一種基于雙門限能量檢測的協(xié)作寬帶頻譜感知方法與流程

本發(fā)明涉及一種認知無線電頻譜感知方法，尤其涉及一種基于雙門限能量檢測的協(xié)作寬帶頻譜感知方法。

背景技術：

隨著無線通信技術的迅猛發(fā)展，各類無線通信系統(tǒng)及業(yè)務的出現(xiàn)使得無線頻譜資源日趨緊張，而與之形成強烈反差的則是無線頻譜資源在使用上的不均衡性，已授權頻譜的使用率較低，時間和空間上均存在著大量的空閑頻譜。認知無線電(Cognitive Radio，CR)技術是一種通過感知外界無線電環(huán)境，實時地改變某些系統(tǒng)參數(shù)(如傳輸功率、載波頻率、調制編碼方式等)，以達到在任何時間、任何地點都能保證高可靠性的智能無線通信系統(tǒng)。認知無線電系統(tǒng)將授權頻譜的用戶稱為主用戶，共享頻譜的用戶稱為次用戶，次用戶通過發(fā)現(xiàn)授權頻段的空閑頻譜，并伺機地接入使用，從而能夠大大提高頻譜的利用率。

頻譜感知技術是CR系統(tǒng)中次用戶對空閑授權頻段進行有效識別的重要保證，同時也是CR系統(tǒng)完成頻譜管理、共享及信息可靠傳輸?shù)那疤?。近年來隨著第五代移動通信、物聯(lián)網及車聯(lián)網等技術的興起，頻譜感知技術也在朝著寬帶化和協(xié)作化的方向發(fā)展。寬帶頻譜感知的感知頻段范圍一般可達數(shù)個GHz，系統(tǒng)中的次用戶在當前已接入信道檢測到主用戶信號后，能夠切換到其它空閑信道繼續(xù)通信。多用戶協(xié)作頻譜感知則能有效克服無線信道中存在的多徑衰落、陰影效應和噪聲功率不確定性等因素的影響，并可降低對寬帶信號先驗信息的依賴，進一步提高檢測性能。

目前的協(xié)作寬帶感知大都基于傳統(tǒng)的能量檢測法，在信噪比較低或噪聲變化劇烈的場景下，系統(tǒng)的檢測性能下降顯著。

技術實現(xiàn)要素：

在寬帶通信場景下，CR系統(tǒng)中的次用戶在對授權頻段進行檢測時，若根據(jù)奈奎斯特準則，需以大于2倍信號帶寬的速率采樣，會帶來較高的采樣開銷和能耗，且對接收端模/數(shù)轉換器的硬件實現(xiàn)提出了很高要求；在頻譜感知中被廣泛采用的能量檢測法因其判決門限根據(jù)噪聲水平而確定，故對環(huán)境噪聲較為敏感，在低信噪比場景下的檢測性能較差。

本發(fā)明涉及了一種基于雙門限能量檢測的協(xié)作寬帶頻譜感知方法，可有效解決當感知到的信號能量值處于判決門限值附近時而發(fā)生的誤檢問題，在低信噪比場景下能夠展現(xiàn)良好的性能，提高CR系統(tǒng)對于空閑授權頻段的利用效率。

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于雙門限能量檢測的協(xié)作寬帶頻譜感知方法，是一種應用于寬帶低信噪比場景下的多用戶協(xié)作的頻譜感知方法，能夠為CR網絡中的次用戶提供較好的檢測性能。本發(fā)明中，CR網絡中的次用戶在對寬帶授權頻段進行檢測前，先將整個寬帶頻段劃分為若干個窄帶子信道并感知其中的少數(shù)幾個，每個子信道上均采用雙門限能量檢測法進行頻譜感知，各個子信道的感知結果被上傳至次用戶處，每個次用戶將這些感知結果融合并做出本地判決，再將判決結果上傳至CR網絡中的數(shù)據(jù)融合中心，數(shù)據(jù)融合中心將網絡中次用戶做出的本地判決依照“或”準則進行數(shù)據(jù)融合，做出最終的全局判決。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

本發(fā)明提供一種基于雙門限能量檢測的協(xié)作寬帶頻譜感知方法，具體步驟如下：

步驟1，認知無線電網絡的次用戶感知寬帶授權頻段時，將該頻段劃分為N個子信道；

步驟2，次用戶采用雙門限能量檢測法對其中的K個子信道進行感知，其中，1≤K＜N，具體過程為：

2.1，根據(jù)系統(tǒng)預設的虛警概率P_f求得次用戶的本地判決門限值λ，并結合次用戶處的噪聲不確定度ρ求得雙門限能量檢測的兩個門限值：較低門限值λ_L和較高門限值λ_H；

2.2，次用戶對K個子信道作能量檢測，將第i個子信道的接收信號的能量觀測值Y_i分別與λ_L、λ_H進行比較，若0≤Y_i＜λ_L，則判決該子信道上不存在主用戶信號，上傳判決結果0；若Y_i＞λ_H，則判決該子信道上存在主用戶信號，上傳判決結果1；若λ_L≤Y_i≤λ_H，則上傳Y_i至次用戶處；其中，i∈[1,K]；

2.3，次用戶將接收到的K-k個能量觀測值相加后得到結果d，再將d與λ進行比較，若0≤d＜λ則得出判決結果0，若d≥λ則得出判決結果1，其中，k為2.2中判決結果的個數(shù)；

2.4，若2.3得到的判決結果與2.2得到的k個判決結果之和小于1，則得到該次用戶處的本地判決結果為0，否則該次用戶處的本地判決結果為1；

步驟3，認知無線電網絡中的次用戶將本地判決結果上傳至網絡中的數(shù)據(jù)融合中心，數(shù)據(jù)融合中心采用“或”準則對所有次用戶的本地判決結果進行數(shù)據(jù)融合，只要有一個次用戶感知到主用戶信號的存在即判斷該授權頻段中存在主用戶信號，各次用戶仍需繼續(xù)等待，直到檢測到主用戶信號不存在時再行接入。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟2.1中本地判決門限值其中，Q^-1()表示Q函數(shù)的反函數(shù)，Q函數(shù)定義為P_f是預設的虛警概率，n表示接收信號的采樣點數(shù)，表示噪聲方差。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟2.1中較低門限值λ_L＝(1-ρ)λ，較高門限值λ_H＝(1+ρ)λ。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟2.2中第i個子信道的接收信號的能量觀測值其中n表示接收信號的采樣點數(shù)，y(j)為接收信號的第j個樣值。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟2中次用戶采用雙門限能量檢測法隨機對其中的K個子信道進行感知。

本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：

1.次用戶先將寬帶授權頻段劃分為若干個子信道，并感知其中的少數(shù)幾個，可大幅降低寬帶頻譜感知所帶來的較高的采樣開銷和能耗，且能降低對接收端模/數(shù)轉換器的硬件要求；

2.每個子信道上均采用雙門限能量檢測，可有效降低感知到的信號能量值處于判決門限值附近時而發(fā)生誤檢的概率；

3.系統(tǒng)的全局判決結果經過兩次數(shù)據(jù)融合而成，進一步提高了系統(tǒng)的檢測性能，避免了對主用戶的正常通信造成干擾。

附圖說明

圖1是基于雙門限能量檢測的協(xié)作寬帶頻譜感知系統(tǒng)模型圖。

圖2是雙門限判決示意圖。

圖3是基于雙門限能量檢測的協(xié)作寬帶頻譜感知算法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，假設一個認知無線電網絡內存在M個次用戶，則基于雙門限能量檢測的協(xié)作寬帶頻譜感知方法的具體實施，如圖3所示，包括以下四個步驟：

步驟一：CR網絡中的次用戶們在對寬帶授權頻段進行感知前，先各自將該頻段劃分為N個子信道，根據(jù)系統(tǒng)預設的虛警概率P_f利用一式可求得各自的本地判決門限值λ，Q^-1()表示Q函數(shù)的反函數(shù)，Q函數(shù)定義為n代表接收信號的采樣點數(shù)，代表噪聲方差；然后次用戶再結合本地的噪聲不確定度ρ求得雙門限能量檢測中的較低門限值λ_L＝(1-ρ)λ和較高門限值λ_H＝(1+ρ)λ。

步驟二：次用戶對N個子信道中的K個作能量檢測(K＜N)，子信道上經過采樣后的接收信號依次通過模/數(shù)轉換模塊、平方器和積分器，求得該子信道上的接收信號的能量觀測值i∈[1,K]，n為接收信號的采樣點數(shù)。如圖2所示，將Y_i依次與兩個門限值λ_L和λ_H相比較，當Y_i＜λ_L時，即判決該子信道不存在主用戶信號，上傳判決結果0；當Y_i＞λ_H時，即判決該子信道上存在主用戶信號，上傳判決結果1；而當Y_i落于兩門限值之間時，直接上傳該子信道的能量觀測值至次用戶處，那么次用戶接收到的來自于第i個子信道的信息R_i可表示為：

步驟三：假設次用戶觀測的K個子信道中有k個做出了判決結果，其余K-k個子信道的能量觀測值被直接上傳，則次用戶會將這K-k個能量觀測值相加，得一計算結果d，并與次用戶的判決門限值λ相比較，得到判決結果D，然后再與其它k個子信道的判決結果相加，與門限1比較后，做出該次用戶處的本地判決F，如式(2)和(3)所示。

步驟四：當CR網絡的M個次用戶在做出本地判決后，會將判決結果上傳至網絡中的數(shù)據(jù)融合中心，為了避免干擾主用戶的正常通信，本著最大化系統(tǒng)檢測概率的原則，數(shù)據(jù)融合中心采用“或”準則對M個次用戶的本地判決結果進行數(shù)據(jù)融合，即只要有一個次用戶感知到主用戶信號的存在便可判斷該授權頻段中存在主用戶信號，各次用戶仍需繼續(xù)等待，直到檢測到主用戶信號不存在時再行接入。

本發(fā)明的目的是尋找一種對器件要求較低且更有效的認知無線電頻譜感知方法來監(jiān)測寬帶授權頻段中存在的主用戶信號，以降低認知無線電網絡中次用戶的數(shù)據(jù)傳輸對于主用戶信號所造成的干擾，從而提高頻譜利用率。主要創(chuàng)新點如下：

1.本發(fā)明的方法中次用戶先將寬帶授權頻段劃分為若干個子頻段，并感知其中的少數(shù)幾個，可大幅降低寬帶頻譜感知所帶來的較高的采樣開銷和能耗及對硬件的要求；

2.次用戶在每個子頻段上均采用雙門限能量檢測，可有效降低當感知到的信號能量值處于判決門限值附近時而發(fā)生誤檢的概率；次用戶融合各個子頻段的感知結果做出本地判決，確保了判決結果的可信度；

3.認知無線電網絡中的數(shù)據(jù)融合中心融合各個次用戶上傳的本地結果做出最終的全局判決，其經過兩次數(shù)據(jù)融合二次，進一步提高了系統(tǒng)的檢測性能，避免了對授權主用戶的正常通信造成的干擾。

本發(fā)明中所提出的寬帶頻譜感知方法可應用于新興的物聯(lián)網即車聯(lián)網等技術中，通過發(fā)行寬帶授權頻段中所存在的空閑頻譜并機會式地接入其中進行通信，以提高頻譜利用率，緩解日益尖銳的頻譜資源供需間的矛盾。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內，因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。