一种新型的基于能量检测的双门限协作频谱感知算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线系统的频谱感知技术领域。
【背景技术】
[0002] 频谱感知是认知无线系统最为关键的技术之一，目前各个国家都在开展研究，频 谱感知的主要任务是快速识别出信道占用状况，确定哪些频段为空闲频段，从而将其赋给 次用户进行通信。在实际运行的无线通信网络中，往往有很多个认知用户和授权用户存在。 若授权用户发射机覆盖范围半径为R，认知用户1、2、3在此区域内，认知用户4落在此区域 外。当认知用户1和认知用户3与授权用户发射机之间有巨大障碍物时，认知用户1和认 知用户3将处于不利的位置上，极有可能无法接收到授权用户的信号信息；认知用户4由于 处于所覆盖范围外，可能根本接收不到授权用户信息，这些情况都导致认知用户无法判断 出授权用户是否存在，从而导致认知用户做出错误的频谱检测判决。
[0003] 认知用户单独的对频谱进行检测，由于所在的位置不同，实际通信信道受到外界 各种干扰源的影响、遮蔽效应以及多径衰落均不相同，信道性能好的，衰减小的认知用户能 更准确的检测授权用户是否存在，而信道性能差的处在恶劣条件下认知用户则不能很好的 检测授权用户是否存在，会出现隐蔽终端问题，但依据判决结果却强行占用信道，显然基于 单个认知用户频谱检测具有一定的局限性，判决结果具有一定的不确定性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种一种新型的基于能量检测的双门限协作频谱感知算法， 是为了解决现有快速识别出信道占用状况时，但依据判决结果却强行占用信道，显然基于 单个认知用户频谱检测具有一定的局限性，判决结果存在一定的不确定性的问题。
[0005] 所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种新型的基于能量检测的双门限协 作频谱感知算法，它的方法步骤为：
[0006] 步骤一：考虑一个中心单元或者基站和M个认知用户参与合作频谱感知；中心单 元负责管理认知无线电网络和所有的M个合作认知用户；在此网络中假设每个认知用户进 行本地感知的过程是相互独立的，均采用双门限能量频谱感知算法来进行；第i个合作认 知用户的感知情况，检测模型表示如下：
[0008] 式中，s(n)为输入的授权用户信息，假设服从均值为零，方差为< 的正态分布， w(n)为高斯白噪声，服从均值为零，方差为^4的正态分布，&表示测试端只有噪声,H1表示 测试端有授权用户信息和噪声，假设噪声采样值相互独立同分布，并且与信号采样值也相 互独立，则在Η。下$~,V(0，cr,;/)，在氏下X,.~+σ·、:)/]，也即在N个抽样求和后， 输出统计量T1可以表示为：
[0010] 协作频谱检测充分利用各个认知用户感知数据信息，显著提高频谱感知结果的可 靠性能，因此我们采用了基于能量检测的双门限的协作频谱感知策略；
[0011] 步骤二：.每个参与合作频谱感知的认知用户首先检查它所接收到的授权用户信 号的能量；判决能量统计量Ti是否小于门限λ。或者大于等于门限λ i，小于门限λ。则认 为所感知的授权信道当前空闲，判决为大于等于门限A1，则认为授权用户正在使用当 前频段，判决为" 1";我们用D1表示第i个用户的本地感知结果，D i取数据"0"或" 1"，判决 结果送入融合中心，融合中心根据本地的感知结果，采用自适应K秩硬融合策略：下面 对对K秩硬融合准则判决进行分析，假设一共有M个认知用户参与协作感知，基于能量感知 的双门限算法的认知无线网络中，其k秩融合策略联合检测概率和虚警概率表达式为：
[0014] k= 1即为"或"融合，k = M即为"与"融合；传统的K秩融合投票门限值固定， 一般为尤2I，其中「"|为ceiling函数，此时称为Majority准则；对频谱状态作出判 决，判决结果用R1来表示，表达式可写为：
[0016] 若&为1，表示融合中心判决授权用户存在，授权用户不可以占用信道；若1为0， 判决授权用户不存在，授权用户可以接入信道进行通信；
[0017] 步骤三：如果Ti落入由门限λ。和λ i构成的不可靠区间，g卩λ。彡Ti〈 λ i，则第i 个合作认知用户将自己接收到的信号直接上传到融合中心，在融合中心采用EGC软融合策 略数据进行加权求和，并与软融合门限值进行比较，并作出判决，采用EGC准则的融合中心 的检测过程可以表示为：
[0018]
[0019] 其中，Xecc为预设门限值；文献[6]指出Φ Eec服从正态分布：
[0021] 其中，γι表示第i个用户的接收信噪比，N表示采样点数，M表示认知用户数；所 以联合检测概率和虚警概率为：
M
[0024] 式中，F = ￡.?为信息融合中心瞬时信噪比； H-
[0025] 采用EGC准则，参与的M个认知节点将本地的感知观测值Ti直接传送给融合中 心，融合中心再对数据进行加权求和，若各节点权值取l/νΥ/'融合中心接收的信号：
[0027] 将判决结果传送给用户，若判决结果用R2来表示，表达式可写为判决规则如下：
[0029] 其中，
，若馬为1，表示融合中心判决授权用户存在，认知用户不 可以占用信道；若馬为〇,表示融合中心判决授权用户不存在，认知用户可以接入信道进行 通信。
[0030] 本发明通过将K秩融合策略和EGC软融合策略的有效结合，有效的提升合作频谱 感知效率，节省系统开销，相比较单用户自适应双门限能量检测，多融合准则的双门限协作 频谱感知算法检测，性能得到有效提高，通过仿真，验证了该策略的有效性、优越性。
【附图说明】
[0031] 图1是双门限能量检测硬合并和软合并相结合结构示意框图；
[0032] 图2是三种方法不同信噪比下检测性能比较示意图；
[0033] 图3是三种算法上传数据量曲线比较示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0034] 一：结合图1、图2、图3所示，它的方法步骤为：
[0035] 步骤一：考虑一个中心单元或者基站和M个认知用户参与合作频谱感知；中心单 元负责管理认知无线电网络和所有的M个合作认知用户；在此网络中假设每个认知用户进 行本地感知的过程是相互独立的，均采用双门限能量频谱感知算法来进行；第i个合作认 知用户的感知情况，检测模型表示如下：
[0037] 式中，s(n)为输入的授权用户信息，假设服从均值为零，方差为ex]的正态分布， w (η)为高斯白噪声，服从均值为零，方差为的正态分布，H。表示测试端只有噪声，H i表示 测试端有授权用户信息和噪声，假设噪声采样值相互独立同分布，并且与信号采样值也相 互独立，则在H。下弋~，.在氏下a~Λ1〇,((Τ,:? +σ])/]:，也即在N个抽样求和后， 输出统计量T1可以表示为：
[0039] 协作频谱检测充分利用各个认知用户感知数据信息，显著提高频谱感知结果的可 靠性能，因此我们采用了基于能量检测的双门限的协作频谱感知策略；
[0040] 步骤二：.每个参与合作频谱感知的认知用户首先检查它所接收到的授权用户信 号的能量；判决能量统计量Ti是否小于门限λ。或者大于等于门限λ i，小于门限λ。则认 为所感知的授权信道当前空闲，判决为大于等于门限A1，则认为授权用户正在使用当 前频段，判决为" 1";我们用D1表示第i个用户的本地感知结果，D i取数据"0"或" 1"，判决 结果送入融合中心，融合中心根据本地的感知结果，采用自适应K秩硬融合策略：下面 对对K秩硬融合准则判决进行分析，假设一共有M个认知用户参与协作感知，基于能量感知 的双门限算法的认知无线网络中，其k秩融合策略联合检测概率和虚警概率表达式为：
[0043] k= 1即为"或"融合，k = M即为"与"融合；传统的K秩融合投票门限值固定， 一般为C :=.「M 其中? 1为ceiIing函数，此时称为Majority准则；对频谱状态作出判 决，判决结果用R1来表示，表达式可写为：
[0045] 若&为1，表示融合中心判决授权用户存在，授权用户不可以占用信道；若1为0， 判决授权用户不存在，授权用户可以接入信道进行通信；
[0046] 步骤三：如果Ti落入由门限λ，λ i构成的不可靠区间，即λ ATi〈 λ i，则第i 个合作认知用户将自己接收到的信号直接上传到融合中心，在融合中心采用EGC软融合策 略数据进行加权求和，并与软融合门限值进行比较，并作出判决，采用EGC准则的融合中心 的检测过程可以表示为：
[0048] 其中，Xecc为预设门限值；文献[6]指出Φ Eec服从正态分布：
[0050] 其中，Y1表示第i个用户的接收信噪比，N表示采样点数，M表示认知用户数；所 以联合检测概率和虚警概率为：
[0053] 式中，
为信息融合中心瞬时信噪比；
[0054] 采用EGC准则，参与的M个认知节点将本地的感知观测值Ti直接传送给融合中 心，融合中心再对数据进行加权求和，若各节点权值取I/W，融合中心接收的信号：
[0056] 将判决结果传送给用户，若判决结果用R2来表示，表达式可写为判决规则如下：
[0058] 其中，
I若私为1，表示融合中心判决授权用户存在，认知用户不