基于最优中继的自适应协作频谱感知方法和系统

摘要

本发明公开了基于最优中继的自适应协作频谱感知方法和系统，该方法兼顾感知性能和感知能耗。系统工作过程分为：独立感知，每个认知用户独立接收主用户信号，并根据机会中继门限判定是否需要中继协助；中继选择，非中继用户根据效益函数选择满足一定条件的最优中继，并协作进行本地判决；传输及融合，符合条件的认知用户传输本地判决结果至融合中心，融合中心判决全局结果；反馈阶段，根据系统本轮的整体感知情况反馈相应信息至控制中心，并以此调整系统参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于最优中继的自适应协作频谱感知方法和系统，属于计算机无线通信 技术领域。

背景技术

计算机无线通信和个人通信在过去几十年间得到了飞速地发展，各种系统结构、协议标 准和网络架构层出不穷。随着无线通信业务的快速增长，日益增长的频谱需求与有限的频谱 资源之间的矛盾，已成为制约无线通信发展的主要瓶颈之一。而世界各国现行的频率使用政 策除分配极少的ISM开放频段之外，大多采用许可证制度，即授权用户使用规定频段，非授 权用户不得使用。而且研究表明，授权频谱的实际利用率较低。因此，不管技术上怎么提高 频谱利用率，只要授权用户暂时未用规定频段，分配给该用户的频率资源就被浪费了。为了 在这样一个动态的环境中更充分地利用已分配的频率资源，认知无线电技术应运而生。它可 以在对现有授权用户只造成一定限制干扰前提下有效地利用频谱空洞。频谱感知的目的在于 快速发现频域、时域和地域上动态出现的频谱 空穴，以供认知用户机会方式利用频谱。同时，为了不对主用户造成干扰，认知用户在利用 频谱空穴进行通信的过程中，需要能够快速感知出主用户的再次出现，及时进行频谱切换， 腾出信道供主用户使用，或者继续使用原来频段，但是需要调整传输功率或者改变调制方式 来避免干扰。频谱感知主要是物理层的技术，是频谱管理、频谱共享和频谱移动性管理的前 提。

现有的频谱感知方法主要有：匹配滤波器检测，能量检测和循环平稳特征检测。其中， 匹配滤波器检测需要认知用户已知主用户发射信号的有关信息(如，调制方式，脉冲波形等)； 循环平稳特征检测的计算复杂度过高，并且需要较长的观察时问以提取信号的特征信息；相 比之下，能量检测具有实现简单，无需系统额外信息的优点。不过，在实际的无线传播环境 中，非协作感知因单个检测用户的衰落和噪声等不利因素，容易导致其检测结果与实际情况 产生偏差。为了进一步提高检测精度，同时又不过分增加设备复杂度，人们提出了协作频谱 感知技术研究，利用认知用户间的相互协作，可以有效消除阴影衰落的影响，降低单个认知 用户的检测要求。协作感知从多个分布式的认知用户收集感知数据，通过处于不同地理位置 的多个认知用户间的彼此协作，削弱外界不利因素对单个认知用户所造成的负面影响，最终 提高认知无线电系统的检测性能。

传统协作检测主要有本地检测、数据传输和数据融合等算法，其本质仅是针对已得本地 结果的融合，当感知信道较差时往往难以保证本地结果的准确性和真实性。考虑到本地检测 过程中的进一步协作可以提高认知系统的检测性能，基于中继协作的频谱感知技术得到了广 泛关注。现有许多中继协作算法难以兼顾感知性能和感知能耗。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认知系统中感知信道存在衰落和中继能耗较大的问题，提出一 种基于最优中继的自适应协作频谱感知方法，该方法通过机会中继协作、基于效益函数的最 优中继协作和系统参数自适应调整机制，获得性能与能耗的优化折中。该方法是基于如下内 容：1、基于给定的检测性能指标，理论上推导了认知节点机会中继的判决门限,从而为多节 点中继感知系统的自适应中继机制提供理论基础。2、定义效益函数作为选取最优中继的标准。 该函数同时考虑到中继协作的检测性能和中继协作的能耗。降低了单个中继承担整个系统转 发任务的风险。3、引入反馈机制。根据系统本轮整体感知性能反馈系统参数的调节信息，使 下一轮感知更加符合认知需求，具有一定鲁棒性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于最优中继的自适应协作频谱感知 方法，该方法包括：1、独立感知，每个认知用户独立接收主用户信号，并根据机会中继门限 判定是否需要中继协助；2、中继选择，非中继用户根据效益函数选择满足一定条件的最优中 继，并协作进行本地判决；3、传输及融合，符合条件的认知用户传输本地判决结果至融合中 心，融合中心判决全局结果；4、反馈阶段，根据系统本轮的整体感知情况反馈相应信息至控 制中心，并以此调整系统参数。

本发明在传统中继协作频谱感知方法的基础上，作了如下改进，包括：1、基于给定的检 测性能指标，理论上推导了认知节点机会中继的判决门限,从而为多节点中继感知系统的自适 应中继机制提供理论基础。2、定义效益函数作为选取最优中继的标准。该函数同时考虑到中 继协作的检测性能和中继协作的能耗。降低了单个中继承担整个系统转发任务的风险。3、引 入反馈机制。根据系统本轮整体感知性能反馈系统参数的调节信息，使下一轮感知更加符合 认知需求，具有一定鲁棒性。

方法流程：

步骤1：初始化系统参数，P_dobj＝P_dobj,init，P_fobj＝P_fobj,init，k＝k_init，P_dobj表示期望检测概率，P_fobj表示期望虚警概率；

步骤2：独立感知阶段每个认知节点独立接收信号；根据辅助控制器中信道状态和期望 信道衰落因子满足式(1)，将认知节点分为中继候选集R和中继申请集C；

${\sigma }_{p\_\mathrm{ui}}^2\ge \frac{Q^{-1}\left(P_{\mathrm{fobj}}\right)\sqrt{2M}{N}_0}{(Q^{-1}\left(P_{\mathrm{dobj}}\right)\sqrt{2M}+M)E_p}---\left(1\right)$

式中，N表示认知用户总数，M表示采样点数；

步骤3：中继选择阶段C中各认知节点CU_i根据式(2)从R中筛选各自专有中继候选集 R_i，并在R_i中根据定义CU_i的效益函数H_{add_ui}＝P_{dc_ui}-kE_{loss_ui}选出(H_{add_ui})_max对应的认知节 点CU_j作为自己的最优中继；

$\left(\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ui}}\ge P_{\mathrm{dobj}}\\ P_{\mathrm{fc}\_\mathrm{ui}}\le P_{\mathrm{fobj}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，P_{dc_ui}表示中继协作下的CU_i的检测概率，P_{fc_ui}表示中继协作下的CU_i的虚警概率；

步骤4：统计未成功申请到最佳中继的认知节点数目N_nr；若N_nr>N/2，终止本轮感知， 返回步骤1；否则跳至步骤5；

步骤5：若CU_i成功申请到最佳中继CU_j，则接收CU_j的转发信号，并与独立感知阶段接 收的信号合并，然后本地判决，最后将本地检测信息传至FC；若CU_j未成功申请到最佳中继， 则退出本轮感知；若CU_i无需中继，则直接本地判决并传输本地检测信息至FC；

步骤6：融合中心根据“大多数”准则判决最终感知结果，并按照分步式反馈算法调整 系统参数，返回步骤1。

本发明方法的效益函数是作为选取最优中继的标准。

本发明方法应用于无线通信技术领域。

本发明还提供了一种基于最优中继的自适应协作频谱感知，该系统包括：主用户、认知 用户、融合中心、辅助控制器；

本发明所述的主用户(Primary User,PU)是认知无线电系统感知频段内的授权用户，即感 知对象，在授权频段内具有一定的无线收发功能；

本发明所述的认知用户(Secondary User,SU)是认知无线电系统中感知授权频的独立节 点，即实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能；

本发明所述的融合中心(Fusion Center,FC)是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数 据的设备，在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算能力；

本发明所述的辅助控制器在认知无线电系统中可以实时监控系统中感知信道和报告信道 状态以及认知用户间链路状态，在特定频段内具有无线收发功能；各模块之间可通过特定的 控制频段或空闲的授权频段进行无线通信。

本发明所述系统的主用户、认知用户、融合中心、辅助控制器是通过特定的控制频段或 空闲的授权频段进行无线通信。

有益效果：

1、本发明的自适应中继的认知节点是根据感知信道条件自适应决定是否需要中继协助， 其性能比传统的更好。

2、本发明的中继最优，该中继同时考虑到中继协作的检测性能和中继协作能耗。

3、本发明引入反馈机制，根据系统本轮整体感知性能反馈系统参数的调节信息，使下一 轮感知更加符合认知需求，具有很好的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的认知无线电系统模型示意图。

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种基于最优中继的自适应协作频谱感知，该系统包括：主 用户、认知用户、融合中心、辅助控制器；

本发明所述的主用户(Primary User,PU)是认知无线电系统感知频段内的授权用户，即感 知对象，在授权频段内具有一定的无线收发功能；

本发明所述的认知用户(Secondary User,SU)是认知无线电系统中感知授权频的独立节 点，即实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能；

本发明所述的融合中心(Fusion Center,FC)是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数 据的设备，在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算能力；

本发明所述的辅助控制器在认知无线电系统中可以实时监控系统中感知信道和报告信道 状态以及认知用户间链路状态，在特定频段内具有无线收发功能；各模块之间可通过特定的 控制频段或空闲的授权频段进行无线通信。

本发明所述系统的主用户、认知用户、融合中心、辅助控制器是通过特定的控制频段或 空闲的授权频段进行无线通信。

在本发明具体应用场景其中，主用户(Primary User,PU)是认知无线电系统感知频段内的 授权用户，即：感知对象，在授权频段内具有一定的无线收发功能，比如特定频段上某一时 段内频谱利用率较低的TV终端；认知用户(Secondary User,SU)是认知无线电系统中感知授 权频的独立节点，即实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能，比如智能传感 器节点；融合中心(Fusion Center,FC)是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数据的设备， 在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算和融合能力，比如具有无线收发功能的 数据处理终端；辅助控制器在认知无线电系统中可以实时监控系统中感知信道和报告信道状 态以及认知用户间链路状态，在特定频段内具有无线收发功能，比如：具有无线环境感知能 力的智能传感器；本发明系统的各个模块之间可通过特定的控制频段或空闲的授权频段进行 无线通信。

如图2所示，一种基于最优中继的自适应协作频谱感知方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：初始化系统参数，P_dobj＝P_dobj,init，P_fobj＝P_fobj,init，k＝k_init；

步骤2：独立感知阶段每个认知节点独立接收信号；根据辅助控制器中信道状态和期望 信道衰落因子满足式(1)，将认知节点分为中继候选集R和中继申请集C；

${\sigma }_{p\_\mathrm{ui}}^2\ge \frac{Q^{-1}\left(P_{\mathrm{fobj}}\right)\sqrt{2M}{N}_0}{(Q^{-1}\left(P_{\mathrm{dobj}}\right)\sqrt{2M}+M)E_p}---\left(1\right)$

式中，N表示认知用户总数，M表示采样点数；

步骤3：中继选择阶段C中各认知节点CU_i根据式(2)从R中筛选各自专有中继候选集 R_i，并在R_i中根据定义CU_i的效益函数H_{add_ui}＝P_{dc_ui}-kE_{loss_ui}选出(H_{add_ui})_max对应的认知节 点CU_j作为自己的最优中继；

$\left(\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ui}}\ge P_{\mathrm{dobj}}\\ P_{\mathrm{fc}\_\mathrm{ui}}\le P_{\mathrm{fobj}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，P_{dc_ui}表示中继协作下的CU_i的检测概率，P_{fc_ui}表示中继协作下的CU_i的虚警概率，P_dobj表示期望检测概率，P_fobj表示期望虚警概率；

(H_{add_ui})_max＝(P_{dc_ui-}kE_{loss_ui})_max    (3)

式中，k为效益因子，可根据系统整体感知性能自适应调整，E_{loss_ui}表示CU_i在中继协作方式 下消耗的能量；

$\left(\begin{array}{c}{Q}_d\ge Q_{\mathrm{dobj}}\\ Q_f\le Q_{\mathrm{fobj}}\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中，Q_d和Q_f分别表示系统整体检测概率和虚警概率，Q_dobj和Q_fobj分别表示系统整体期望 检测概率和虚警概率；

步骤4：统计未成功申请到最佳中继的认知节点数目N_nr；若N_nr>N/2，终止本轮感知， 返回步骤1；否则跳至步骤5；

步骤5：若CU_i成功申请到最佳中继CU_j，则接收CU_j的转发信号，并与独立感知阶段接 收的信号合并，然后本地判决，最后将本地检测信息传至FC；若CU_j未成功申请到最佳中继， 则退出本轮感知；若CU_i无需中继，则直接本地判决并传输本地检测信息至FC；

步骤6：融合中心根据“大多数”准则判决最终感知结果，并按照分步式反馈算法调整 系统参数，返回步骤1。

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。