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。根据检测是否由多个次级用户协同完成，主用户检测可分为非协同检测和协同检测两大类。由于和非协同检测相比，协同检测能够避免单用户检测的不确定性、大幅提高检测精度，有效抑制隐藏终端和暴露终端的危害，因此逐渐成为了当前研究的热点。协同检测的本质是利用次级网络中的多个次级用户协同工作，一起完成主用户检测。在分布式次级网络中，所有次级用户地位均等，它们之间的协同可借助于中继机制实现。中继协同提供了另一种获得多用户增益的途径，这种方法能够有效降低主用户检测所需的检测时间，提高检测精度、保护主用户不被干扰，因而得到了广泛关注。中继协同检测的核心思想是让空闲的次级用户为正在进行检测的次级用户充当中继节点。如图1所示，次级用户在空闲时可以扮演中继节点的角色，将自己接收到的主用户信号转发给其他次级用户。此时，对于其他正在进主用户检测的次级用户而言，它们不仅会接收到原有主用户信号，还会接收到中继次级用户转发过来的主用户信号；这些次级用户利用以上多个信号作出判决，就实现了与中继次级用户协同完成主用户检测。目前，大部分的中继协同检测都假定次级用户基于时分多址(TDMA,TimeDivisionMultipleAccess)模式感知和接入授权频段，如图2所示。即每个时隙内，只有一个次级用户实施主用户检测，如果检测到频谱空洞，它就接入授权频段。但是当次级用户工作在频分多址(FDMA,FrequencyDivisionMultipleAccess)或者码分多址(CDMA,CodeDivisionMultipleAccess)模式下，如图3所示，即每个时隙内，次级用户同时进行检测，如果没有检测到主用户，它们就利用不同的频分或者码分子信道完成数据传输。在此情形下，可能并不存在真正意义上空闲的次级用户，传统的中继协同检测方法也不一定适用。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于部分中继机制的协同检测方法来检测频谱空洞，实现了高信噪比次级用户将分配到的检测时间部分用于检测，另一部分充当中继节点，协助低信噪比次级用户提高主用户检测精度，从而提高整个次级网络的性能。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：为了弥补传统的协同检测方法中次级用户必须工作在TDMA模式下的不足，以适应FDMA/CDMA型次级网络的需要，本发明提出了一种新的部分中继模型，如图3所示，在每个时隙Td内，两个次级用户SU1和SU2均首先检测主用户，然后在Tc时间内进行数据传输；其中，高信噪比次级用户SU2并不将Td时间全部用来完成主用户检测，而只是用到了其中Td-TR的一部分；在剩下的TR时间内，SU2将充当中继节点，协助低信噪比次级用户SU1提高检测精度。一种基于部分中继机制的协同频谱检测方法，具体步骤包括：步骤1，选择中继策略并确定中继时间TR；步骤2，分别获取同时按能量检测方法进行检测的两个次级用户在时隙的前Td-TR时间内接收信号的能量；所述Td表示一次检测的时隙宽度；步骤3，获取低信噪比次级用户在时隙的Td-TR到Td时间内接收信号的能量；步骤4，计算低信噪比次级用户检测到的总能量；步骤5，分别将两个次级用户检测到的能量与各自的判决门限做比较，根据比较结果确定是否可以利用主用户的频段传输数据。进一步的，步骤1包括采用平衡检测精度准则或采用最大化检测敏捷性准则确定中继策略。进一步的，采用平衡检测精度准则时，所述中继策略η由如下公式确定：η(ρ)=5ρ-2+53ρ2-20ρ-2414ρ]]>其中，γ1和γ2为低信噪比次级用户和高信噪比次级用户的接收信噪比。进一步的，采用最大化检测敏捷性准则时，所述中继策略η由如下公式确定：min{E{Tη}=(11-Pm1+11-Pm2-11-Pm1Pm2)(Td+Tc)}]]>其中，Pm1和Pm2分别表示低信噪比次级用户和高信噪比次级用户的漏检概率，(Td+Tc)表示时隙宽度。进一步的，所述漏检概率Pm1用如下公式表示：Pm1=1-Q(Q-1(α)2(1+6η)-n(γ1+ηγ2)2(1+γ1)2+2η[(2+γ1+γ2)2-(1+γ1)2+3(1+γ2)2])]]>所述漏检概率Pm2用如下公式表示：Pm2=1-Q(Q-1(α)2-n(1-η)γ22(1+γ2)2)]]>其中，α表示低信噪比次级用户和高信噪比次级用户的虚警概率，γ1和γ2为低信噪比次级用户和高信噪比次级用户的接收信噪比，n＝Tdfs，fs为接收信号采样周期。进一步的，所述中继时间TR用如下公式表示：TR＝η·Td。进一步的，时隙前Td-TR时间内，低信噪比次级用户接收信号的能量服从如下高斯分布：v1NR~N(n-nR,2(n-nR))H0N((n-nR)(1+γ1),2(n-nR)(1+γ1)2)H1]]>高信噪比次级用户接收信号的能量服从如下高斯分布：v2~N(n-nR,2(n-nR))H0N((n-nR)(1+γ2),2(n-nR)(1+γ2)2)H1]]>其中，nR＝TRfs。进一步的，时隙的Td-TR到Td时间内，低信噪比次级用户接收信号的能量服从如下高斯分布：v1R~N(2nR,14nR)H0N(nR(2+γ1+γ2),2nR[(2+γ1+γ2)2+3(1+γ2)2])H1.]]>进一步的，低信噪比次级用户检测到的总能量服从如下高斯分布：v1~N(n+nR,2(n+6nR))H0N(n(1+γ1)+nR(1+γ2),2n(1+γ1)2+2nR[(2+γ1+γ2)2-(1+γ1)2+3(1+γ2)2])H1.]]>进一步的，步骤5具体包括：将低信噪比次级用户检测到的能量v1与低信噪比次级用户的判决门限λ1做比较，如果v1大于λ1，表示低信噪比次级用户不能利用该频段传输数据，否则可以利用该频段传输数据；将高信噪比次级用户检测到的能量v2与高信噪比次级用户的判决门限λ2做比较，如果v2大于λ2，表示高信噪比次级用户不能利用该频段传输数据，否则可以利用该频段传输数据；所述判决门限λ1和λ2由如下公式确定：λ1=Q-1(α)2n(1+6η)+n(1+η)λ2=Q-1(α)2n(1-η)+n(1-η).]]>本发明具有如下有益效果：(1)条件简单。本发明并不要求中继次级用户完全处于空闲状态，因此即使当网络中所有次级用户同时进入到授权频段时，也能正常工作。(2)有效提高检测精度。接收信噪比较高的次级用户并不将分配到的检测时间全部用于检测，而是抽出部分时间充当中继节点，尽管这样做会给自己的检测性能带来损害，但它能够协助其他次级用户提高主用户检测的检测精度，从而提高整个次级网络的性能。(3)大幅改善检测敏捷性。检测敏捷性的目的是为了描述次级用户迅速检测出主用户状态变化的能力。如果所需时间较短，则说明检测敏捷性较高。本发明中，如果SU2按照搜索到的最优中继策略转发自己的接收信号，就能保证SU1和SU2在最短的时间内检测出主用户的存在，从而最大化整个次级系统的检测敏捷性。以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于部分中继机制的协同频谱检测方法不局限于实施例。附图说明图1为本发明方法的两个次级用户组成的分布式次级网络示意图；图2为TDMA工作模式下次级用户中继示意图；图3本发明方法的FDMA和CDMA模式下次级用户中继示意图；图4为本发明方法的主流程图。具体实施方式如图4所示，本发明提供的一种基于部分中继机制的协同频谱检测方法，具体包括以下步骤：步骤1，选择中继策略并确定中继时间TR。具体的，包括如下步骤：(1)SU1和SU2接收信号计算假定主用户信号为s(k)，SU1和SU2与主用户之间的信道分别为h1(k)和h2(k),对应的信道噪声分别为n1(k)和n2(k)。H0表示主用户发射机信号不存在，授权频段为频谱空洞,H1表示主用户发射机信号存在，授权频段不是频谱空洞。在每个时隙的前Td-TR时间内，没有中继发生，SU1和SU2同时进行检测,它们的接收信号可分别表示为：y1NR(k)=n1(k)H0h1(k)·s(k)+n1(k)H1---(1)]]>y2(k)=n2(k)H0h2(k)·s(k)+n2(k)H1---(2)]]>在剩余的TR时间内，SU1继续实施检测，SU2停止检测，并将自己的接收信号中继给SU1。假定中继基于放大转发的方式进行，此时SU1的接收信号可以表示如下y1R(k)=y1NR(k)+k·h12(k)·y2(k)=n1(k)+k·h12(k)·n2(k)H0[h1(k)+k·h12(k)·h2(k)]·s(k)+[n1(k)+k·h12(k)·n2(k)]H1,---(3)]]>其中，k为中继增益因子，h12(k)表示SU2与SU1之间的信道影响。(2)中继协同能量检测由于能量检测具有计算复杂度低、对主用户信号的相关信息要求低等特点，因此比较常用。假设S1(k),S2(k)以及h12(k)是零均值实高斯独立随机过程，n1(k)和n2(k)为零均值单位方差的实高斯白噪声。在此情形下，SU1和SU2接收信号的能量可以分别用如下公式计算：v1=v1NR+v1R=Σk=1n-nR|y1NR(k)|2+Σk=n-nR+1n|y1R(k)|2,---(4)]]>v2=Σk=1n-nR|y2(k)|2,]]>其中，v1NR和v1R分别表示SU2不中继和中继时SU1接收到的能量，n＝Tdfs，nR＝TRfs，fs为接收信号采样周期。v1NR和v2分别近似服从如下高斯分布：v1NR=Σk=1n-nR|y1NR(k)|2~N(n-nR,2(n-nR))H0N((n-nR)(1+γ1),2(n-nR)(1+γ1)2)H1,---(5)]]>v2~N(n-nR,2(n-nR))H0N((n-nR)(1+γ2),2(n-nR)(1+γ2)2)H1,---(6)]]>其中，γ1＝E{|h1(k)·s(k)|2}/E{|n1(k)|2}和γ2＝E{|h2(k)·s(k)2}/E{|n2(k)|2}分别代表不发生中继时SU1和SU2的接收信噪比。考虑到中继时间TR一般不会很小(过小的TR几乎等同于没有发生中继)，因此nR通常较大。根据中心极限定理，v1R同样近似服从高斯分布：v1R~N(2nR,14nR)H0N(nR(2+γ1+γ2),2nR[(2+γ1+γ2)2+3(1+γ2)2])H1,---(7)]]>不考虑SU2的发射功率限制，令中继增益正好补偿SU2与SU1之间信道的功率衰减，可知v1＝v1NR+v1R服从如下高斯分布：v1~N(n+nR,2(n+6nR))H0N(n(1+γ1)+nR(1+γ2),2n(1+γ1)2+2nR[(2+γ1+γ2)2-(1+γ1)2+3(1+γ2)2])H1,---(8)]]>推导出了v1和v2的概率分布之后，SU1和SU2的虚警概率和漏检概率用如下公式表示：Pf1=Q(λ1-(n+nR)2(n+6nR)),---(9)]]>Pf2=Q(λ2-(n-nR)2(n-nR)),---(10)]]>Pm1=1-Q(λ[-[n(1+γ1)+nR(1+γ2)]2n(1+γ1)2+2nR[(2+γ1+γ2)2-(1+γ1)2+3(1+γ2)2]),---(11)]]>Pm2=1-Q(λ2-(n-nR)(1+γ2)2(n-nR)(1+γ2)2),---(12)]]>其中，λ1和λ2分别为SU1和SU2的判决门限，Pf1表示SU1的虚警概率，Pf2表示SU2的虚警概率，Pm1表示SU1的漏检概率，Pm2表示SU2的漏检概率。(3)中继协同能量检测中继策略的选择在上述中继协同能量检测中，SU2从Td时间中抽出TR时间用以中继转发接收信号，帮助SU1提高接收信噪比、改善检测性能；而自己真正用于检测的时间只有Td-TR。很明显，如果采取保守的中继策略，选择较小TR，给予SU1的帮助就会比较有限；反之，如果采取激进的中继策略，选择较大TR，SU2自身的检测性能就会受到较大影响。因此，有必要选择合理的中继策略，确定最佳的TR。为了量化中继策略的保守和激进程度，定义：η=ΔTRTd=nRn,---(13)]]>其中，η(0<η<1)越接近0，则说明中继策略越保守；η越接近1，则说明中继策略越激进。为了选择最佳中继策略，可以从平衡检测精度和最大化检测敏捷性两个角度确定。①平衡检测精度SU1和SU2组成的次级网络中，SU2的接收信噪比相对较高，因而其检测精度也相对较高。平衡检测精度，实际上就是要借助部分中继协同使得SU1和SU2实现相同的虚警概率和漏检概率。采用恒虚警准则，令SU1和SU2的虚警概率均为α，结合公式(9)和(10)给出的虚警概率表达式，SU1和SU2的判决门限可以分别表示为：λ1=Q-1(α)2n(1+6η)+n(1+η),---(14)]]>λ2=Q-1(α)2n(1-η)+n(1-η),---(15)]]>将上式中λ1和λ2分别代入公式(11)和(12)中，可得SU1和SU2的漏检概率：Pm1=1-Q(Q-1(α)2(1+6η)-n(γ1+ηγ2)2(1+γ1)2+2η[(2+γ1+γ2)2-(1+γ1)2+3(1+γ2)2]),---(16)]]>Pm2=1-Q(Q-1(α)2-n(1-η)γ22(1+γ2)2),---(17)]]>再令Pm1＝Pm2，即可求解出所需的η。考虑到认知无线电场景中次级用户的接收信噪比通常都比较小，将SU2与SU1接收信噪比之比定义为为了平衡SU2和SU1的检测精度，应当采用的中继策略η只与ρ关，具体可以写成η(ρ)=5ρ-2+53ρ2-20ρ-2414ρ,---(18)]]>②最大化检测敏捷性检测敏捷性是指次级用户迅速检测出主用户状态变化的能力。主用户出现之后次级用户检测出主用户存在所需的时间较短，说明检测敏捷性较高；反之，则说明检测敏捷性较低。最大化检测敏捷性，实际上就是要最小化该检测时间。该检测时间有别于前面的单次检测所需的时间Td，具体可以计算如下Tη＝kη(Td+Tc),(19)其中，kη表示次级用户检测出主用户存在所需的检测次数，Td+Tc表示时隙宽度(每个时隙内进行一次检测)。在中继协同能量检测中，只有全部次级用户均检测到主用户存在，才能算是真正检测到了主用户的存在。然而，主用户出现后，SU1和SU2经过多少次检测才能全部检测出主用户存在并不确定，因此kη是一个随机变量。当kη＝l时，对应的概率为Pr(kη＝l)＝Pr(SU1在第l次，SU2在前l次检测出主用户存在)+Pr(SU1在前l次，SU2在第l次检测出主用户存在)-Pr(SU1，SU2均在第l次检测出主用户存在)基于kη＝l时的概率分布，kη的均值可表示为E{kη}=Σl=1∞l·Pr(kη=l)=11-Pm1+11-Pm2-11-Pm1Pm2,---(21)]]>相应地，检测出主用户存在所需的平均时间为E{Tη}=(11-Pm1+11-Pm2-11-Pm1Pm2)(Td+Tc),---(22)]]>给定α、γ1、γ2和n时，将公式(16)和(17)代入公式(22)中，并基于该公式展开搜索，可以很容易地找出令检测平均时间E{Tη}达到最小的η。在执行部分中继协同能量检测方案时，如果SU2按照搜索到的最优中继策略转发自己的接收信号，就能保证SU1和SU2在最短的时间内检测出主用户的存在，从而最大化整个次级系统的检测敏捷性。求得η后，根据公式(13)可求出合适的中继时间TR和nR。步骤2，分别获取同时按能量检测方法进行检测的两个次级用户在时隙的前Td-TR时间内接收信号的能量；所述Td表示一次检测的时隙宽度。具体的，根据公式(5)获得SU1接收到的能量v1NR,根据公式(6)获得SU2接收到的能量v2。步骤3，获取低信噪比次级用户在时隙的Td-TR到Td时间内接收信号的能量。具体的，根据公式(7)，获得SU1接收到的能量v1R。步骤4，计算低信噪比次级用户SU1检测到的总能量。具体的，根据公式(8)，获得SU1接收到的总能量v1。步骤5，分别将两个次级用户检测到的能量与各自的判决门限做比较，根据比较结果确定是否可以利用主用户的频段传输数据。具体的，将低信噪比次级用户检测到的能量v1与低信噪比次级用户的判决门限λ1做比较，如果v1大于λ1，表示低信噪比次级用户不能利用该频段传输数据，否则可以利用该频段传输数据。将高信噪比次级用户检测到的能量v2与高信噪比次级用户的判决门限λ2做比较，如果v2大于λ2，表示高信噪比次级用户不能利用该频段传输数据，否则可以利用该频段传输数据。所述判决门限λ1和λ2由公式(14)和公式(15)求出。步骤6，返回步骤2继续进行下一次检测。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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