

图4、图5分别给出了OR融合规则、AND融合规则下双次协作检测算法与单次协作检测算法的ROC曲线比较。

相同条件时，双次协作检测环境下系统有两个群，每个群里的用户个数分别为8、4，单次协作检测环境下仅一个群，用户个数取双次检测中用户个数之和，即为8。其中，图4为双次协作中两次融合都采用OR准则，图5为双次协作中两次融合都采用AND准则。可以看出，相同全局虚警概率条件下，双次协作检测算法的全局漏检概率要低于单次协作检测算法的全局漏检概率，因此具有较好的检测性能。

以上所述，仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可以轻易想到的变换和替换，都应包含在本发明的保护范畴内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

采用本发明提出的双次协作检测算法，在全局虚警概率相同的情况下可以提高系统的全局检测概率；其次在双次协作检测中，只有群首(仅两个)而非所有感知用户的判决结果传递到基站，很大程度上减少了传递给感知基站的判决结果比特数，这样就大大节省了控制信道的带宽。