一种基于双门限能量检测的协作宽带频谱感知方法与流程

本发明涉及一种认知无线电频谱感知方法，尤其涉及一种基于双门限能量检测的协作宽带频谱感知方法。

背景技术：

随着无线通信技术的迅猛发展，各类无线通信系统及业务的出现使得无线频谱资源日趋紧张，而与之形成强烈反差的则是无线频谱资源在使用上的不均衡性，已授权频谱的使用率较低，时间和空间上均存在着大量的空闲频谱。认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术是一种通过感知外界无线电环境，实时地改变某些系统参数(如传输功率、载波频率、调制编码方式等)，以达到在任何时间、任何地点都能保证高可靠性的智能无线通信系统。认知无线电系统将授权频谱的用户称为主用户，共享频谱的用户称为次用户，次用户通过发现授权频段的空闲频谱，并伺机地接入使用，从而能够大大提高频谱的利用率。

频谱感知技术是CR系统中次用户对空闲授权频段进行有效识别的重要保证，同时也是CR系统完成频谱管理、共享及信息可靠传输的前提。近年来随着第五代移动通信、物联网及车联网等技术的兴起，频谱感知技术也在朝着宽带化和协作化的方向发展。宽带频谱感知的感知频段范围一般可达数个GHz，系统中的次用户在当前已接入信道检测到主用户信号后，能够切换到其它空闲信道继续通信。多用户协作频谱感知则能有效克服无线信道中存在的多径衰落、阴影效应和噪声功率不确定性等因素的影响，并可降低对宽带信号先验信息的依赖，进一步提高检测性能。

目前的协作宽带感知大都基于传统的能量检测法，在信噪比较低或噪声变化剧烈的场景下，系统的检测性能下降显著。

技术实现要素：

在宽带通信场景下，CR系统中的次用户在对授权频段进行检测时，若根据奈奎斯特准则，需以大于2倍信号带宽的速率采样，会带来较高的采样开销和能耗，且对接收端模/数转换器的硬件实现提出了很高要求；在频谱感知中被广泛采用的能量检测法因其判决门限根据噪声水平而确定，故对环境噪声较为敏感，在低信噪比场景下的检测性能较差。

本发明涉及了一种基于双门限能量检测的协作宽带频谱感知方法，可有效解决当感知到的信号能量值处于判决门限值附近时而发生的误检问题，在低信噪比场景下能够展现良好的性能，提高CR系统对于空闲授权频段的利用效率。

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双门限能量检测的协作宽带频谱感知方法，是一种应用于宽带低信噪比场景下的多用户协作的频谱感知方法，能够为CR网络中的次用户提供较好的检测性能。本发明中，CR网络中的次用户在对宽带授权频段进行检测前，先将整个宽带频段划分为若干个窄带子信道并感知其中的少数几个，每个子信道上均采用双门限能量检测法进行频谱感知，各个子信道的感知结果被上传至次用户处，每个次用户将这些感知结果融合并做出本地判决，再将判决结果上传至CR网络中的数据融合中心，数据融合中心将网络中次用户做出的本地判决依照“或”准则进行数据融合，做出最终的全局判决。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于双门限能量检测的协作宽带频谱感知方法，具体步骤如下：

步骤1，认知无线电网络的次用户感知宽带授权频段时，将该频段划分为N个子信道；

步骤2，次用户采用双门限能量检测法对其中的K个子信道进行感知，其中，1≤K＜N，具体过程为：

2.1，根据系统预设的虚警概率P_f求得次用户的本地判决门限值λ，并结合次用户处的噪声不确定度ρ求得双门限能量检测的两个门限值：较低门限值λ_L和较高门限值λ_H；

2.2，次用户对K个子信道作能量检测，将第i个子信道的接收信号的能量观测值Y_i分别与λ_L、λ_H进行比较，若0≤Y_i＜λ_L，则判决该子信道上不存在主用户信号，上传判决结果0；若Y_i＞λ_H，则判决该子信道上存在主用户信号，上传判决结果1；若λ_L≤Y_i≤λ_H，则上传Y_i至次用户处；其中，i∈[1,K]；

2.3，次用户将接收到的K-k个能量观测值相加后得到结果d，再将d与λ进行比较，若0≤d＜λ则得出判决结果0，若d≥λ则得出判决结果1，其中，k为2.2中判决结果的个数；

2.4，若2.3得到的判决结果与2.2得到的k个判决结果之和小于1，则得到该次用户处的本地判决结果为0，否则该次用户处的本地判决结果为1；

步骤3，认知无线电网络中的次用户将本地判决结果上传至网络中的数据融合中心，数据融合中心采用“或”准则对所有次用户的本地判决结果进行数据融合，只要有一个次用户感知到主用户信号的存在即判断该授权频段中存在主用户信号，各次用户仍需继续等待，直到检测到主用户信号不存在时再行接入。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2.1中本地判决门限值其中，Q^-1()表示Q函数的反函数，Q函数定义为P_f是预设的虚警概率，n表示接收信号的采样点数，表示噪声方差。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2.1中较低门限值λ_L＝(1-ρ)λ，较高门限值λ_H＝(1+ρ)λ。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2.2中第i个子信道的接收信号的能量观测值其中n表示接收信号的采样点数，y(j)为接收信号的第j个样值。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中次用户采用双门限能量检测法随机对其中的K个子信道进行感知。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.次用户先将宽带授权频段划分为若干个子信道，并感知其中的少数几个，可大幅降低宽带频谱感知所带来的较高的采样开销和能耗，且能降低对接收端模/数转换器的硬件要求；

2.每个子信道上均采用双门限能量检测，可有效降低感知到的信号能量值处于判决门限值附近时而发生误检的概率；

3.系统的全局判决结果经过两次数据融合而成，进一步提高了系统的检测性能，避免了对主用户的正常通信造成干扰。

附图说明

图1是基于双门限能量检测的协作宽带频谱感知系统模型图。

图2是双门限判决示意图。

图3是基于双门限能量检测的协作宽带频谱感知算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，假设一个认知无线电网络内存在M个次用户，则基于双门限能量检测的协作宽带频谱感知方法的具体实施，如图3所示，包括以下四个步骤：

步骤一：CR网络中的次用户们在对宽带授权频段进行感知前，先各自将该频段划分为N个子信道，根据系统预设的虚警概率P_f利用一式可求得各自的本地判决门限值λ，Q^-1()表示Q函数的反函数，Q函数定义为n代表接收信号的采样点数，代表噪声方差；然后次用户再结合本地的噪声不确定度ρ求得双门限能量检测中的较低门限值λ_L＝(1-ρ)λ和较高门限值λ_H＝(1+ρ)λ。

步骤二：次用户对N个子信道中的K个作能量检测(K＜N)，子信道上经过采样后的接收信号依次通过模/数转换模块、平方器和积分器，求得该子信道上的接收信号的能量观测值i∈[1,K]，n为接收信号的采样点数。如图2所示，将Y_i依次与两个门限值λ_L和λ_H相比较，当Y_i＜λ_L时，即判决该子信道不存在主用户信号，上传判决结果0；当Y_i＞λ_H时，即判决该子信道上存在主用户信号，上传判决结果1；而当Y_i落于两门限值之间时，直接上传该子信道的能量观测值至次用户处，那么次用户接收到的来自于第i个子信道的信息R_i可表示为：

步骤三：假设次用户观测的K个子信道中有k个做出了判决结果，其余K-k个子信道的能量观测值被直接上传，则次用户会将这K-k个能量观测值相加，得一计算结果d，并与次用户的判决门限值λ相比较，得到判决结果D，然后再与其它k个子信道的判决结果相加，与门限1比较后，做出该次用户处的本地判决F，如式(2)和(3)所示。

步骤四：当CR网络的M个次用户在做出本地判决后，会将判决结果上传至网络中的数据融合中心，为了避免干扰主用户的正常通信，本着最大化系统检测概率的原则，数据融合中心采用“或”准则对M个次用户的本地判决结果进行数据融合，即只要有一个次用户感知到主用户信号的存在便可判断该授权频段中存在主用户信号，各次用户仍需继续等待，直到检测到主用户信号不存在时再行接入。

本发明的目的是寻找一种对器件要求较低且更有效的认知无线电频谱感知方法来监测宽带授权频段中存在的主用户信号，以降低认知无线电网络中次用户的数据传输对于主用户信号所造成的干扰，从而提高频谱利用率。主要创新点如下：

1.本发明的方法中次用户先将宽带授权频段划分为若干个子频段，并感知其中的少数几个，可大幅降低宽带频谱感知所带来的较高的采样开销和能耗及对硬件的要求；

2.次用户在每个子频段上均采用双门限能量检测，可有效降低当感知到的信号能量值处于判决门限值附近时而发生误检的概率；次用户融合各个子频段的感知结果做出本地判决，确保了判决结果的可信度；

3.认知无线电网络中的数据融合中心融合各个次用户上传的本地结果做出最终的全局判决，其经过两次数据融合二次，进一步提高了系统的检测性能，避免了对授权主用户的正常通信造成的干扰。

本发明中所提出的宽带频谱感知方法可应用于新兴的物联网即车联网等技术中，通过发行宽带授权频段中所存在的空闲频谱并机会式地接入其中进行通信，以提高频谱利用率，缓解日益尖锐的频谱资源供需间的矛盾。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。