专利名称：基于ds证据理论的协作频谱感知方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，涉及认知无线电系统中的频谱感知技术，是一种基于Dempter-Shafer (DS)证据理论的协作频谱感知改进方法,可用于报告带宽受限和存在高度冲突数据的认知无线电网络中的频谱感知。
背景技术：
近年来，无线通信的快速增长导致授权频带和非授权频带上的无线服务需求都急剧增长。然而，目前的固定频谱分配策略使得频谱利用率很低。为了解决频谱资源短缺和频谱利用率不高的问题，人们提出了认知无线电CR的概念。CR技术能够有效地利用未占用频带的间歇期，进而提高频谱利用率。在CR网络中，每个次级用户SU的基本任务就是通过感知射频环境来检测授权用户LU是否出现，进而识别可利用的频谱空洞，并保护LU不受有害干扰。这一过程就是频谱感知。频谱感知的宗旨有两个第一，SU不能对LU造成有害 干扰，当发现LU出现时，SU切换到其他可利用频带，或者限制其自身功率到LU可接受的水平；第二，SU要有效地识别和利用频谱空洞，从而达到所需的吞吐量和服务质量。实际环境中，频谱感知的检测性能会受到很多因素的限制，如多径衰落、阴影效应和接收机不确定性。如图I所示，授权用户发射机LU Tx与每个SU之间用于观测LU信号的信道称为感知信道，每个SU与融合中心FC之间用于发送感知数据的信道称为控制信道，第3个次级用户SU3因多径衰落和阴影效应可能不能正确检测到授权用户发射机LU Tx的信号，第η个次级用户SUn由于接收机不确定性可能对授权用户接收机LU Rx造成干扰。但是第I个次级用户SU1可以很好地检测到LU的状态，如果它把感知信息共享给其他SUJlJ可以克服单个SU感知的不足。因此，提出了协作频谱感知的概念。协作频谱感知的主要思想是通过融合多个SU对LU的本地检测结果，得到最终判决，提高感知性能。这种由于SU的空间分集而获得的性能改善即为协作增益。协作频谱感知在带来协作增益的同时还会引起协作开销，例如比单个SU感知多出的额外的感知时间、能量损耗、控制信道带宽需求以及协作感知设备等。如何利用多个SU的感知信息进行融合是协作频谱感知的关键技术。常见的融合准则有数据融合和硬决策融合。其中数据融合协作其优点是增益大，但对控制信道的带宽需求较大；硬决策融合其优点是实现简单，但协作增益有限。因此，人们提出了软决策融合算法，通过引入与本地感知相关的置信度，折中协作增益与报告带宽开销。由于无线信道的不稳定性，次级用户的本地检测可能无法确定授权用户信号是否存在，DS证据理论可以有效的解决这种不确定性问题，因此被应用到协作频谱感知中。如 Q. Peng 在 Thel7th IEEE International Symposium on Person, Indoorand Mobile Radio Communications(PIMRCj 2006) 《A Distributed Spectrum SensingScheme Based on Credibility and Evidence Theory in Cognitive Radio Context)) 一文中最先将DS证据理论用于协作频谱感知过程中，提出了一种优于硬决策融合的软决策融合方法CET，联合所有SU的本地感知结果，通过DS证据理论合成准则进行融合得到最终判决结果，有效地提高了检测概率并降低了虚警概率。Nhan Nguyen-Thanh在The IEEECommunications Letters 2009〈〈An Enhanced Cooperative Spectrum Sensing SchemeBased on Evidence Theory and Reliability Source Evaluation in Cognitive RadioContext)) 一文中提出了基于DS证据理论的协作频谱感知增强方案Enhanced EvidenceTheory，在CET方法的基础上改进了基本概率分配函数的构建，并利用信噪比估计分布式网络中每个本地SU的基本概率分配，进一步提高了感知性能。然而，基于DS证据理论的协作频谱感知方法还存在不少缺点1)在本地频谱感知的过程中，每个SU至少要发送两个基本概率分配到融合中心FC，而不只是一个逻辑硬判决结果，随着SU的增多，用于报告感知数据的带宽将不断变大，使得协作开销随之增大；2)在FC进行融合判决的过程中，如果由于恶意用户或故障节点的存在，SU发送的感知结果中存在高度冲突数据，则FC利用DS证据理论合成准则进行数据融合，有可能导致推理结果出现悖论，使得检测性能降低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有方法的不足，提出一种基于DS证据理论的协作 频谱感知方法，以降低控制信道的带宽，减小协作开销，并改善出现高度冲突数据时的检测性能。实现本发明目的的技术关键是次级用户SU利用投影近似法对所有基本概率分配进行投影分解，使调整后不确定授权用户LU信号是否存在的基本概率分配m' ,(Ω)等于O ;融合中心FC根据不同SU证据矢量之间的距离得到可信度，把可信度作为权重对不同SU的基本概率分配进行加权平均。具体实现过程包括如下(I)根据DS证据理论，用识别框架{ΗρΗ。，Ω}表示频谱感知的结果，其中H1表示存在授权用户LU信号，Htl表示不存在授权用户LU信号，Ω表示不确定授权用户LU信号是否存在；(2)所有次级用户SU分别进行本地能量检测，得到能量检测统计量Ei，其中i =1，2，…，n，i代表次级用户SU的序号，η代表认知无线电CR网络中次级用户SU的数量； (3)第i个次级用户SUi利用能量检测统计量Ei分别计算存在授权用户LU信号H1的基本概率分配HIi (H1)、不存在授权用户LU信号H。的基本概率分配HIi (Ho)，以及不确定授权用户LU信号是否存在的基本概率分配Hii ( Ω ):
I( (x-u. )21Mi(Hi)= I -7== exp ---dx
J \Ι2πσ I σ y
I (、
f+ Iχ-Mft - IIni(H0)= , exp ---dx
jE' 42πσ1 I JHIi(Q) = I-IIii (H1) -Hii (H0)，式中，μ Ii和分别表示存在授权用户LU信号H1情况下能量检测统计量Ei的均值和方差，μ 0i和分别表示不存在授权用户LU信号Htl情况下能量检测统计量Ei的均值和方差，exp表示指数函数；(4)根据投影近似法调整所有基本概率分配，使调整后不确定授权用户LU信号是否存在的基本概率分配m' i ( Ω )为O :(4a)根据存在授权用户LU信号H1的基本概率分配Hii (H1)与不存在授权用户LU信号Htl的基本概率分配11^ (H0)的比值，计算不确定授权用户LU信号是否存在的基本概率分配Hii ( Ω )到存在授权用户LU信号H1的投影《#和到不存在授权用户LU信号Htl的投影分别为
权利要求
1.一种基于DS证据理论的协作频谱感知方法,包括如下步骤 (1)根据DS证据理论，用识别框架HΩ}表示频谱感知的结果，其中H1表示存在授权用户LU信号，Htl表示不存在授权用户LU信号，Ω表示不确定授权用户LU信号是否存在； (2)所有次级用户SU分别进行本地能量检测，得到能量检测统计量Ei，其中i=1，2，…，n，i代表次级用户SU的序号，η代表认知无线电CR网络中次级用户SU的数量； (3)第i个次级用户SUi利用能量检测统计量Ei分别计算存在授权用户LU信号H1的基本概率分配Kii (H1)、不存在授权用户LU信号Htl的基本概率分配Hii (H0)，以及不确定授权用户LU信号是否存在的基本概率分配Hii ( Ω ):
2.根据权利要求I所述的基于DS证据理论的协作频谱感知方法，其中步骤(2)所述的所有次级用户SU分别进行本地能量检测，是指各次级用户SU分别将T时间内接收到信号的N个采样值进行平方求和，从而获得检测统计量Ei
3.根据权利要求I所述的基于DS证据理论的协作频谱感知方法，其中步骤(6)所述的融合中心FC根据证据矢量之间的距离得到可信度，按如下步骤进行 (3a)设第i个次级用户SUi调整后的所有基本概率分配构成证据矢量
全文摘要
本发明公开了一种基于DS证据理论的协作频谱感知方法。主要解决现有方法对控制信道带宽需求高，以及在数据高度冲突情况下性能下降严重的问题。其实现方法是各次级用户利用能量检测统计量计算所有基本概率分配，然后采用投影近似法调整基本概率分配，减少发送到融合中心的数据；融合中心根据各次级用户证据矢量之间的距离判断可信度，并以可信度作为权重对各次级用户的基本概率分配进行加权平均，再根据加权平均后基本概率分配的大小关系对授权用户信号是否存在做出最终判决。本发明能够减少报告信道所需带宽，改善数据高度冲突情况下检测性能，可用于认知无线电系统中利用协作频谱感知方法判断频谱使用情况。
文档编号H04W72/04GK102711120SQ201210161619
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者于美婷, 刘伟, 刘勤, 文璐, 李钊, 赵林靖 申请人:西安电子科技大学