专利名称：一种自适应门限的能量检测方法
技术领域：
本发明涉及无线通讯领域，特别涉及一种自适应门限的能量检测方法。
背景技术：
随着无线通信技术与网络的飞速发展，无线用户的数量急剧增加，通过无线网络接入的业务形式日趋多样化，并对系统提出了越来越高的带宽要求，使得频谱资源变得非常紧张。另外，随着无线网络宽带化及数据、业务、网络IP化与一体化的逐步演进，人们对带宽和频谱的利用率提出了越来越高的要求。而认知无线电，就是用于解决这种频谱使用不均衡，频谱利用率不高等问题的非常具有潜力的技术手段。目前，认知无线电的一个典型应用就是机会频谱接入，其核心思想是通过无线通信设备对通信环境的认知，进而按照某种“伺机”的方式，在空域、时域、和频域中实时地去发现授权频段上出现的可以被利用的频谱机会，即“频谱空穴”，并合理的利用。当未授权用户(kcondary User, SU)通过这种“借用”的方式使用已授权用户(Primary User, PU)的频谱资源时，必须保证其通信过程不会影响到PU的通信，或对PU的干扰被控制在某个特定的范围之内。频谱检测指的是认知无线电设备在特定的时间、特定的区域上感知并分析无线通信环境中的频段使用情况的能力，其目的是为了找出适合通信的“频谱空穴”，使得认知无线电系统能够在不影响已有通信系统的前提下有效地进行工作。现有的频谱检测方法有能量检测(H. Urkowitz, "Energy detection of unknown deterministic signals,，，Proceedings of IEEE, vol. 55, pp. 523-531, April 1967 ；F. F. Digham, M. -S. Alouini and M.K. Simon, "On the energy detection of unknow signals over fading channels, ” IEEE Trans. Commun, vol. 55, no. 1，pp. 3575-3579，Jan. 2007)、匹配滤波器检测(S. Μ. Kay, Fundamental of Statistical Signal Processing :Dection Theory. New Jersey =Prentice Hall, 1998)和循环平稳特征检测(S. Enserink and D. Cochran, "A cycolstationary feature detector," in Proc. 28thAsilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Monterey, CA, Oct. 1994，pp. 806-810)等。后两种方法检测方法需要知道当前频段PU的先验知识，同时其实现复杂度及成本较高，检测时间也较长。因此， 频谱检测一般是在SU的发送端通过能量检测与判决来完成。通过对所观察的频段内的无线信号进行测量及能量计算，并与特定的门限值进行比较，从而判决是否出现了符合通信要求的“频谱空穴”。频谱检测的性能决定了 SU能否有效地抓住频谱机会来实现高效的数据传输，以及能否比较准确地判定射频信号碰撞事件，使SU在PU出现的情况下能够尽快主动退避，避免过多地影响PU的通信，值的注意的是，频谱检测技术不仅仅在“频谱空穴” 的搜寻和判定中起到关键作用，还在频谱使用状态的监测与统计等方面发挥至关重要的作用。通过无线频谱的监测，可以搜集无线环境的统计资料，为高层的频谱管理提供辅助，并为SU的通信提供必要的参数支持。自适应频谱检测强调的是提高频谱检测机制的智能化和对无线通信环境变化的自适应能力。现有的基于能量判决的频谱检测方法(W-Y. Lee and I. F. Akyildiz,“Optimal spectrum sensing framework for cognitive radio networks,，，IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，vol.7，no. 10，pp.3845—3857 ； H. Su and X. Zhang，” Energy-efficient spectrum sensing for cognitive radio networks, ” IEEE ICC 2010.)通常釆用固定的能量判决门限(其中，在H. Su and X. Zhang, "Energy-efficient spectrum sensing for cognitive radio networks，，，IEEE ICC 2010提到一种采用双门限的方法。)。门限值的选取一般是在满足对PU的干扰限制的条件下，通过优化SU的频谱利用机会或传输容量等得出。在认知无线电系统运行过程中， 能量判决门限值难以自适应地根据无线信道参数的实时变化进行在线调整。一些研究人员考虑为SU提供一定的统计服务质量的手段，其中，文献Q. Du and X. Zhang，"Queue-aware spectrum sensing for interference-constrained transmissions in cognitive radio networks, "in Proc. IEEE ICC 2010 假设 SU 发送端有一个数据缓存器队列(Queue)，统计服务质量可以通过控制队列的占用率来保证。其实现方法是根据队列的占用率来动态、实时地调整能量判决门限的取值，使得队列占用率较高的时候SU能进行更积极的数据传输(以减少队列占用率)。该方法突破了以往采用固定门限的框架，但忽略了无限信道参数的实时变化对SU数据传输所造成的影响。事实上，由于 SU系统内部在收发两端之间存在一定的协议和反馈机制，SU接收端实时检测到的SOTR(信噪比)可以反馈到发送端。目前的能量判决门限的取值不能根据SOTR进行动态调整，严重影响了信号感知和检测的准确性。由于能量检测器具有实现简单、无需预先知道PU的信号特征与调制方式信息等优势，目前认知无线电中的频谱检测大多采用能量检测判决机制。信号首先通过一个带通滤波器滤除带外噪声，然后通过平方和积分器计算总能量Y，最后与一个能量判决门限值 I进行比较，以判断两种可能的情况=Htl和H1，其中Htl代表PU未占用频谱，而Hl代表PU正在使用频谱。如果Y < ξ，能量检测的结果为Htl ；反之，为氏。在谱交织模式(SU只在PU的空闲期工作)下，通常SU只能在判决结果为Htl的时候才能传输数据。在文献F.F.Digham， Μ.-S. Alouini and Μ. K. Simon，“On the energy detection of unknow signals over fading channels,，，IEEE Trans. Commun, vol. 55, no. 1，pp. 3575-3579, Jan. 2007 中提至lj， Y在Htl和H1两个假设下均服从卡方分布。由于SU接收到能量是一个随机卡方分布，当PU 实际上在使用频谱时，SU检测到的能量有可能Y < ξ，并错误地得出Htl的判决结果；于是，
SU开始使用频谱，并对PU的通信造成干扰。这个概率《(ξ^Ρι·{τ< 定义为漏检概率。
相对应的，检测概率《(ξ)=PrJi^ ξ|《j代表频谱被PU占用的状态能够正确地被SU能量检测器检测出来。另外，在PU未占用频谱资源的情况下，SU能量检测器也可能产生误警，相应的概率定义为误警概率户/&^ 1"{/^€|#。；!。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种自适应门限的能量检测方法，动态调整能量判决门限的值，以提高认知无线电用户的智能化水平，使得SU 的平均数据传输速率达到最大。本发明的另一目的是将漏检概率Ρω( ξ)的平均值限定在一个预设的概率门限范围^之内，减小误警概率Pf ( ξ )，并且保证不对PU造成过度干扰。为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案一种自适应门限的能量检测方法，该能量检测方法先实现离线能量判决门限的决策函数的参数计算方案，再实现在线能量判决门限判决方案；所述离线能量判决门限的决策函数的参数计算方案包括以下步骤步骤1 建立能量判决门限的决策函数；步骤2 计算SU发送端的平均数据传输速率万；步骤3 在满足限制条件下将i进行优化；步骤4 通过优化工具计算出决策函数的参数；所述在线能量判决门限判决方案包括以下步骤步骤5 =SU发射端实时获取SU接收端的信噪比Y反馈；步骤6 :SU发射端根据已经计算出的决策函数的最优参数，由决策函数确定当前的判决门限；步骤7 :SU发射端将检测到的信号能量值Y与门限ξ作比较，如果Υ< ξ，那么判决为H0,即判决PU没有工作；否则判决为Η1，即判决PU正在工作。根据本发明的实施例，上述步骤1中所述能量判决门限的决策函数为
# + Αγ》maXf^j,其中Y为SU接收端反馈到SU发送端的SOTR(信噪比)，ξ ^ 0,其他
为能量判决门限，k、b为待确定能量判决门限的决策函数的参数，是未知数。根据本发明的实施例，上述步骤2中所述SU发送端的平均数据传输速率i为
权利要求
1.一种自适应门限的能量检测方法，其特征在于，该能量检测方法先实现离线能量判决门限的决策函数的参数计算方案，再实现在线能量判决门限判决方案；所述离线能量判决门限的决策函数的参数计算方案包括以下步骤步骤1 建立能量判决门限的决策函数；步骤2 计算SU (从用户)发送端的平均数据传输速率Z ；步骤3 在满足限制条件下将i进行优化；步骤4 通过优化工具计算出决策函数的参数；所述在线能量判决门限判决方案包括以下步骤步骤5 :SU发射端实时获取SU接收端的信噪比γ反馈；步骤6 :SU发射端根据已经计算出的决策函数的最优参数，由决策函数确定当前的判决门限；步骤7 :SU发射端将检测到的信号能量值Y与能量判决门限ξ作比较，如果Υ< ξ, 那么判决为Η。，即判决PU(主用户)没有工作(即不传输数据)；否则判决为H1,即判决PU 正在工作(即传输数据)。
2.根据权利要求1所述的自适应门限的能量检测方法，其特征在于，步骤1中所述能量判决门限的决策函数为
3.根据权利要求1所述的自适应门限的能量检测方法，其特征在于，步骤2中所述SU发送端的平均数据传输速率i为
4.根据权利要求1所述的自适应门限的能量检测方法，其特征在于，所述计算SU发送端的平均数据传输速率Z的方法是假设系统的带宽为B，根据香农公式，SU的数据传输速率R可表示为
5.根据权利要求1所述的自适应门限的能量检测方法，其特征在于，步骤3中所述限制条件为么，其中、为H1条件下SU接收端反馈到SU发送端的信噪比，为时的能量判决门限，T^fe(YiJ)为条件下的漏检概率， \为预设的漏检概率Pm(I)平均值的概率门限，/#(7%)是条件下的概率密度函数，ΦΜ^))]表示求))的均值。
6.根据权利要求1所述的自适应门限的能量检测方法，其特征在于，步骤3所述满足限制条件下将^进行优化包括以下步骤S31 将SU发送端的平均数据传输速率公式^ = ^o + 'Rh1 = ^x 4og2 (l + Y^0 )Pr K )(l - ^/(ξ))]+ ^x 4og2 (l + Ih1 ΥΜ] 演变成{Pr{HQ}E[log2(l” Jl-Pf (ξ(γΗ。)))]+PrIH1Hlog2 (l”H>mfe(YHJ 进入步骤S32 ；S32 结合瑞利衰落信道下的误警概率和检测概率Μ-21m!2V^y.M-\ 7ps Je p —e 2-7PS J J的概率密度函数A。(rJ=/U=亡^^v。20 ,L1的概率密度函数—IafHl (Υπ, ) = f0 4 (YHlt)fpr (t-l)tdt =e ^ - U (t + l)dt =Ysr Ypr+ -Ysr YpryPr Yh. +Ysr (Ypr Yhi +Ysr)—lae ,优化问题转化为最大化
7.根据权利要求1-6之一所述的自适应门限的能量检测方法，其特征在于，SU发送端基于自适应门限能量检测方法进行频谱检测的流程是A.带通滤波器(BPF)滤除带外噪声；B.平方器和积分器计算采样信号所在检测的时间及频谱范围内的总能量Y(假设信号在进入能量检测器之前就已经被采样)；C.将检测到的信号能量值Y与能量判决门限ξ作比较，如果采样到的信号的总能量 Y小于能量判决门限€，即￥< ξ，则SU发送端的能量检测器得出HO的判决结果，即判断 PU没有工作，并利用当前时隙内频谱机会发送数据；如果Y > ξ，则SU发送端的能量检测器得出Hl的判决结果，即PU在工作，SU不能在当前时隙内发送数据。
全文摘要
本发明公开了一种自适应门限的能量检测方法，该能量检测方法先实现离线能量判决门限的决策函数的参数计算方案，再实现在线能量判决门限判决方案。本发明的自适应门限的能量检测方法，通过离线建立能量判决门限决策函数，根据不同信噪比动态地调整能量判决门限的值，然后在线进行判决，提高了认知无线电用户的智能化水平；减小了误警概率Pf(ξ)，使得SU的平均数据传输速率达到最大；减少了运行过程中所需要的能量开销；将漏检概率Pm(ξ)的平均值限定在一个预设的概率门限范围之内，保证了不对PU造成过度干扰。
文档编号H04B17/00GK102324992SQ20111033691
公开日2012年1月18日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者凌翔, 吴斌, 潘莉丽, 鲍志强 申请人:电子科技大学