一种能量有效的协作频谱感知方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种能量有效的协作频谱感知方法，属于认知无线电技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着无线电业务的日渐开展，可用的频谱资源日渐匮乏，同时低频谱利用率更是 加剧了这一局面。认知无线电作为下一代网络发展的关键技术，有效地解决了无线频谱资 源紧缺的问题。认知无线电通过与其周围环境进行交互并进行理解学习，依据周围环境的 变化自适应调整功率、编码和载波调制等无线操作参数，以此提升通信性能，提高频谱利用 率。
[0003] 频谱感知是认知无线电实现的关键和前提，其目的是要准确且快速的感知到尽可 能多的频谱空洞，保证空闲频段不被浪费。而协作频谱感知通过多个认知用户以相互协作 的方式进行频谱感知，尽可能地减小单个认知用户在无线网络环境下有可能受到的多径衰 落、阴影效应的影响，进一步提升系统整体感知性能。
[0004] 此外，随着全球气候变暖及雾霾类污染天气数目的增多，人们越来越关注各类产 品和技术的环保性能，尤其是与日常生活息息相关、使用量巨大的电子通信类产品。据统 计，近年来通信数据量的增加所带来的能量消耗以每年近16% -20%的速度增长，2008年， 信息与通信技术产品的使用所释放的二氧化碳占全球二氧化碳总量的2%。因此，降低能量 消耗、提高能量效率的"绿色"通信系统成为未来通信系统设计的重要目标。作为一种新型 的无线网络，认知无线网在获得频谱效率和通信能力提升的同时，也必须关注其能量效率 问题。
[0005] 在文献"HangSu,XiZhang,Energy-EfficientSpectrumSensing forCognitiveRadioNetworks.2010IEEEInternationalConferenceon Communications(ICC)，"中提出了一种认知无线电网络中能量有效的频谱感知方法，其思 想是根据主用户的活动模式，自适应地调整频谱感知时间，减少感知次数，以节约系统能 耗。同时，对能量值在双门限之间的样本信号，则持续采集另一个不相关的感知采样信号， 直到能量值满足判断条件为止。该方案主要从节省频谱感知时间的角度，设定能量有效的 频谱感知方法，同时该方法未考虑能量值在双门限之间的样本信号，持续感知时所带来的 能量损耗。
[0006] 在发明专利"认知无线电中基于异构用户高效节能的合作感知调度方法"中，是通 过为认知用户SU选定一个可令总效用最大化的主用户PU，作为初始的感知主用户，使得合 作感知节能。专利中涉及到了处于异构网络中的主用户、基站、认知用户，整体感知调度的 优化方法，即重点在于调度方法的高效节能。
[0007] 在发明专利"一种基于认知传感器网络的节能频谱检测方法"中，主要针对认知传 感器网络，通过只检测空闲概率较大的私有信道，来尽量减少频谱检测次数，从而达到节能 的目的。
[0008] 可见，以上所述两个发明专利为达到感知节能的目的，所采用方法的思想是通过 寻找合适的主用户，来确定参与感知的认知用户。而本发明是从认知用户角度出发，通过两 轮筛选，选出那些具有更高可能性获得准确感知结果的认知用户，减少参与感知和发送感 知结果的节点数目，从而达到节约感知能量的目的。
【发明内容】
[0009]目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能量有效的协作频谱感 知方法。
[0010] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0011] 1. 一种能量有效的协作频谱感知方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0012] 步骤一：认知无线网络中N个认知用户进入检测主用户阶段的预感知阶段，第k个
个认知用户采用双门限能量检测方法，两门限值分别设为A:和X2,AX2;对于累计采 样能量值在A:和X2之间的认知用户，进入休眠状态，既不发送也不接收信息，只消耗少量 能量；
[0013] 步骤二：累计采样能量值在A:和A2之外的M个认知用户进入检测主用户阶段的
测；对于累计采样能量值始终大于A1的认知用户，进入休眠状态；
[0014] 步骤三：累计采样能量值始终小于个认知用户进入检测结果报告阶段，利 用时隙的I-a比例的时长，a〈1，S个认知用户向融合中心发送信息；融合中心将接收到的 感知结果进行融合；根据上述感知过程，得到频谱感知周期所耗总能量公式：
[0016]P/为每个认知用户进行能量检测所需功率，PS'为每个认知用户向融合中
其中P1表示认知用户累积采样能量值小于X:或大于X2的概率；E(S)为S的均值，
率；
[0017] 步骤四：在保证感知性能的约束条件Pd>Pdth，Pf<Pfth下，可以得到使Et最小 的M和S的最优解，其中Pd和Pdth分别表示主用户检测概率、主用户检测概率的门限值，Pf 和Pfth分别表示虚警概率、虚警概率的门限值。
[0018] 有益效果：本发明提供的一种能量有效的协作频谱感知方法，从节约感知能量的 角度出发，避免采用单一门限检测时，由于能量值在门限附近变化，导致检测结果不可靠的 现象，选择能量值在两个门限之外的、具有更高可能性获得准确感知结果的认知用户，参与 感知，在提高感知可靠性的同时节约了感知能量。同时，通过有选择地使认知用户发送感知 结果，节约发射能量和额外的专用报告信道资源。
【附图说明】
[0019] 图1认知无线网络与主用户网络的共存模型；
[0020] 图2频谱感知时隙结构图；
[0021] 图3频谱感知流程图；
[0022] 图4认知用户数与感知总能耗关系的仿真图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0024] 本发明的频谱感知系统模型如图1所示，与主用户网络共存的认知无线网络，N个 认知用户CRi对主用户PU的空闲频谱进行检测。协作频谱感知过程，设置为主用户信号先 由主用户单向传输到认知用户，然后，检测结果由认知用户广播给融合中心SU1，并由融合 中心进行融合判断，得到最终的判决结果。
[0025] 如图2所示，频谱感知一个时隙分为：检测主用户阶段、检测结果报告阶段。定义 主用户在第k个时隙的状态为Hp (k)，其中Hp (k) =H1表示主用户在给定无线频段内发射 信号，Hp(k) =Htl表示主用户处于静默状态，设主用户状态在一个时隙内保持不变。一般来 说，这种假设适用于大多数现有的媒体接入协议。这是因为大多数随机媒体接入协议都是 基于时隙结构，例如，时隙AL0HA，时隙载波侦听多点接入（CSMA，CarrierSenseMultiple Access)〇
[0026] 以下结合图2和图3,详述实施过程。
[0027] 在频谱感知的检测主用户阶段中预感知阶段，N个认知用户感知主用户，其中第i 个认知用户CRi接收的主用户信号为
[0029]其中Pp表示主用户发射功率，hpi(k)表示主用户到认知用户CRi的信道系数，Hi (k，1)是均值为零且方差为Ntl的加性高斯白噪声。0 (k，1)的定义为
[0031]Xp (k，1)表示主用户在时隙k中预感知阶段发射的信号。根据能量检测方法，能量 检测器的输出统计量为
整个时隙的比例，fs为采样频率。设能量检测门限值为A:和A2(h<A2)，则单个认知 用户的初始的主用户检测概率Pdi,虚警概率Pfi,频谱空