一種基于節(jié)點(diǎn)過(guò)濾的協(xié)作頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知領(lǐng)域，尤其是一種基于節(jié)點(diǎn)過(guò)濾的協(xié)作頻譜感知 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線通信業(yè)務(wù)量的持續(xù)增長(zhǎng)與無(wú)線頻譜資源短缺 的矛盾愈加明顯。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)通過(guò)感知頻譜空桐為次用戶（SecondaryUser,SU)提 供機(jī)會(huì)式接入主用戶（PrimaryUser,PU)頻段的機(jī)會(huì)，充分實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的有效利用同時(shí)避 免對(duì)主用戶造成干擾，很好地解決了當(dāng)前頻譜資源分配政策不合理的問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線電的 關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)前提之一就是如何快速準(zhǔn)確地進(jìn)行頻譜感知。=種常用的頻譜感知方法 為：匹配濾波器檢測(cè)、循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)和能量檢測(cè)。匹配濾波器檢測(cè)需預(yù)知主用戶的相關(guān)信息 (如調(diào)制方式，脈沖波形等）；循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)性能較好但復(fù)雜度高、計(jì)算量大，需較長(zhǎng)觀測(cè)時(shí) 間W提取信號(hào)的特征信息；能量檢測(cè)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且無(wú)需授權(quán)用戶先驗(yàn)信息。考慮到實(shí)際系統(tǒng) 實(shí)施時(shí)的復(fù)雜性和成本問(wèn)題，能量檢測(cè)方法較好。真實(shí)無(wú)線信道傳播環(huán)境中，單節(jié)點(diǎn)感知由 于受到傳播損耗和多徑衰落等不利因素影響，易導(dǎo)致其檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生偏差，而 協(xié)作感知可W利用認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同地理位置的認(rèn)知用戶構(gòu)成的空間分集，有效消除 陰影衰落的影響，降低單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)要求。
[0003] 然而，協(xié)作頻譜感知中大多數(shù)算法都假設(shè)所有認(rèn)知節(jié)點(diǎn)處于相同環(huán)境下，具有同 樣的信噪比（SignaltoNoiseRatio,SNR)，未考慮到認(rèn)知節(jié)點(diǎn)本地感知結(jié)果的可靠性差 異，忽略了實(shí)際無(wú)線環(huán)境中存在路徑損耗、陰影效應(yīng)、多徑效應(yīng)和隱藏終端等現(xiàn)象而可能導(dǎo) 致不同位置認(rèn)知節(jié)點(diǎn)信噪比分布不均的問(wèn)題?？紤]到上述問(wèn)題，《IETCommunications》期 刊第 8 卷第 14 期，由LamiaaKhalid和AlaganA噸alagan撰寫的《Reli油ility-based decisionfusionschemeforcooperativespectrumsensing》一文中，提出了一種為不 同信噪比用戶分配不同權(quán)重的加權(quán)協(xié)作感知算法，雖然漏警概率有所降低，但加權(quán)融合方 法中所有認(rèn)知用戶需要控制信道向融合中屯、傳送判決結(jié)果，而一般情況下控制信道是帶限 的，當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量很大時(shí)，其所需報(bào)告信道帶寬也很大，會(huì)占用過(guò)多的信道資源，且傳輸 融合權(quán)重參數(shù)會(huì)進(jìn)一步影響信道擁塞和感知時(shí)延。《計(jì)算機(jī)工程》期刊第38卷第3期，由郭 加貝和章堅(jiān)武撰寫的《一種基于信噪比的動(dòng)態(tài)口限協(xié)作感知方法》一文中，提出了基于信噪 比動(dòng)態(tài)口限的協(xié)作感知方法，該方法通過(guò)利用各節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)信噪比來(lái)設(shè)置適合不同認(rèn)知節(jié) 點(diǎn)的檢測(cè)口限，能有效提高單個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果的可靠度，但當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)信道處 于嚴(yán)重衰落下，性能會(huì)變得很不理想，該方法局限于傳輸信道狀態(tài)效果較好的情況。公開(kāi)號(hào) 為CN103888203A的專利《一種基于信噪比篩選的協(xié)作頻譜感知優(yōu)化方法》中敘述的協(xié)作感 知方法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，計(jì)算復(fù)雜度低，然而算法中各節(jié)點(diǎn)本地感知使用的是傳統(tǒng)能量檢 測(cè)算法，系統(tǒng)檢測(cè)性能提升并不十分明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種協(xié)作頻譜感知方法，針對(duì)信噪比分布不均的認(rèn)知 無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能夠在保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)低復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，充分利用各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的信噪比 信息，提高檢測(cè)性能，減小通信開(kāi)銷。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案：
[0006] 一種基于節(jié)點(diǎn)過(guò)濾的協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于：
[0007] 步驟1 :認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中所有認(rèn)知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立的本地感知和信噪比估計(jì)，將 感知結(jié)果和信噪比估計(jì)值丫 1，丫 2,…丫M發(fā)送至融合中屯、，M是認(rèn)知節(jié)點(diǎn)總數(shù)；
[000引步驟2 :融合中屯、匯總各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)上報(bào)的自身信噪比估計(jì)值后，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的信 噪比比重Pi,設(shè)置信噪比闊值A(chǔ)swG [0，1]，其中
[0010] 步驟3 :根據(jù)各節(jié)點(diǎn)信噪比比重大小進(jìn)行比較過(guò)濾篩選，若Pi>ASWK，則該認(rèn)知節(jié) 點(diǎn)符合條件能夠參與融合，否則舍棄該節(jié)點(diǎn)；
[0011] 步驟4:融合中屯、根據(jù)步驟3選出的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的感知結(jié)果進(jìn)行協(xié)作頻譜感知，作出 最終聯(lián)合判決。
[0012] 步驟1中，利用精確平均能量檢測(cè)算法進(jìn)行獨(dú)立的本地感知。
[0013] 步驟1中，精確平均能量檢測(cè)算法通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)，
[0014] 計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量巧(y,.)、巧-1知_,)和新*巧）；
[0015]
[0016] 式中，接收信號(hào)矢量yi=打1[1]，71巧]，...，71[閑），巧(義）是第1次感知事件中接 收信號(hào)矢量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，鷄是第i-1次感知事件中接收信號(hào)矢量1的檢驗(yàn)統(tǒng) 計(jì)量，是第i次感知事件中基于最近的L次感知事件的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量序列Tl計(jì)算的 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的平均值，Tt=(巧山1(心J，於扣權(quán)'叫)，…，0-1仿-1)，0柄!)))，1是求和過(guò)程中的 變量，從1變化至L;
[0017] 判斷巧快）是否大于判決口限A，若是，則假設(shè)Hi成立，否則，判斷巧）是否大 于口限A，若不是，則假設(shè)H。成立；否則，判斷巧_1林,_,)是否大于口限A，若是，則假設(shè)Hi成 立，反之，假設(shè)H。成立；H1表示主用戶信號(hào)存在，H。表示主用戶不存在。
[0018] 步驟4中，協(xié)作頻譜感知時(shí)使用OR準(zhǔn)則，只要有一個(gè)或一個(gè)W上認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的本地 感知結(jié)果為Hi,則最終融合判決結(jié)果為Hi,即表示主用戶存。
[0019] 本發(fā)明具有的有益效果：
[0020] 本發(fā)明方法通過(guò)調(diào)整信噪比闊值A(chǔ)swW適應(yīng)不同環(huán)境的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，具有更 強(qiáng)的靈活性較強(qiáng)。本發(fā)明方法通過(guò)區(qū)別對(duì)待所處環(huán)境不同的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)，選取信噪比條件較 優(yōu)的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作，消除了低信噪比節(jié)點(diǎn)感知結(jié)果不準(zhǔn)確對(duì)協(xié)作性能的影響，降低了 融合中屯、數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。本發(fā)明方法中各節(jié)點(diǎn)本地感知時(shí)使用的精確平均能量檢測(cè)算 法其感知性能優(yōu)于傳統(tǒng)能量檢測(cè)算法，感知結(jié)果可靠性較高，能夠更好地保護(hù)授權(quán)用戶的 權(quán)益。本發(fā)明方法在獲得比現(xiàn)有方法更優(yōu)的整體感知性能的同時(shí)減少了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)額 外的能量和帶寬開(kāi)銷，有效節(jié)省了專有控制信道資源。本方法計(jì)算復(fù)雜度較低，簡(jiǎn)單易行。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1本發(fā)明的方法流程圖；
[0022] 圖2本發(fā)明中本地感知使用算法的流程圖；
[0023] 圖3集中式協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)模型；
[0024] 圖4實(shí)際認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境示意圖；
[0025] 圖5本發(fā)明本地感知使用的檢測(cè)算法與能量檢測(cè)算法的接收機(jī)工作特性 巧eceiver Operating Qiaracteristic, R0C)曲線對(duì)比圖；
[0026] 圖6本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)中基于篩選的協(xié)作感知方法及傳統(tǒng)協(xié)作感知方法的ROC曲 線對(duì)比圖（Qd-Qf);
[0027] 圖7本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)中基于篩選的協(xié)作感知方法及傳統(tǒng)協(xié)作感知方法的ROC曲 線對(duì)比圖佩-SNR);
[0028] 圖8本發(fā)明中信噪比闊值A(chǔ)SWK不同時(shí)的ROC曲線比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 如圖3所示，集中式協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)模型中，包含一個(gè)主用戶PU, -個(gè)融合中屯、 FC(假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有惡意節(jié)點(diǎn)）和M個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)SU，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)與融合中屯、間通過(guò)控制信道 (即報(bào)告信道）進(jìn)行通信。實(shí)際無(wú)線環(huán)境中因存在圖3中的路徑損耗、陰影效應(yīng)和隱藏終端 等問(wèn)題而導(dǎo)致各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)信噪比存在差異。本發(fā)明在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)都設(shè) 置了信噪比你估計(jì)功能，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可W進(jìn)行接收信號(hào)的信噪比估計(jì)。
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明基于節(jié)點(diǎn)過(guò)濾的協(xié)作頻譜感知方法，包括W下步驟：
[0031] 步驟1:認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，通過(guò)如圖2所示的精確平均能量檢測(cè)算法獨(dú)立進(jìn)行 本地感知，將本地感知結(jié)果與信噪比估計(jì)值丫 1，丫 2，... 丫M發(fā)送至融合中屯、。
[0032] 認(rèn)知節(jié)點(diǎn)對(duì)于頻譜感知中的二元信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題可描述為如下假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停?br>[0033]H〇:y[n] =w[n]n=I, 2, . . . ,N (I)
[0034]Hi:y[n] =x[n] +w[n]n=I, 2, . . . ,N
[0035]
[0036] 式（I)中假設(shè)H。表示主用戶不存在，假設(shè)HI表示主用戶信號(hào)存在，n代表第n次 采樣，N為觀測(cè)間隔內(nèi)信號(hào)與噪聲的采樣點(diǎn)數(shù)，y[n]表示接收信號(hào)序列，x[n]表示主用戶發(fā) 射信號(hào)序列，w[n]表示噪聲采樣序列，信道噪聲假設(shè)為均值為0,方差為的加性高斯白噪 聲，忽略信道衰落和陰影效應(yīng)；
[0037] 能量檢測(cè)算法巧nergyDetection,ED)在觀測(cè)間隔內(nèi)測(cè)量接收信號(hào)的能量，若能 量值超過(guò)預(yù)設(shè)判決口限則宣布信道狀態(tài)為被占用（假設(shè)Hi),反之信道為空閑狀態(tài)（假設(shè) H。)，能量檢測(cè)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量：
[0038]
貸
[00測(cè)式似中，71是接收信號(hào)矢量打1=打1山，7瓜]，...，71[閑）），入是預(yù)設(shè)的判決 口限，0 (.V,)是第i次感知事件中接收信號(hào)矢量yi的檢驗(yàn)