专利名称：协作频谱检测方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种频谱检测方法和系统，特别是一种多用户检测多频带的协作频谱
检测方法和系统。
背景技术：
认知无线电网络通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的 地实时改变某些操作参数(如传输功率、载波功率和调制等)，使其内部状态适应接收到的 无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信，以及对异构网络环境优 先的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电网络中的用户称为认知用户，购买频带使 用权的用户称为授权用户，授权用户使用频带的优先权比认知用户高，认知用户需要保证 对授权用户干扰小于一定水平的条件下最大化地发现空闲频谱，即发现接入机会。因此，认 知无线电网络的一个关键设计问题是频谱检测问题，即认知用户如何检测目标频带并发现 可用频谱的问题，频谱检测的质量直接影响着空闲频谱的使用效率以及授权用户正常使用 频带的权利。 现有技术频谱检测方法主要有两类本地频谱检测和协作频谱检测。本地频谱检 测是指认知用户独立的检测频谱发现接入机会，协作频谱检测是指多个认知用户通过一定 的方式协作检测频谱发现接入机会。本地频谱检测是协作频谱检测的基础，协作频谱检测 解决了本地频谱检测中存在的隐藏终端问题，可提供较高的检测性能。 本地频谱检测主要有三类匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳特征检测。当授 权用户信号已知时，匹配滤波器检测是较佳的检测方法。匹配滤波器检测利用授权用户信 号的导频码、前导码或扩频码等特征，认知用户可以连续地同授权用户进行定时和载波同 步，甚至信道均等化，从而解调接收到的信号，判断授权用户信号是否占用频带。但当授权 用户信号未知时，该方法需要执行各种接收机算法，消耗大量的能量，实施的复杂度很高。 循环平稳特征检测是根据授权用户的信号统计特性进行检测的方法。授权用户的信号统计 特性一般具有周期性，可以看成循环平稳随机过程，不同信号的谱相关函数在"频率，循环 频率，幅值"三维空间上具有不同的特征，授权信号的谱相关函数在不同的循环频率和频率 处出现峰值，噪声仅在循环频率值为0时出现峰值，循环平稳特征检测根据峰值的位置可 以检测授权用户信号。由于该方法的实现需要两次傅里叶变换，因此运算复杂度高。能量 检测是一种常用的频谱检测方式，使用带通滤波器截取目标信号，数模(A/D)转换后，在检 测时间内抽样并计算总体抽样能量，获得检验统计量，将检验统计量与阈值相比较来判断 授权用户是否占用频带。该方法计算量小，实施简单，且可以在不知道授权用户信号类型的 条件下进行检测。 协作频谱检测主要有两种决策方法软决策方法和硬决策方法。软决策方法是指 认知用户考虑与决策相关的因素(如位置、信道衰减等)发送检测信息给融合中心，融合中 心利用设定的判决阈值做出决策。硬决策方法是指认知用户将本地检测的结果发送给融合 中心，融合中心依据本地检测结果，做出决策。由于硬决策方法发送的是检测结果，丢失了
4大量的信息，因此检测精度较低，降低了接入机会。 由于现有技术上述频谱检测方法是依据单频带检测提出的，因此对于多用户检测 多频带情况存在检测精度低、接入机会少等技术缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种协作频谱检测方法和系统，有效提高多用户检测多频带 的接入机会。
为了实现上述目的，本发明提供了一种协作频谱检测方法，包括 数个认知用户在预先设定的频带上按照预先设定的检测时间分时进行检测； 所述认知用户将检测信息分时发送给中心单元； 所述中心单元对所述检测信息进行融合并判断各频带的接入机会。 还包括中心单元根据认知用户个数、频带个数以及授权用户活动状况设定各频
带上认知用户的个数和检测时间。
所述设定各频带上认知用户的个数和检测时间包括 步骤11、计算R个认知用户在S个信道上进行检测的所有组合Ck， k = 1， 2，......， q，其中q为组合数； 步骤12、令k = l，设定第1组合下各频带认知用户的检测时间t^，根据接入机会 表达式计算第1组合的接入机会值仏，记录a = 1， ts,a = ts>1 ;
步骤13、令k二k+l; 步骤14、判断k是否大于q，是则结束，选用组合Ca以及t"，否则执行步骤15 ;
步骤15、设定第k组合下各频带认知用户的检测时间tu，根据接入机会表达式计 算第k组合的接入机会值Uk; 步骤16、判断Uk是否大于仏，是则执行步骤17，否则执行步骤18 ;
步骤17、令U! = Uk，记录a = k， ts,a = ts,k，执行步骤13 ;
步骤18、令仏=仏，执行步骤13。
所述接入机会表达式为
<formula>formula see original document page 5</formula>
各频带上认知用户的个数和检测时间需满足条件为 <formula>formula see original document page 5</formula> 式中，V'为j频带上认知用户的检测时间，Xj为j频带上认知用户的个数，Pdj为 j频带上的检测概率，iV为J频带上要求的最小检测概率，R为认知用户个数，S为信道个 数，PfJ'为j频带上的虚警概率，TJ'为用户检测j频带的检测间隔，P。ffJ'为j频带上授权用户 不占用频带的概率，Bj为j频带的带宽。 还包括设定各认知用户的权重系数，所述权重系数为
w i = P (m《i IH》 式中，P(m《i|H》表示授权用户信号在某个频带第i个认知用户检测时存在的概
所述中心单元对所述检测信息进行融合并判断各频带的接入机会包括所述中心 单元接收所述检测信息，根据各认知用户的权重系数形成处理统计量，通过融合判断各频 带的接入机会。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种协作频谱检测系统，包括 数个认知用户，用于在预先设定的频带上按照预先设定的检测时间进行检测，将
检测信息分时发送； 中心单元，用于接收数个认知用户分时发送的检测信息，对所述检测信息进行融
合并判断各频带的接入机会。
所述中心单元包括 收发单元，用于接收数个认知用户分时发送的检测信息； 融合单元，与所述收发单元连接，用于对所述检测信息进行融合； 判断单元，与所述融合单元连接，用于根据融合结果判断各频带的接入机会。 本发明提出了一种协作频谱检测方法和系统，在多用户检测多频带时，根据认知
用户个数、频带个数以及授权用户信号出现的状况，通过合理设定检测各频带上认知用户
的个数、各认知用户的检测时间以及对多频带检测信息的融合，在满足对授权用户干扰小
于一定水平的条件下有效增加了接入机会。
图1为本发明协作频谱检测方法的流程图； 图2为本发明设定各频带上认知用户的个数和检测时间的流程图；
图3为本发明协作频谱检测方法具体实施例的流程图。
具体实施例方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明协作频谱检测方法的流程图，包括 步骤1、数个认知用户在预先设定的频带上按照预先设定的检测时间分时进行检
步骤2、所述认知用户将检测信息发送给中心单元； 步骤3、所述中心单元对所述检测信息进行融合并判断各频带的接入机会。
上述技术方案中，数个认知用户被预先分配在数个频带组中，每个频带组对应一 个频带，认知用户被预先分配有检测时间，每个频带组中的每个认知用户按照检测时间对 设定频带进行分时检测。检测完成后，认知用户将检测信息发送给中心单元，中心单元接收 每个频带组中每个认知用户的检测信息，并对检测信息进行融合，然后判断授权用户是否 占用频带，即各频带是否有接入机会。若授权用户占用频带，表明没有接入机会，则认知用 户从中心单元判决结束到下一次检测该频带之间的时间内不能使用该频带；若授权用户不 占用频带，表明有接入机会，则认知用户从中心单元判决结束到下一次检测该频带之间的 时间内可以使用该频带。 实际应用中，认知用户的检测可以采用能量检测。单个认知用户的能量检测是采 用带通滤波器截取目标信号，数模(A/D)转换后，在检测时间tsj内抽样N次并计算总体抽样能量，获得检验统计量UiJ(即所述检测信息)。频谱检测的问题可以看成二元假设检验 问题 H0:Y[n]=W[n] n = 0，l，......，NH丄Y[n] = X[n]+W[n] n = 0，l，......，N 式中，H。表示授权用户未占用频带的假设，&表示授权用户占用频带的假设，Y[n] 表示接收信号抽样，W[n]表示噪声抽样，X[n]表示授权用户信号抽样，n表示抽样次数，N 表示总抽样次数。假设W[n]是高斯独立同分布随机过程，则W[n] :N(O， o w2) ， o w2表示噪
声功率；X[n]是独立同分布随机过程，均值为O，方差五
信号功率；X[n]与W[n]独立同分布。
则能量检测的检验统计量
o/表示授权用户的 "/=2](7["])2 式中，Uij为第i个认知用户对第j个频带的检验统计量。 定义j频带的接收信噪比6 = ( o x, /表示j频带授权用户的信号功
率，Y j通常可以提前获得，作为已知量来使用)，检测时间tsj，抽样频率fs，则抽样个数 =",。显然检验统计量Uij服从卡方分布，当抽样个数Nj足够大，由中心极限定律知检 验统计量Uij近似的服从高斯分布
' iV(W:,2iW:) //0
,C + )cr:, 2( W + 2^. )cr: )
若设定第i个认知用户的判决阈值为A i，则 第i个认知用户的虚警概率尸/ => & I /^0) 第i个认知用户的检测概率Pj =户0/ >义,I A)
式中，虚警概率P/表示授权用户未占用频带时，认知用户通过检测认为授权用户 占用频带的概率，检测概率P/表示授权用户占用频带时，认知用户检测到授权用户占用频 带的概率。
利用数学知识可知
尸M,02(
1
g( 丄。)
其中必xhTf exp(— 本发明上述技术方案中，认知用户采用分时(异步)检测方式并发送检测信息给 中心单元。具体应用中，对于xJ'个认知用户协作检测j频带进行分时检测时，可以对每个 认知用户分配相同的检测间隔。假设初始检测时，时间为O，第一个认知用户在tsj时刻检 测并在检测完成后发送检测信息u 给中心单元，第二个认知用户在2t 时刻检测并在检测
7完成后发送检测信息u2j给中心单元，以此类推，直到xjtsj时刻检测并在检测完成后发送检 测信息"二给中心单元。 本发明上述技术方案中，中心单元通过公共控制信道接收认知用户发送的检验统 计量{Uij}后，通过融合得到第j个频带的全局检验统计量u。J，之后再与阈值比较来判断各 频带的接入机会。其中检验统计量U。J为 W =(W)V 式中，"i为第i个认知用户检验统计量的权重系数，
:，uJ为第j
，
j为第j个频带的权重向
J -Ov,"^,"""^ ，xJ为
、频带的检验统计量向量，W = , W2,…,) ,tz
检测j频带的认知用户的个数。由于高斯分布的线性叠加仍然是服从高斯分布，则均值
式中，向量11= [l，l，...，l]，信噪比向量Y
<formula>formula see original document page 8</formula> 式中，PfJ为第j个频带的虚警概率，Pdj为第j个频带的检测概率，A 。, j为j频带 的中心判决阈值。 在上述技术方案基础上，步骤1前还包括设定各频带上认知用户的个数和检测时 间的步骤，即中心单元根据认知用户个数、频带个数以及授权用户活动状况设定各频带上 认知用户的个数和检测时间。在具体的协作过程中，认知用户分时发送检测信息给中心单 元，中心单元根据授权用户信号出现的状况，通过合理设定各认知用户的检测时间，在满足 对授权用户干扰小于一定水平的条件下增加接入机会，在多用户检测多频带时，通过合理 分配检测各频带上认知用户的个数，达到增加接入机会的目的。 在各频带上认知用户的个数设定中，假设认知用户个数为R，信道个数为S，用于 检测j频带的认知用户的个数为xj(即第j频带组中认知用户的个数)，同时假设认知用 户检测j频带的检测间隔Tj、 j频带上授权用户不占用频带的概率P。ffj'、 j频带的带宽Bj已 知，为了最大化的发现空闲频谱，也就是发现接入机会，中心单元设定各频带上认知用户的个数Xj和检测时间tsj为在条件p,. 、 ^ Z、 = ^ (Xj > 0且为整数)下，使下述接入机会
尸d 2尸d
表达式最大。 t (1 — 5)(1 —/7V)^A 式中Pdj表示j频带上的检测概率，表示J频带上要求的最小检测概率，PfJ'表 示j频带上的虚警概率。 通过设定各频带上认知用户的检测时间tsj可以满足条件尸/ 2 ^/中j频带上检测
概率PdJ'的要求。由前面虚警概率和检测概率的计算公式可知 " = 2(、," ) ，PJ = 2d,") 所以 lK尸/,") 因此 通常情况下，会要求虚警概率大于某值，则上式中检测概率只与检测时间V'有 关，因此利用iV》&条件就可以获得检测时间tsj的范围，在检测时间tsj的范围内获得合 适的检测时间tsj使接入机会最大。
图2为本发明设定各频带上认知用户的个数和检测时间的流程图，包括 步骤11、计算R个认知用户在S个信道上进行检测的所有组合Ck， k = 1，
2，......， q，其中q为组合数； 步骤12、令k = l，设定第1组合下各频带认知用户的检测时间t^，根据接入机会 表达式计算第1组合的接入机会值仏，记录a = 1， ts,a = ts>1 ;
步骤13、令k二k+l; 步骤14、判断k是否大于q，是则结束，选用组合Ca以及t"，否则执行步骤15 ;
步骤15、设定第k组合下各频带认知用户的检测时间kk，根据接入机会表达式计 算第k组合的接入机会值Uk; 步骤16、判断Uk是否大于仏，是则执行步骤17，否则执行步骤18 ;
步骤17、令^ = Uk，记录a = k， ts,a = ts,k，执行步骤13 ;
步骤18、令仏=仏，执行步骤13。 上述技术方案中，步骤12中设定第1组合下各频带认知用户的检测时间ts>1是一 个表示各频带认知用户检测时间的向量，其中有S个元素，因此步骤12 步骤18中得到的 检测时间也是一个表示各频带认知用户检测时间的向量，有S个元素。通过上述流程即可 获得具有最大接入机会的组合和该组合下各频带认知用户的检测时间，即检测j频带的认 知用户个数为xj和各认知用户的检测时间tsj。 在上述技术方案基础上，设定各频带上认知用户的个数和检测时间的步骤中还可 以同时设定权重系数。中心单元根据被检测频带中授权用户的活动状况，对不同的认知用 户分配不同的权重系数，以提高检测性能。 假设已知授权频带的空闲时间服从指数分布，平均空闲时间为1/P,，则授权用户信号出现的概率密度函数P。n为
P。n = 。FF exp (_t il 0FF) 假设授权用户信号在系统上一次检测结束时不存在，在下一次第i个认知用户检
测时存在，则其存在的概率分布函数为
n/ lrr、P(附")f—(""/We-' ,w ( —,x。 尸(附= ~^-^~ = ^——^-=-;——
尸(附SM) f,~驢 " 以此来设定第i个认知用户检验统计量的权重系数"，
"i = 1 P(m《i |H》+0 (l-P(m《i |H》)
二p(m《ilH》 式中，P(m《ilH》表示授权用户信号在某个频带第i个认知用户检测时存在的概率。 通过设定权重系数，中心单元接收各认知用户发送的检验统计量UiJ'后，根据对各 认知用户赋予各自的权重系数"i形成处理统计量"iUiJ'，然后通过融合判断授权用户是否 占用频带，提高检测性能。 图3为本发明协作频谱检测方法具体实施例的流程图，包括
步骤21、令1 = 1; 步骤22、 j频带的第i认知用户开始检测，获得检测统计量UiJ'，经过检测时间tsj 后将所述检验统计量Uij发送给中心单元；
步骤23、 i = i+1 ; 步骤24、判断i是否大于xj，是则执行步骤25，否则执行步骤22 ; 步骤25、中心单元对检验统计量UiJ'赋予各自的权重系数"i后进行融合，(i = 1，
2，......xj); 步骤26、判断授权用户是否占用频带，若授权用户占用频带，则认知用户在 Tj-xjtsj时间内不能使用该频带；若授权用户不占用频带，则认知用户在Tj-xjtsj时间内可 以使用该频带。 实际应用中，由于检测是周期性的，因此认知用户在下一次检测时间时重复执行 步骤21 步骤26。需要说明的是，本发明所说明的j频带的技术方案适用于各个频带。
本发明还提供了一种协作频谱检测系统，包括数个认知用户和中心单元，数个认 知用户用于在预先设定的频带上按照预先设定的检测时间分时进行检测，将检测信息发送 给中心单元，中心单元用于接收数个认知用户分时发送的检测信息，对所述检测信息进行 融合并判断各频带的接入机会。具体地，本发明中心单元包括收发单元、融合单元和判断单 元，收发单元用于接收数个认知用户分时发送的检测信息；融合单元与收发单元连接，用于 对收发单元接收到的检测信息进行融合；判断单元与融合单元连接，用于根据融合单元的 融合结果判断各频带的接入机会。进一步地，中心单元还包括设定单元，设定单元与收发 单元和融合单元连接，用于根据认知用户个数、频带个数以及授权用户活动状况通过接入 机会表达式设定各频带上认知用户的个数、各认知用户的检测时间和各认知用户的权重系 数，设定单元将各频带上认知用户的个数和检测时间通过收发单元发送给各认知用户，使 各个认知用户在预先设定的频带上按照预先设定的检测时间进行检测，设定单元将各认知
10用户的权重系数发送给融合单元，使融合单元对各认知用户的检验统计量赋予各自的权重 系数后进行融合。其中接入机会表达式和权重系数已在前述协作频谱检测方法技术方案中 说明，不再赘述。 本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过 程序指令相关的硬件来完成，前述程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在 执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括R0M、 RAM、磁碟或者光 盘等各种可以存储程序代码的介质。 最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照 较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的 技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
1权利要求
一种协作频谱检测方法，其特征在于，包括数个认知用户在预先设定的频带上按照预先设定的检测时间分时进行检测；所述认知用户将检测信息分时发送给中心单元；所述中心单元对所述检测信息进行融合并判断各频带的接入机会。
2. 根据权利要求1所述的协作频谱检测方法，其特征在于，还包括中心单元根据认知 用户个数、频带个数以及授权用户活动状况设定各频带上认知用户的个数和检测时间。
3. 根据权利要求2所述的协作频谱检测方法，其特征在于，所述设定各频带上认知用 户的个数和检测时间包括步骤11、计算R个认知用户在S个信道上进行检测的所有组合Ck，k = 1，2，......，q，其中q为组合数；步骤12、令k = l，设定第1组合下各频带认知用户的检测时间t^，根据接入机会表达 式计算第1组合的接入机会值仏，记录a = 1， ts,a = ts>1 ; 步骤13、令k = k+l ;步骤14、判断k是否大于q，是则结束，选用组合Ca以及t"，否则执行步骤15 ; 步骤15、设定第k组合下各频带认知用户的检测时间kk，根据接入机会表达式计算第 k组合的接入机会值Uk;步骤16、判断Uk是否大于仏，是则执行步骤17，否则执行步骤18 ; 步骤17、令仏=Uk，记录a = k， ts,a = t、k，执行步骤13 ; 步骤18、令仏=仏，执行步骤13。
4. 根据权利要求3所述的协作频谱检测方法，其特征在于，所述接入机会表达式为 f (1 ——X^ y各频带上认知用户的个数和检测时间需满足条件为p〉pix,^(Xj^o且为整数)，厂"二厂",产1式中，V'为j频带上认知用户的检测时间，Xj为j频带上认知用户的个数，Pdj为j频带上的检测概率，iV为j频带上要求的最小检测概率，R为认知用户个数，s为信道个数，PfJ'为j频带上的虚警概率，Tj为用户检测j频带的检测间隔，P。ffj为j频带上授权用户不 占用频带的概率，Bj为j频带的带宽。
5. 根据权利要求2所述的协作频谱检测方法，其特征在于，还包括设定各认知用户的 权重系数，所述权重系数为"i = P (m《i IH》式中，P(m《i |H》表示授权用户信号在某个频带第i个认知用户检测时存在的概率。
6. 根据权利要求5所述的协作频谱检测方法，其特征在于，所述中心单元对所述检测 信息进行融合并判断各频带的接入机会包括所述中心单元接收所述检测信息，根据各认 知用户的权重系数形成处理统计量，通过融合判断各频带的接入机会。
7. —种协作频谱检测系统，其特征在于，包括数个认知用户，用于在预先设定的频带上按照预先设定的检测时间分时进行检测，将检测信息发送；中心单元，用于接收数个认知用户分时发送的检测信息，对所述检测信息进行融合并 判断各频带的接入机会。
8. 根据权利要求7所述的协作频谱检测系统，其特征在于，所述中心单元包括 收发单元，用于接收数个认知用户分时发送的检测信息； 融合单元，与所述收发单元连接，用于对所述检测信息进行融合； 判断单元，与所述融合单元连接，用于根据融合结果判断各频带的接入机会。
9. 根据权利要求8所述的协作频谱检测系统，其特征在于，所述中心单元还包括设定 单元，所述设定单元与收发单元和融合单元连接，用于根据认知用户个数、频带个数以及授 权用户活动状况通过接入机会表达式设定各频带上认知用户的个数和检测时间，所述接入 机会表达式为<formula>formula see original document page 3</formula>各频带上认知用户的个数和检测时间需满足条件为p,〉口iX:W(Xj》0且为整数)，式中，V'为j频带上认知用户的检测时间，Xj为j频带上认知用户的个数，Pdj为j频带上的检测概率，iV为j频带上要求的最小检测概率，R为认知用户个数，s为信道个数，PfJ'为j频带上的虚警概率，Tj为用户检测j频带的检测间隔，P。ffj为j频带上授权用户不 占用频带的概率，Bj为j频带的带宽。
10. 根据权利要求9所述的协作频谱检测系统，其特征在于，所述设定单元还用于设定 各认知用户的权重系数，所述权重系数为"i = P (m《i IH》式中，P(m《i |H》表示授权用户信号在某个频带第i个认知用户检测时存在的概率。
全文摘要
本发明涉及一种协作频谱检测方法和系统。协作频谱检测方法包括数个认知用户在预先设定的频带上按照预先设定的检测时间分时进行检测；所述认知用户将检测信息发送给中心单元；所述中心单元对所述检测信息进行融合并判断各频带的接入机会。本发明根据认知用户个数、频带个数以及授权用户信号出现的状况，通过合理设定检测各频带上认知用户的个数、各认知用户的检测时间以及对多频带检测信息的融合，在满足对授权用户干扰小于一定水平的条件下有效增加了接入机会。
文档编号H04W24/00GK101753232SQ20091024256
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者刘凯, 张军, 肖林 申请人:北京航空航天大学