专利名称：一种迭代式的协作频谱检测方法
技术领域：
本发明属于认知无线电技术领域，特别涉及认知无线电中的频谱检测方法。
背景技术：
随着无线通信技术的发展，无线应用不断拓展，频谱资源的缺乏已成为无线应用 研究过程中不得不面临的问题。当前的频谱管理策略是基于静态控制的模型。管理机构将 可用频谱资源划分成固定、非重叠的频谱块，并通过保护频带进行分割，将这些频谱块以独 占(exclusive)的方式分配给不同的服务和技术，例如移动通信运营商、广播电视、军事 和公共安全部门。为了解决上述频谱利用率低下的问题，一种称为认知无线电(CR，Cognitive Radio)的新的频谱使用模式正逐渐受到人们的关注。认知无线电的基本思想是认知用户 通过检测授权用户的授权频段，在不对授权用户产生干扰的情况下，“伺机”接入未被授权 用户使用的授权频段。频谱检测是认知无线电技术实现的关键与前提，它为认知用户的接 入提供可靠的频谱检测。当前的检测方法主要分为单节点检测和多节点协作式检测。单节 点检测主要有匹配滤波检测，能量检测，周期性检测，协方差检测，及本震泄漏等。传统单 节点检测中存在诸如隐蔽终端，噪声功率不确定及信道衰落等不利因素的影响，使得检测 性能得不到保障。协作检测能够克服上述缺陷，检测性能比普通单节点检测的检测性能有 大幅提高，因此协作型检测越来越受到关注。多节点协作式检测主要分为存在性检测和覆 盖区检测。存在性检测算法包括普通的协作式检测，带权重的协作式检测，中继型协作式检 测等。普通式协作检测判决中心的融合方案主要为OR型，AND型和K秩型。在普通协作式 检测中，认知用户数目越多，检测概率就会越高，但认知用户数目越多存在一种缺陷，由于 认知用户通过TDMA方式向判决中心传送本地判决结果，当认知用户过多时，传输和判决过 程消耗了大量的时间、能量和频谱。
发明内容
本发明的目的是为了解决在现有的认知无线电的频谱检测过程中，当认知用户过 多时，传输和判决过程消耗大量的时间、能量和频谱，提出了一种迭代式的协作频谱检测方法。为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种迭代式的协作频谱检测方法，包括 如下步骤步骤1 认知用户UnU2共同检测可用频段并将检测结果和接收的信号功率P1, P2告知判决中心，判决中心根据接收到的功率大小决定迭代次序和迭代次数，假设接收功 率P1 > P2,则迭代次序为UpU2;步骤2 判决中心根据判决准则做出频段上授权用户是否存在的判断，并将判 决结果告知两认知用户步骤21 若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；
步骤22 若检测到授权用户不存在，进行数据传输，在下一检测时刻，按照迭代次 序，认知用户U1检测频段，并将检测结果告知判决中心，认知用户U2保持寂静；步骤3 判决中心根据判决准则做出频段上授权用户是否存在的判断，并将判 决结果告知两认知用户；步骤31 若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；步骤32 若检测到授权用户不存在，进行数据传输，在下一检测时刻，认知用户U2 检测频段fi，并将检测结果告知判决中心，认知用户U1保持寂静；步骤4 转到步骤2，进行迭代检测。所述迭代次数通过认知用户U1, U2在接收端的接收信号的功率来确定，在虚警概
率为Pf，两认知用户独立检测授权用户的情况下，U1, U2的检测概率分别如下所示 1jd = ρ严
1JD = ρ产根据U1, U2的检测概率PdilPdi2计算判决中心的检测概率达到预设的阈值时Π
'η+\η+\
I-(I-Pdl)^ (I-Pd2Vr "为奇数 的值，即迭代次数，这里的A,η表示为么 = 。
1-(1-^)^(1-^)^ 为偶数本发明的有益效果本发明通过迭代检测，根据过去时刻判决中心的判决结果和 当前时刻认知节点的判决结果来判定授权用户是否处于活动状态，实现了利用两个认知用 户实现高检测概率；迭代检测提高了系统的检测性能，随着检测时间的推移，检测概率逐渐 增大；除了第一时刻，每一检测时刻只有一个认知用户对授权用户进行检测，可以节省一半 的认知用户能量。
图1是本发明实施例的迭代检测模型图。图2是本发明实施例的迭代检测模式示意图。图3是本发明实施例的迭代检测、普通协作检测理论仿真曲线和仿真曲线示意 图。图4是本发明实施例的性能结果仿真图。
具体实施例方式下面结合附图和具体的实施例对本发明进行具体说明。本发明提供了迭代检测模型图和收发模式图，下面结合图1、图2详细说明，本发 明的收发模式主要针对授权用户不存在时对授权用户的检测，当检测到授权用户存在时， 收发模式即变为纯检测模式。在假定当前时刻授权用户不存在下，频谱检测则按照迭代式 的检测模型进行。主要包括如下步骤步骤1 认知用户UnU2共同检测可用频段并将检测结果和接收的信号功率P1, P2告知判决中心，判决中心根据接收到的功率大小决定迭代次序和迭代次数，假设接收的信号功率P1 > P2,则迭代次序为Ui、U2 ；步骤2 判决中心根据判决准则做出频段上授权用户是否存在的判断，并将判 决结果告知两认知用户步骤21 若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；步骤22 若检测到授权用户不存在，进行数据传输，在下一检测时刻，按照迭代次 序，认知用户U1检测频段，并将检测结果告知判决中心，认知用户U2保持寂静；步骤3 判决中心根据判决准则做出频段上授权用户是否存在的判断，并将判 决结果告知两认知用户；步骤31 若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；步骤32 若检测到授权用户不存在，进行数据传输。在下一检测时刻，认知用户U2 检测频段，并将检测结果告知判决中心，认知用户U1保持寂静；步骤4 转到步骤2，进行迭代检测。下面通过具体的仿真进行说明。本发明实施例的迭代检测模型图如图1所示，图 中 PUl (primary user 1)、PU2 (primary user 2)表不授权用户，CRl (cognitive radio 1)、 CR2 (cognitive radio 2)表示认知用户。仿真采用信道为加性高斯信道(AWGN)，设认知用 户接收的授权用户信号为10000点随机信号，仿真次数为2000次，判决准则可以为OR准 则、AND准则和K秩准则，在本实施例中判决准则采用的是OR准则。假设存在两个认知用户U1,U2，存在可用的频段，认知用户U1W2共同检测频段 并将检测结果和接收功率P1, P2告知判决中心，根据接收到的功率大小决定迭代次序和迭 代次数，假设接收功率P1 > P2,则迭代次序为Ui、U2。为了保证在漏报存在的情况下迭代检测能停止无限制的迭代，限制迭代次数尤为 重要，迭代次数可以通过认知用户U1W2在接收端的接收信号的功率来确定。下面给出一种 确定迭代次数的方法。若U1接收的信号功率为P1, U2接收到的信号功率为P2，则在虚警概率为Pf，两认知
用户独立检测授权用户的情况下，U1, U2的检测概率分别如下所示 1p^ = ρ严
ιp^ = ρ产根据U1, U2的检测概率PdilPdi2计算判决中心的检测概率达到预设的阈值时η 的值，即迭代次数。在本实施例中，预设的阈值为0.9。
'η+\η+\
I-(I-Pdl)^ (I-Pd2Vr "为奇数这里的可以表示为α， = 。
1-(1-^)^(1-^)^ 为偶数假设两认知用户UnU2单独检测频段的检测概率分别为Uu，虚警概率分别 为PfjPu。第一时刻T1认知用户U1, U2将检测到频段授权用户的结果及接收到的信号 功率发送至判决中心，设检测结果通过某一特定频段发送，此频段与频段相互独立，并假 设此频段误码率为零。所以在第一时刻T1判决中心的检测概率和虚警概率分别为
Qda = I-(I-Pda)(I-Pdi2)Qfl=I-(I-Pfl)(I-Pf2)从公式中可以看出这时的检测概率和虚警概率和普通两认知用户OR型协作检测 的检测概率和虚警概率相同。根据第一检测时刻发来的两认知用户接收到的功率信息P1, P2，决定在下一检测时 刻哪个认知用户来检测授权用户。在此假设认知用户U1接收到的信号功率P1大于认知用 户U2接收到的信号功率P2，即P1 > P2。所以在下一检测时刻T2由U1来检测频段授权用 户的有无，并将检测结果发送至判决中心，认知用户U2保持寂静。判决中心对授权用户的 存在做出判决，并将检测结果告知两认知用户，其迭代检测模式如附图2所示。若T1时刻检测到授权用户存在，认知用户退出频段，T2时刻的检测模型变为纯 检测模式。若T1时刻未检测到授权用户，T2时刻继续对授权用户进行检测，假定单用户的检 测概率保持不变。所以在T2时刻判决中心的检测概率为Qdj2 = P (T1_D0 · 2_ , | H1) +P (T^D11H1)
= P (T1_D01H1) P (X2 > λ | H1) +P (Tl-D11H1)= (I-Qda)PdA1= I-(I-Pda)2 (I-Pdj2)Qdi2-Qda = l-(l-pda)2(l-pd,^-!+(I-Pda) (l_pd,2) = (l_Pd,2) (I-Pda)Pda其中，“·”表示与运算。由于0< (1,1<1，0< (1,2<1，所以％,2-%,1>0。由此 可以看出在T2时刻两认知用户迭代检测的检测概率大于普通两认知用户OR型协作检测。如果在T2时刻检测到授权用户存在，则认知用户退出当前使用的频段，等待空 闲频段。如果T2时刻没有检测到授权用户存在，在T3时刻，认知用户U2检测频段授权用 户的有无，并将检测结果发送至判决中心，认知用户U1保持寂静。由此得到在T3时刻判决中心的检测概率为Qdj3 = P (T2_D0 · T3_Di | H1) +P (T2_Di | H1)= P (T2_D01H1) P (X3 > λ | H1) +P (T2_Di | H1)= (l_Qd,2)Pd,2+Qd,2= l-(l-pd l)2 (l-pd 2)2虚警概率为Qfj3 = P (T2_D0 · T3_D! | H。)+P (T2_Di | H0)= P (T2_D01H0) P (X3 > λ | H0) +P (T2_Di | H0)= (I-Qdj2) Pd,2+Qd,2可得到> Qdj2 > Ail，检测概率随着检测时间测推移逐渐增大。按照认知用户仏，队相互迭代的方法依此进行下去，在第η时刻判决中心检测到授 权用户的检测概率和虚警概率了分别为当η为奇数时
0^ = 1-(1-4)丁(1-々2)丁
n+\n+\ Qf, =ι-{ι-Pf^ [I-Pfa)^当η为偶数时^ = 1-(1-^)^(1"^)^0/,= !"(I-^f1其中A.i，A.i表示第Ti时刻迭代检测的检测概率和虚警概率。P(T^DcJh1)表示 事件在Ti时刻，假设授权用户存在的情况下确没有检测到授权用户的概率。PCT^D1 ih1) 表示事件在Ti时刻，假设授权用户存在的情况下检测到授权用户的概率。λ为能量检测 的门限，Xi表示第Ti时刻认知用户接收到的信号能量。为了保证在漏报存在的情况下迭代检测能停止无限制的迭代，限制迭代次数尤为
重要，迭代次数可以通过认知用户U1, U2在接收端的接收信号的功率来确定。若U1接收的
信号功率为P1, U2接收到的信号功率为P2，则在虚警概率为Pf，两认知用户独立检测授权用
户的情况下，U1, U2的检测概率分别如下所示 1p^ = ρ严
ιp^ = ρ产根据U1, U2的检测概率PdilPdi2来限制迭代检测的次数。本实施例只描述了两个认知用户的情况，多个认知用户与此类似。当认知用户数 目增多时，设有N个认知用户，在第一时刻每个认知用户都检测可用频段，并将检测结 果和接收到的信号功率发送至判决中心，判决中心根据判决法则做出判决，并根据每个认 知用户的功率大小进行排序，以后时刻每个认知用户按照安排的次序进行迭代检测授权用户。 为了体现迭代先后次序，图3假设U1接收的信号功率比U2接收的信号功率大2db， 图3表示虚警概率Pf为0. 1时，迭代检测和普通检测在不同的信噪比下仿真示意图，纵坐标 Qd表示判决中心的检测概率，横坐标snrdb是基于U2接收到的信噪比。在图4是在U1接 收信噪比为时-18db，U2接收信噪比为-20db情况下检测概率的ROC仿真曲线图。从仿真 图可以看出迭代检测提高了系统的检测性能，随着检测时间的推移，检测概率逐渐增大；除 了第一时刻，每一检测时刻只有一个认知用户对授权用户进行检测，可以节省一半的认知 用户能量。 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发 明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上 述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种迭代式的协作频谱检测方法，包括如下步骤步骤1 认知用户UnU2共同检测可用频段并将检测结果和接收的信号功率PpP2告 知判决中心，判决中心根据接收到的功率大小决定迭代次序和迭代次数，假设接收功率P1 > P2，则迭代次序为UpU2;步骤2 判决中心根据判决准则做出频段上授权用户是否存在的判断，并将判决结 果告知两认知用户步骤21 若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；步骤22:若检测到授权用户不存在，进行数据传输，在下一检测时刻，按照迭代次序， 认知用户U1检测频段，并将检测结果告知判决中心，认知用户U2保持寂静。步骤3 判决中心根据判决准则做出频段上授权用户是否存在的判断，并将判决结 果告知两认知用户；步骤31 若检测到授权用户存在，退出使用的频段，等待新的频谱空闲；步骤32 若检测到授权用户不存在，进行数据传输，在下一检测时刻，按照步骤1中确 定的检测次序，认知用户队检测频段，并将检测结果告知判决中心，认知用户仏保持寂 静；步骤4 转到步骤2，进行迭代检测。
2.根据权利要求1所述的迭代式的协作频谱检测方法，其特征在于，步骤2和步骤3中 所述的判决准则为OR准则。
3.根据权利要求1或2所述的迭代式的协作频谱检测方法，其特征在于，步骤1中所述 的迭代次数通过认知用户U1, U2在接收端的接收信号的功率来确定，在虚警概率为Pf，两认 知用户独立检测授权用户的情况下，U1, U2的检测概率分别如下所示
4.根据权利要求3所述的迭代式的协作频谱检测方法，其特征在于，所述的预设的阈 值为0.9。
全文摘要
本发明公开了一种迭代式的协作频谱检测方法。针对在现有的认知无线电的频谱检测过程中，当认知用户过多时，传输和判决过程消耗大量的时间、能量和频谱，本发明通过迭代检测，根据过去时刻判决中心的判决结果和当前时刻认知节点的判决结果来判定授权用户是否处于活动状态，实现了利用两个认知用户实现高检测概率；迭代检测提高了系统的检测性能，随着检测时间的推移，检测概率逐渐增大；除了第一时刻，每一检测时刻只有一个认知用户对授权用户进行检测，可以节省一半的认知用户能量。
文档编号H04B17/00GK102136874SQ201110109480
公开日2011年7月27日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者刘伟光, 李少谦, 熊文汇, 王振伟, 董彩萍 申请人:电子科技大学