一种基于小样本能量检测的双门限协作频谱感知方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于小样本能量检测的双门限协作频谱感知方法，该方法采用双门限有效减少在低信噪比的情况下认知用户对主用户的干扰，利用多维高斯近似处理检测结果实现小样本能量检测，并且在融合中心使用硬判决中最适合实际应用的“大多数投票”原则做出最终的判决。与传统的能量检测方法相比，本方法具有在小样本和低信噪比的情况下也可以有效减少频谱感知过程中认知用户对主用户的干扰程度，降低能量检测的漏检概率和提高系统的检测性能等优点。
【专利说明】
-种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法
技术领域
[0001] 本发明设及认知无线电技术领域，特别是一种基于小样本能量检测的双口限协作 频谱感知方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，由于无线通信技术的迅猛发展，无线频谱资源稀缺的问题也越来越明显， 因此现在的固定频谱分配政策已经不能满足人们对频谱资源的需求。认知无线电 (Cognitive Radio ,CR)技术允许认知用户动态接入空闲的授权频谱，是一种有效解决频谱 资源稀缺的方法。认知用户通过频谱感知技术判断出授权频谱是否空闲，从而决定是否可 W接入该授权频谱。认知用户接入授权频谱后继续实时监控频谱的使用情况，一旦检测到 主用户信号便立即退出，避免对主用户信号产生干扰。因此，频谱感知是认知无线电技术最 重要的基础之一。
[0003] 经典的频谱感知算法主要包括匹配滤波器检测、循环平稳特征检测和能量检测。 匹配滤波器检测法能获得较好的检测性能，但其主要缺点是认知用户需要知道主用户信号 的先验知识，运种检测方法的能耗多，实施复杂度高。循环平稳特征检测法可W很好的区分 主用户信号和噪声，但是其谱相关函数的分布十分复杂，运种检测方法计算量大，实时性较 差。能量检测法因其不需要主用户的先验知识、实施简单及算法复杂度低等优点，而成为频 谱感知最常用的方法之一。
[0004] 传统的能量检测方法采用的单口限在低信噪比的情况下，检测性能容易受到噪声 波动的影响。近年来有研究双口限能量检测的方法，但是运些双口限能量检测方法都是基 于中屯、极限定理(Central Limit Theorem,CLT)的，要求采样的样本数必须足够大。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于小样本能量 检测的双口限协作频谱感知方法，本发明方法在小样本数和低信噪比的情况下也可W有效 地减少次级用户对主用户的干扰，降低漏检概率，提高系统的检测性能。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用W下技术方案：
[0007] 根据本发明提出的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法，包括如 下步骤：
[000引步骤1、根据次级用户SU的信号检测建立的二元假设检验问题模型，获得n时刻SU 的观测值x(n);其中n = l，2,…，N，N为样本数；
[0009] 步骤2、根据传统能量检测CED的频谱感知获得检验统计量T(X);
[0010] 步骤3、将步骤2中获得的检验统计量T(X)和两个预先设置的口限值Ao和、依据判 决准则分别进行比较，并将比较的判决结果发送至系统融合中屯、FC;判决准则为:如果T(X) >入1，则表明主用户正在占用授权频谱;如果T(x)《A〇,则表明主用户未占用授权频谱;如果 入0 < T (X) <、，不作出判决，重新执行步骤1至步骤2;其中，、〉入0;
[0011] 步骤4、根据步骤3中的判决准则W及碰撞概率和限占概率的定义，获得双口限能 量检测的碰撞概率Pcd和限占概率Pnd :
[0012]
[0013]
[0014] 其中，P(*)表示概率函数，出表示授权频谱中主用户信号存在的情况，册表示授权 频谱中主用户信号不存在的情况，是自由度为2N的中屯、卡方分布的累积分布函数，Ow 是噪声的均方值
是平均信噪比，Os是主用户PU信号采样值的均方值；
[0015] 步骤5、根据步骤4中求得的碰撞概率和限占概率W及多维高斯近似方法，获得小 样本能量检测双口限的碰撞概率近似值這和限占概率近似值巧,；
[0016]
[0017] 其中，Q(*)表示高斯Q函数；
[0018] 步骤6、根据步骤3中发送至系统融合中屯、FC的判决结果，采用大多数投票融合准 贝1J，再根据步骤5中求得的小样本能量检测双口限的碰撞概率近似值4和限占概率近似值 钱J，获得基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法的碰撞概率终和限占概率:
[0019]
[0020] 其中，M表示次级用户数，m为变量。
[0021] 作为本发明所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法进一步 优化方案，所述步骤1中SU的信号检测建立的二元假设检验问题模型为
[0022]
[0023] 其中，w(n)是均值为0,方差为的的加性高斯白噪声，s(n)是n时刻PU信号的采样值 且设s(n)为均值为0,方差为C卽勺随机信号，且s(n)和w(n)相互独立。
[0024] 作为本发明所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法进一步 优化方案，所述步骤2中获得的检验统计量T(X)具体如下，
[0025]
<
[0026] 作为本发明所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法进一步 优化方案，所述步骤3中A〇 = 〇.8A，Ai = 1.2A，A为传统能量检测的口限值。
[0027] 作为本发明所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法进一步 优化方案，所述步骤4中的碰撞概率是指次级用户错误判决主用户不存在而占用授权频谱， 但实际上主用户存在的概率;限占概率是指次级用户错误判决主用户存在而不占用授权频 谱，但是实际上主用户不存在的概率。
[0028] 作为本发明所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法进一步 优化方案，所述步骤5中的多维高斯近似方法是指将卡方随机变量a除W2N近似为均值为1- (9Nri且方差为(9Nri多维高斯随机变量，即
[0029]
。
[0030] 作为本发明所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法进一步 优化方案，所述步骤6中基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法的碰撞概率和限 占概率进一步的表达式分别为：
[0031]
[0032]
[0033] 本巧巧乂用上巧术万菜与现巧巧术相化，具巧h巧术效呆：
[0034] (1)本发明采用双口限有效地减少了在低信噪比情况下次级用户对主用户的干 扰，利用多维高斯近似处理检测结果实现了小样本能量检测，并且在融合中屯、使用硬判决 中最适合实际应用的"大多数投票"原则做出最终判决；
[0035] (2)本发明具有在小样本和低信噪比情况下也可W有效地减少频谱感知过程中次 级用户对主用户的干扰程度，降低能量检测的漏检概率，提高系统的检测性能等优点。
【附图说明】
[0036] 图1是双口限能量检测模型。
[0037] 图2是本发明设计一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法的流程示 意图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0039] 如图2所示，本发明设计的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法， 包括如下步骤：
[0040] 步骤1.根据如下次级用户（Seconda巧User,SU)的信号检测建立的二元假设检验 问题模型获得n时刻SU的观测值x(n):
[0041]
…
[0042] 其中n=l，2, . . .，N，N为样本数;w(n)是均值为0,方差为勺加性高斯白噪声，Ow 是噪声的均方值，s(n)是n时刻主用户（Primary User,PU)信号的采样值。为了简洁，假设S (n)为均值为0,方差为的的随机信号，Os是主用户PU信号采样值的均方值，且s(n)和w(n)相 互独立。化表示主用户信号不存在的情况，Hi表示主用户信号存在的情况。
[0043] 步骤2.根据传统能量检测（Conventional Elnergy Detection,CED)的频谱感知获 得检验统计量T(X)
[0044]
(2)
[0045] 步骤3.比较步骤2中获得的检验统计量T(X)和两个预先设置的口限值Ao和、，并将 比较的结果发送至系统融合中屯、(Fusion Center,FC);如果T(X)^Ai,则表明主用户正在 占用授权频谱，判决结果为"r;如果T(x)《A〇,则表明主用户未占用授权频谱，判决结果为 ;如果A〇<T(x) <Al，不作出判决，重新执行步骤1至步骤2;其中Ao = 0.8A，Al = 1.2A，入为 传统能量检测的口限值，如图1所示的双口限能量检测模型，MHo。
[0046] 步骤4.根据步骤3中的判决准则W及碰撞概率和限占概率的定义求得双口限能量 检测的碰撞概率Pcd和限占概率Pnd;碰撞概率是指次级用户错误判决主用户不存在而占用 授权频谱，但实际上主用户存在的概率，其表达式为
[0047]
成
[0048] 碰撞概率表示了次级用户由于噪声不确定性而对主用户产生的干扰程度。碰撞概 率越大，次级用户对主用户的干扰越严重;反之，干扰越小。
[0049] 限占概率是指次级用户错误判决主用户存在而不占用授权频谱，但是实际上主用 户不存在的概率，其表达式为
[0050]
(4)
[0051 ]限占概率表示了频谱利用效率。限占概率越大，频谱利用效率就越低;反之，频谱 利用效率越高。
[0化2]其中，P(*)表示概率函数，(*)是自由度为2N的中屯、卡方分布的累积分布函数， r=口;7 口,子是平均信噪比。
[0053]步骤5.根据步骤4中求得的碰撞概率和限占概率W及多维高斯近似方法分别求得 小样本能量检测双口限的碰撞概率和限占概率的近似值;多维高斯近似方法是指卡方随机 变量除W2N可W近似为均值为l-(9Nri且方差为(9Nri多维高斯随机变量，即
[0化4]
[0055] 其中，a是卡方随机变量，Q(*)是高斯Q函数；
[0056] 基于小样本能量检测双口限的碰撞概率近似值为
[0057] (5)
[005引 ^近似值为
[0化9] C6)
[0060] 步骤6:根据步骤3中发送至系统融合中屯、的结果，在融合中屯、处采用"大多数投 票"准则进行判决，再根据步骤5中求得的碰撞概率近似值和限占概率近似值可W获得基于 小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法的碰撞概率为
[0061]
[0064]其中，M表示次级用户数，m为变量。
[i
[i
【主权项】
1. 一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1、根据次级用户SU的信号检测建立的二元假设检验问题模型，获得η时刻SU的观 测值x(n);其中η = 1，2,…，Ν，Ν为样本数； 步骤2、根据传统能量检测CED的频谱感知获得检验统计量TU); 步骤3、将步骤2中获得的检验统计量Τ(χ)和两个预先设置的口限值λ〇和λι依据判决准 则分别进行比较，并将比较的判决结果发送至系统融合中屯、FC;判决准则为：如果Τ(χ)> λι，则表明主用户正在占用授权频谱;如果Τ(χ)《λ〇,则表明主用户未占用授权频谱;如果λ〇 < Τ (X) <λι，不作出判决，重新执行步骤1至步骤2;其中，λι〉λ〇; 步骤4、根据步骤3中的判决准则W及碰撞概率和限占概率的定义，获得双口限能量检 ii的碰撞概率Pcd和限占概率Pnd :其中，P (*)表示概率函数，出表示授权频谱中主用户信号存在的情况，册表示授权频谱 中主用户信号不存在的情况，是自由度为2N的中屯、卡方分布的累积分布函数，是噪 声的均方值，是平均信噪比，Os是主用户PU信号采样值的均方值； 步骤5、根据步骤4中求得的碰撞概率和限占概率W及多维高斯近似方法，获得小样本 能量检测双口限的碰撞概率近似值么和限占概率近似值我,；其中，Q(*)表示高斯Q函数； 步骤6、根据步骤3中发送至系统融合中屯、FC的判决结果，采用大多数投票融合准则，再 根据步骤5中求得的小样本能量检测双口限的碰撞概率近似值4和限占概率近似值&,，获 得基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法的碰撞概率雜<'和限占概率煤:其中，Μ表示次级用户数，m为变量。2. 根据权利要求1所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法，其特 征在于，所述步骤1中SU的信号检测建立的二元假设检验问题模型为其中，w(n)是均值为0,方差为的加性高斯白噪声，s(n)是η时刻PU信号的采样值且设 s(n)为均值为0,方差为orf的随机信号，且s(n)和w(n)相互独立。3. 根据权利要求1所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法，其特 征在于，所述步骤2中获得的检验统计量Τ(χ)具体如下，?4. 根据权利要求1所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法，其特 征在于，所述步骤3中λo = 0.8λ，λl = 1.2λ，λ为传统能量检测的口限值。5. 根据权利要求1所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法，其特 征在于，所述步骤4中的碰撞概率是指次级用户错误判决主用户不存在而占用授权频谱，但 实际上主用户存在的概率；限占概率是指次级用户错误判决主用户存在而不占用授权频 谱，但是实际上主用户不存在的概率。6. 根据权利要求1所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法，其特 征在于，所述步骤5中的多维高斯近似方法是指将卡方随机变量a除W2N近似为均值为1- (9N)-i且方差为(9N)-i多维高斯随机变量，即7. 根据权利要求1所述的一种基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法，其特 征在于，所述步骤6中基于小样本能量检测的双口限协作频谱感知方法的碰撞概率和限占 概率进一步的表达式分别为：
【文档编号】H04B17/382GK105978646SQ201610310637
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】曹开田, 陈晓思
【申请人】南京邮电大学