專利名稱：認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中基于QoS保障的高效能合作頻譜感知方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于QoS保障的高效能合作頻譜感知，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)軟信息融合策略和最優(yōu)硬判決融合策略。通過(guò)加權(quán)感知性能和資源消耗，為使系統(tǒng)效用達(dá)到最大，得到了參與合作的最佳的認(rèn)知用戶數(shù)量，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
認(rèn)知無(wú)線電的概念最早是由J.Mitola提出的，他對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的定義基于軟件無(wú)線電，并將其所研究的計(jì)算智能領(lǐng)域的知識(shí)融合到了軟件無(wú)線電中。Mitola在其博士論文中提到認(rèn)知無(wú)線電在具有軟件無(wú)線電巨大靈活性的基礎(chǔ)上，還具有“自知性(self-aware) ”和“自適應(yīng)性(self-adaptive) ”,并且提出認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)通過(guò)認(rèn)知環(huán)與環(huán)境進(jìn)行交互。實(shí)際上，Mitola提出的理想的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)是一個(gè)具有環(huán)境感知能力和自動(dòng)學(xué)習(xí)能力，并且能夠自適應(yīng)地進(jìn)行頻譜接入、共享和管理的無(wú)線系統(tǒng)。頻譜感知作為認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的核心技術(shù)，是帶有認(rèn)知功能的終端用戶通過(guò)各種檢測(cè)技術(shù)對(duì)頻帶內(nèi)的主用戶信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程，一旦發(fā)現(xiàn)所檢測(cè)的頻帶內(nèi)不存在主用戶，則接入該頻帶；同時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)主用戶信號(hào)出現(xiàn)在某個(gè)頻帶時(shí)，則必須立刻退出該頻帶。為了避免對(duì)主用戶造成干擾，認(rèn)知用戶需要高效而且有效地檢測(cè)出主用戶的狀態(tài)。然而，由于認(rèn)知用戶信噪比(SNR)低、主用戶信息少以及多徑衰落和陰影效應(yīng)等因素的影響，單個(gè)認(rèn)知用戶通常無(wú)法精確地感知主用戶存在與否。為此，需要在同頻帶上采用多用戶分集的合作頻譜感知技術(shù)來(lái)提高檢測(cè)的有效性和可靠性。所以重點(diǎn)研究合作頻譜感知中多個(gè)認(rèn)知用戶之間高效地合作，最大化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的效用。根據(jù)感知信息融合方式不同，可以將常見(jiàn)的融合算法分為軟信息融合和硬判決融合兩種。在軟信息融合中認(rèn)知(CR)用戶將本地的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量或者與通過(guò)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量計(jì)算得到的值作為感知信息發(fā)送給融合中心或者其他負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合的用戶。在硬判決融合中，每個(gè)認(rèn)知用戶對(duì)主用戶的狀態(tài)做出判決，得到“I比特”的判決信息(I代表主用戶存在，O代表主用戶不存在)，然后通過(guò)報(bào)告信道把判決信息發(fā)送給數(shù)據(jù)融合中心。合作頻譜感知中一個(gè)基本的權(quán)衡問(wèn)題是:如果更多的認(rèn)知用戶參與感知，感知性能可以得到提升，但是信號(hào)測(cè)量所需要的傳輸功率和次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的通信開(kāi)銷量也會(huì)隨著合作用戶數(shù)線性增長(zhǎng)。因此，權(quán)衡兩個(gè)方面并且保障認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的QoS需求是非常重要的。為了分析以上問(wèn)題，首先定義了效用函數(shù)。如果認(rèn)知用戶成功地檢測(cè)到主用戶不存在，它就可以利用空閑頻譜，從而獲得收益；如果主用戶存在，認(rèn)知用戶錯(cuò)誤地檢測(cè)到主用戶不存在，由于它的接入會(huì)對(duì)主用戶造成干擾，它應(yīng)該支付罰金；每個(gè)認(rèn)知用戶在感知過(guò)程中需要消耗系統(tǒng)資源，為此要付出一定的代價(jià)。效用函數(shù)考慮了以上三個(gè)方面，為保障認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的QoS需求，通過(guò)使系統(tǒng)效用達(dá)到最大，得到了參與合作的最佳的認(rèn)知用戶數(shù)量。分析側(cè)重于兩種策略:軟信息融合和硬判決融合。在白高斯噪聲信道、Nakagani衰落信道和Rayleigh衰落信道下，提出了基于QoS保障的高效能合作頻譜感知方法。結(jié)果表明，當(dāng)考慮認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的QoS需求時(shí)，確實(shí)存在最佳的合作認(rèn)知用戶數(shù)量。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明的提供參與合作的最佳的認(rèn)知用戶數(shù)量，使系統(tǒng)的效用達(dá)到最大，同時(shí)保障認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的QoS需求。分析并得到了最優(yōu)軟信息融合策略和最優(yōu)硬判決融合策略，提出了基于QoS保障的高效能合作頻譜感知方法。優(yōu)化策略與定門限策略相比，可以用較少的合作用戶獲得較大的效用。技術(shù)方案:為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案，包括如下三個(gè)部分:第一部分:構(gòu)建系統(tǒng)模型及頻譜感知分析。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的合作頻譜感知模型如

圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主用戶，K個(gè)認(rèn)知用戶和I個(gè)融合中心。其中，k個(gè)認(rèn)知用戶被用來(lái)進(jìn)行合作感知，I < k < K。所有參與合作的認(rèn)知用戶接收到的主用戶信號(hào)假設(shè)是獨(dú)立同分布的。頻譜感知的目的是根據(jù)接收到的信號(hào)統(tǒng)計(jì)量Y判斷目標(biāo)頻帶內(nèi)主用戶存在(Htl)或是不存在(H1),進(jìn)而決定是否接入該頻帶。認(rèn)知系統(tǒng)中，虛警概率表示主用戶不存在但是卻被認(rèn)知系統(tǒng)判決為存在的概率。如果虛警概率增加，空閑的主信道的利用率就會(huì)下降，因此虛警概率決定了認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量。漏檢概率表示主用戶存在但是卻被認(rèn)知系統(tǒng)判決為不存在的概率，因此漏檢概率影響主用戶鏈路的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。如果更多的認(rèn)知用戶參與感知，感知性能可以得到提升，但是信號(hào)測(cè)量所需要的傳輸功率和次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的通信開(kāi)銷量也會(huì)隨著合作用戶數(shù)線性增長(zhǎng)。因此，權(quán)衡兩個(gè)方面并且保障認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的QoS需求是非常重要的。為了分析以上問(wèn)題，首先定義了效用函數(shù)。如果認(rèn)知用戶成功地檢測(cè)到主用戶不存在，它就可以利用空閑頻譜，從而獲得收益；如果主用戶存在，認(rèn)知用戶錯(cuò)誤地檢測(cè)到主用戶不存在，由于它的接入會(huì)對(duì)主用戶造成干擾，它應(yīng)該支付罰金；每個(gè)認(rèn)知用戶在感知過(guò)程中需要消耗系統(tǒng)資源，為此要付出一定的代價(jià)。效用函數(shù)定義為:U (k) = a [1-Qf (k)] P (H0)-β QmGOp(H1)-R.k其中，U(k)為效用函數(shù)，Qf (k)和Qni(k)為k個(gè)認(rèn)知用戶參與合作時(shí)的虛警概率和漏檢概率，P(H0)表示主用戶不存在的概率，P(H1)表示主用戶存在的概率，α為認(rèn)知用戶成功地利用空閑頻譜所獲得的收益的價(jià)格，β為認(rèn)知用戶對(duì)主用戶干擾應(yīng)支付的罰金的價(jià)格，R為認(rèn)知系統(tǒng)消耗的資源的價(jià)格。第二部分:合作頻譜感知軟信息融合策略。在不考慮多徑衰落和陰影效應(yīng)的條件下，對(duì)于單個(gè)認(rèn)知用戶，在能量檢測(cè)器采樣次數(shù)較多的情況下，根據(jù)中心極限定理，接收信號(hào)近似服從高斯分布:Y1-N(SuJu)H0Yi N(2u+2 Y i,4u+8 Y JH1其中，u是能量檢測(cè)器時(shí)間和帶寬的乘積，Yi是認(rèn)知用戶i的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，Y i是認(rèn)知用戶i的平均信噪比(SNR)。在合作頻譜感知軟信息融合策略中，CR用戶將本地的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量或者與通過(guò)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量計(jì)算得到的值作為感知信息發(fā)送給融合中心或者其他負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合的用戶。融合中心搜集來(lái)自所有參與感知的認(rèn)知用戶的軟信息，即
權(quán)利要求
1.種認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中基于QoS保障的高效能合作頻譜感知方法，其特征在于包括: 第一部分:合作頻譜感知軟信息融合中效用函數(shù)的最優(yōu)化: 在合作頻譜感知軟信息融合策略中，如果虛警概率Qf,s是個(gè)固定的值，那么能量檢測(cè)器門限K為
全文摘要
一種認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中基于QoS保障的高效能合作頻譜感知方法。第一部分構(gòu)建系統(tǒng)模型并對(duì)感知性能與資源消耗權(quán)衡問(wèn)題進(jìn)行了分析。第二部分實(shí)現(xiàn)了合作頻譜感知最優(yōu)軟信息融合策略，得到了最佳的能量檢測(cè)器門限。在最優(yōu)能量檢測(cè)器門限的條件下，求得最佳的參與合作的認(rèn)知用戶數(shù)，最大化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的效用。第三部分在合作頻譜感知硬判決融合中心采用隨機(jī)準(zhǔn)則進(jìn)行判決，優(yōu)化最終判決門限，實(shí)現(xiàn)硬判決門限動(dòng)態(tài)地調(diào)整。在最佳門限的條件下，求得最佳的參與合作的認(rèn)知用戶數(shù)，最大化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的效用。優(yōu)化策略與定門限策略相比，可以用較少的合作用戶獲得較大的效用。整個(gè)方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于推廣。
文檔編號(hào)H04W16/14GK103096336SQ20131002790
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者胡航, 張杭, 路威, 陳乾, 張江, 辜方林, 譚曉波, 孫愛(ài)偉, 于鴻 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)