专利名称：一种自适应序贯的协同频谱检测方法
技术领域：
本发明属于通信技术中认知无线电领域，涉及认知无线电网络中多个次级用户协 同检测频谱空洞的方法。
背景技术：
频谱是无线通信的宝贵资源。在传统的无线通信系统中，频谱分配是固定的。一 旦一段频谱授权给某个用户，这个用户(授权用户，主用户)便对其具有独占性，即使自身 不使用也禁止其它用户(非授权用户，次级用户)占用。此方案实现简单，有利于保证主用 户的服务质量，在无线通信发展伊始就得到了广泛应用，并一直沿用至今。然而，近来的研 究表明，主用户在独享授权频段的同时，却没有充分利用该频段。根据美国联邦通信委员 会的调查报告，授权频段的利用率在15%到85%之间波动；很多授权频段在不同的时间段 内、不同的地理区域里都未被利用，形成了大量的频谱空洞。在频谱需求日益增大的今天， 合理回收利用这些频谱空洞，可以极大地缓解当前频谱资源紧张的问题。认知无线电是一种有效利用频谱空洞的新技术。这一技术允许次级用户在主用 户未使用授权频段(频谱空洞存在)的前提下使用该频段；一旦主用户重新使用授权频段 (频谱空洞消失)，次级用户必须马上停止使用，以免对主用户产生干扰。为了达到这一目 标，次级用户首先必须检测频谱空洞是否存在。常用的频谱检测方法有能量检测、匹配滤波、循环特征检测等。其中，能量检测结 构简单，计算量较小，而且也不需要主用户信号的先验信息，因而得到了广泛的应用。这种 方法在高信噪比的场景下具有较好的检测性能。然而，在实际的应用中，由于阴影衰落的影 响，信噪比通常会比较低。为了提高低信噪比条件下的检测性能，可以采用多个次级协同检 测的方案。这类方案一般分两阶段进行，如
图1所示首先，在感知阶段，每个次级用户分别 感知频谱空洞，输出相应感知结果；然后，在融合阶段，融合中心融合多个次级用户的感知 结果并做出最终的判决，判断频谱空洞究竟是存在还是不存在。目前，大部分协同检测方案的研究都着眼于如何设计融合准则以便尽可能地提高 检测精度。同时，我们也应该注意到，检测时间也是一个非常重要的性能指标。一方面，如 果检测时间过长，授权频谱的使用状况就有可能发生变化，导致检测结果失效。另一方面， 如果花费较多的时间检测频谱空洞，那么能够利用频谱空洞的时间就会相应减小，系统的 吞吐量难免会受到影响。总而言之，设计频谱检测方案必须综合考虑检测精度和检测时间 两个性能指标。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种自适应序贯的协同检测方法来检测频谱空 洞。这一方法综合考虑检测精度和检测时间两个性能指标，力求在保证所需检测精度的同 时，最小化检测时间。技术方案如前文所述，整个协同检测过程一般分为两个阶段进行。在感知阶段，所有的次级用户同时感知频谱空洞。这里，我们以次级用户使用能量检测方法为例。假定 每个用户均采集η个采样点来计算接收信号的能量，采样周期均为T，则这个阶段所用的时 间(感知时间)可以表示成Ts = ηΤ。在融合阶段，融合中心通过一个控制信道融合不同次 级用户的感知结果，并完成最终的判决。由于只有一个通信信道，融合过程必须依次进行。 假定融合中心融合了 m个次级用户的感知结果，融合每个次级用户感知结果所需的时间为 R倍的T，则这一阶段所需的时间(融合时间)可以表示为Tf = mRT。所以，整个检测过程 所需的时间(检测时间)可以表示成Td = Ts+Tf = nT+mRT。又由于检测精度通常由虚警概 率Pf和漏检概率Pm来衡量，所以这一问题可以描述为最小化Td,约束条件=Pf^ α ,Pm^ β，其中，α和β分别为所需的虚警概率和漏检概率。为了解决上述问题，我们首先设计了一种序贯的协同检测方法。此方法在融合阶 段采用了序贯概率比检验(SPRT)，能够保证Pf < α和PmS β，从而解除约束条件限制。 在此基础上，我们考虑最小化检测时间Td，并设计了一种自适应序贯的协同检测方法。除采 用序贯概率比检验之外，这一方法还在感知阶段自适应地调整次级用户所用的采样点数， 并使其收敛到最优值。通过采用一个最优的采样点数，该方法能够使得检测时间Td达到最(1)序贯协同检测和其他协同检测方法一样，此方法同样分两个阶段进行。在感知阶段，每个次级用户都采用能量检测的方法来感知频谱空洞。考虑到次级 用户均使用了 η个采样点，第j个次级用户的接收能量可以表示为
权利要求
1.一种自适应序贯的协同频谱检测方法，其特征在于在融合阶段，融合中心基于序 贯概率比检验理论，依次融合次级用户的感知结果，直到其融合的感知结果能够使判决结 果达到所需的检测精度水平为止；在完成判决之后，此方法自适应地调整感知阶段所用的 采样点数，并使采样点数逐渐收敛到一个最优值，借助于这个最优的采样点数，检测时间能 够实现最小化，其具体步骤如下a.所有的次级用户并行采样，并根据这些采样点得到一个感知结果，b.融合中心融合一个次级用户感知结果，c.如果已经融合的感知结果足够，则做出判决；否则返回b继续融合次级用户的感知结果，d.自适应调整采样点数，如果检测不停止则返回a进行下一次检测。
2.根据权利要求1中所述的一种自适应序贯的协同频谱检测方法，其特征在于次级用 户采用能量检测方法，自适应调整过程采用符号算法，具体实施步骤如下a.初始化，根据序贯协同检测方法完成一次检测，将其采样点数和检测时间分别记作 n°和Γ;；设定初始的采样点数η1和自适应调整的步长μ ；令Stl = 0，i = 1，b.所有的次级用户并行进行Hi点采样，并根据这些采样点计算出各自接收信号的能 量，其中第j个次级用户接收信号的能量计算如下|>#)|2H0卜―17 = 1,2,3,···.V,=^nj(U) +sH1k=\其中，和分别表示第j个次级用户的加性噪声和第j个次级用户的接收信 号；Htl和H1为二元假设，分别表示频谱空洞不存在和存在；c.所有的次级用户都根据各自接收信号的能量计算出各自的对数似然比，其中第j个 次级用户的对数似然比计算如下J , Jliv1),^； =log(—j = 1,2,3, ···. /ο(ν；)d.初始化计数器ρ= 1，e.融合中心融合第ρ个次级用户的对数似然比，计算出相应的累积对数似然比， Sp — δ"+Lp.f.将&与判决门限A、B做比较，其中Aik^^h&k^U)，α和β分别为所需l-aa的虚警概率和漏检概率；如果A < Sp < B，则ρ = p+1，返回e ；如果Sp彡B,则判定频谱空 洞存在；如果Sp ( A，则判定频谱空洞不存在；g.计算出第i次检测所花费的时间^+广ΑΓ，并将其代入下列公式，计算出第 i+1次检测应该使用的采样点数，这里的Iii和^分别表示第i次检测中所使用的采样点数和所花费的检测时间；μ表示 自适应调整的步长；g(x)是一个自定义函数，当X > 0时取1值，当X < 0时取-1值，当X=0时随机地取1值或者-1值；h. i = i+1，如果检测不停止则返回b进行下一次检测。
全文摘要
本发明涉及通信技术中认知无线电领域多个次级用户协同检测频谱空洞的方法。其特征是在融合阶段基于序贯概率比检验做出判决，并能自适应地调整感知阶段所使用的采样点数。借助上述特征，这一发明能够保证所需的检测精度，同时最小化检测时间。其具体步骤为a.所有的次级用户并行采样，并根据这些采样点得到一个感知结果。b.融合中心融合一个次级用户感知结果。c.如果已经融合的感知结果足够，则做出判决；否则返回b继续融合次级用户的感知结果。d.自适应调整采样点数，如果检测不停止则返回a进行下一次检测。
文档编号H04B17/00GK102006609SQ20101056714
公开日2011年4月6日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者唐岚, 彭盛亮, 曹秀英, 杨喜 申请人:东南大学