本發(fā)明涉及一種認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知方法，尤其涉及一種基于雙門限能量檢測(cè)的協(xié)作寬帶頻譜感知方法。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，各類無(wú)線通信系統(tǒng)及業(yè)務(wù)的出現(xiàn)使得無(wú)線頻譜資源日趨緊張，而與之形成強(qiáng)烈反差的則是無(wú)線頻譜資源在使用上的不均衡性，已授權(quán)頻譜的使用率較低，時(shí)間和空間上均存在著大量的空閑頻譜。認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)是一種通過感知外界無(wú)線電環(huán)境，實(shí)時(shí)地改變某些系統(tǒng)參數(shù)(如傳輸功率、載波頻率、調(diào)制編碼方式等)，以達(dá)到在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能保證高可靠性的智能無(wú)線通信系統(tǒng)。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)將授權(quán)頻譜的用戶稱為主用戶，共享頻譜的用戶稱為次用戶，次用戶通過發(fā)現(xiàn)授權(quán)頻段的空閑頻譜，并伺機(jī)地接入使用，從而能夠大大提高頻譜的利用率。

頻譜感知技術(shù)是CR系統(tǒng)中次用戶對(duì)空閑授權(quán)頻段進(jìn)行有效識(shí)別的重要保證，同時(shí)也是CR系統(tǒng)完成頻譜管理、共享及信息可靠傳輸?shù)那疤帷＝陙?lái)隨著第五代移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)及車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的興起，頻譜感知技術(shù)也在朝著寬帶化和協(xié)作化的方向發(fā)展。寬帶頻譜感知的感知頻段范圍一般可達(dá)數(shù)個(gè)GHz，系統(tǒng)中的次用戶在當(dāng)前已接入信道檢測(cè)到主用戶信號(hào)后，能夠切換到其它空閑信道繼續(xù)通信。多用戶協(xié)作頻譜感知?jiǎng)t能有效克服無(wú)線信道中存在的多徑衰落、陰影效應(yīng)和噪聲功率不確定性等因素的影響，并可降低對(duì)寬帶信號(hào)先驗(yàn)信息的依賴，進(jìn)一步提高檢測(cè)性能。

目前的協(xié)作寬帶感知大都基于傳統(tǒng)的能量檢測(cè)法，在信噪比較低或噪聲變化劇烈的場(chǎng)景下，系統(tǒng)的檢測(cè)性能下降顯著。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在寬帶通信場(chǎng)景下，CR系統(tǒng)中的次用戶在對(duì)授權(quán)頻段進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，若根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，需以大于2倍信號(hào)帶寬的速率采樣，會(huì)帶來(lái)較高的采樣開銷和能耗，且對(duì)接收端模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的硬件實(shí)現(xiàn)提出了很高要求；在頻譜感知中被廣泛采用的能量檢測(cè)法因其判決門限根據(jù)噪聲水平而確定，故對(duì)環(huán)境噪聲較為敏感，在低信噪比場(chǎng)景下的檢測(cè)性能較差。

本發(fā)明涉及了一種基于雙門限能量檢測(cè)的協(xié)作寬帶頻譜感知方法，可有效解決當(dāng)感知到的信號(hào)能量值處于判決門限值附近時(shí)而發(fā)生的誤檢問題，在低信噪比場(chǎng)景下能夠展現(xiàn)良好的性能，提高CR系統(tǒng)對(duì)于空閑授權(quán)頻段的利用效率。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于雙門限能量檢測(cè)的協(xié)作寬帶頻譜感知方法，是一種應(yīng)用于寬帶低信噪比場(chǎng)景下的多用戶協(xié)作的頻譜感知方法，能夠?yàn)镃R網(wǎng)絡(luò)中的次用戶提供較好的檢測(cè)性能。本發(fā)明中，CR網(wǎng)絡(luò)中的次用戶在對(duì)寬帶授權(quán)頻段進(jìn)行檢測(cè)前，先將整個(gè)寬帶頻段劃分為若干個(gè)窄帶子信道并感知其中的少數(shù)幾個(gè)，每個(gè)子信道上均采用雙門限能量檢測(cè)法進(jìn)行頻譜感知，各個(gè)子信道的感知結(jié)果被上傳至次用戶處，每個(gè)次用戶將這些感知結(jié)果融合并做出本地判決，再將判決結(jié)果上傳至CR網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合中心，數(shù)據(jù)融合中心將網(wǎng)絡(luò)中次用戶做出的本地判決依照“或”準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，做出最終的全局判決。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種基于雙門限能量檢測(cè)的協(xié)作寬帶頻譜感知方法，具體步驟如下：

步驟1，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的次用戶感知寬帶授權(quán)頻段時(shí)，將該頻段劃分為N個(gè)子信道；

步驟2，次用戶采用雙門限能量檢測(cè)法對(duì)其中的K個(gè)子信道進(jìn)行感知，其中，1≤K＜N，具體過程為：

2.1，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的虛警概率P_f求得次用戶的本地判決門限值λ，并結(jié)合次用戶處的噪聲不確定度ρ求得雙門限能量檢測(cè)的兩個(gè)門限值：較低門限值λ_L和較高門限值λ_H；

2.2，次用戶對(duì)K個(gè)子信道作能量檢測(cè)，將第i個(gè)子信道的接收信號(hào)的能量觀測(cè)值Y_i分別與λ_L、λ_H進(jìn)行比較，若0≤Y_i＜λ_L，則判決該子信道上不存在主用戶信號(hào)，上傳判決結(jié)果0；若Y_i＞λ_H，則判決該子信道上存在主用戶信號(hào)，上傳判決結(jié)果1；若λ_L≤Y_i≤λ_H，則上傳Y_i至次用戶處；其中，i∈[1,K]；

2.3，次用戶將接收到的K-k個(gè)能量觀測(cè)值相加后得到結(jié)果d，再將d與λ進(jìn)行比較，若0≤d＜λ則得出判決結(jié)果0，若d≥λ則得出判決結(jié)果1，其中，k為2.2中判決結(jié)果的個(gè)數(shù)；

2.4，若2.3得到的判決結(jié)果與2.2得到的k個(gè)判決結(jié)果之和小于1，則得到該次用戶處的本地判決結(jié)果為0，否則該次用戶處的本地判決結(jié)果為1；

步驟3，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的次用戶將本地判決結(jié)果上傳至網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合中心，數(shù)據(jù)融合中心采用“或”準(zhǔn)則對(duì)所有次用戶的本地判決結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，只要有一個(gè)次用戶感知到主用戶信號(hào)的存在即判斷該授權(quán)頻段中存在主用戶信號(hào)，各次用戶仍需繼續(xù)等待，直到檢測(cè)到主用戶信號(hào)不存在時(shí)再行接入。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2.1中本地判決門限值其中，Q^-1()表示Q函數(shù)的反函數(shù)，Q函數(shù)定義為P_f是預(yù)設(shè)的虛警概率，n表示接收信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，表示噪聲方差。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2.1中較低門限值λ_L＝(1-ρ)λ，較高門限值λ_H＝(1+ρ)λ。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2.2中第i個(gè)子信道的接收信號(hào)的能量觀測(cè)值其中n表示接收信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，y(j)為接收信號(hào)的第j個(gè)樣值。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2中次用戶采用雙門限能量檢測(cè)法隨機(jī)對(duì)其中的K個(gè)子信道進(jìn)行感知。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1.次用戶先將寬帶授權(quán)頻段劃分為若干個(gè)子信道，并感知其中的少數(shù)幾個(gè)，可大幅降低寬帶頻譜感知所帶來(lái)的較高的采樣開銷和能耗，且能降低對(duì)接收端模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的硬件要求；

2.每個(gè)子信道上均采用雙門限能量檢測(cè)，可有效降低感知到的信號(hào)能量值處于判決門限值附近時(shí)而發(fā)生誤檢的概率；

3.系統(tǒng)的全局判決結(jié)果經(jīng)過兩次數(shù)據(jù)融合而成，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的檢測(cè)性能，避免了對(duì)主用戶的正常通信造成干擾。

附圖說明

圖1是基于雙門限能量檢測(cè)的協(xié)作寬帶頻譜感知系統(tǒng)模型圖。

圖2是雙門限判決示意圖。

圖3是基于雙門限能量檢測(cè)的協(xié)作寬帶頻譜感知算法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示，假設(shè)一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在M個(gè)次用戶，則基于雙門限能量檢測(cè)的協(xié)作寬帶頻譜感知方法的具體實(shí)施，如圖3所示，包括以下四個(gè)步驟：

步驟一：CR網(wǎng)絡(luò)中的次用戶們?cè)趯?duì)寬帶授權(quán)頻段進(jìn)行感知前，先各自將該頻段劃分為N個(gè)子信道，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的虛警概率P_f利用一式可求得各自的本地判決門限值λ，Q^-1()表示Q函數(shù)的反函數(shù)，Q函數(shù)定義為n代表接收信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，代表噪聲方差；然后次用戶再結(jié)合本地的噪聲不確定度ρ求得雙門限能量檢測(cè)中的較低門限值λ_L＝(1-ρ)λ和較高門限值λ_H＝(1+ρ)λ。

步驟二：次用戶對(duì)N個(gè)子信道中的K個(gè)作能量檢測(cè)(K＜N)，子信道上經(jīng)過采樣后的接收信號(hào)依次通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、平方器和積分器，求得該子信道上的接收信號(hào)的能量觀測(cè)值i∈[1,K]，n為接收信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)。如圖2所示，將Y_i依次與兩個(gè)門限值λ_L和λ_H相比較，當(dāng)Y_i＜λ_L時(shí)，即判決該子信道不存在主用戶信號(hào)，上傳判決結(jié)果0；當(dāng)Y_i＞λ_H時(shí)，即判決該子信道上存在主用戶信號(hào)，上傳判決結(jié)果1；而當(dāng)Y_i落于兩門限值之間時(shí)，直接上傳該子信道的能量觀測(cè)值至次用戶處，那么次用戶接收到的來(lái)自于第i個(gè)子信道的信息R_i可表示為：

步驟三：假設(shè)次用戶觀測(cè)的K個(gè)子信道中有k個(gè)做出了判決結(jié)果，其余K-k個(gè)子信道的能量觀測(cè)值被直接上傳，則次用戶會(huì)將這K-k個(gè)能量觀測(cè)值相加，得一計(jì)算結(jié)果d，并與次用戶的判決門限值λ相比較，得到判決結(jié)果D，然后再與其它k個(gè)子信道的判決結(jié)果相加，與門限1比較后，做出該次用戶處的本地判決F，如式(2)和(3)所示。

步驟四：當(dāng)CR網(wǎng)絡(luò)的M個(gè)次用戶在做出本地判決后，會(huì)將判決結(jié)果上傳至網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合中心，為了避免干擾主用戶的正常通信，本著最大化系統(tǒng)檢測(cè)概率的原則，數(shù)據(jù)融合中心采用“或”準(zhǔn)則對(duì)M個(gè)次用戶的本地判決結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，即只要有一個(gè)次用戶感知到主用戶信號(hào)的存在便可判斷該授權(quán)頻段中存在主用戶信號(hào)，各次用戶仍需繼續(xù)等待，直到檢測(cè)到主用戶信號(hào)不存在時(shí)再行接入。

本發(fā)明的目的是尋找一種對(duì)器件要求較低且更有效的認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知方法來(lái)監(jiān)測(cè)寬帶授權(quán)頻段中存在的主用戶信號(hào)，以降低認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中次用戶的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于主用戶信號(hào)所造成的干擾，從而提高頻譜利用率。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

1.本發(fā)明的方法中次用戶先將寬帶授權(quán)頻段劃分為若干個(gè)子頻段，并感知其中的少數(shù)幾個(gè)，可大幅降低寬帶頻譜感知所帶來(lái)的較高的采樣開銷和能耗及對(duì)硬件的要求；

2.次用戶在每個(gè)子頻段上均采用雙門限能量檢測(cè)，可有效降低當(dāng)感知到的信號(hào)能量值處于判決門限值附近時(shí)而發(fā)生誤檢的概率；次用戶融合各個(gè)子頻段的感知結(jié)果做出本地判決，確保了判決結(jié)果的可信度；

3.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合中心融合各個(gè)次用戶上傳的本地結(jié)果做出最終的全局判決，其經(jīng)過兩次數(shù)據(jù)融合二次，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的檢測(cè)性能，避免了對(duì)授權(quán)主用戶的正常通信造成的干擾。

本發(fā)明中所提出的寬帶頻譜感知方法可應(yīng)用于新興的物聯(lián)網(wǎng)即車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)中，通過發(fā)行寬帶授權(quán)頻段中所存在的空閑頻譜并機(jī)會(huì)式地接入其中進(jìn)行通信，以提高頻譜利用率，緩解日益尖銳的頻譜資源供需間的矛盾。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(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)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。