认知无线电网络中经历任意移动周期后频谱检测系统性能参量获得方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及认知用户不断随机移动的移动场景下 频谱感知系统检测性能指标获得方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，无线通信技术的快速发展导致人们对于无线频谱资源的需求量急剧增 加。然而，目前固定式的频谱分配方式使得大多数频带没有得到充分的利用。为了提升频 谱利用率，研究人员提出了认知无线电（CR)技术。CR作为解决无线频谱资源匮乏问题的关 键技术，近年来已经引起了国际标准化组织、各国频谱资源分配管理机构、学术界和产业界 的极大兴趣和研究热情。CR是在不影响主用户信号的授权频段，即固定分配给用户的频段， 正常进行通信的前提下，让具有无线电环境感知功能的无线通信设备动态接入主用户授权 频段，从而完成频谱资源的共享。认知无线电技术是一项复杂的技术，其研究内容包括无线 频谱感知、动态频谱共享和管理等诸多技术。频谱感知是认知无线电的核心技术之一，是认 知系统的基本功能，是实现频谱管理、频谱共享的前提。
[0003] 频谱感知技术有两个任务，首先需要在认知用户需要传输数据时检测到频谱空 隙，而且需要在认知用户传输数据过程中不间断地检测授权用户是否出现。对于各种频谱 感知算法的研究已经成为了无线通信技术中的研究热点。频谱感知可分为单用户频谱检测 法以及多用户协作检测法。能量检测算法是一种单节点频谱检测算法，其原理简单易于实 现且不需要知道主用户的先验信息，没有对信号作任何假设。能量检测法对任何信号都适 用，因此得到了广泛的使用。实际的认知系统中，单节点频谱感知算法是有较大的局限性 的，例如隐藏终端问题和阴影效应等问题，这些都会大大降低单节点检测的检测性能。因 此，在实际系统中，单节点检测往往是不可行的。在这样的背景下，多用户协作检测法得到 了许多科研人员的关注。
[0004] 当前绝大多数关于认知无线电频谱感知的研究都是在认知用户保持静止的假设 上进行的，然而，认知用户的移动性是无线网络的固有属性。现有方法无法对认知无线电网 络中移动场景下单节点和多节点协作进行感知。
【发明内容】
[0005] 本发明是为了解决现有方法无法对认知无线电网络中移动场景下单节点和多节 点协作进行感知的问题，从而提供一种认知无线电网络中经历任意移动周期后频谱检测系 统性能参量获得方法。
[0006] 认知无线电网络中经历任意移动周期后频谱检测系统性能参量获得方法，
[0007] 该方法可以应用于单节点频谱检测系统；
[0008] 假设移动场景下，认知用户服从随机游走模型，认知网络中存在一个主用户和一 个认知用户；
[0009] 步骤一、采用公式：
[0010] yn=K/(dn)2 (2)
[0011] 获得认知用户检测到主用户信号的实时功率yn;
[0012] 式中：K是常量，且：
[0013] K=GrPtGt(Aw/4Ji)2
[0014] 式中：Gr表示认知用户的天线增益，Pt表示主用户的发射信号功率，Gt是授权用户 的天线增益；λ"是主用户信号的波长；
[0015] 步骤二、在每次能量检测中，认知用户采集Μ个点，Μ为正整数；且在高斯信道中， 噪声的均值为〇,方差为σ2,预设能量检测门限为λ;
[0016] 贝lj在第η个感知周期后，单节点频谱感知的检测概率为：
[0026] 获得认知用户和第η个移动周期的终点之间的间距(^η;1彡i彡Ν;νμ表示在第 η个移动周期中，该认知用户的移动速度；θιη表示在第η个移动周期中，该认知用户的移 动方向；Λt两次检测之间的时间间隔，即每个移动周期的持续的时间；
[0027] 步骤四、根据公式：
[0029] 获得间距dlin的条件概率密度函数_表示该认知用户的最大移动速度_表 示该认知用户的最小移动速度；
[0030] 步骤五、根据式（4)推导出：
[0034] 式中：PQ为第η个移动周期内认知用户移动的距离；
[0035] 步骤六、用表达式4(^4,4.,,,1)替换式（5)中的|<"/3七|,则(^的条件概率密 度函数为：
[0037] 步骤七、根据式（2)获得yi，n和dμ之间的关系式：
[0038] yin=K/(dijn)2 (7)
[0039] 贝1J，ylin的条件概率密度函数为：
[0041] 式中：匕(tdZj通过将匕中的山,"利用y1ιη替换得到；
[0042] 步骤八、通过公式：
[0044]计算yi,n的条件数学期望；
[0045] 步骤九、通过公式：
[0047] ylin的概率密度函数；
[0048] 其中：凡)是由式（6)、式⑶和下式（11)计算得到的：
[0052]其中，是由式（6)、式（9)和下式（13)计算得到的：
[0054] 步骤十、则移动场景下单节点频谱感知的检测概率巧:为：
[0060]其中：pr(p<Id丨是由（6)和下式（15)、（16)计算获得的：
[0063]将检测概率G、漏检概率巧和虚警概率G作为单节点频谱感知系统的检测性 能参量，完成认知无线电网络中经历任意移动周期后频谱检测系统性能参量获得方法。[0064] 该方法可以应用于多节点硬判决协作频谱检测系统，
[0065] 假设移动场景下，认知用户服从随机游走模型，认知网络中存在N个移动的认知 用户以及一个融合中心FC;N为正整数；
[0066] 步骤一、采用公式：
[0067]yn=K/(dn)2 (2)
[0068] 获得认知用户检测到主用户信号的实时功率yn;
[0069] 式中：K是常量，且：
[0070]K=GrPtGt(Aw/4Ji)2
[0071] 式中：G彦示认知用户的天线增益，Pt表示主用户的发射信号功率，Gt是授权用户 的天线增益；λ"是主用户信号的波长；
[0072] 步骤二、在每次能量检测中，每个认知用户采集Μ个点，Μ为正整数；且在高斯信道 中，噪声的均值为0,方差为σ2,预设能量检测门限为λ;
[0073]贝1J在第η个感知周期后，多节点硬判决协作频谱感知的检测概率％为：
[0083] 获得任一认知用户SR和第η个移动周期的终点之间的间距d 1ιη;1彡i彡Ν ;ν1ιη 表示在第η个移动周期中，该认知用户SR的移动速度；θιη表示在第η个移动周期中，该 认知用户SR的移动方向；Λt两次检测之间的时间间隔，即每个移动周期的持续的时间； [0084]步骤四、根据公式：
[0086] 获得间距dlin的条件概率密度函数表示该认知用户Sh的最大移动速度；v_ 表示该认知用户SR的最小移动速度；
[0087] 步骤五、根据式（4)推导出：
[0091] 式中：PQ为第η个移动周期内认知用户移动的距离；
[0092] 步骤六、用表达式匕(尤；)替换式（5)中的|九,/3^|,则dy的条件概率密 度函数为：
[0094] 步骤七、根据式（2)获得yi,n和d1ιη之间的关系式：
[0095]yljn=K/(dljn)2 (7)
[0096] 则，ylin的条件概率密度函数为：
_8]式中：凡通过将中的t利用yμ替换得到；
[0099]步骤八、通过公式：
[0101] 计算ylin的条件数学期望；
[0102] 步骤九、通过公式：
[0104]ylin的概率密度函数；
[0105] 其中是由式（6)、式⑶和下式（11)计算得到的：
[0109]其中，是由式（6)、式（9)和下式（13)计算得到的：
[0111] 步骤十、则移动场景下多节点硬判决协作频谱检测系统频谱感知的检测概率 Q'd-H,为：
[0117]其中,乂」是通过式（6)、式（18)和式（19)计算获得的：
[0123]并且f(ylin，…，yN,n|diinDΘi