專利名稱：用于無線通信的次用戶協(xié)作、周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)主用戶頻譜洞的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信系統(tǒng)中用于提高頻譜利用效率的技術(shù)領(lǐng)域，尤其屬于機(jī)會(huì)式頻譜共享、提高頻譜利用效率技術(shù)領(lǐng)域中的頻譜洞檢測(cè)技術(shù)。
背景技術(shù)：
近幾年來對(duì)頻譜資源需求顯著增加，頻譜資源面臨緊缺問題越來越突出。解決這一問題的有效途徑是多無線電系統(tǒng)的頻譜共享技術(shù)，特別是機(jī)會(huì)式頻譜共享技術(shù)。將提供共享頻譜資源的用戶稱為主用戶，共享主用戶歸屬的無線電系統(tǒng)的頻譜資源的用戶稱為次用戶。機(jī)會(huì)式頻譜共享法是次用戶采用見機(jī)行事的方式使用主用戶的頻譜資源。即主用戶有空閑的信道，次用戶便接入；主用戶沒有空閑的信道，次用戶便等待主用戶空閑信道的出現(xiàn)。一旦主用戶要使用屬于自己，但正被次用戶占用的信道，次用戶必須立即釋放所占用的主用戶信道，即對(duì)主用戶的信道有主次使用之別，以主用戶為主，次用戶為輔。
當(dāng)主、次用戶間無任何信號(hào)聯(lián)系，次用戶能否接入到主用戶的頻段；或次用戶占用了主用戶的頻段，而主用戶又要使用該頻段時(shí)，次用戶能否立刻退出正占用的信道，這是機(jī)會(huì)式頻譜共享法必須首先解決的問題，解決這一問題的基本辦法是頻譜感知技術(shù)。頻譜感知是指實(shí)時(shí)檢測(cè)主用戶歸屬的無線電系統(tǒng)的頻譜資源是否存在頻譜洞，即檢測(cè)用戶是否在所分配的頻點(diǎn)上處于活動(dòng)狀態(tài)，如果用戶在該頻點(diǎn)上出現(xiàn)，則不存在頻譜洞；反之，則該頻點(diǎn)上存在頻譜洞。
它是機(jī)會(huì)式頻譜共享法判斷是否存在次用戶利用主用戶信道機(jī)會(huì)的重要手段。
現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)頻譜感知的主要方法有其一，能量檢測(cè)法。次用戶對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，以選擇主用戶可能提供的頻譜資源中心頻率和帶寬，對(duì)選擇頻段的信號(hào)在一定的觀察時(shí)間內(nèi)平方和積分，求信號(hào)的能量，并和設(shè)定的閥值比較，若大于該閥值，則用戶正使用該頻段，否則，用戶沒有使用該頻段，次用戶可以接入該頻段。本.懷德(Ben Wild)等人在“用于感知無線電的檢測(cè)主用戶接收機(jī)”(“Detecting Primary Receivers forCognitive Radio Applications，”IEEE Symposium on New Frontiers in DynamicSpectrum Access Networks，8-11 Nov.2005，Baltimore，Maryland USA，pp124-130.)論文中檢測(cè)主用戶發(fā)射機(jī)局部振蕩器(LOLocal Oscillator)發(fā)出的泄漏能量，可以降低檢測(cè)主用戶的難度。對(duì)泄漏能量的直接檢測(cè)在實(shí)際中行不通。首先當(dāng)次用戶和主用戶間距離較遠(yuǎn)時(shí)，檢測(cè)LO泄漏能量難度加大，其次LO泄漏能量非常易變化，和接收機(jī)的模型和生產(chǎn)時(shí)間有關(guān)。本.懷德提出在主用戶接收機(jī)附近安裝一些小的和低代價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)，由這些節(jié)點(diǎn)檢測(cè)LO泄漏能量，節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過單獨(dú)的控制信道傳遞給次用戶，這實(shí)際上是間接的能量檢測(cè)法。當(dāng)主用戶不移動(dòng)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)放置簡(jiǎn)單，可是主用戶移動(dòng)時(shí)較麻煩。能量檢測(cè)法缺點(diǎn)表現(xiàn)為判別閥值難以確定；不能區(qū)別不同調(diào)制信號(hào)；在陰影/衰減環(huán)境下檢測(cè)性能下降；不能檢測(cè)擴(kuò)頻信號(hào)等。
其二，協(xié)作頻譜感知法。為了克服能量檢測(cè)法在陰影/衰減環(huán)境下性能下降的缺點(diǎn)，當(dāng)前越來越傾向采用在次用戶間協(xié)作進(jìn)行頻譜感知的方法。當(dāng)一些次用戶因陰影/衰減無法檢測(cè)主用戶時(shí)，可能存在和這些次用戶相鄰地方的其它次用戶沒有受到陰影/衰減的影響，這些次用戶能有效檢測(cè)主用戶，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果告知其它次用戶。此外，協(xié)作頻譜感知也指多個(gè)次用戶共同參與檢測(cè)主用戶，以減少檢測(cè)時(shí)間和增加檢測(cè)概率。德.凱布瑞克(D.Cabric)等人的“感知無線電的頻譜感知實(shí)現(xiàn)問題”(“Implementation issues in spectrum sensing for cognitiveradios，”in Proc.Asilomar Conference on Signals，Systems，and Computers，2004.)論文，杰海能布蘭德(J.Hillenbrand)等人的“頻譜池系統(tǒng)中檢測(cè)概率和虛警概率的計(jì)算”(“Calculation of detection and false alarm probabilities in spectrumpooling systems，”IEEE Communications Letters，vol.9，no.4，pp.349-351，April2005.)論文，思.?？?S.Haykin)的“感知無線電智能無線電通信”(“CognitiveRadioBrain-Empowered Wireless Communications，”IEEE Journal on SelectedAreas in Communications，vol.23，no.2，pp.2O1-220，F(xiàn)ebruary 2005.)論文，以上的這些論文都探討了協(xié)作頻譜感知法。但它們僅限于ad hoc網(wǎng)絡(luò)(自組織分組無線網(wǎng)絡(luò))，而沒有探究考慮不同參數(shù)(如次用戶的數(shù)量、監(jiān)測(cè)概率和虛警概率)的更普遍模型和更重要的傳輸參數(shù)。艾.伽思米(A.Ghasemi)等人在“衰減環(huán)境下用于機(jī)會(huì)式接入的協(xié)作頻譜感知”(“Collaborative Spectrum Sensing forOpportunistic Access in Fading Environments，”IEEE Symposium on New Frontiersin Dynamic Spectrum Access Networks，8-11 Nov.2005，Baltimore，Maryland USA，pp131-136.)論文中，在上述它人工作基礎(chǔ)上量化了在衰減環(huán)境下頻譜感知，并研究了次用戶間協(xié)作影響?；?感森(G.Ganesan)等人在“感知無線電網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作頻譜感知”(“Cooperative spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks，”IEEESymposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks，8-11 Nov.2005，Baltimore，Maryland USA，ppl37-1142.)論文中分析了協(xié)作頻譜感知可以減少檢測(cè)時(shí)間和增加檢測(cè)概率(檢測(cè)概率是指在頻譜洞實(shí)際存在的情況下，檢測(cè)頻點(diǎn)上的能量值大于設(shè)定的閥值的概率)的好處。
其三，特征檢測(cè)法。在信號(hào)的特征中周期穩(wěn)態(tài)屬性表現(xiàn)出特有的價(jià)值，不同的用戶信號(hào)和噪聲信號(hào)表現(xiàn)的周期穩(wěn)態(tài)屬性程度不同。信號(hào)的周期穩(wěn)態(tài)屬性分為一次屬性即周期均值、二次屬性即周期變化值和高次屬性。針對(duì)不同的檢測(cè)信號(hào)，利用這些周期穩(wěn)態(tài)屬性可有效檢測(cè)不同的信號(hào)。思.商卡(S.Shankar)等人在“頻譜敏捷無線電應(yīng)用和感知結(jié)構(gòu)”(“Spectrum Agile RadiosUtilizationand Sensing Architectures，”IEEE Symposium on New Frontiers in DynamicSpectrum Access Networks，8-11 Nov.2005，Baltimore，Maryland USA，pp160-169.)論文中簡(jiǎn)單地介紹了周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法，并給出了數(shù)字電視信號(hào)的二次周期穩(wěn)態(tài)屬性檢測(cè)。
特征檢測(cè)法的性能比能量檢測(cè)法好，但是特征檢測(cè)法和能量檢測(cè)法一樣在陰影/衰減環(huán)境下檢測(cè)頻譜洞性能下降。而協(xié)作頻譜感知法以增加次用戶協(xié)作感知結(jié)構(gòu)為代價(jià)，能夠有效地克服這一問題。艾.伽思米等人討論了每個(gè)次用戶采用能量檢測(cè)法的協(xié)作頻譜感知，德.凱布瑞克、杰.海倫布蘭德、思.?？虾突?感森等人僅限于討論協(xié)作頻譜感知法，沒有討論單個(gè)次用戶的頻譜感知方法，也沒有討論單個(gè)次用戶的頻譜感知方法和多用戶協(xié)作的結(jié)合問題。
本發(fā)明的目的是提出一種用于無線通信的次用戶協(xié)作、周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)主用戶頻譜洞的方法，該種方法不需確定閥值，能區(qū)別不同調(diào)制信號(hào)，且其感知增益高，檢測(cè)時(shí)間短，檢測(cè)概率高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案為一種用于無線通信的次用戶協(xié)作、周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)主用戶頻譜洞的方法，依次由以下步驟組成a、頻點(diǎn)檢測(cè)初始化設(shè)置次用戶協(xié)作公用信道，所有次用戶均可在該公用信道發(fā)布和接收協(xié)作信息。
b、協(xié)作及特征檢測(cè)需用頻譜資源的要求協(xié)作次用戶選擇主用戶頻譜的檢測(cè)頻點(diǎn)，并通過協(xié)作公用信道廣播要求協(xié)作檢測(cè)消息，一定地理范圍內(nèi)的其它次用戶收聽到該消息，成為參與協(xié)作的協(xié)作次用戶；該次用戶和協(xié)作次用戶采用周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法，檢測(cè)在選擇頻點(diǎn)上信號(hào)的狀態(tài)，若檢測(cè)得到的周期穩(wěn)態(tài)特征值為零，判定選擇頻點(diǎn)上檢測(cè)到的信號(hào)為噪聲，表明沒有任何主用戶信號(hào)或次用戶信號(hào)在該頻點(diǎn)出現(xiàn)；若檢測(cè)得到的周期穩(wěn)態(tài)特征值不為零，表明有主用戶信號(hào)或次用戶信號(hào)在該頻點(diǎn)出現(xiàn)，并根據(jù)周期穩(wěn)態(tài)特征值，判定在該頻點(diǎn)出現(xiàn)的信號(hào)是主用戶信號(hào)還是次用戶信號(hào)；協(xié)作次用戶檢測(cè)到主用戶在選擇頻點(diǎn)上出現(xiàn)或次用戶正使用該頻點(diǎn)時(shí)，則回復(fù)檢測(cè)頻點(diǎn)被占用消息，否則不回復(fù)任何信息。
c、頻譜借用要求協(xié)作次用戶在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)，沒有接收到協(xié)作次用戶回復(fù)的該頻點(diǎn)被占用消息，并且自己的檢測(cè)結(jié)果也表明在該頻點(diǎn)沒有出現(xiàn)主用戶信號(hào)和任何次用戶信號(hào)，判定主用戶頻譜資源在該頻點(diǎn)存在頻譜洞，該要求協(xié)作次用戶開始借用該頻點(diǎn)，并同時(shí)轉(zhuǎn)d步；否則，不能借用，選擇下一頻點(diǎn)，重復(fù)b步步驟，直到搜索完主用戶的所有頻點(diǎn)，仍末檢測(cè)到頻譜洞的存在，則結(jié)束協(xié)作檢測(cè)。
d、頻譜釋放當(dāng)要求協(xié)作次用戶在借用主用戶頻譜洞對(duì)應(yīng)的信道時(shí)，該次用戶和協(xié)作次用戶仍然一直采用b步的步驟，檢測(cè)該信道的情況；一旦判定在該頻點(diǎn)出現(xiàn)主用戶信號(hào)，該次用戶立即退出該信道，選擇下一個(gè)頻點(diǎn)，重復(fù)b步的檢測(cè)；而當(dāng)該要求協(xié)作次用戶停止借用信道時(shí)，該次用戶停止檢測(cè)，并通過協(xié)作公用信道發(fā)出停止協(xié)作檢測(cè)的信號(hào)，協(xié)作次用戶接收到該信號(hào)，結(jié)束協(xié)作檢測(cè)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明將特征檢測(cè)法和協(xié)作頻譜感知法相結(jié)合，協(xié)作次用戶將檢測(cè)結(jié)果回復(fù)要求協(xié)作次用戶，當(dāng)所有次用戶均檢測(cè)到主用戶頻譜洞存在時(shí)，才最終確認(rèn)主用戶頻譜洞確實(shí)存在，要求協(xié)作次用戶方才可以借用該頻譜洞相對(duì)應(yīng)的信道。這種協(xié)作檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且能有效地消除陰影/衰減效應(yīng)帶來的次用戶的誤檢，明顯提高了頻譜洞的檢測(cè)概率，從而降低了次用戶對(duì)主用戶正常使用的干擾概率；由于多個(gè)用戶協(xié)作檢測(cè)，每個(gè)次用戶僅需檢測(cè)少量次數(shù)即可得出準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，因此，本發(fā)明檢測(cè)時(shí)間減少，檢測(cè)增益提高。協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)越多，對(duì)檢測(cè)性能提高越明顯。
2、由于采用了周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法，不同調(diào)制信號(hào)的功率譜密度可能相同，但其頻譜相關(guān)函數(shù)差別較大，因此，由頻譜相關(guān)函數(shù)計(jì)算得到的周期穩(wěn)態(tài)特征值也不同。噪聲信號(hào)的周期穩(wěn)態(tài)特征值為零，用戶信號(hào)的周期穩(wěn)態(tài)特征值不為零，不同的主用戶或次用戶的周期穩(wěn)態(tài)特征值不同，根據(jù)周期穩(wěn)態(tài)特征值這一特點(diǎn)，可以分別檢測(cè)出噪聲、主用戶信號(hào)和次用戶的信號(hào)。從而可以克服能量檢測(cè)法固有的難以確定判別閥值、不能區(qū)別不同調(diào)制信號(hào)和不能檢測(cè)擴(kuò)頻信號(hào)等主要缺點(diǎn)。本發(fā)明的方法在沒有次用戶協(xié)作時(shí)，即演變?yōu)橹芷诜€(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法。其檢測(cè)概率等性能也比能量檢測(cè)法高。這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中很重要，因?yàn)楹芏嗲樾蜗麓斡脩舨坏貌还ぷ髟跓o協(xié)作狀態(tài)。
3、只有當(dāng)檢測(cè)到被檢測(cè)頻點(diǎn)被占用時(shí)，協(xié)作次用戶才將檢測(cè)信息回復(fù)給要求協(xié)作次用戶；反之，則不回復(fù)協(xié)作結(jié)果。這種協(xié)作信息傳播方式盡可能減少了對(duì)協(xié)作公用信道的占用。
4、本發(fā)明的協(xié)作協(xié)議采用分布式協(xié)作協(xié)議。即要求協(xié)作次用戶和協(xié)作次用戶之間直接雙向通信；而不像集中式分布式協(xié)作協(xié)議需控制中心，從而省掉了類似中間公共基站這樣的設(shè)備，使得本發(fā)明實(shí)施更容易方便，成本更低，可靠性更高。
上述的參與協(xié)作的所有協(xié)作次用戶在協(xié)作公用信道發(fā)布和接收信息時(shí)，采用隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)議方式使用協(xié)作公用信道。
上述的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)議方式為載波監(jiān)測(cè)多址接入?yún)f(xié)議方式或分片ALOHA方式。
由于協(xié)作公用信道僅用于傳送信息量很少的要求及停止協(xié)作檢測(cè)消息和協(xié)作檢測(cè)結(jié)果回復(fù)，該公用信道絕大部分時(shí)間空閑，出現(xiàn)信道繁忙而碰撞的概率很小。因此，可以采用載波監(jiān)測(cè)多址接入(CSMA)方式或分片ALOHA方式等成熟的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)議方式，使得本發(fā)明方法實(shí)施時(shí)更方便。
上述的協(xié)作公用信道發(fā)布和接收協(xié)作信息的格式由4個(gè)字段組成要求協(xié)作次用戶的身份號(hào)+要求協(xié)作檢測(cè)的頻點(diǎn)+協(xié)作次用戶的身份號(hào)+協(xié)作檢測(cè)的頻點(diǎn)；各字段全部為0，為停止協(xié)作檢測(cè)的信息。
前2個(gè)字段為要求協(xié)作檢測(cè)消息，后2個(gè)字段為回復(fù)檢測(cè)頻點(diǎn)消息，發(fā)布的停止協(xié)作檢測(cè)的信息，則由各字段全部為0來表示。這種協(xié)作信息檢測(cè)傳輸格式，以較少的字段有效地傳遞了協(xié)作檢測(cè)的相關(guān)信息。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的協(xié)作公用信道發(fā)布和接收協(xié)作信息的格式示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的方法和協(xié)作能量法在相同的協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)和不同的虛警率下的檢測(cè)概率的對(duì)比。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的方法在不同的協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)和不同的虛警率下的檢測(cè)概率的曲線對(duì)比。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例的方法和協(xié)作能量法在相同協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)和不同虛警率下的檢測(cè)時(shí)間增益的對(duì)比。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例的方法在不同協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)和不同的虛警率下的檢測(cè)時(shí)間增益的對(duì)比。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例圖1示出，本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
為一種用于無線通信的次用戶協(xié)作、周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)主用戶頻譜洞的方法，依次由以下步驟組成a、頻點(diǎn)檢測(cè)初始化設(shè)置次用戶協(xié)作公用信道，所有次用戶均可在該公用信道發(fā)布和接收協(xié)作信息。
b、協(xié)作及特征檢測(cè)需用頻譜資源的要求協(xié)作次用戶選擇主用戶頻譜的檢測(cè)頻點(diǎn)，并通過協(xié)作公用信道廣播要求協(xié)作檢測(cè)消息，一定地理范圍內(nèi)的其它次用戶收聽到該消息，成為參與協(xié)作的協(xié)作次用戶；該次用戶和協(xié)作次用戶采用周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法，檢測(cè)在選擇頻點(diǎn)上信號(hào)的狀態(tài)，若檢測(cè)得到的周期穩(wěn)態(tài)特征值為零，判定選擇頻點(diǎn)上檢測(cè)到的信號(hào)為噪聲，表明沒有任何主用戶信號(hào)或次用戶信號(hào)在該頻點(diǎn)出現(xiàn)；若檢測(cè)得到的周期穩(wěn)態(tài)特征值不為零，表明有主用戶信號(hào)或次用戶信號(hào)在該頻點(diǎn)出現(xiàn)，并根據(jù)周期穩(wěn)態(tài)特征值，判定在該頻點(diǎn)出現(xiàn)的信號(hào)是主用戶信號(hào)還是次用戶信號(hào)；協(xié)作次用戶檢測(cè)到主用戶在選擇頻點(diǎn)上出現(xiàn)或次用戶正使用該頻點(diǎn)時(shí)，則回復(fù)檢測(cè)頻點(diǎn)被占用消息，否則不回復(fù)任何信息。
c、頻譜借用要求協(xié)作次用戶在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)，沒有接收到協(xié)作次用戶回復(fù)的該頻點(diǎn)被占用消息，并且自己的檢測(cè)結(jié)果也表明在該頻點(diǎn)沒有出現(xiàn)主用戶信號(hào)和任何次用戶信號(hào)，判定主用戶頻譜資源在該頻點(diǎn)存在頻譜洞，該要求協(xié)作次用戶開始借用該頻點(diǎn)，并同時(shí)轉(zhuǎn)d步；否則，不能借用，選擇下一頻點(diǎn)，重復(fù)b步步驟，直到搜索完主用戶的所有頻點(diǎn)，仍末檢測(cè)到頻譜洞的存在，則結(jié)束協(xié)作檢測(cè)。
d、頻譜釋放當(dāng)要求協(xié)作次用戶在借用主用戶頻譜洞對(duì)應(yīng)的信道時(shí)，該次用戶和協(xié)作次用戶仍然一直采用b步的步驟，檢測(cè)該信道的情況；一旦判定在該頻點(diǎn)出現(xiàn)主用戶信號(hào)，該次用戶立即退出該信道，選擇下一個(gè)頻點(diǎn)，重復(fù)b步的檢測(cè)；而當(dāng)該要求協(xié)作次用戶停止借用信道時(shí)，該次用戶停止檢測(cè)，并通過協(xié)作公用信道發(fā)出停止協(xié)作檢測(cè)的信號(hào)，協(xié)作次用戶接收到該信號(hào)，結(jié)束協(xié)作檢測(cè)。
通常選擇頻譜資源大部分時(shí)間閑置的的無線電系統(tǒng)作為主用戶系統(tǒng)，其用戶為主用戶，如用于民用緊急事件報(bào)警系統(tǒng)(地震報(bào)警系統(tǒng))；選擇頻譜資源較緊缺的無線電系統(tǒng)，如GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)為次用戶系統(tǒng)，其用戶為次用戶。初始檢測(cè)頻點(diǎn)選為主用戶頻譜的低頻點(diǎn)。
在進(jìn)行b步特征檢測(cè)、協(xié)作與頻譜借用時(shí)，要求協(xié)作次用戶最初選擇的主用戶頻譜的檢測(cè)頻點(diǎn)，可以為主用戶頻譜的任一頻點(diǎn)；但一般選擇其最低頻點(diǎn)作為最初檢測(cè)頻點(diǎn)。
本例參與協(xié)作的所有協(xié)作次用戶在協(xié)作公用信道發(fā)布和接收信息時(shí)，采用隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)議方式使用協(xié)作公用信道。隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)議方式選擇載波監(jiān)測(cè)多址接入?yún)f(xié)議方式載波監(jiān)測(cè)多址接入(CSMA)協(xié)議方式或者分片ALOHA(Additive Link On-Line Hawaii System)方式。
圖2示出，本例的協(xié)作公用信道發(fā)布和接收協(xié)作信息的格式由4個(gè)字段組成要求協(xié)作次用戶的身份號(hào)+要求協(xié)作檢測(cè)的頻點(diǎn)+協(xié)作次用戶的身份號(hào)+協(xié)作檢測(cè)的頻點(diǎn)；各字段全部為0，為停止協(xié)作檢測(cè)的信息。
本例中身份號(hào)統(tǒng)一由16位二進(jìn)制表示，檢測(cè)頻點(diǎn)由8位二進(jìn)制表示。前2個(gè)字段為要求協(xié)作檢測(cè)消息，后2個(gè)字段為回復(fù)檢測(cè)頻點(diǎn)消息。
更具體的信息格式如下要求協(xié)作檢測(cè)時(shí)發(fā)布的消息為，要求協(xié)作檢測(cè)的次用戶的身份號(hào)＝身份號(hào)，如GSM手機(jī)的SIM號(hào)，要求協(xié)作的檢測(cè)的頻點(diǎn)＝該頻點(diǎn)值，協(xié)作檢測(cè)的次用戶的身份號(hào)＝0，協(xié)作檢測(cè)的頻點(diǎn)＝0。
回復(fù)檢測(cè)頻點(diǎn)被占用消息時(shí)其消息為要求協(xié)作檢測(cè)的次用戶的身份號(hào)＝0，要求協(xié)作的檢測(cè)的頻點(diǎn)＝0，協(xié)作檢測(cè)的次用戶的身份號(hào)＝身份號(hào)，協(xié)作檢測(cè)的頻點(diǎn)＝檢測(cè)頻點(diǎn)值。
本例的次用戶，用周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法對(duì)檢測(cè)頻點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的具體做法和原理如下檢測(cè)頻點(diǎn)上的調(diào)制信號(hào)通常由正弦載波、脈沖、重復(fù)擴(kuò)頻、跳頻系列或周期前綴等組成。因此，調(diào)制信號(hào)可以通過周期穩(wěn)態(tài)特征加以區(qū)別。周期穩(wěn)態(tài)特征由周期穩(wěn)態(tài)特征值定量描述，周期穩(wěn)態(tài)特征值由頻譜相關(guān)密度(DSCdensityof spectral correlation)(或稱頻譜相關(guān)函數(shù)(SCFspectral correlation function))計(jì)算得到，見公式(3)。DSC(或SCF)的定義為Sxα(f)=limT→∞limΔt→∞∫+Δt2-Δt21TXT(t,f+α/2)XT·(t,f-α/2)dt---(1)]]>上式中，XT(t，v)為有限時(shí)段內(nèi)付里葉變換，表達(dá)式為XT(t,v)=∫-T/2+T/2x(u)e-j2πuvdu---(2)]]>XT·(t，v)為XT(t，v)的共軛，T為長(zhǎng)度，Δt為時(shí)間段，f為中心頻率，α為循環(huán)頻率(Cycle frequency)。
周期穩(wěn)態(tài)特征值為Yd=limT→∞|yα(t)|=1N02∫|Sxα(f)|2df,α≠0,H10,α≠0,H0---(3)]]>其中，yα(t)為特征值時(shí)域表達(dá)式，Sxα(即頻譜相關(guān)函數(shù))、T、α同式(1)，H0、H1分別表示主用戶Up不出現(xiàn)和出現(xiàn)兩種情形。
頻譜相關(guān)密度不同于功率譜密度，它是二維變換，當(dāng)α＝0時(shí)，周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法變?yōu)槟芰繖z測(cè)法。不同調(diào)制信號(hào)的功率譜密度可能相同，但其頻譜相關(guān)函數(shù)差別較大，因此，由頻譜相關(guān)函數(shù)計(jì)算得到的周期穩(wěn)態(tài)特征值也不同。
噪聲信號(hào)的周期穩(wěn)態(tài)特征值為零，用戶信號(hào)的周期穩(wěn)態(tài)特征值不為零，不同的主用戶或次用戶的周期穩(wěn)態(tài)特征值不同，根據(jù)周期穩(wěn)態(tài)特征值這一特點(diǎn)，可以分別檢測(cè)出噪聲、主用戶信號(hào)和次用戶的信號(hào)?？梢?，周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法可以克服能量檢測(cè)法固有的難以確定判別閥值、不能區(qū)別不同調(diào)制信號(hào)和不能檢測(cè)擴(kuò)頻信號(hào)等主要缺點(diǎn)。
本發(fā)明性能指標(biāo)的理論計(jì)算如下1、系統(tǒng)模型為了分析本文提出的次用戶協(xié)作檢測(cè)主用戶頻譜洞的特征檢測(cè)法的性能，先建立系統(tǒng)分析模型如下(1)歸屬于一個(gè)無線電系統(tǒng)的主用戶用UP表示，其使用的指配頻段為{flow，fHigh}。歸屬于另一無線電系統(tǒng)的次用戶，當(dāng)它們自己的頻段內(nèi)無信道提供時(shí)，可以機(jī)會(huì)式共享{flow，fHigh}頻段。這樣的次用戶共n個(gè)(可隨時(shí)增減)，用U1，U2，…Un表示，它們?cè)诳臻g上隨機(jī)分布在UP的周圍，其中有些次用戶離UP較遠(yuǎn)，有些較近，考慮衰減和陰影效應(yīng)。
(2)頻譜感知的目的是在下列兩種情形下作決策xi(t)=n(t),H0hpis(t)+n(t),H1---(4)]]>上式中，xi(t)為次用戶Ui接受到的信號(hào)，s(t)為主用戶Up發(fā)送的信號(hào)，n(t)為加性白高斯噪聲，hpi(t)為主用戶Up到次用戶Ui之間信道增益。H0，H1分別表示主用戶Up不出現(xiàn)和出現(xiàn)兩種情形，同式(3)。
(3)n個(gè)次用戶間協(xié)作檢測(cè)方式采用要求協(xié)作次用戶和協(xié)作用戶之間直接互傳信息的簡(jiǎn)單分布式協(xié)作協(xié)議。
(4)次用戶Ui采用周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法檢測(cè)UP是否出現(xiàn)。
2、性能分析(1)檢測(cè)概率檢測(cè)概率是指在頻譜洞實(shí)際存在的情況下，檢測(cè)頻點(diǎn)上的特征值大于0即檢測(cè)結(jié)果表明它存在的概率。而虛警率是指頻譜洞實(shí)際不存在的情況下，檢測(cè)頻點(diǎn)上的特征值大于0即檢測(cè)結(jié)果表明它存在的概率。
單個(gè)次用戶采用周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法單獨(dú)檢測(cè)概率pd和虛警率pf分別為Pd＝P{Yd＞0|H1} (5)Pf＝P{Yd＞0|H0} (6)上式中，Yd為周期穩(wěn)態(tài)特征值，見式(3)。
如果全部n個(gè)次用戶單獨(dú)決策中存在一個(gè)決策為H1，一個(gè)次用戶從其它n-1個(gè)次用戶那里接受決策，并得到?jīng)Q策結(jié)果為H1，融合規(guī)則采用或規(guī)則、或者n個(gè)取1規(guī)則，則協(xié)作檢測(cè)概率Pcd和虛警率Pcf分別為Pcd＝1-(1-Pd)n(7)Pcf＝1-(1-Pf)n(8)(2)協(xié)作檢測(cè)相對(duì)平均時(shí)間若單個(gè)次用戶單獨(dú)檢測(cè)平均時(shí)間為T0，則可定義不協(xié)作檢測(cè)相對(duì)平均時(shí)間為Tnc=T0Pd---(9)]]>同樣，則可定義協(xié)作檢測(cè)相對(duì)平均時(shí)間Tc為Tc=T0Pcd---(10)]]>(3)檢測(cè)時(shí)間增益檢測(cè)時(shí)間增益反映協(xié)作方式對(duì)檢測(cè)時(shí)間的改善，定義協(xié)作檢測(cè)相對(duì)不協(xié)作檢測(cè)的檢測(cè)時(shí)間增益μ為μ=TncTc---(11)]]>由(9)、(10)式得μ=PcdPd---(12)]]>3、性能指標(biāo)計(jì)算實(shí)例考慮主用戶為BPSK信號(hào)(解調(diào)二進(jìn)制移相鍵控信號(hào))，鍵值間隔為T0，載波頻率為fc，在白高斯噪聲環(huán)境下，次用戶檢測(cè)主用戶。
圖3為本發(fā)明的方法和協(xié)作能量法在相同的協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)n＝2和不同虛警率下的檢測(cè)概率。圖中α＝0的帶圓圈的曲線為協(xié)作能量法，α＝1/T0的帶矩形的曲線為本發(fā)明方法的曲線。從圖3中可以看出，在相同的協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)，在相同的虛警率下，本發(fā)明的方法的檢測(cè)概率比協(xié)作能量法高。
圖4為本發(fā)明的方法在不同的協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)n＝2，3和不同虛警率下的檢測(cè)概率。圖中的帶矩形的曲線為n＝2即次用戶為兩個(gè)時(shí)的曲線，帶三角形的曲線為n＝3即次用戶為三個(gè)時(shí)的曲線。圖4表明，當(dāng)協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)增加時(shí)(n由2增加到3)，在相同的虛警率下，本發(fā)明的方法的檢測(cè)概率提高，這表明協(xié)作的特征檢測(cè)法隨協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)增加檢測(cè)概率提高。
圖5為本發(fā)明的方法和協(xié)作的能量法在相同協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)n＝2和不同的虛警率下的檢測(cè)時(shí)間增益。圖中α＝0的帶三角形的曲線為協(xié)作能量法，α＝1/T0的帶菱形的曲線為本發(fā)明方法的曲線。從圖中可知，在相同協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)n＝2條件下和相同的虛警率下，本發(fā)明的方法的檢測(cè)時(shí)間增益比協(xié)作的能量法大。
圖6為本發(fā)明的方法在不同協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)n＝2，6和不同的虛警率下的檢測(cè)時(shí)間增益。圖中的帶星形的曲線為n＝6即次用戶為兩個(gè)時(shí)的曲線，帶三角形的曲線為n＝2即次用戶為三個(gè)時(shí)的曲線。當(dāng)協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)增加時(shí)(n由2增加到6)，在相同的虛警率，特別是較低的虛警率下，當(dāng)協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)多的本發(fā)明方法檢測(cè)時(shí)間增益較顯著，在更低的虛警率下，時(shí)間增益改善明顯，而在其它值的虛警率下，當(dāng)協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)增加時(shí)，本發(fā)明方法的檢測(cè)時(shí)間增益僅略有改善。這說明協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)增加對(duì)縮短檢測(cè)時(shí)間有好處，同時(shí)由于不協(xié)作時(shí)特征檢測(cè)法的檢測(cè)概率比能量檢測(cè)法高，所以協(xié)作次用戶個(gè)數(shù)增加對(duì)特征檢測(cè)法的檢測(cè)時(shí)間增益影響沒有能量檢測(cè)法大。
權(quán)利要求
1.一種用于無線通信的次用戶協(xié)作、周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)主用戶頻譜洞的方法，依次由以下步驟組成a、頻點(diǎn)檢測(cè)初始化設(shè)置次用戶協(xié)作公用信道，所有次用戶均可在該公用信道發(fā)布和接收協(xié)作信息；b、協(xié)作及特征檢測(cè)需用頻譜資源的要求協(xié)作次用戶選擇主用戶頻譜的檢測(cè)頻點(diǎn)，并通過協(xié)作公用信道廣播要求協(xié)作檢測(cè)消息，一定地理范圍內(nèi)的其它次用戶收聽到該消息，成為參與協(xié)作的協(xié)作次用戶；該次用戶和協(xié)作次用戶采用周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法，檢測(cè)在選擇頻點(diǎn)上信號(hào)的狀態(tài)，若檢測(cè)得到的周期穩(wěn)態(tài)特征值為零，判定選擇頻點(diǎn)上檢測(cè)到的信號(hào)為噪聲，表明沒有任何主用戶信號(hào)或次用戶信號(hào)在該頻點(diǎn)出現(xiàn)；若檢測(cè)得到的周期穩(wěn)態(tài)特征值不為零，表明有主用戶信號(hào)或次用戶信號(hào)在該頻點(diǎn)出現(xiàn)，并根據(jù)周期穩(wěn)態(tài)特征值，判定在該頻點(diǎn)出現(xiàn)的信號(hào)是主用戶信號(hào)還是次用戶信號(hào)；協(xié)作次用戶檢測(cè)到主用戶在選擇頻點(diǎn)上出現(xiàn)或次用戶正使用該頻點(diǎn)時(shí)，則回復(fù)檢測(cè)頻點(diǎn)被占用消息，否則不回復(fù)任何信息；c、頻譜借用要求協(xié)作次用戶在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)，沒有接收到協(xié)作次用戶回復(fù)的該頻點(diǎn)被占用消息，并且自己的檢測(cè)結(jié)果也表明在該頻點(diǎn)沒有出現(xiàn)主用戶信號(hào)和任何次用戶信號(hào)，判定主用戶頻譜資源在該頻點(diǎn)存在頻譜洞，該要求協(xié)作次用戶開始借用該頻點(diǎn)，并同時(shí)轉(zhuǎn)d步；否則，不能借用，選擇下一頻點(diǎn)，重復(fù)b步步驟，直到搜索完主用戶的所有頻點(diǎn)，仍末檢測(cè)到頻譜洞的存在，則結(jié)束協(xié)作檢測(cè)；d、頻譜釋放當(dāng)要求協(xié)作次用戶在借用主用戶頻譜洞對(duì)應(yīng)的信道時(shí)，該次用戶和協(xié)作次用戶仍然一直采用b步的步驟，檢測(cè)該信道的情況；一旦判定在該頻點(diǎn)出現(xiàn)主用戶信號(hào)，該次用戶立即退出該信道，選擇下一個(gè)頻點(diǎn)，重復(fù)b步的檢測(cè)；而當(dāng)該要求協(xié)作次用戶停止借用信道時(shí)，該次用戶停止檢測(cè)，并通過協(xié)作公用信道發(fā)出停止協(xié)作檢測(cè)的信號(hào)，協(xié)作次用戶接收到該信號(hào)，結(jié)束協(xié)作檢測(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于無線通信的次用戶協(xié)作、周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)主用戶頻譜洞的方法，其特征在于所述的參與協(xié)作的所有協(xié)作次用戶在協(xié)作公用信道發(fā)布和接收信息時(shí)，采用隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)議方式使用協(xié)作公用信道。
3.如權(quán)利要求2所述的用于無線通信的次用戶協(xié)作、周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)主用戶頻譜洞的方法，其特征在于所述的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)議方式為載波監(jiān)測(cè)多址接入?yún)f(xié)議方式或分片ALOHA方式。
4.如權(quán)利要求1所述的用于無線通信的次用戶協(xié)作、周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)主用戶頻譜洞的方法，其特征在于所述的協(xié)作公用信道發(fā)布和接收協(xié)作信息的格式由4個(gè)字段組成要求協(xié)作次用戶的身份號(hào)+要求協(xié)作檢測(cè)的頻點(diǎn)+協(xié)作次用戶的身份號(hào)+協(xié)作檢測(cè)的頻點(diǎn)；各字段全部為0，為停止協(xié)作檢測(cè)的信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于無線通信的次用戶協(xié)作、周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)主用戶頻譜洞的方法，依次由頻點(diǎn)檢測(cè)初始化、協(xié)作及特征檢測(cè)、頻譜借用及頻譜釋放等步構(gòu)成。該種方法由單個(gè)次用戶分別采用周期穩(wěn)態(tài)特征檢測(cè)法檢測(cè)主用戶的頻譜內(nèi)是否存在頻譜洞，不需確定閥值，能區(qū)別不同調(diào)制信號(hào)，協(xié)作次用戶將檢測(cè)結(jié)果回復(fù)要求協(xié)作次用戶，只有當(dāng)所有的次用戶均檢測(cè)到該頻譜洞時(shí)，要求協(xié)作次用戶才借用主用戶該頻譜洞對(duì)應(yīng)的信道，檢測(cè)概率高，檢測(cè)時(shí)間短，感知增益高。
文檔編號(hào)H04B17/00GK1917702SQ20061002144
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月24日
發(fā)明者夏金祥, 范平志 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)