認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜優(yōu)化領(lǐng)域，特別涉及認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接 入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信的發(fā)展和用戶需求的提高，有效使用頻譜資源變得極為重要。目前 通常的頻譜管理方式是即使主用戶（Primary User,簡稱PU)未使用授權(quán)頻段時(shí)，次用戶 (Secondary User,簡稱SU)也不能使用該頻段，這種情況極大地降低了頻譜的利用率。
[0003] 為了解決這個(gè)矛盾，人們提出了認(rèn)知無線電（Cognitive Radio,簡稱CR)技術(shù)，次 用戶通過頻譜感知手段感知到空閑的頻段，在不影響主用戶通信的前提下充分利用頻譜資 源。感知完成后，次用戶將感知的結(jié)果發(fā)送給融合中心（Fusion Center,簡稱FC)，F(xiàn)C通過 某一判決準(zhǔn)則做出主用戶是否存在的判決，次用戶最終決定是否接入信道。
[0004] 在頻譜感知過程中，單個(gè)次用戶的頻譜感知常常存在陰影效應(yīng)、多徑衰落和隱藏 終端而使檢測性能較差的問題，為了克服此問題，基于多個(gè)次用戶的協(xié)作頻譜感知技術(shù)相 應(yīng)被提出。
[0005] 但是，現(xiàn)有的多個(gè)次用戶的協(xié)作頻譜感知技術(shù)都是基于所有次用戶首先利用相同 的本地感知時(shí)間完成感知，然后依時(shí)分復(fù)用的方式將感知結(jié)果上傳至融合中心，且當(dāng)一個(gè) 次用戶上傳感知結(jié)果時(shí)，其他次用戶不做任何操作，直到輪到其上傳時(shí)才執(zhí)行上傳，F(xiàn)C最后 依據(jù)某一判決準(zhǔn)則做出主用戶是否占用信道的全局判決結(jié)果。
[0006] 可以發(fā)現(xiàn)，這樣的協(xié)作頻譜感知方式存在以下問題：1)當(dāng)一個(gè)次用戶上傳感知結(jié) 果時(shí)，其他次用戶不做任何操作，直到輪到其上傳時(shí)才執(zhí)行上傳，導(dǎo)致很多上傳時(shí)隙的浪 費(fèi)。2)當(dāng)感知的次用戶數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，便可以獲得較低的虛警概率，而超過此數(shù)量的次 用戶參與感知時(shí)，會(huì)導(dǎo)致很多能量的浪費(fèi)；3)在接入階段，當(dāng)太多的次用戶接入信道，使得 信道變得非常擁擠，導(dǎo)致較低的吞吐量。
[0007] 盡管許多頻譜感知方法和動(dòng)態(tài)接入算法已經(jīng)被提出以提高次用戶使用主用 戶的頻譜資源的機(jī)會(huì)，但是目前基于現(xiàn)有的頻譜感知和接入技術(shù)，主要集中在頻譜感 知和動(dòng)態(tài)接入二者分開研究，要么單方面最佳化頻譜感知性能而不考慮頻譜接入的 影響，要么設(shè)計(jì)一種頻譜接入算法而不考慮頻譜感知的影響，例如：A. Ghasemi and E. S. Sousa. Collaborative spectrum sensing for opportunistic access in fading environments [C]. In Proc. 2005IEEE DySPANj pp. 131 - 136 ；Yang LjKim HjZhang J S，et al.Pricing-based decentralized spectrum access control in cognitive radio networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking(T0N)，2013,21 (2) :522-535?也即 是說，現(xiàn)有技術(shù)基本上沒有將頻譜感知和動(dòng)態(tài)接入二者聯(lián)合起來進(jìn)而考慮頻譜感知與接入 算法的相互影響。
[0008] 而經(jīng)研究表明，將頻譜感知和動(dòng)態(tài)接入二者聯(lián)合考慮它們的相互作用非常有意 義，原因在于若參與感知主信道的次用戶很少，將導(dǎo)致較高的虛警概率P f和較低的吞吐量， 最糟糕的情況是無次用戶感知，因?yàn)楦兄枰哪芰?，這不可避免導(dǎo)致極其高的虛警概 率匕和幾乎為O的吞吐量；而若太多的次用戶接入主信道將使得信道非常擁擠，則再次導(dǎo) 致非常低的吞吐量；因而，應(yīng)該動(dòng)態(tài)地調(diào)整次用戶感知比例和接入比例以獲得較高的實(shí)時(shí) 吞吐量，即求得演化穩(wěn)定解，使吞吐量達(dá)到最大，虛警概率達(dá)到最低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提出認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化 方法。
[0010] 本發(fā)明的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，包括：
[0011] 步驟A、次用戶通過可能獲得的吞吐量大小決定是否參與感知；
[0012] 步驟B、決定參與感知的次用戶進(jìn)行頻譜感知，獲得本地感知結(jié)果，并根據(jù)似然比 大小的順序?qū)⒈镜馗兄Y(jié)果上傳給融合中心；
[0013] 步驟C、融合中心根據(jù)判決準(zhǔn)則做出主用戶是否占用信道的決策；
[0014] 步驟D、次用戶根據(jù)判決結(jié)果和可能獲得的吞吐量決定是否接入信道。
[0015] 步驟E、當(dāng)參與感知的次用戶比例增長率和接入次用戶比例增長率都趨于穩(wěn)定時(shí)， 獲得參與感知的次用戶比例和接入的次用戶比例。
[0016] 優(yōu)選地，所述次用戶通過可能獲得的吞吐量大小決定是否參與感知包括：
[0017] 如果時(shí)隙t參與協(xié)作頻譜感知的次用戶的平均吞吐量Us (t)大于時(shí)隙t所有次用 戶的平均吞吐量U (t)，次用戶做出參與感知的決定；
[0018] 如果時(shí)隙t參與協(xié)作頻譜感知的次用戶的平均吞吐量Us (t)小于t時(shí)隙所有次用 戶的平均吞吐量U (t)，次用戶做出不參與感知的決定。
[0019] 優(yōu)選地，所述決定參與感知的次用戶進(jìn)行頻譜感知采用能量檢測方式，包括：如果 Yi〈Yth，則次用戶判決主用戶不存在，否則次用戶判決主用戶存在；
[0020] 其中，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，其特征在于，包括： 步驟A、次用戶通過可能獲得的吞吐量大小決定是否參與感知； 步驟B、決定參與感知的次用戶進(jìn)行頻譜感知，獲得本地感知結(jié)果，并根據(jù)似然比大小 的順序?qū)⒈镜馗兄Y(jié)果上傳給融合中心； 步驟C、融合中心根據(jù)判決準(zhǔn)則做出主用戶是否占用信道的決策； 步驟D、次用戶根據(jù)判決結(jié)果和可能獲得的吞吐量決定是否接入信道； 步驟E、當(dāng)參與感知的次用戶比例增長率和接入次用戶比例增長率都趨于穩(wěn)定時(shí)，獲得 參與感知的次用戶比例和接入的次用戶比例。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，其特征在 于，所述次用戶通過可能獲得的吞吐量大小決定是否參與感知包括： 如果時(shí)隙t參與協(xié)作頻譜感知的次用戶的平均吞吐量Us (t)大于時(shí)隙t所有次用戶的 平均吞吐量U(t)，次用戶做出參與感知的決定； 如果時(shí)隙t參與協(xié)作頻譜感知的次用戶的平均吞吐量Us(t)小于t時(shí)隙所有次用戶的 平均吞吐量U(t)，次用戶做出不參與感知的決定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，其特征在 于，所述決定參與感知的次用戶進(jìn)行頻譜感知采用能量檢測方式，包括：如果Yi〈Yth，則次用 戶判決主用戶不存在，否則次用戶判決主用戶存在； 其中，
表示次用戶i在一個(gè)感知周期內(nèi)感知主用戶信號(hào)的平均 能量，隊(duì)為次用戶i在一個(gè)感知周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，Yth為主用戶信號(hào)能量預(yù)設(shè)門限值；
表示表示次用戶i感知的第k個(gè)信號(hào)樣本，ni [k]是 次用戶i的噪聲且各njk]獨(dú)立同分布，s[k]是主用戶信號(hào)，比表示主用戶和次用戶i間 的信道增益，4和Hi分別表示主用戶不存在和存在。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，其特征在 于，所述根據(jù)似然比大小的順序?qū)⒈镜馗兄Y(jié)果上傳給融合中心包括：在AND準(zhǔn)則下，根據(jù) 信噪比由高到低的順序?qū)⒈镜馗兄Y(jié)果上傳給融合中心；在OR準(zhǔn)則下，按信噪比由低到高 的順序?qū)⒈镜馗兄Y(jié)果上傳給融合中心； 所述AND判決準(zhǔn)則是指：當(dāng)參與感知的次用戶的判決結(jié)果都為真，則融合中心決策融 合的最終判決為真，否則為假；所述OR判決準(zhǔn)則是指：只要有一個(gè)參與感知的次用戶的判 決結(jié)果為真，則融合中心決策融合的最終判決為真，否則為假。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，其特征在 于，所述根據(jù)似然比大小的順序?qū)⒈镜馗兄Y(jié)果上傳給融合中心包括當(dāng)上傳順序排在前面 的次用戶上傳信息時(shí)，排在后面的次用戶繼續(xù)執(zhí)行本地感知直至輪到自己上傳時(shí)才發(fā)送其 感知結(jié)果至融合中心。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，其特征在 于，所述次用戶根據(jù)判決結(jié)果和可能獲得的吞吐量決定是否接入信道包括：如果融合中心 判決主用戶存在，則次用戶不接入信道；如果融合中心判決主用戶不存在，則次用戶根據(jù)可 能獲得的吞吐量決定是否接入。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，其特征在 于，如果t時(shí)隙次用戶決定接入條件下接入信道的次用戶的平均吞吐量Ua | % (t)大于所有 次用戶的平均吞吐量U| % (t)，則該次用戶決定接入。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，其特 征在于：所述參與感知的次用戶比例增長率和接入次用戶比例增長率都趨于0,即滿足ps(t+l)-ps(t)GG[-THsa，THj，THsa表示感知接入閾值，參 與感知的次用戶比例和接入次用戶比例達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，其特征在 于： 所述參與感知的次用戶比例為： ps (t+i) =ps (t) (1+n(i-ps (t)) (- ? s- ? t+ (i-pa (t) +pa(t) (p〇pf (Mps (t)) +PiPd))R) 所述接入的次用戶比例為：
其中，
>Mpa(t)代表t時(shí)隙次用 戶決定接入條件下接入信道的次用戶數(shù)，B是信道帶寬，SNR是次用戶的信號(hào)功率與噪聲之 比，INR是干擾噪聲比；
為次用戶i接收的信噪 t匕，比表示主用戶和次用戶i間的信道增益，crj和of分別為主用戶和噪聲的方差；隊(duì)為 一個(gè)感知周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；
為Mps(t)個(gè)次用戶協(xié)作感知信道的誤警概率，入為能量監(jiān)測的采樣頻率，
，為補(bǔ)誤差函數(shù)；Yth為主用戶信號(hào)能量預(yù)設(shè)門限值； Ps(t)表示t時(shí)隙參與感知主信道的次用戶比例，pa(t)表示t時(shí)隙接入信道的次用戶 比例，?t=TtE3為上傳感知結(jié)果所消耗的能量，? s= 〇\+%(〇-1)1\)匕是頻譜感知所消 耗的能量，Tt是單個(gè)次用戶上傳所需時(shí)間，Mi (t)-1表示t時(shí)隙上傳順序排在次用戶i前面 的感知用戶個(gè)數(shù)，Ts是單個(gè)次用戶本地感知時(shí)間；? a=TaE2為數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量，Ta 是單個(gè)次用戶數(shù)據(jù)傳輸所需時(shí)間；R是僅參與感知而不接入信道的次用戶所獲得能量吞吐 量并且1?>?3出 1、&33、^分別代表第一、第二、第三、第四能量轉(zhuǎn)化因子；11是正的步長因 子。
【專利摘要】本發(fā)明涉及認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜優(yōu)化領(lǐng)域，提供認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知和接入決策聯(lián)合的優(yōu)化方法，次用戶通過可能獲得的吞吐量大小決定是否參與感知；決定參與感知的次用戶進(jìn)行頻譜感知，獲得本地感知結(jié)果，并根據(jù)似然比大小的順序?qū)⒈镜馗兄Y(jié)果上傳給融合中心；融合中心根據(jù)判決準(zhǔn)則做出主用戶是否占用信道的決策；次用戶根據(jù)判決結(jié)果和可能獲得的吞吐量決定是否接入信道；當(dāng)參與感知的次用戶比例增長率和接入次用戶比例增長率都趨于穩(wěn)定時(shí)，獲得參與感知的次用戶比例和接入的次用戶比例；本發(fā)明基于演化博弈，將頻譜感知和接入二者聯(lián)合起來，動(dòng)態(tài)地調(diào)整次用戶感知和接入的比例，最終達(dá)到均衡狀態(tài)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。
【IPC分類】H04W24-02, H04B17-382
【公開號(hào)】CN104579523
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410850416
【發(fā)明人】李方偉, 袁迎慧, 朱江, 劉帆, 張佳佳, 楊政, 楊浩磊, 韓超
【申請(qǐng)人】重慶郵電大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月31日