專利名稱：一種感知無(wú)線電中空閑頻譜的雙次協(xié)作檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信技術(shù)，尤其涉及感知無(wú)線電技術(shù)。
技術(shù)背景感知無(wú)線電是一種無(wú)線電系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)地檢測(cè)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(duì)授權(quán)用戶(下文簡(jiǎn)稱為 主用戶)造成干擾的條件下從空間、頻率、時(shí)間等多維地利用空閑頻譜資 源進(jìn)行通信。感知無(wú)線電系統(tǒng)中，空閑頻譜檢測(cè)技術(shù)是決定感知無(wú)線電技 術(shù)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)?？臻e頻譜檢測(cè)算法主要可以分為兩大類多用戶 合作的協(xié)作檢測(cè)算法以及單用戶的本地頻譜檢測(cè)算法。協(xié)作檢測(cè)算法中，主用戶發(fā)射端檢測(cè)是感知用戶通過(guò)分析偵聽(tīng)到的信 號(hào)中是否存在主用戶信號(hào)來(lái)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(cè)。常用的算法有匹配濾波器檢測(cè)算法、能量檢測(cè)算 法及循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)算法。主用戶接收端檢測(cè)是相對(duì)于主用戶發(fā)射端檢 測(cè)而言的，它是通過(guò)判斷主用戶接收端是否處于工作狀態(tài)來(lái)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(cè)的算法本 振泄露檢測(cè)和基于干擾溫度的檢測(cè)。由于感知無(wú)線電用戶(下文簡(jiǎn)稱為感知用戶)和主用戶之間不能夠直 接的進(jìn)行信令交互，因此頻譜檢測(cè)工作的實(shí)施只能靠感知用戶對(duì)主用戶信
號(hào)的截獲來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。在主用戶信號(hào)被截獲的過(guò)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(gè)感知用戶檢測(cè)不可 靠的現(xiàn)象出現(xiàn)，為了克服該問(wèn)題，多個(gè)感知用戶協(xié)作檢測(cè)成了迫切要求。 協(xié)作檢測(cè)是指多個(gè)感知用戶相互合作而執(zhí)行的檢測(cè)，它通過(guò)融合多個(gè)感知 用戶的檢測(cè)信息來(lái)更準(zhǔn)確地判斷主用戶是否存在。傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測(cè)算法 實(shí)施過(guò)程分為兩步第一步各個(gè)用戶先執(zhí)行本地檢測(cè)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(guò)不同的融合準(zhǔn)則再做出主用戶是否存在的最終判斷。文獻(xiàn)[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(cè) 的方法，我們將其稱為傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測(cè)。傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測(cè)算法在性 能上優(yōu)于本地頻譜檢測(cè)算法，但是在協(xié)作檢測(cè)中，感知用戶需要控制信道 來(lái)給感知基站傳送判決結(jié)果， 一般情況下這個(gè)控制信道是帶限的。即使是 每個(gè)感知用戶只將判決結(jié)果(最簡(jiǎn)單情況為1個(gè)比特，如"0"或者"1" 分別對(duì)應(yīng)不存在主用戶或存在主用戶)傳送給感知基站，當(dāng)參與協(xié)作的用 戶數(shù)量很大時(shí)，它們所需的控制信道帶寬也會(huì)很大，會(huì)過(guò)多占用信道資源。 這里我們提出了一種雙次協(xié)作檢測(cè)方法，與單次協(xié)作檢測(cè)算法對(duì)比，不僅 節(jié)省了感知無(wú)線電系統(tǒng)的控制信道的帶寬，而且檢測(cè)性能也有了很大的提 咼°
發(fā)明內(nèi)容協(xié)作檢測(cè)中感知用戶需要控制信道來(lái)給感知基站傳送本地判決結(jié)果， 一般情況下這個(gè)控制信道是帶限的。在傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測(cè)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(dāng)參與協(xié)作的用戶數(shù)量很大時(shí)， 它們所需的控制信道帶寬也會(huì)很大。本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)/單次協(xié)作檢測(cè)算法中 多個(gè)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(fù)擔(dān)重的問(wèn)題，提出了空閑頻譜感知的一種雙次協(xié)作檢測(cè)算法，適合具 有感知基站的感知無(wú)線電系統(tǒng)。本發(fā)明解決上述問(wèn)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(gè)感知用戶通過(guò)感知基站進(jìn)行 握手，成功后兩個(gè)感知用戶分別向自己周圍一定范圍(其半徑一般小于兩 個(gè)感知用戶之間的距離)發(fā)出進(jìn)行協(xié)作空閑頻譜檢測(cè)請(qǐng)求，在該范圍的所 有感知用戶形成一個(gè)協(xié)作頻譜檢測(cè)群。這樣，有兩個(gè)協(xié)作頻譜檢測(cè)群，需 要通信的感知用戶為該群的群首。(2)協(xié)作頻譜檢測(cè)群內(nèi)各感知用戶釆用 能量檢測(cè)算法等方法作為本地頻譜檢測(cè)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(hào)，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(zhǔn)則或者AND準(zhǔn)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(jì)量，在感知基站處對(duì)群判決結(jié)果進(jìn)一步采用OR準(zhǔn)則或者 AND準(zhǔn)則判決，從而得到感知無(wú)線電系統(tǒng)的最終判決。在雙次協(xié)作檢測(cè)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?cái)?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(cè)算法 對(duì)比檢測(cè)性能也有了很大的提高，解決頻譜資源匱乏的問(wèn)題。


圖1兩個(gè)感知用戶握手和形成協(xié)作頻譜檢測(cè)群示意圖。圖2本地檢測(cè)算法采用的能量檢測(cè)算法示意圖。 圖3雙次協(xié)作檢測(cè)的示意框圖。圖4 6V 融合規(guī)則下雙次協(xié)作檢測(cè)算法與單次協(xié)作檢測(cè)算法T^C比較。 圖5 ^W融合規(guī)則下雙次協(xié)作檢測(cè)算法與單次協(xié)作檢測(cè)算法iWC比較。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出一種雙次協(xié)作檢測(cè)方法，群內(nèi)的感知用戶采用能量檢測(cè)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(hào)，群首收集本群內(nèi)各感知用戶的本地判決，并進(jìn)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(jì)量。現(xiàn)針對(duì)附圖和具體實(shí)例 對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步具體描述。第一步，需要通信的一個(gè)感知用戶向感知基站發(fā)出與另一個(gè)感知用戶 的通信請(qǐng)求，通過(guò)感知基站需要通信的兩個(gè)感知用戶進(jìn)行握手。如圖1所 示為兩個(gè)感知用戶握手和形成協(xié)作頻譜檢測(cè)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(jìn)行通信，群1中的CRN發(fā)送通信請(qǐng) 求，通過(guò)感知基站與群2中的CRN進(jìn)行握手。第二步，握手成功后，兩個(gè)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(gè)感知用戶之間的距離)發(fā)出進(jìn)行協(xié) 作空閑頻譜檢測(cè)請(qǐng)求，在該范圍內(nèi)接收到協(xié)作空閑頻譜檢測(cè)請(qǐng)求的所有感 知用戶形成一個(gè)協(xié)作頻譜檢測(cè)群(如果有的感知用戶收到兩個(gè)協(xié)作空閑頻 譜檢測(cè)請(qǐng)求，則響應(yīng)首先收到的協(xié)作空閑頻譜檢測(cè)請(qǐng)求，并將其歸入該協(xié) 作頻譜檢測(cè)群)。這樣，感知無(wú)線電系統(tǒng)中形成兩個(gè)協(xié)作頻譜檢測(cè)群，群內(nèi)包含各自獨(dú)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(gè)群內(nèi)各感知用戶采用能量檢測(cè)算法作為本地頻譜檢測(cè)算 法。如圖2所示為本發(fā)明采用能量檢測(cè)算法作為本地檢測(cè)算法進(jìn)行本地判 決的示意圖。一個(gè)協(xié)作頻譜檢測(cè)群內(nèi)各感知用戶將接收到的未知信號(hào)通過(guò)一個(gè)低通 濾波器濾除帶外噪聲和鄰近信號(hào)，然后依次經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，平方器，N 個(gè)抽樣求和后，得到檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量Y，將其與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較來(lái)判 斷。大于門限值時(shí)可以判定該頻段上存在主用戶信號(hào)，設(shè)置本地判決結(jié)果 為"1"，將其標(biāo)志為H1，表明感知用戶不適合在該頻段上工作；當(dāng)檢測(cè)統(tǒng)計(jì) 量Y小于門限值時(shí)可以判定該頻段上僅有噪聲，不存在主用戶信號(hào)，設(shè)置 本地判決結(jié)果為"0"，將其標(biāo)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(gè)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(biāo)志存入檢測(cè)系統(tǒng)存儲(chǔ)器中。其中"1"表示感知用 戶檢測(cè)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(cè)的示意框圖，其中上半部分為群內(nèi)協(xié)作。對(duì)于授權(quán)給主用戶的某段頻譜，群內(nèi)每個(gè)感知用戶基于自己的本地頻譜檢測(cè)算法根據(jù)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量yt、 ...、 yN，獨(dú)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(zhǔn)則或AND準(zhǔn)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(jiàn)圖3中下半部分。需要通信的兩個(gè)感知用戶(群首)分別將兩個(gè)協(xié)作頻譜檢測(cè)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(jì)量，感知基站基于這些統(tǒng)計(jì)量利用OR準(zhǔn)則或AND準(zhǔn)則獲得最終 的判決結(jié)果D。協(xié)作檢測(cè)中，感知用戶需要控制信道來(lái)給感知基站傳送本地判決結(jié)果， 一般情況下這個(gè)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(cè)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(dāng)參與協(xié)作的用戶 數(shù)量很大時(shí)，它們所需的控制信道帶寬也會(huì)很大。但本發(fā)明的雙次協(xié)作方 法，只有群首的兩個(gè)判決結(jié)果送入感知基站進(jìn)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(duì)0R融合準(zhǔn)則或AND融合準(zhǔn)則作進(jìn)一步具體描述。OR準(zhǔn)則只要有一個(gè)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(yùn)算準(zhǔn)則。協(xié)作系統(tǒng)檢測(cè)存儲(chǔ)器中的標(biāo)志，只要有一個(gè) 感知用戶設(shè)置的標(biāo)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(biāo)志置為HI;只有當(dāng)存儲(chǔ)器中 的標(biāo)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(shí)，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(biāo)志置為H0。即當(dāng)協(xié)作系統(tǒng)融合中心的統(tǒng)計(jì)量Y滿足<formula>formula see original document page 9</formula> (1)
用虛警概率和檢測(cè)概率來(lái)描述作為感知無(wú)線電系統(tǒng)中衡量檢測(cè)性能指標(biāo)， 進(jìn)行OR準(zhǔn)則協(xié)作后的虛警概率和檢測(cè)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(gè)數(shù)，Pn、 Pdi分別表示第i個(gè)用戶的本地虛 警概率和本地檢測(cè)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(zhǔn)則當(dāng)所有的感知用戶都支持某判決為H1時(shí)，感知基站最終判決結(jié)果才為 判決H1，即"與"運(yùn)算準(zhǔn)則。協(xié)作系統(tǒng)檢測(cè)存儲(chǔ)器中的標(biāo)志，只有當(dāng)所有 感知用戶都作出主用戶存在的判決，存儲(chǔ)器中設(shè)置的標(biāo)志全部為H1時(shí)，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(biāo)志置為m。 只要有一個(gè)感知用戶設(shè)置的標(biāo)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(biāo)志置為H0。
即當(dāng)協(xié)作系統(tǒng)融合中心的統(tǒng)計(jì)量f滿足1其他 //。 進(jìn)行協(xié)作后的虛警概率和檢測(cè)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(lái)?yè)Q取虛警概率的減小。 在感知無(wú)線電頻譜檢測(cè)中主要通過(guò)相同條件下檢測(cè)概率的大小來(lái)衡量 系統(tǒng)的性能。虛警概率是指主用戶信號(hào)不存在但是誤判為存在主用戶信號(hào) 的概率，檢測(cè)概率就是正確判斷的概率，而且漏檢概率與檢測(cè)概率之和為1。 引入?yún)f(xié)作檢測(cè)后，我們考慮的衡量系統(tǒng)檢測(cè)性能的參數(shù)則是全局檢測(cè)概率 與全局虛概率。在雙次協(xié)作檢測(cè)系統(tǒng)中，令尸,j， i^分別代表群j中群虛警概率、檢 測(cè)概率，群數(shù)為K (K>2)時(shí)由式(2)、 (3)得出OR規(guī)則下兩次協(xié)作的頻 譜檢測(cè)系統(tǒng)的全局檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的全局檢測(cè)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(cè)看成是雙次協(xié)作檢測(cè)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(cè)算 法與單次協(xié)作檢測(cè)算法的ROC曲線比較。相同條件時(shí)，雙次協(xié)作檢測(cè)環(huán)境下系統(tǒng)有兩個(gè)群，每個(gè)群里的用戶個(gè) 數(shù)分別為8、 4，單次協(xié)作檢測(cè)環(huán)境下僅一個(gè)群，用戶個(gè)數(shù)取雙次檢測(cè)中用 戶個(gè)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(zhǔn)則， 圖5為雙次協(xié)作中兩次融合都采用AND準(zhǔn)則?？梢钥闯?，相同全局虛警概 率條件下，雙次協(xié)作檢測(cè)算法的全局漏檢概率要低于單次協(xié)作檢測(cè)算法的 全局漏檢概率，因此具有較好的檢測(cè)性能。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)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(hù)范疇內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù) 范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。采用本發(fā)明提出的雙次協(xié)作檢測(cè)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(cè)概率；其次在雙次協(xié)作檢測(cè)中，只有群首(僅兩 個(gè))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?cái)?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(wú)線電中空閑頻譜的一種雙次協(xié)作檢測(cè)方法，其特征在于，需要通信的感知用戶通過(guò)感知基站進(jìn)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(jìn)行協(xié)作空閑頻譜檢測(cè)請(qǐng)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(cè)群；協(xié)作頻譜檢測(cè)群內(nèi)各感知用戶進(jìn)行本地頻譜檢測(cè)，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(hào)，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(jì)量，感知基站根據(jù)群判決結(jié)果融合判決，得到感知無(wú)線電系統(tǒng)的最終判決結(jié)果，確定主用戶信號(hào)是否存在。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙次協(xié)作檢測(cè)方法，其特征在于，感知用戶 發(fā)送協(xié)作空閑頻譜檢測(cè)請(qǐng)求的范圍指發(fā)送半徑小于兩個(gè)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(cè)方法，其特征在于，本地頻譜 檢測(cè)方法采用能量檢測(cè)算法，群內(nèi)每個(gè)感知用戶基于自己的本地頻譜檢測(cè)根 據(jù)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量獨(dú)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(cè)方法，其特征在于，群內(nèi)每個(gè) 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(jì)量；每個(gè)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(jì)量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙次協(xié)作檢測(cè)方法，其特征在于，在群首判 決中可采用0R準(zhǔn)則和/或認(rèn)D準(zhǔn)則對(duì)群內(nèi)各感知用戶的本地判決結(jié)果進(jìn)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(zhǔn)則和/或AND準(zhǔn)則對(duì)群 判決結(jié)果進(jìn)行判決，得到總的最終判決結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明申請(qǐng)保護(hù)一種感知無(wú)線電系統(tǒng)中空閑頻譜檢測(cè)的雙次協(xié)作檢測(cè)方法，涉及無(wú)線通信系統(tǒng)。該方法是將傳統(tǒng)協(xié)作檢測(cè)算法中參與協(xié)作的多個(gè)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(guò)群內(nèi)協(xié)作以及群間協(xié)作來(lái)達(dá)到減少控制信道開銷和提高系統(tǒng)檢測(cè)性能的目的。群內(nèi)感知用戶采用能量檢測(cè)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(hào)，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(duì)群判決結(jié)果進(jìn)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?cái)?shù)，這樣就大大節(jié)省了控制信道的帶寬，檢測(cè)性能得到了提升。
文檔編號(hào)H04B17/00GK101399564SQ20081023293
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)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(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)