一種面向認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻域協(xié)作頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作頻譜感知技術(shù)，具體地說它是一種面向認(rèn)知無線 電網(wǎng)絡(luò)的頻域協(xié)作頻譜感知方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和無線設(shè)備的層出不窮，無線電頻譜資源在當(dāng)前已 經(jīng)面臨了嚴(yán)重的短缺和擁塞問題。根據(jù)美國FCC的報(bào)告顯示，大量已分配授權(quán)頻段的頻譜 利用率均處于極低水平。因此，認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，被認(rèn)為是解決由于傳統(tǒng)的靜態(tài) 頻譜劃分所造成的上述問題的有效途徑。認(rèn)知無線電通過準(zhǔn)確的頻譜感知，可W檢測到主 用戶（Primary UserJU)的活動(dòng)情況，當(dāng)PU不占用授權(quán)信道時(shí)，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知用戶（Cognitive Radio User, CRU)的機(jī)會(huì)式頻譜接入，從而提高頻譜的利用率；當(dāng)PU出現(xiàn)在授權(quán)信道時(shí)， CRU迅速從授權(quán)信道退出，避免對PU造成干擾。因此，準(zhǔn)確且快速的頻譜感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)認(rèn) 知無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜接入的前提。
[0003] 現(xiàn)有的頻譜感知技術(shù)主要包括能量感知，循環(huán)特征檢測，匹配濾波等，送些感知技 術(shù)具有不同的應(yīng)用特點(diǎn)和背景，屬于單用戶的感知技術(shù)。然而，在無線通信的過程中，不可 避免地存在多徑衰落，陰影和隱藏終端等問題，單用戶的頻譜感知往往不能達(dá)到理想的頻 譜感知性能，容易對PU造成一定干擾。利用空間上分散的CRU進(jìn)行協(xié)作頻譜感知是一種提 升頻譜感知性能的有效途徑。
[0004] 傳統(tǒng)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作感知工作方式是：首先由單個(gè)CRU進(jìn)行本地的頻譜感 知，可采用的感知方法包括能量感知，匹配濾波等；然后協(xié)作的CRU將感知結(jié)果通過控制信 道發(fā)送給融合中必（化Sion Center, FC)，F(xiàn)C對多個(gè)CRU的感知結(jié)果進(jìn)行全局融合，判斷PU 是否占用當(dāng)前信道；最后，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)FC廣播的決策結(jié)果選擇是否接入或退出當(dāng)前 PU信道。FC進(jìn)行決策融合的方式主要包括軟融合和硬融合兩種方式。其中，軟融合要求各 CRU發(fā)送原始采樣數(shù)據(jù)，具有準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，但是網(wǎng)絡(luò)開銷較大；而硬融合僅要求各CRU 發(fā)送化it的本地判決結(jié)果即可，相比之下網(wǎng)絡(luò)開銷較小，但是準(zhǔn)確性有限。理論上，參與協(xié) 作感知的CRU數(shù)量越多，協(xié)作感知的準(zhǔn)確性越高，對PU的保護(hù)性越強(qiáng)，相應(yīng)信道的頻帶利用 率也越高；但是，由于現(xiàn)有的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，CRU均采用TDMA的通信方式向FC匯報(bào)本地 決策。送樣，認(rèn)知用戶越多，報(bào)告感知結(jié)果的時(shí)延也就越大，導(dǎo)致用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間 也就越少，吞吐量越低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對傳統(tǒng)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作頻譜感知的匯報(bào)時(shí)間過長（特別是參與合作的CRU數(shù) 量較多時(shí)）導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低的問題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種面向認(rèn)知無 線電網(wǎng)絡(luò)的頻域協(xié)作頻譜感知方法，適用于采用OFDM物理層的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，可W實(shí)現(xiàn)協(xié) 作頻譜感知過程從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)變。
[0006] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是；一種面向認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻域協(xié)作 頻譜感知方法，包括W下步驟：
[0007] 單認(rèn)知用戶進(jìn)行能量檢測和本地決策；
[0008] 單認(rèn)知用戶將感知結(jié)果通過OFDM載波并行傳輸給融合中必；
[0009] 融合中必對單認(rèn)知用戶的感知結(jié)果進(jìn)行載波級融合；
[0010] 融合中必對多認(rèn)知用戶的感知結(jié)果進(jìn)行用戶級融合；
[0011] 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)融合中必的感知結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜接入決策。
[0012] 所述單認(rèn)知用戶進(jìn)行能量檢測和本地決策的過程為：
[0013] 每個(gè)認(rèn)知用戶均配備能量檢測器，收集授權(quán)信道上的信號(hào)能量信息；
[0014] 根據(jù)二元假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，每個(gè)認(rèn)知用戶做出關(guān)于當(dāng)前授權(quán)信道是否可用的本地決 策：如果認(rèn)知用戶所收集的信號(hào)能量值大于事先設(shè)定的能量感知闊值，則認(rèn)知用戶判定當(dāng) 前授權(quán)信道不可用；否則，認(rèn)知用戶判定當(dāng)前授權(quán)信道可用。
[0015] 所述二元假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/-/〇 :y,{n) = u,{n)
[0016] TJ ,、 ，.、L I'、，" = (I)
[0017] 其中，Ni = T sfg表示信號(hào)能量檢測器所采集的樣本數(shù)，T S表示采樣時(shí)間，fg表示 奈奎斯特采樣頻率，滿足條件fs > 2W，W表示待檢測授權(quán)信道的帶寬，H。和Hi分別表示當(dāng) 前授權(quán)信道上PU不存在和存在的情形，Ui (n)表示背景噪聲，s(n)表示主用戶信號(hào)，表示 從PU到認(rèn)知用戶i的信道增益。
[001引所述認(rèn)知用戶所收集的信號(hào)能量為：
[0020] 其中，yi(n)為認(rèn)知用戶收集的信號(hào)，Tibi)為信號(hào)yi(n)的能量，Ni為信號(hào)能量檢 測器所采集的樣本數(shù)。
[0021] 所述單認(rèn)知用戶將感知結(jié)果通過OFDM載波并行傳輸給融合中必的過程為：參與 協(xié)作感知的各認(rèn)知用戶將本地感知結(jié)果進(jìn)行二進(jìn)制幅度調(diào)制，然后通過所分配到的OFDM 子載波并行發(fā)送給融合中必；所述二進(jìn)制幅度調(diào)制中，本地決策"1"對應(yīng)幅值為1的子載 波，本地決策"0"對應(yīng)幅值為0的子載波。
[0022] 所述各認(rèn)知用戶所使用的子載波集合由融合中必集中分配，分配原則為；子載波 的選取只采用OFDM系統(tǒng)的奇數(shù)或偶數(shù)子載波序列。
[0023] 所述融合中必對單認(rèn)知用戶的感知結(jié)果進(jìn)行載波級融合的過程為：
[0024] 融合中必對已分配的(FDM子載波逐一檢測，得到每個(gè)子載波所代表的本地決策 結(jié)果；
[0025] 對從屬于同一個(gè)載波集的子載波進(jìn)行載波級融合，從而獲得單認(rèn)知用戶的感知結(jié) 果；所述載波級融合采用Kg-OUt-Of-N的硬融合準(zhǔn)則，即當(dāng)傳輸本地感知結(jié)果的N個(gè)子載波 中，有至少氏個(gè)子載波顯示該認(rèn)知用戶的感知結(jié)果為1時(shí)，判定該認(rèn)知用戶的載波級融合 結(jié)果為1 ;否則，該認(rèn)知用戶的載波級融合結(jié)果為0 ;所述氏為載波級融合的闊值。
[0026] 所述融合中必對多認(rèn)知用戶的感知結(jié)果進(jìn)行用戶級融合的過程為：
[0027] 融合中必在完成載波級融合結(jié)果后，獲得了各認(rèn)知用戶的感知結(jié)果；
[0028] 基于多個(gè)認(rèn)知用戶的感知結(jié)果，融合中必可W進(jìn)一步完成用戶級融合，即全局融 合；所述用戶級融合采用K-OUt-Of-N的硬決策融合，即認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的M個(gè)認(rèn)知用戶 中，如果有至少K個(gè)用戶的感知結(jié)果為1，則判定全局感知結(jié)果為1，即當(dāng)前的授權(quán)信道可 用；否則，判定全局感知結(jié)果為0,即當(dāng)前的授權(quán)信道不可用；所述K為用戶級融合的闊值。
[0029] 所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)融合中必的感知結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜接入決策的過程為：融 合中必完成載波級和用戶級的兩級融合后，獲得了全局感知結(jié)果；當(dāng)全局感知結(jié)果顯示當(dāng) 前信道被主用戶占用時(shí)，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)選擇不接入該信道，在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)占用了該授權(quán) 信道的情況下立即撤出當(dāng)前信道，W確保主用戶不受干擾；當(dāng)全局感知結(jié)果顯示當(dāng)前信道 未被主用戶占用時(shí)，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)接入該信道。
[0030] 本發(fā)明具有W下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0031] 1.本發(fā)明中多個(gè)CRU采用OFDM系統(tǒng)的正交子載波并行發(fā)送本地感知結(jié)果，極大減 少了協(xié)作過程中的匯報(bào)時(shí)間。
[0032] 2.由于每個(gè)CRU采用多個(gè)正交子載波并行發(fā)送本地感知結(jié)果，F(xiàn)C采用載波級和用 戶級的兩級融合決策，有效提高了協(xié)作頻譜感知的準(zhǔn)確性。
[0033] 3.各CRU采用OFDM子載波二進(jìn)制幅值調(diào)制方法向FC匯報(bào)本地感知結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了 時(shí)域上多用戶的并行傳輸，顯著減少了協(xié)作頻譜感知的報(bào)告時(shí)延。
【附圖說明】
[0034] 圖1協(xié)作頻譜感知示意圖；
[0035] 圖2控制信道子載波示意圖；
[0036] 圖3認(rèn)知用戶子載波分配策略示意圖；
[0037] 圖4協(xié)作感知兩級融合示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0039] 本發(fā)明提出了一種面向認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻域協(xié)作頻譜感知方法，其主要思想是利 用OFDM系統(tǒng)的子載波對多個(gè)CRU的本地感知結(jié)果（0和1)進(jìn)行二進(jìn)制幅度調(diào)制。由于所 有CRU利用不同的正交子載波并行傳輸，協(xié)作頻譜感知的匯報(bào)時(shí)間將極大地縮短?；?此，本發(fā)明在FC端還采用載波和用戶的兩級融合策略提高協(xié)作感知的可靠性，進(jìn)而提升網(wǎng) 絡(luò)的吞吐量。
[0040] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟主要包括；（1)單個(gè)CRU進(jìn)行能量檢測和本地決策；（2)單CRU 將感知結(jié)果通過OFDM載波并行傳輸給FC ; (3) FC對單CRU的感知結(jié)果進(jìn)行載波級融合；(4) FC對多CRU的感知結(jié)果進(jìn)行用戶級融合；（5)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)FC的感知結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻 譜接入決策。
[0041] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體步驟做如下詳細(xì)說明。
[004引步驟（1)單個(gè)CRU進(jìn)行能量檢測和本地決策
[0043] 假設(shè)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中共有M個(gè)認(rèn)知用戶參與協(xié)作感知，則CRU i (i = 1，2, ...，M) 對PU的存在性進(jìn)行二元假設(shè)的模型如下：
[0044] " . ,. ,. /，灼=1，2，,.',兩 Cl)
[0045] 其中，Ni = T sf,表示信號(hào)能量檢測器所采集的樣本數(shù)。f,是Nyquist采樣頻率， 滿足條件fs > 2W。Ui (n)和S (n)分別表示背景噪聲和PU信號(hào)，它們是相互獨(dú)立的零均值 高斯過程，方差分別為每和。f，即~W0,片):和喻)~iV誕皆)。
[0046] 基于上述假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，能量檢測器收集的能量值可W表示為
。然后，認(rèn)知用戶i (記為CRUi)可W按照式（2)進(jìn)行本地決策：
[0047] _ Jl,如果7； 〇)>€,. 化-1〇，如果端;)^ (2)
[004引其中，Ei表示能量檢測闊值。
[0049] 多個(gè)CRU同步執(zhí)行能量檢測過程，其基本過程相同，均包括濾波，AD轉(zhuǎn)換，平方求 和W及闊值比較過程。送樣，多個(gè)CRU可W實(shí)現(xiàn)協(xié)作頻譜感知，其感知結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0050] 步驟（2)單CRU將感知結(jié)果通過OFDM載波并行傳輸給FC
[0051] 各CRU將本地感知結(jié)果進(jìn)行二進(jìn)制幅度調(diào)制，然后通過所分配到的OFDM子載波并 行發(fā)送給FC。其中，各CRU所使用的子載波集合由FC集中分配。具體分配策略如下：
[0052] 將公共控制信道劃分為