專利名稱：一種感知無線電中空閑頻譜的雙次協(xié)作檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)，尤其涉及感知無線電技術(shù)。
技術(shù)背景感知無線電是一種無線電系統(tǒng)，它能夠自動地檢測周圍的環(huán)境情況， 智能地調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境的變化，在不對授權(quán)用戶(下文簡稱為 主用戶)造成干擾的條件下從空間、頻率、時間等多維地利用空閑頻譜資 源進行通信。感知無線電系統(tǒng)中，空閑頻譜檢測技術(shù)是決定感知無線電技 術(shù)能否實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)?？臻e頻譜檢測算法主要可以分為兩大類多用戶 合作的協(xié)作檢測算法以及單用戶的本地頻譜檢測算法。協(xié)作檢測算法中，主用戶發(fā)射端檢測是感知用戶通過分析偵聽到的信 號中是否存在主用戶信號來判斷頻譜的使用狀態(tài)，它是一種未知主用戶接 收端位置情況下的檢測。常用的算法有匹配濾波器檢測算法、能量檢測算 法及循環(huán)平穩(wěn)特征檢測算法。主用戶接收端檢測是相對于主用戶發(fā)射端檢 測而言的，它是通過判斷主用戶接收端是否處于工作狀態(tài)來判斷主用戶系 統(tǒng)是否正在使用感興趣頻譜的方法。常用的主用戶接收端檢測的算法本 振泄露檢測和基于干擾溫度的檢測。由于感知無線電用戶(下文簡稱為感知用戶)和主用戶之間不能夠直 接的進行信令交互，因此頻譜檢測工作的實施只能靠感知用戶對主用戶信
號的截獲來進行檢測。在主用戶信號被截獲的過程中，不可避免的受到多 徑、陰影以及本地干擾等因素的影響，從而增加了單個感知用戶檢測不可 靠的現(xiàn)象出現(xiàn)，為了克服該問題，多個感知用戶協(xié)作檢測成了迫切要求。 協(xié)作檢測是指多個感知用戶相互合作而執(zhí)行的檢測，它通過融合多個感知 用戶的檢測信息來更準確地判斷主用戶是否存在。傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測算法 實施過程分為兩步第一步各個用戶先執(zhí)行本地檢測算法，做出主用戶存 在或者主用戶不存在的判決；第二步感知用戶的判決結(jié)果傳送到感知基 站，基站通過不同的融合準則再做出主用戶是否存在的最終判斷。文獻[A. Ghasemi and E. S. Sousa，"Collaborative spectrum sensing 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]公開了一種協(xié)作檢測 的方法，我們將其稱為傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測。傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測算法在性 能上優(yōu)于本地頻譜檢測算法，但是在協(xié)作檢測中，感知用戶需要控制信道 來給感知基站傳送判決結(jié)果， 一般情況下這個控制信道是帶限的。即使是 每個感知用戶只將判決結(jié)果(最簡單情況為1個比特，如"0"或者"1" 分別對應(yīng)不存在主用戶或存在主用戶)傳送給感知基站，當參與協(xié)作的用 戶數(shù)量很大時，它們所需的控制信道帶寬也會很大，會過多占用信道資源。 這里我們提出了一種雙次協(xié)作檢測方法，與單次協(xié)作檢測算法對比，不僅 節(jié)省了感知無線電系統(tǒng)的控制信道的帶寬，而且檢測性能也有了很大的提 咼°
發(fā)明內(nèi)容協(xié)作檢測中感知用戶需要控制信道來給感知基站傳送本地判決結(jié)果， 一般情況下這個控制信道是帶限的。在傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測中，所有協(xié)作的 用戶都需要給感知基站傳送本地判決結(jié)果，當參與協(xié)作的用戶數(shù)量很大時， 它們所需的控制信道帶寬也會很大。本發(fā)明針對傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測算法中 多個感知用戶分別把自己的判決結(jié)果傳送給基站，造成帶寬有限的控制信 道負擔(dān)重的問題，提出了空閑頻譜感知的一種雙次協(xié)作檢測算法，適合具 有感知基站的感知無線電系統(tǒng)。本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是，提出一種雙次協(xié)作空閑頻譜感知 方法，該方法具體包括(1)需要通信的兩個感知用戶通過感知基站進行 握手，成功后兩個感知用戶分別向自己周圍一定范圍(其半徑一般小于兩 個感知用戶之間的距離)發(fā)出進行協(xié)作空閑頻譜檢測請求，在該范圍的所 有感知用戶形成一個協(xié)作頻譜檢測群。這樣，有兩個協(xié)作頻譜檢測群，需 要通信的感知用戶為該群的群首。(2)協(xié)作頻譜檢測群內(nèi)各感知用戶釆用 能量檢測算法等方法作為本地頻譜檢測算法，本地判斷授權(quán)給主用戶的某 頻段上是否存在主用戶信號，并將本地判斷結(jié)果傳送到群首。群首收集本群內(nèi)各感知用戶的本地判決，根據(jù)0R準則或者AND準則融合這些本地判決 結(jié)果作出群判決結(jié)果。(3)群首將群判決結(jié)果送入感知基站融合，組成感 知基站的判決統(tǒng)計量，在感知基站處對群判決結(jié)果進一步采用OR準則或者 AND準則判決，從而得到感知無線電系統(tǒng)的最終判決。在雙次協(xié)作檢測方法中，只有需要通信的感知用戶(群首)而非所有
感知用戶的判決結(jié)果傳遞到基站，很大程度上減少了傳遞給感知基站的判 決結(jié)果比特數(shù)，這樣就大大節(jié)省了控制信道的帶寬。與單次協(xié)作檢測算法 對比檢測性能也有了很大的提高，解決頻譜資源匱乏的問題。


圖1兩個感知用戶握手和形成協(xié)作頻譜檢測群示意圖。圖2本地檢測算法采用的能量檢測算法示意圖。 圖3雙次協(xié)作檢測的示意框圖。圖4 6V 融合規(guī)則下雙次協(xié)作檢測算法與單次協(xié)作檢測算法T^C比較。 圖5 ^W融合規(guī)則下雙次協(xié)作檢測算法與單次協(xié)作檢測算法iWC比較。
具體實施方式
本發(fā)明提出一種雙次協(xié)作檢測方法，群內(nèi)的感知用戶采用能量檢測算 法等作為本地判決，本地判斷授權(quán)給主用戶的某頻段上是否存在主用戶信號，群首收集本群內(nèi)各感知用戶的本地判決，并進行群判決，將群判決結(jié) 果發(fā)送到感知基站，作為感知基站的判決統(tǒng)計量?，F(xiàn)針對附圖和具體實例 對本發(fā)明的實施作進一步具體描述。第一步，需要通信的一個感知用戶向感知基站發(fā)出與另一個感知用戶 的通信請求，通過感知基站需要通信的兩個感知用戶進行握手。如圖1所 示為兩個感知用戶握手和形成協(xié)作頻譜檢測群示意圖。如群1中的感知用 戶CRN需要與群2中的感知用戶CR1進行通信，群1中的CRN發(fā)送通信請 求，通過感知基站與群2中的CRN進行握手。第二步，握手成功后，兩個感知用戶群2中CR1、群1中CRN分別向自 己周圍一定范圍(其半徑一般小于兩個感知用戶之間的距離)發(fā)出進行協(xié) 作空閑頻譜檢測請求，在該范圍內(nèi)接收到協(xié)作空閑頻譜檢測請求的所有感 知用戶形成一個協(xié)作頻譜檢測群(如果有的感知用戶收到兩個協(xié)作空閑頻 譜檢測請求，則響應(yīng)首先收到的協(xié)作空閑頻譜檢測請求，并將其歸入該協(xié) 作頻譜檢測群)。這樣，感知無線電系統(tǒng)中形成兩個協(xié)作頻譜檢測群，群內(nèi)包含各自獨立的感知用戶CR1-CRN，需要通信的感知用戶為該群的群首，如 圖1中，群1中CRN為群首用戶，群2中CR1為群首用戶。第三步，每個群內(nèi)各感知用戶采用能量檢測算法作為本地頻譜檢測算 法。如圖2所示為本發(fā)明采用能量檢測算法作為本地檢測算法進行本地判 決的示意圖。一個協(xié)作頻譜檢測群內(nèi)各感知用戶將接收到的未知信號通過一個低通 濾波器濾除帶外噪聲和鄰近信號，然后依次經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，平方器，N 個抽樣求和后，得到檢測統(tǒng)計量Y，將其與預(yù)先設(shè)定的門限值進行比較來判 斷。大于門限值時可以判定該頻段上存在主用戶信號，設(shè)置本地判決結(jié)果 為"1"，將其標志為H1，表明感知用戶不適合在該頻段上工作；當檢測統(tǒng)計 量Y小于門限值時可以判定該頻段上僅有噪聲，不存在主用戶信號，設(shè)置 本地判決結(jié)果為"0"，將其標志為HO，表明感知用戶可以借用該頻段。為了節(jié)省控制信道帶寬，群內(nèi)每個感知用戶只將16it的判決結(jié)果傳給 群首，并將判決結(jié)果的標志存入檢測系統(tǒng)存儲器中。其中"1"表示感知用 戶檢測的頻段上存在主用戶，"0"表示該頻段不存在主用戶。第四步，第1次協(xié)作，也是群內(nèi)協(xié)作。如圖3所示為本發(fā)明的雙次協(xié)作
檢測的示意框圖，其中上半部分為群內(nèi)協(xié)作。對于授權(quán)給主用戶的某段頻譜，群內(nèi)每個感知用戶基于自己的本地頻譜檢測算法根據(jù)檢測統(tǒng)計量yt、 ...、 yN，獨立的完成本地判決，判決該段頻譜是否存在主用戶，分別獲得本地判決結(jié)果Uk ...、 UN，并將本地判決結(jié)果送到群首。群首根據(jù)本地判決結(jié)果利用OR準則或AND準則作出群內(nèi)判決，其結(jié) 果為u。j(j二l，…，K)。第五步，第二次協(xié)作群間協(xié)作，見圖3中下半部分。需要通信的兩個感知用戶(群首)分別將兩個協(xié)作頻譜檢測群的判決結(jié)果(u。j(j^，2)，這里K二2l發(fā)送到感知基站，這些判決結(jié)果組成感知基站 的判決統(tǒng)計量，感知基站基于這些統(tǒng)計量利用OR準則或AND準則獲得最終 的判決結(jié)果D。協(xié)作檢測中，感知用戶需要控制信道來給感知基站傳送本地判決結(jié)果， 一般情況下這個控制信道是帶限的。為了節(jié)省控制信道帶寬，感知用戶只 將lbit的判決結(jié)果(0或者1)傳給感知基站。在傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測中， 所有協(xié)作的用戶都需要給感知基站傳送本地判決結(jié)果，當參與協(xié)作的用戶 數(shù)量很大時，它們所需的控制信道帶寬也會很大。但本發(fā)明的雙次協(xié)作方 法，只有群首的兩個判決結(jié)果送入感知基站進行判決，大大減少了傳送的數(shù) 據(jù)量，節(jié)省控制信道帶寬。以下對0R融合準則或AND融合準則作進一步具體描述。OR準則只要有一個感知用戶支持判決為Hl，感知基站最終判決結(jié)果就判為該 判決H1，即"或"運算準則。協(xié)作系統(tǒng)檢測存儲器中的標志，只要有一個 感知用戶設(shè)置的標志為Hl，即支持判決主用戶存在，群首和基站作出最終 判決該頻段中存在主用戶，將總的判決結(jié)果標志置為HI;只有當存儲器中 的標志全部為H0，即所有感知用戶的判決結(jié)果均為頻段中不存在主用戶時，群首或基站作出判決該頻段中不存在主用戶，將總的判決結(jié)果標志置為H0。即當協(xié)作系統(tǒng)融合中心的統(tǒng)計量Y滿足<formula>formula see original document page 9</formula> (1)
用虛警概率和檢測概率來描述作為感知無線電系統(tǒng)中衡量檢測性能指標， 進行OR準則協(xié)作后的虛警概率和檢測概率分別為<formula>formula see original document page 9</formula> (2) <formula>formula see original document page 9</formula> (3)其中，w為參加協(xié)作的感知用戶個數(shù)，Pn、 Pdi分別表示第i個用戶的本地虛 警概率和本地檢測概率，該融合方案有較小的漏檢概率和較大的虛警概率。AND準則當所有的感知用戶都支持某判決為H1時，感知基站最終判決結(jié)果才為 判決H1，即"與"運算準則。協(xié)作系統(tǒng)檢測存儲器中的標志，只有當所有 感知用戶都作出主用戶存在的判決，存儲器中設(shè)置的標志全部為H1時，群 首和基站作出最終判決該頻段中存在主用戶，將總的判決結(jié)果標志置為m。 只要有一個感知用戶設(shè)置的標志為H0，即支持判決不存在主用戶，群首和 基站作出最終判決該頻段中不存在主用戶，并將總的判決結(jié)果標志置為H0。
即當協(xié)作系統(tǒng)融合中心的統(tǒng)計量f滿足1其他 //。 進行協(xié)作后的虛警概率和檢測概率分別為A=fb/; (4) ^=fbrf, (5)上=]與OR規(guī)則相比該融合方案犧牲了漏檢概率來換取虛警概率的減小。 在感知無線電頻譜檢測中主要通過相同條件下檢測概率的大小來衡量 系統(tǒng)的性能。虛警概率是指主用戶信號不存在但是誤判為存在主用戶信號 的概率，檢測概率就是正確判斷的概率，而且漏檢概率與檢測概率之和為1。 引入?yún)f(xié)作檢測后，我們考慮的衡量系統(tǒng)檢測性能的參數(shù)則是全局檢測概率 與全局虛概率。在雙次協(xié)作檢測系統(tǒng)中，令尸,j， i^分別代表群j中群虛警概率、檢 測概率，群數(shù)為K (K>2)時由式(2)、 (3)得出OR規(guī)則下兩次協(xié)作的頻 譜檢測系統(tǒng)的全局檢測概率以及全局虛警概率為4=1-fl(1《) (6)■'=14=1-(7).,=1由式(4)、 (5) AND規(guī)則下兩次協(xié)作的頻譜檢測系統(tǒng)的全局檢測概率以 及全局虛警概率為
<formula>formula see original document page 11</formula>我們可以將單次協(xié)作檢測看成是雙次協(xié)作檢測算法中分群數(shù)(K=l)的 特殊情況。圖4、圖5分別給出了 OR融合規(guī)則、AND融合規(guī)則下雙次協(xié)作檢測算 法與單次協(xié)作檢測算法的ROC曲線比較。相同條件時，雙次協(xié)作檢測環(huán)境下系統(tǒng)有兩個群，每個群里的用戶個 數(shù)分別為8、 4，單次協(xié)作檢測環(huán)境下僅一個群，用戶個數(shù)取雙次檢測中用 戶個數(shù)之和，即為8。其中，圖4為雙次協(xié)作中兩次融合都采用0R準則， 圖5為雙次協(xié)作中兩次融合都采用AND準則?？梢钥闯觯嗤痔摼?率條件下，雙次協(xié)作檢測算法的全局漏檢概率要低于單次協(xié)作檢測算法的 全局漏檢概率，因此具有較好的檢測性能。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局 限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以輕易想 到的變換和替換，都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范疇內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護 范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護范圍為準。采用本發(fā)明提出的雙次協(xié)作檢測算法，在全局虛警概率相同的情況下 可以提高系統(tǒng)的全局檢測概率；其次在雙次協(xié)作檢測中，只有群首(僅兩 個)而非所有感知用戶的判決結(jié)果傳遞到基站，很大程度上減少了傳遞給 感知基站的判決結(jié)果比特數(shù)，這樣就大大節(jié)省了控制信道的帶寬。
權(quán)利要求
1、感知無線電中空閑頻譜的一種雙次協(xié)作檢測方法，其特征在于，需要通信的感知用戶通過感知基站進行握手，成功握手的感知用戶分別向自己周圍一定范圍發(fā)出進行協(xié)作空閑頻譜檢測請求；分別形成以需要通信的感知用戶為群首的協(xié)作頻譜檢測群；協(xié)作頻譜檢測群內(nèi)各感知用戶進行本地頻譜檢測，本地判斷授權(quán)給主用戶的某頻段上是否存在主用戶信號，并將本地判斷結(jié)果傳送到群首；群首融合上述本地判決作出群判決結(jié)果，并送入感知基站作為感知基站的判決統(tǒng)計量，感知基站根據(jù)群判決結(jié)果融合判決，得到感知無線電系統(tǒng)的最終判決結(jié)果，確定主用戶信號是否存在。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙次協(xié)作檢測方法，其特征在于，感知用戶 發(fā)送協(xié)作空閑頻譜檢測請求的范圍指發(fā)送半徑小于兩個感知用戶之間的距 離。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙次協(xié)作檢測方法，其特征在于，本地頻譜 檢測方法采用能量檢測算法，群內(nèi)每個感知用戶基于自己的本地頻譜檢測根 據(jù)檢測統(tǒng)計量獨立完成本地判決。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙次協(xié)作檢測方法，其特征在于，群內(nèi)每個 感知用戶只將1力W的判決結(jié)果傳給群首作為群首的判決統(tǒng)計量；每個群首只 將l&'t的判決結(jié)果傳給感知基站作為基站的判決統(tǒng)計量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙次協(xié)作檢測方法，其特征在于，在群首判 決中可采用0R準則和/或認D準則對群內(nèi)各感知用戶的本地判決結(jié)果進行融 合判決，得到群判決結(jié)果；基站融合判決中可采用0R準則和/或AND準則對群 判決結(jié)果進行判決，得到總的最終判決結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明申請保護一種感知無線電系統(tǒng)中空閑頻譜檢測的雙次協(xié)作檢測方法，涉及無線通信系統(tǒng)。該方法是將傳統(tǒng)協(xié)作檢測算法中參與協(xié)作的多個感知用戶劃分到不同的群里，需要通信的感知用戶為該群的群首，然后通過群內(nèi)協(xié)作以及群間協(xié)作來達到減少控制信道開銷和提高系統(tǒng)檢測性能的目的。群內(nèi)感知用戶采用能量檢測算法本地判斷授權(quán)給主用戶的某頻段上是否存在主用戶信號，并將本地判斷結(jié)果傳送到群首，群首融合這些本地判決作出群判決結(jié)果，感知基站對群判決結(jié)果進一步融合判決，從而得到該系統(tǒng)的最終判決。采用本方法很大程度上減少了傳遞給感知基站的判決結(jié)果比特數(shù)，這樣就大大節(jié)省了控制信道的帶寬，檢測性能得到了提升。
文檔編號H04B17/00GK101399564SQ20081023293
公開日2009年4月1日 申請日期2008年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者何麗華, 謝顯中 申請人:重慶郵電大學(xué)