一种基于能量检测的感知信息融合方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种用于无线通信系统中基于认知无线电技 术的协作频谱感知实现方案。
【背景技术】
[0002] 随着移动无线通信技术的快速发展及宽带无线通信业务的不断出现和普及，剩余 的可用空闲无线频谱资源越来越有限。与此同时，大多数已被无线电频谱管理机构正式分 配的无线通信频段中频谱资源的利用率依然很低。根据美国权威机构测定，有70%以上已 分配的无线频谱资源没有得到服务提供者的充分利用。这个情况显然和已收到广泛关注的 频谱资源短缺情况相互矛盾，而当前无线电频谱管理机构所采用的静态和固定的频段分配 方式被认为是造成上述矛盾的重要原因之一。而认知无线电就被认为是目前一种非常有效 地解决无线频谱资源短缺的技术方案。具备该技术的无线通信用户能够主动地感知无线频 谱环境，实时地按需分配频谱资源和调整无线传输参数，在确保授权用户通信的前提下利 用授权频谱空洞进行数据传输，从而达到提高有限频谱资源利用率的目的。
[0003] 作为认知无线电技术的前提和基础，认知用户需要通过频谱赶住对授权频谱资源 的占用状态进行实时检测，以准确找出目前没有被授权用户所占用的通信频段。常用的频 谱感知方法包括：能量检测、匹配滤波器、循环谱和小波检测等。其中，与其他几种频谱感知 方向相比，能量检测具备简单、快速、算法复杂度低和对硬件要求低等优点，因而最具实用 性。然而，上述单个认知用户的感知方法均不可避免地收到无线信道的多径和阴影衰落影 响而出现虚警和漏检错误。其中，虚警错误是指授权用户没有占用一个信道但认知用户却 判决该信道被占用，而漏检错误指授权用户正在占用一个信道但认知用户却判决该信道未 被占用。此外，上述感知方法还存在感知结果使用空间范围有限的缺陷。而协作感知技术 通过在认知节点之间交互彼此的本地频谱感知信息来增强感知结果的准确性和扩大感知 的空间范围，为通信双方寻找收发皆可用的通信频段奠定了更为准确的决策基础。
[0004] 在协作感知技术中，需要设置一个感知信息融合中心和多个具备频谱感知能力的 认知节点。每个认知节点首先会对授权信道进行独立的本地感知，并将本地感知结果向融 合中心进行汇报，而融合中心会根据所有认知用户的感知结果判决授权信道的占用情况。 在感知信息汇报的过程中，不同认知节点汇报的感知信息通常会采用时分或者频分复用的 方式加以区别，从而导致了一定的附加开销，降低了融合中心的融合效率和实效性。融合中 心通常采用的感知结果融合判决方法包括AND、OR和K-out-of-Ν法则。其中，AND法则具 备较低的虚警错误概率和较高的漏检错误概率；OR法则可以有效降低漏检错误概率，但会 导致较高的虚警错误概率；而K-out-of-N法则可以以通过调整K值的方式来实现较为折中 化的虚警和漏检错误概率。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提出一种基于能量检测的感知信息融合方法，在所 有认知节点完成基于能量检测的本地频谱感知之后，融合中心和所有参与频谱感知认知用 户采用本发明所提供的感知信息融合方法来实现感知信息的融合，在提高频谱感知结果的 准确性和空间适用范围的同时，降低所有认知节点向融合中心汇报本地感知判决结果的时 间开销和获得比传统协作感知融合法则更佳的协作感知性能。
[0006] 一种基于能量检测的感知信息融合方法，具体步骤如下：
[0007] S1、每个认知节点对C个授权信道执行基于能量检测的快速扫描，并判决每个授 权信道是否正在被授权用户所占用，所述每个认知节点汇报对所述C个授权信道的判决结 果，所述判决结果为每个认知节点对授权信道i的本地感知判决结果，其中，i e [1，C];
[0008] S2、感知信息融合中心在独立于SI所述C个授权信道之外的一个公共控制信道上 发送一个感知信息汇报分组，所述感知信息融合中心与所有认知节点实现时钟同步；
[0009] S3、在认知节点接收到S2所述感知信息汇报分组之后的C个时隙中，每个节点会 在时隙i中向融合中;L·、汇报Sl所述判决结果，
[0010] 若所述认知节点SUk判决结果为授权信道i正在被授权用户所占用，则在公共控 制信道上发送一个额定功率为P k= W ra/E[gk]的忙信号，
[0011] 若所述认知节点SUk判决结果为授权信道i正在被授权用户所占用，则在时隙i内 保持静默，其中，ke [l，N]为认知节点的编号，Wra是融合中心为每个认知节点所预先设定 的平均忙信号接收功率，g k表示认知节点SUk与融合中心之间的瞬时无线信道增益；
[0012] S4、融合中心在发送感知信息汇报分组之后的C个时隙中对基于预设的接收功率 判决门限的一个公共控制信道进行能量检测，判断每个时隙i对应的授权信道i是否正在 被占有，将判断结果生成授权信道状态列表；
[0013] S5、在C个时隙的感知信息汇报结束之后，融合中心在公共控制信道上广播S4所 述授权信道状态列表，将感知信息的融合判决结果告知给所有认知节点。
[0014] 进一步地，对S2所述感知信息融合中心设定接收功率判决门限值Wth进行优化，具 体为：
[0015] 通过所述Wth对感知融合虚警概率进行最小化：
[0016] 设优化目标函数为
其中，QfaS基于能 量检测的感知信息融合方法所获得的虚警错误概率，Qd为基于能量检测的感知信息融合 方法所获得的检测概率，N为向感知信息融合中心执行感知信息汇报的认知节点的个数， P {n I OFF}为一个授权信道没有被授权用户所占用的情况下有η个认知节点同时发送忙信 号的概率，
表示认知节点SUk 对每个授权信道执行能量检测的虚警错误概率，
表示 有有η个认知节点同时进行忙信号汇报时，感知信息融合中心基于Wth执行能量检测的检测 概率，μ#无线信道高斯白噪声的平均功率，γ (η)表示正好有η个认知节点同时进行忙 信号汇报时的感知信息融合中心所获得的接收信噪比，K表示感知信息融合中心执行能量 检测时的采样次数；
[0017] 通过所述Wth对感知融合错误概率进行最小化：
[0018] 设优化目标函数为
Qe表示基于能量检测的感知信息融合方法所获得的错误概率，Qfa表示基于能量检测的感知 信息融合方法所获得的虚警错误概率，Qd表示基于能量检测的感知信息融合方法所获得的 检测概率。
[0020] 进一步地，所述优化目标函数
通过如下 方式进行求解：
[0021] 步骤A、基于适当的无线信道增益模型，计算当正好有η个认知节点同时发送忙信 号时，感知信息融合中心接收到的忙信号功率期望μ (η)和方差〇 2(η);
[0022] 步骤Β、计算正好有η个认知节点同时发送忙信号时，感知信息融合中心接收信噪 比的期望
其中，Wra表示感知信息融合中心接收到的忙信号瞬时 功率，Wu为高斯白噪声的瞬时功率，
的概率密度函数的比例分布变量为
功率的期望，〇u2高斯白噪声功率的方差；
[0023] 步骤C、根据步骤B所述γ (η)，当正好有η个认知节点同时发送忙 信号时，感知信息融合中心通过能量检测获得忙信号接收功率大于Wth的概率
[0024] 步骤D、计算在一个授权信道空闲的情况下正好有η个认知节点同时发 送忙信号的概率
计算在一个授权 信道正在被授权用户占用的情况下正好有η个认知节点同时发送忙信号的概率
^其中，Pd1 k表示认知节点SU k在执行本地能量检 测时的检测概率，Pfaik表示认知节点SU k在执行本地能量检测时的虚警错误概率；