认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及认知无线电网络频谱优化领域，特别涉及认知无线网络频谱感知和接 入决策联合的优化方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信的发展和用户需求的提高，有效使用频谱资源变得极为重要。目前 通常的频谱管理方式是即使主用户（Primary User,简称PU)未使用授权频段时，次用户 (Secondary User,简称SU)也不能使用该频段，这种情况极大地降低了频谱的利用率。
[0003] 为了解决这个矛盾，人们提出了认知无线电（Cognitive Radio,简称CR)技术，次 用户通过频谱感知手段感知到空闲的频段，在不影响主用户通信的前提下充分利用频谱资 源。感知完成后，次用户将感知的结果发送给融合中心（Fusion Center,简称FC)，FC通过 某一判决准则做出主用户是否存在的判决，次用户最终决定是否接入信道。
[0004] 在频谱感知过程中，单个次用户的频谱感知常常存在阴影效应、多径衰落和隐藏 终端而使检测性能较差的问题，为了克服此问题，基于多个次用户的协作频谱感知技术相 应被提出。
[0005] 但是，现有的多个次用户的协作频谱感知技术都是基于所有次用户首先利用相同 的本地感知时间完成感知，然后依时分复用的方式将感知结果上传至融合中心，且当一个 次用户上传感知结果时，其他次用户不做任何操作，直到轮到其上传时才执行上传，FC最后 依据某一判决准则做出主用户是否占用信道的全局判决结果。
[0006] 可以发现，这样的协作频谱感知方式存在以下问题：1)当一个次用户上传感知结 果时，其他次用户不做任何操作，直到轮到其上传时才执行上传，导致很多上传时隙的浪 费。2)当感知的次用户数达到一定数量时，便可以获得较低的虚警概率，而超过此数量的次 用户参与感知时，会导致很多能量的浪费；3)在接入阶段，当太多的次用户接入信道，使得 信道变得非常拥挤，导致较低的吞吐量。
[0007] 尽管许多频谱感知方法和动态接入算法已经被提出以提高次用户使用主用 户的频谱资源的机会，但是目前基于现有的频谱感知和接入技术，主要集中在频谱感 知和动态接入二者分开研究，要么单方面最佳化频谱感知性能而不考虑频谱接入的 影响，要么设计一种频谱接入算法而不考虑频谱感知的影响，例如：A. Ghasemi and E. S. Sousa. Collaborative spectrum sensing for opportunistic access in fading environments [C]. In Proc. 2005IEEE DySPANj pp. 131 - 136 ；Yang LjKim HjZhang J S，et al.Pricing-based decentralized spectrum access control in cognitive radio networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking(T0N)，2013,21 (2) :522-535?也即 是说，现有技术基本上没有将频谱感知和动态接入二者联合起来进而考虑频谱感知与接入 算法的相互影响。
[0008] 而经研究表明，将频谱感知和动态接入二者联合考虑它们的相互作用非常有意 义，原因在于若参与感知主信道的次用户很少，将导致较高的虚警概率P f和较低的吞吐量， 最糟糕的情况是无次用户感知，因为感知需要消耗能量，这不可避免导致极其高的虚警概 率匕和几乎为O的吞吐量；而若太多的次用户接入主信道将使得信道非常拥挤，则再次导 致非常低的吞吐量；因而，应该动态地调整次用户感知比例和接入比例以获得较高的实时 吞吐量，即求得演化稳定解，使吞吐量达到最大，虚警概率达到最低。
【发明内容】
[0009] 为解决以上技术问题，本发明提出认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化 方法。
[0010] 本发明的认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，包括：
[0011] 步骤A、次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知；
[0012] 步骤B、决定参与感知的次用户进行频谱感知，获得本地感知结果，并根据似然比 大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心；
[0013] 步骤C、融合中心根据判决准则做出主用户是否占用信道的决策；
[0014] 步骤D、次用户根据判决结果和可能获得的吞吐量决定是否接入信道。
[0015] 步骤E、当参与感知的次用户比例增长率和接入次用户比例增长率都趋于稳定时， 获得参与感知的次用户比例和接入的次用户比例。
[0016] 优选地，所述次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知包括：
[0017] 如果时隙t参与协作频谱感知的次用户的平均吞吐量Us (t)大于时隙t所有次用 户的平均吞吐量U (t)，次用户做出参与感知的决定；
[0018] 如果时隙t参与协作频谱感知的次用户的平均吞吐量Us (t)小于t时隙所有次用 户的平均吞吐量U (t)，次用户做出不参与感知的决定。
[0019] 优选地，所述决定参与感知的次用户进行频谱感知采用能量检测方式，包括：如果 Yi〈Yth，则次用户判决主用户不存在，否则次用户判决主用户存在；
[0020] 其中，
【主权项】
1. 认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在于，包括： 步骤A、次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知； 步骤B、决定参与感知的次用户进行频谱感知，获得本地感知结果，并根据似然比大小 的顺序将本地感知结果上传给融合中心； 步骤C、融合中心根据判决准则做出主用户是否占用信道的决策； 步骤D、次用户根据判决结果和可能获得的吞吐量决定是否接入信道； 步骤E、当参与感知的次用户比例增长率和接入次用户比例增长率都趋于稳定时，获得 参与感知的次用户比例和接入的次用户比例。
2. 根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在 于，所述次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知包括： 如果时隙t参与协作频谱感知的次用户的平均吞吐量Us (t)大于时隙t所有次用户的 平均吞吐量U(t)，次用户做出参与感知的决定； 如果时隙t参与协作频谱感知的次用户的平均吞吐量Us(t)小于t时隙所有次用户的 平均吞吐量U(t)，次用户做出不参与感知的决定。
3. 根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在 于，所述决定参与感知的次用户进行频谱感知采用能量检测方式，包括：如果Yi〈Yth，则次用 户判决主用户不存在，否则次用户判决主用户存在； 其中，
表示次用户i在一个感知周期内感知主用户信号的平均 能量，队为次用户i在一个感知周期内的采样点数，Yth为主用户信号能量预设门限值；
表示表示次用户i感知的第k个信号样本，ni [k]是 次用户i的噪声且各njk]独立同分布，s[k]是主用户信号，比表示主用户和次用户i间 的信道增益，4和Hi分别表示主用户不存在和存在。
4. 根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在 于，所述根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心包括：在AND准则下，根据 信噪比由高到低的顺序将本地感知结果上传给融合中心；在OR准则下，按信噪比由低到高 的顺序将本地感知结果上传给融合中心； 所述AND判决准则是指：当参与感知的次用户的判决结果都为真，则融合中心决策融 合的最终判决为真，否则为假；所述OR判决准则是指：只要有一个参与感知的次用户的判 决结果为真，则融合中心决策融合的最终判决为真，否则为假。
5. 根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在 于，所述根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心包括当上传顺序排在前面 的次用户上传信息时，排在后面的次用户继续执行本地感知直至轮到自己上传时才发送其 感知结果至融合中心。
6. 根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在 于，所述次用户根据判决结果和可能获得的吞吐量决定是否接入信道包括：如果融合中心 判决主用户存在，则次用户不接入信道；如果融合中心判决主用户不存在，则次用户根据可 能获得的吞吐量决定是否接入。
7. 根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在 于，如果t时隙次用户决定接入条件下接入信道的次用户的平均吞吐量Ua | % (t)大于所有 次用户的平均吞吐量U| % (t)，则该次用户决定接入。
8. 根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特 征在于：所述参与感知的次用户比例增长率和接入次用户比例增长率都趋于0,即满足ps(t+l)-ps(t)GG[-THsa，THj，THsa表示感知接入阈值，参 与感知的次用户比例和接入次用户比例达到稳定状态。
9. 根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在 于： 所述参与感知的次用户比例为： ps (t+i) =ps (t) (1+n(i-ps (t)) (- ? s- ? t+ (i-pa (t) +pa(t) (p〇pf (Mps (t)) +PiPd))R) 所述接入的次用户比例为：
其中，
>Mpa(t)代表t时隙次用 户决定接入条件下接入信道的次用户数，B是信道带宽，SNR是次用户的信号功率与噪声之 比，INR是干扰噪声比；
为次用户i接收的信噪 t匕，比表示主用户和次用户i间的信道增益，crj和of分别为主用户和噪声的方差；队为 一个感知周期内的采样点数；
为Mps(t)个次用户协作感知信道的误警概率，入为能量监测的采样频率，
，为补误差函数；Yth为主用户信号能量预设门限值； Ps(t)表示t时隙参与感知主信道的次用户比例，pa(t)表示t时隙接入信道的次用户 比例，?t=TtE3为上传感知结果所消耗的能量，? s= 〇\+%(〇-1)1\)匕是频谱感知所消 耗的能量，Tt是单个次用户上传所需时间，Mi (t)-1表示t时隙上传顺序排在次用户i前面 的感知用户个数，Ts是单个次用户本地感知时间；? a=TaE2为数据传输所消耗的能量，Ta 是单个次用户数据传输所需时间；R是仅参与感知而不接入信道的次用户所获得能量吞吐 量并且1?>?3出 1、&33、^分别代表第一、第二、第三、第四能量转化因子；11是正的步长因 子。
【专利摘要】本发明涉及认知无线电网络频谱优化领域，提供认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知；决定参与感知的次用户进行频谱感知，获得本地感知结果，并根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心；融合中心根据判决准则做出主用户是否占用信道的决策；次用户根据判决结果和可能获得的吞吐量决定是否接入信道；当参与感知的次用户比例增长率和接入次用户比例增长率都趋于稳定时，获得参与感知的次用户比例和接入的次用户比例；本发明基于演化博弈，将频谱感知和接入二者联合起来，动态地调整次用户感知和接入的比例，最终达到均衡状态，优化系统性能。
【IPC分类】H04W24-02, H04B17-382
【公开号】CN104579523
【申请号】CN201410850416
【发明人】李方伟, 袁迎慧, 朱江, 刘帆, 张佳佳, 杨政, 杨浩磊, 韩超
【申请人】重庆邮电大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月31日