專利名稱：一種認知無線電系統(tǒng)中的合作頻譜感知方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于認知無線電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多個認知無線電用戶以合作 的方式對頻譜空洞進行感知的方法。
背景技術(shù)：
近年來，在無線技術(shù)的高速發(fā)展帶來許多新服務(wù)的同時，無線頻譜稀缺 的問題也更加明顯，由于許多新技術(shù)的實現(xiàn)都需要以頻譜資源為基礎(chǔ)，所以 無線頻譜稀缺已成為影響通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。 一直以來無線頻譜資源的使 用和管理都是由政府統(tǒng)一進行，目前可分配的頻帶已所剩無幾，但是己有多
項研究表明在已經(jīng)分配出去的無線頻譜中，大多數(shù)頻段的利用率低于25%， 有的頻段利用率甚至不到10%。在這種情況下，能夠有效利用頻譜空洞實現(xiàn) 通信的認知無線電(Cognitive Radio)技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點。
認知無線電技術(shù)的目標(biāo)是提高頻譜利用率，使得具備認知功能的無線用 戶能夠智能地感知周圍的環(huán)境，以伺機的方式使用未被主用戶(Primary User)使用的頻譜資源來完成通信，同時不對主用戶的通信產(chǎn)生影響。認知 無線電用戶通過不斷的感知無線環(huán)境，可以檢測在自己的通信范圍內(nèi)某個頻 段當(dāng)前是否正在被主用戶使用，如果發(fā)現(xiàn)該頻段當(dāng)前未被主用戶使用，則表 示認知無線電用戶可以使用該頻段進行通信； 一旦主用戶需要使用某個頻 段，則正在使用該頻段進行通信的認知無線電用戶必須立刻停止在該頻段的 通信，繼續(xù)尋找未被主用戶使用的頻段進行通信。
頻譜感知是實現(xiàn)認知無線電技術(shù)的第一步，由于不能對主用戶的通信造 成影響，同時又必須達到有效利用頻譜空洞的目的，這就要求認知無線電用 戶必須能夠精確地感知主用戶在各頻段上的使用情況。目前常用的頻譜感知 技術(shù)主要包括能量檢測技術(shù)、匹配濾波檢測技術(shù)和循環(huán)平穩(wěn)特性檢測技術(shù)。
能量檢測技術(shù)具有對主用戶信號需要先驗信息最少以及簡單實用的特 點，主要包含以下幾個歩驟
(1) 將接收信號通過帶通濾波器，獲得所要檢測的目標(biāo)頻段的信號。
(2) 將目標(biāo)頻段信號通過平方率器件，獲得該信號功率估計。
(3) 在某個固定的周期內(nèi)對該信號的功率估計積分，得到目標(biāo)頻段內(nèi)的 信號能量。
(4) 將得到的信號能量值與某一門限進行比較，高于該門限則表示當(dāng)前 該頻段正在被主用戶使用，低于該門限則表示當(dāng)前該頻段沒有被主用戶使
用o
考慮到單個認知無線電用戶使用能量檢測技術(shù)進行頻譜感知的準確度較 低，以及提升單個用戶感知準確度的成本太高等問題，有人提出了合作頻譜 感知的方法。圖1為認知無線電系統(tǒng)合作頻譜感知示意圖。參與合作的認知無線電用戶將對目標(biāo)頻段的主用戶信號進行感知，將各自的本地感知結(jié)果發(fā) 送到認知無線電系統(tǒng)的控制中心，控制中心采用一定的融合算法處理收到的 本地感知結(jié)果，得到最終的判決結(jié)果。
目前提出的一些融合算法主要有似然比融合算法和線性融合算法，前者 檢測性能好，但是實現(xiàn)復(fù)雜度高，很難用于實際的認知無線電系統(tǒng)，后者雖 然在性能上稍差于前者，但是實現(xiàn)相對簡單。常見的線性融合算法有最大比 融合，等增益融合以及最優(yōu)線性融合。不過，最大比融合算法和最優(yōu)線性融 合算法都需要對無線感知信道特性進行實時估計，由于無線信道易受環(huán)境影 響，所以在實際中對信道特性進行實時估計需要的計算量較大，難以實用；
等增益融合算法雖然不需要對無線信道進行估計，但是這種方法沒有考慮到 各個用戶感知環(huán)境的差異性，例如各用戶的感知信道特性不同，各用戶的本 地接收信噪比不同等等。另一方面，常見的線性融合算法也沒有考慮惡意認 知無線電用戶對合作感知性能的影響。惡意認知無線電用戶可以通過向控制 中心發(fā)送錯誤的本地感知結(jié)果來干擾正常的合作感知過程，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生錯 誤的判決。在惡意認知無線電用戶的干擾下，這三種算法的性能都會下降， 隨著惡意認知無線電用戶所占比重的增加，這種影響會更加明顯，也就失去 了合作的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對認知無線電系統(tǒng)中現(xiàn)有合作頻譜感知方法一些問題，包括基 于最大比融合算法和最優(yōu)線性融合算法的合作感知方法在實際中無法準確地 估計無線感知信道實時特性，基于等增益融合算法的合作感知方法沒有充分 考慮用戶感知環(huán)境的差異性，以及現(xiàn)有合作頻譜感知方法不能夠有效抵抗惡 意用戶攻擊等，提出一種基于用戶可信度的線性融合合作感知方法。
本發(fā)明方法不需要對無線信道特性進行實時地估計，充分考慮了認知無 線電用戶感知環(huán)境的多樣性，而且能夠有效地抵抗惡意認知無線電用戶在合 作感知過程中的攻擊，減輕惡意節(jié)點對系統(tǒng)感知性能的影響。
本發(fā)明采用傳統(tǒng)的二元假設(shè)檢驗?zāi)Ｐ停琈表示當(dāng)前所檢測的目標(biāo)頻段沒 有被主用戶使用的假設(shè)，a表示當(dāng)前所檢測的目標(biāo)頻段正在被主用戶使用的 假設(shè)。對目標(biāo)頻段進行檢測，實質(zhì)上就是在M假設(shè)和a假設(shè)之間做出判決。 具體的方法是用檢測結(jié)果與該二元假設(shè)檢驗?zāi)Ｐ团袥Q門限進行比較，得到判
決結(jié)果。本發(fā)明采用基于Neyman-Pearson理論的最佳檢測方法，即在給定 虛警概率的情況下，最大化檢測概率。虛警概率為在"假設(shè)下判決結(jié)果為當(dāng) 前所檢測的目標(biāo)頻段正在被主用戶使用的概率。檢測概率為在^假設(shè)下判決 結(jié)果為當(dāng)前所檢測的目標(biāo)頻段正在被主用戶使用的概率。由給定的虛警概率 可以計算得到所述二元假設(shè)檢驗?zāi)Ｐ偷呐袥Q門限。
本發(fā)明在控制中心使用線性加權(quán)融合算法，即用所收到的每個認知無線 電用戶的感知結(jié)果乘以該用戶對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，再把相乘結(jié)果進行累加，并 將該累加結(jié)果與系統(tǒng)的判決門限進行比較得到最終判決結(jié)果。相比最大比融
4合算法和等增益融合算法而言，該加權(quán)融合算法充分利用了各個用戶感知環(huán) 境的多樣性。在所提出的加權(quán)融合算法中所使用的權(quán)重系數(shù)由認知無線電用 戶的可信度歸一化后得到，而可信度則是控制中心根據(jù)該認知無線電用戶在 每次合作感知過程中的表現(xiàn)統(tǒng)計得到的，利用可信度產(chǎn)生權(quán)重系數(shù)進行加權(quán) 融合的方法可以減小惡意認知無線電用戶在合作感知過程中發(fā)動攻擊對系統(tǒng) 感知性能產(chǎn)生的影響。
本發(fā)明方法的步驟是
1. 每個參與合作的認知無線電用戶對主用戶信號進行能量檢測； 每個參與合作的認知無線電用戶采用現(xiàn)有的能量檢測技術(shù)(背景技術(shù)中
所述的能量檢測技術(shù))對目標(biāo)頻段內(nèi)的主用戶信號能量進行檢測。
2. 將每個參與合作的認知無線電用戶的能量檢測感知結(jié)果或量化的能量 檢測感知結(jié)果作為本地感知結(jié)果通過認知無線電系統(tǒng)的控制信道發(fā)送到控制 中心。傳輸方法采用現(xiàn)有通信數(shù)據(jù)傳輸方法。
3. 認知無線電系統(tǒng)的控制中心收到所有參與合作的認知無線電用戶的本 地感知結(jié)果之后，從用戶可信度數(shù)據(jù)庫中讀取每個參與合作的認知無線電用 戶的可信度。，并且對其進行歸一化處理，得到每個用戶在本次合作感知中
的權(quán)重系數(shù)w,.， w,=^， I為參與合作的認知無線電用戶的總數(shù)。
s。
4. 將接收到的本地感知結(jié)果K與對應(yīng)用戶的權(quán)重^系數(shù)相乘，再累加，
K = |^y,，將累加結(jié)果r和與系統(tǒng)的判決門限比較如果該結(jié)果大于等于判決
門限，則系統(tǒng)判決結(jié)果為目標(biāo)頻段當(dāng)前正在被主用戶使用；如果該結(jié)果小于
判決門限，則系統(tǒng)判決結(jié)果為目標(biāo)頻段當(dāng)前沒有被主用戶使用。計算系統(tǒng)的
判決門限的方法采用現(xiàn)有方法(背景技術(shù)中所述的"......由給定的虛警概率
可以計算得到所述二元假設(shè)檢驗?zāi)Ｐ偷呐袥Q門限")。
5. 認知無線電系統(tǒng)的控制中心對用戶可信度數(shù)據(jù)庫中參與合作的認知無
線電用戶的可信度。進行更新，具體方法是
將控制中心收到的每個用戶的本地感知結(jié)果y,與該用戶進行單用戶感知
時的判決門限作比較如果本地感知結(jié)果y,大于等于判決門限，則該單用戶
的判決結(jié)果為目標(biāo)頻段當(dāng)前正在被主用戶使用；如果本地感知結(jié)果y,小于判 決門限，則該單用戶的判決結(jié)果為目標(biāo)頻段當(dāng)前沒有被主用戶使用；
如果單用戶的判決結(jié)果與本次合作感知的系統(tǒng)判決結(jié)果一致-，則根據(jù)認 知無線電系統(tǒng)的要求提高該用戶的可信度；如果不一致，則根據(jù)認知無線電 系統(tǒng)的要求降低該用戶的可信度。
單用戶感知時的判決門限的方法采用現(xiàn)有方法(背景技術(shù)中所述的"… …由給定的虛警概率可以計算得到所述二元假設(shè)檢驗?zāi)Ｐ偷呐袥Q門限")。
本發(fā)明提供的認知無線電中合作感知方法利用了能量檢測對主用戶信號需要先驗信息最少的優(yōu)點，同時具有線性合作感知算法的簡單性和實用性， 充分考慮了各個用戶感知環(huán)境的多樣性；采用基于用戶可信度的融合算法，
克服了最大比融合，等增益融合以及最優(yōu)線性融合等算法不能有效抵抗惡意 節(jié)點攻擊的缺點，減輕了惡意節(jié)點對整個認知無線電系統(tǒng)感知性能的影響。


圖1認知無線電系統(tǒng)合作頻譜感知示意圖； 圖2本發(fā)明合作感知系統(tǒng)框圖3本發(fā)明中認知無線電系統(tǒng)控制中心的工作流程圖。
具體實施例方式
如圖1，在本認知無線電系統(tǒng)中有f個參與合作感知的認知無線電用 戶，它們對目標(biāo)頻段內(nèi)主用戶發(fā)射機的信號進行感知，將各自的本地感知結(jié) 果發(fā)送到該認知無線電系統(tǒng)中的控制中心；控制中心采用一定的融合算法處 理收到的本地感知結(jié)果，判斷所檢測的目標(biāo)頻段當(dāng)前是否被主用戶使用。
如圖2，合作頻譜感知過程包含以下幾個步驟
(1) 認知無線電用戶J (戶1，2，…》對目標(biāo)頻段進行能量檢測，對收到的 信號力")進行處理后得到該信號的能量值幾。
(2) 認知無線電用戶J'將能量值F/作為本地感知結(jié)果，通過控制信道發(fā) 送到認知無線電系統(tǒng)的控制中心。由于1S在經(jīng)過控制信道時，疊加了控制信 道的噪聲A，故最終到達控制中心的感知結(jié)果為&。
(3) 控制中心根據(jù)可信度數(shù)據(jù)庫中每個用戶的可信度。計算出該用戶在本
次合作感知中相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)w,。
(4) 控制中心將收到的參與合作的認知無線電用戶的本地感知結(jié)果《與 對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)w,.進行加權(quán)相加，將該加權(quán)相加結(jié)果與系統(tǒng)判決門限比較，
得到系統(tǒng)判決結(jié)果。
如圖3，在合作頻譜感知過程中，控制中心的工作包含以下幾個步驟
(1) 接收各個參與合作的認知無線電用戶發(fā)送的本地感知結(jié)果。
(2) 從用戶可信度數(shù)據(jù)庫中獲取各個用戶的可信度，將每個用戶的可信 度歸一化處理后得到該用戶在本次合作感知中的權(quán)重系數(shù)。
(3) 用每個用戶的權(quán)重系數(shù)乘以所收到的該用戶的本地感知結(jié)果，然后 進行累加，并將累加和與系統(tǒng)判決門限比較。如果大于該系統(tǒng)判決門限，則 判決結(jié)果為目標(biāo)頻段當(dāng)前正在被主用戶使用；如果小于該系統(tǒng)判決門限，則 判決結(jié)果為目標(biāo)頻段當(dāng)前沒有被主用戶使用。
(4) 將收到的每個用戶發(fā)送的本地感知結(jié)果與該用戶進行單用戶頻譜感
知時的門限作比較，得到該用戶進行單用戶頻譜感知時的判決結(jié)果。
(5) 將第(4)步中得到的每個用戶的單用戶判決結(jié)果與本次合作感知的系 統(tǒng)判決結(jié)果作比較，如果一致，則根據(jù)認知無線電系統(tǒng)的要求提高該用戶的 可信度；如果不一致，則根據(jù)認知無線電系統(tǒng)的要求降低該用戶的可信度。
權(quán)利要求
1、一種認知無線電系統(tǒng)中的合作頻譜感知方法，其特征在于該方法的具體步驟是步驟(1). 每個參與合作的認知無線電用戶對主用戶信號進行能量檢測；步驟(2). 將每個參與合作的認知無線電用戶的能量檢測感知結(jié)果或量化的能量檢測感知結(jié)果作為本地感知結(jié)果通過認知無線電系統(tǒng)的控制信道發(fā)送到控制中心；步驟(3). 認知無線電系統(tǒng)的控制中心收到所有參與合作的認知無線電用戶的本地感知結(jié)果之后，從用戶可信度數(shù)據(jù)庫中讀取每個參與合作的認知無線電用戶的可信度rj，并且對其進行歸一化處理，得到每個用戶在本次合作感知中的權(quán)重系數(shù)wj，K為參與合作的認知無線電用戶的總數(shù)；步驟(4).將接收到的本地感知結(jié)果Yj與對應(yīng)用戶的權(quán)重wj系數(shù)相乘后累加，將累加結(jié)果V和與系統(tǒng)的判決門限比較如果該結(jié)果大于等于判決門限，則系統(tǒng)判決結(jié)果為目標(biāo)頻段當(dāng)前正在被主用戶使用；如果該結(jié)果小于判決門限，則系統(tǒng)判決結(jié)果為目標(biāo)頻段當(dāng)前沒有被主用戶使用；步驟(5).認知無線電系統(tǒng)的控制中心對用戶可信度數(shù)據(jù)庫中參與合作的認知無線電用戶的可信度rj進行更新，具體方法是將控制中心收到的每個用戶的本地感知結(jié)果Yj與該用戶進行單用戶感知時的判決門限作比較如果本地感知結(jié)果Yj大于等于判決門限，則該單用戶的判決結(jié)果為目標(biāo)頻段當(dāng)前正在被主用戶使用；如果本地感知結(jié)果Yj小于判決門限，則該單用戶的判決結(jié)果為目標(biāo)頻段當(dāng)前沒有被主用戶使用；如果單用戶的判決結(jié)果與本次合作感知的系統(tǒng)判決結(jié)果一致，則根據(jù)認知無線電系統(tǒng)的要求提高該用戶的可信度；如果不一致，則根據(jù)認知無線電系統(tǒng)的要求降低該用戶的可信度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種認知無線電系統(tǒng)中的合作頻譜感知方法。現(xiàn)有合作頻譜感知方法不能夠有效抵抗惡意用戶攻擊。本發(fā)明方法首先是每個用戶對主用戶信號進行能量檢測，將能量檢測感知結(jié)果發(fā)送到控制中心；從用戶可信度數(shù)據(jù)庫中讀取每個用戶的可信度，進行歸一化處理得到每個用戶在本次合作感知中的權(quán)重系數(shù)；將本地感知結(jié)果與對應(yīng)用戶的權(quán)重系數(shù)相乘累加后與系統(tǒng)的判決門限比較，如果大于則目標(biāo)頻段當(dāng)前正在被主用戶使用；如果小于則目標(biāo)頻段當(dāng)前沒有被主用戶使用。本發(fā)明方法具有線性合作感知算法的簡單性和實用性，克服了現(xiàn)有方法不能有效抵抗惡意節(jié)點攻擊的缺點，減輕了惡意節(jié)點對整個認知無線電系統(tǒng)感知性能的影響。
文檔編號H04B1/69GK101459445SQ20081016351
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者磊 謝, 煦 金, 陳惠芳 申請人:浙江大學(xué)