一種能量有效的協(xié)作頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種能量有效的協(xié)作頻譜感知方法,屬于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線電業(yè)務(wù)的日漸開(kāi)展,可用的頻譜資源日漸匱乏,同時(shí)低頻譜利用率更是 加劇了這一局面。認(rèn)知無(wú)線電作為下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),有效地解決了無(wú)線頻譜資 源緊缺的問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線電通過(guò)與其周?chē)h(huán)境進(jìn)行交互并進(jìn)行理解學(xué)習(xí),依據(jù)周?chē)h(huán)境的 變化自適應(yīng)調(diào)整功率、編碼和載波調(diào)制等無(wú)線操作參數(shù),以此提升通信性能,提高頻譜利用 率。
[0003] 頻譜感知是認(rèn)知無(wú)線電實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵和前提,其目的是要準(zhǔn)確且快速的感知到盡可 能多的頻譜空洞,保證空閑頻段不被浪費(fèi)。而協(xié)作頻譜感知通過(guò)多個(gè)認(rèn)知用戶以相互協(xié)作 的方式進(jìn)行頻譜感知,盡可能地減小單個(gè)認(rèn)知用戶在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下有可能受到的多徑衰 落、陰影效應(yīng)的影響,進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體感知性能。
[0004] 此外,隨著全球氣候變暖及霧霾類(lèi)污染天氣數(shù)目的增多,人們?cè)絹?lái)越關(guān)注各類(lèi)產(chǎn) 品和技術(shù)的環(huán)保性能,尤其是與日常生活息息相關(guān)、使用量巨大的電子通信類(lèi)產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng) 計(jì),近年來(lái)通信數(shù)據(jù)量的增加所帶來(lái)的能量消耗以每年近16% -20%的速度增長(zhǎng),2008年, 信息與通信技術(shù)產(chǎn)品的使用所釋放的二氧化碳占全球二氧化碳總量的2%。因此,降低能量 消耗、提高能量效率的"綠色"通信系統(tǒng)成為未來(lái)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。作為一種新型 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)在獲得頻譜效率和通信能力提升的同時(shí),也必須關(guān)注其能量效率 問(wèn)題。
[0005] 在文獻(xiàn)"HangSu,XiZhang,Energy-EfficientSpectrumSensing forCognitiveRadioNetworks.2010IEEEInternationalConferenceon Communications(ICC),"中提出了一種認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中能量有效的頻譜感知方法,其思 想是根據(jù)主用戶的活動(dòng)模式,自適應(yīng)地調(diào)整頻譜感知時(shí)間,減少感知次數(shù),以節(jié)約系統(tǒng)能 耗。同時(shí),對(duì)能量值在雙門(mén)限之間的樣本信號(hào),則持續(xù)采集另一個(gè)不相關(guān)的感知采樣信號(hào), 直到能量值滿足判斷條件為止。該方案主要從節(jié)省頻譜感知時(shí)間的角度,設(shè)定能量有效的 頻譜感知方法,同時(shí)該方法未考慮能量值在雙門(mén)限之間的樣本信號(hào),持續(xù)感知時(shí)所帶來(lái)的 能量損耗。
[0006] 在發(fā)明專(zhuān)利"認(rèn)知無(wú)線電中基于異構(gòu)用戶高效節(jié)能的合作感知調(diào)度方法"中,是通 過(guò)為認(rèn)知用戶SU選定一個(gè)可令總效用最大化的主用戶PU,作為初始的感知主用戶,使得合 作感知節(jié)能。專(zhuān)利中涉及到了處于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的主用戶、基站、認(rèn)知用戶,整體感知調(diào)度的 優(yōu)化方法,即重點(diǎn)在于調(diào)度方法的高效節(jié)能。
[0007] 在發(fā)明專(zhuān)利"一種基于認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能頻譜檢測(cè)方法"中,主要針對(duì)認(rèn)知傳 感器網(wǎng)絡(luò),通過(guò)只檢測(cè)空閑概率較大的私有信道,來(lái)盡量減少頻譜檢測(cè)次數(shù),從而達(dá)到節(jié)能 的目的。
[0008] 可見(jiàn),以上所述兩個(gè)發(fā)明專(zhuān)利為達(dá)到感知節(jié)能的目的,所采用方法的思想是通過(guò) 尋找合適的主用戶,來(lái)確定參與感知的認(rèn)知用戶。而本發(fā)明是從認(rèn)知用戶角度出發(fā),通過(guò)兩 輪篩選,選出那些具有更高可能性獲得準(zhǔn)確感知結(jié)果的認(rèn)知用戶,減少參與感知和發(fā)送感 知結(jié)果的節(jié)點(diǎn)數(shù)目,從而達(dá)到節(jié)約感知能量的目的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,本發(fā)明提供一種能量有效的協(xié)作頻譜感 知方法。
[0010] 技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0011] 1. 一種能量有效的協(xié)作頻譜感知方法,其特征在于:包括如下步驟:
[0012] 步驟一:認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中N個(gè)認(rèn)知用戶進(jìn)入檢測(cè)主用戶階段的預(yù)感知階段,第k個(gè)
個(gè)認(rèn)知用戶采用雙門(mén)限能量檢測(cè)方法,兩門(mén)限值分別設(shè)為A:和X2,AX2;對(duì)于累計(jì)采 樣能量值在A:和X2之間的認(rèn)知用戶,進(jìn)入休眠狀態(tài),既不發(fā)送也不接收信息,只消耗少量 能量;
[0013] 步驟二:累計(jì)采樣能量值在A:和A2之外的M個(gè)認(rèn)知用戶進(jìn)入檢測(cè)主用戶階段的
測(cè);對(duì)于累計(jì)采樣能量值始終大于A1的認(rèn)知用戶,進(jìn)入休眠狀態(tài);
[0014] 步驟三:累計(jì)采樣能量值始終小于個(gè)認(rèn)知用戶進(jìn)入檢測(cè)結(jié)果報(bào)告階段,利 用時(shí)隙的I-a比例的時(shí)長(zhǎng),a〈1,S個(gè)認(rèn)知用戶向融合中心發(fā)送信息;融合中心將接收到的 感知結(jié)果進(jìn)行融合;根據(jù)上述感知過(guò)程,得到頻譜感知周期所耗總能量公式:
[0016]P/為每個(gè)認(rèn)知用戶進(jìn)行能量檢測(cè)所需功率,PS'為每個(gè)認(rèn)知用戶向融合中
其中P1表示認(rèn)知用戶累積采樣能量值小于X:或大于X2的概率;E(S)為S的均值,
率;
[0017] 步驟四:在保證感知性能的約束條件Pd>Pdth,Pf<Pfth下,可以得到使Et最小 的M和S的最優(yōu)解,其中Pd和Pdth分別表示主用戶檢測(cè)概率、主用戶檢測(cè)概率的門(mén)限值,Pf 和Pfth分別表示虛警概率、虛警概率的門(mén)限值。
[0018] 有益效果:本發(fā)明提供的一種能量有效的協(xié)作頻譜感知方法,從節(jié)約感知能量的 角度出發(fā),避免采用單一門(mén)限檢測(cè)時(shí),由于能量值在門(mén)限附近變化,導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不可靠的 現(xiàn)象,選擇能量值在兩個(gè)門(mén)限之外的、具有更高可能性獲得準(zhǔn)確感知結(jié)果的認(rèn)知用戶,參與 感知,在提高感知可靠性的同時(shí)節(jié)約了感知能量。同時(shí),通過(guò)有選擇地使認(rèn)知用戶發(fā)送感知 結(jié)果,節(jié)約發(fā)射能量和額外的專(zhuān)用報(bào)告信道資源。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與主用戶網(wǎng)絡(luò)的共存模型;
[0020] 圖2頻譜感知時(shí)隙結(jié)構(gòu)圖;
[0021] 圖3頻譜感知流程圖;
[0022] 圖4認(rèn)知用戶數(shù)與感知總能耗關(guān)系的仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0024] 本發(fā)明的頻譜感知系統(tǒng)模型如圖1所示,與主用戶網(wǎng)絡(luò)共存的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò),N個(gè) 認(rèn)知用戶CRi對(duì)主用戶PU的空閑頻譜進(jìn)行檢測(cè)。協(xié)作頻譜感知過(guò)程,設(shè)置為主用戶信號(hào)先 由主用戶單向傳輸?shù)秸J(rèn)知用戶,然后,檢測(cè)結(jié)果由認(rèn)知用戶廣播給融合中心SU1,并由融合 中心進(jìn)行融合判斷,得到最終的判決結(jié)果。
[0025] 如圖2所示,頻譜感知一個(gè)時(shí)隙分為:檢測(cè)主用戶階段、檢測(cè)結(jié)果報(bào)告階段。定義 主用戶在第k個(gè)時(shí)隙的狀態(tài)為Hp (k),其中Hp (k) =H1表示主用戶在給定無(wú)線頻段內(nèi)發(fā)射 信號(hào),Hp(k) =Htl表示主用戶處于靜默狀態(tài),設(shè)主用戶狀態(tài)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)保持不變。一般來(lái) 說(shuō),這種假設(shè)適用于大多數(shù)現(xiàn)有的媒體接入?yún)f(xié)議。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)隨機(jī)媒體接入?yún)f(xié)議都是 基于時(shí)隙結(jié)構(gòu),例如,時(shí)隙AL0HA,時(shí)隙載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入(CSMA,CarrierSenseMultiple Access)〇
[0026] 以下結(jié)合圖2和圖3,詳述實(shí)施過(guò)程。
[0027] 在頻譜感知的檢測(cè)主用戶階段中預(yù)感知階段,N個(gè)認(rèn)知用戶感知主用戶,其中第i 個(gè)認(rèn)知用戶CRi接收的主用戶信號(hào)為
[0029]其中Pp表示主用戶發(fā)射功率,hpi(k)表示主用戶到認(rèn)知用戶CRi的信道系數(shù),Hi (k,1)是均值為零且方差為Ntl的加性高斯白噪聲。0 (k,1)的定義為
[0031]Xp (k,1)表示主用戶在時(shí)隙k中預(yù)感知階段發(fā)射的信號(hào)。根據(jù)能量檢測(cè)方法,能量 檢測(cè)器的輸出統(tǒng)計(jì)量為
整個(gè)時(shí)隙的比例,fs為采樣頻率。設(shè)能量檢測(cè)門(mén)限值為A:和A2(h<A2),則單個(gè)認(rèn)知 用戶的初始的主用戶檢測(cè)概率Pdi,虛警概率Pfi,頻譜空