协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法与流程
本发明属于通信技术领域，主要涉及认知无线网络中协作感知减少冗余上传信息技术，具体是一种协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法，适用于能量受限的认知无线网络。
背景技术：
随着移动设备的增多，无线频谱的需求也呈指数增长，但频谱资源作为一种非常宝贵和紧缺的无线资源，其资源的有限性也成为了制约无线通信业务多样化的主要因素。认知无线电(cognitiveradionetworks，crn)作为一种热门技术，通过智能的检测分析频谱使用情况，在检测到频谱未被使用时进行数据传输，以达到更高的频谱利用率。
协作感知因其不仅可以克服单个用户检测时受多径衰落和阴影衰落的影响，还能克服“隐藏终端”、“暴露终端”的问题，受到了人们的广泛关注。但是由于协作感知增加了感知用户数和感知信息的交互过程，协作感知中的能量消耗远大于单用户的能量消耗。
现在，电子设备都趋近小型化，为了实现认知设备的灵活性和移动性，需要用电池对其供电。电池的容量大小与其体积成正比，因此为了制造出续航能力持久的移动认知设备需要在其能量消耗上进行优化。同时由于温室效应的影响，人们越来越关注节能减排。因此研究协作感知中的节能问题也具有重要意义。
协作感知中，认知用户(secondaryuser，su)分别感知主用户(primaryuser，pu)的信道占用状态，然后将感知结果通过报告信道(reportingchannel)上传到数据融合中心(fusioncenter，fc)，由数据融合中心做出关于主用户信道是否被占用的最终判决。因此多用户协作感知系统中的能量消耗主要分为三方面：1.感知能耗2.数据传输能耗3.协议开销能耗。
在减少感知用户数方面，weizhang等在ieeetransactionsonwirelesscommunications，2009《optimizationofcooperativespectrumsensingwithenergydetectionincognitiveradionetworks》研究了主用户信道为平坦衰落时，为了保证系统的检测性能，如何分配最佳的感知用户数的问题。
在减少感知次数方面，tazeen等在ieeecommunicationsletters，2015《ontheusageofhistoryforenergyefficientspectrumsensing》提出了一种历史信息辅助的频谱感知策略，根据主用户活动的历史信息，数据融合中心预测出下一时隙主用户信道被占用的概率，并将其通过报告信道广播给认知用户，认知用户根据数据融合中心发送的结果决定下个时隙是否进行感知。
在减少数据传输能耗方面，jinwei等在infocomieeeconferenceoncomputercommunicationsworkshops，2010《energy-efficientdistributedspectrumsensingforwirelesscognitiveradionetworks》提出了一种新的分簇算法。认知用户按距离分簇，每个簇中感知性能最好的认知用户作为簇头，并把每个簇中的簇头按照一定规则依次作为每个时隙上的数据融合中心。这个方法既保证了感知节点的公平性，也可以在低信噪比下得到良好的性能，同时减少了认知用户与数据融合中心间的距离，能有效减少上传感知结果时所消耗的能量。
协议开销方面的主要能耗为认知用户上传本地感知结果所消耗的能量，上传的本地感知结果又称上传信息。为了提高单个认知用户的检测性能，并减少不必要的判决结果的发送，yingpeilin等在ieeeinternationalconferenceoncommunications(icc)，2011《acensoringcooperativespectrumsensingschemebasedonstochasticresonanceincognitiveradio》研究了采用减少冗余上传信息的方法，该方法采用能量检测技术，并找出两个最优的判决门限。当检测到的信号能量介于两个门限之间时，认为感知结果在数据融合中心端进行数据融合时对最终判决结果是不起作用的，不向数据融合中心上传该感知结果。这种对在数据融合中心端进行数据融合时不起作用的感知结果称为冗余信息。这样通过提高感知结果的可靠性来减少感知结果的上传次数，认知用户可以减少上传感知结果所消耗的能量。该方法虽然减少了认知用户对不可靠感知结果的上传次数，但是在信道质量好的情况下这种方法并不能有效减少感知结果的上传次数。sinamaleki等在ieeetransactionsonwirelesscommunications，2015《toandortooronenergy-efficientdistributedspectrumsensingwithcombinedcensoringandsleeping》通过采用认知用户按同一概率随机休眠和减少冗余上传信息的方法。该文献主要贡献是and融合准则下将判决门限上限设成无穷大，因此只上传感知结果为“0”的信息，“1”和冗余信息都不上传，其中“0”表示主用户信道未被占用，“1”表示主用户信道被占用。or融合准则下将判决门限下限设为0，因此只上传感知结果为“1”的信息，“0”和冗余信息都不上传。这种减少感知结果上传的方法在信道经常处于空闲或被占用状态时依然不能有效减少感知结果的上传次数，导致消耗大量能量。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提出一种利用认知用户感知结果相关性，减少冗余上传信息的节能方法。本发明不仅可以有效减少感知结果的上传次数达到节能目的，还可以克服认知用户向数据融合中心上传感知结果时噪声对信号干扰产生误码的影响，进一步提高协作感知性能。
本发明是一种协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法，在认知无线网络上实现。认知无线网络包括有认知用户，主用户，数据融合中心，本发明利用认知用户的历史感知结果和相邻时隙之间感知结果的相关性，减少感知结果的上传次数，即减少冗余上传信息进而减少协作感知开销，实现节能，包括有如下步骤：
(1)对认知用户和数据融合中心初始化；
(2)认知用户在时隙开始阶段使用感知技术对主用户所在信道进行感知，并且判决出主用户信道是否被占用；
(3)认知用户将自己当前时隙检测到的感知结果与其上个时隙的感知结果相比较，如果当前时隙感知结果与上个时隙的感知结果相同，则不向数据融合中心上传感知结果，否则，即当前时隙感知结果与上个时隙的感知结果不同，通过报告信道上传当前时隙感知结果；
(4)数据融合中心融合认知用户感知结果并广播判决结果：
(4a)如果数据融合中心没有收到认知用户上传的感知结果，则认为认知用户当前时隙上传的感知结果与上个时隙的感知结果相同；
(4b)判断认知用户上传的感知结果是否存在误码：若数据融合中心收到认知用户上传的感知结果，再判断当前时隙感知结果与上个时隙感知结果是否相同，如果相同，则认为感知结果被噪声干扰，即存在误码，并将感知结果取反并执行(4c)，否则，认为感知结果没有被噪声干扰，即不存在误码；
(4c)数据融合中心将当前时隙所有认知用户上传的感知结果，通过and融合准则做出关于主用户信道是否被占用的最终判决，并将判决结果通过报告信道广播给认知用户；
(5)认知用户根据数据融合中心广播的判决结果决定是否进行通信。
本发明思路：利用了认知用户的历史感知结果和相邻时隙间感知结果的相关性，实现减少感知结果的上传次数和节能目的。通过这种方法，数据融合中心不仅能够推断出认知用户没有上传的感知结果，同时还可以对认知用户上传的感知结果进行差错纠正，提高系统检测性能；本发明利用认知用户的历史感知结果和相邻时隙之间感知结果的相关性，减少感知结果的上传次数，实现节能；
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明将单个认知用户在不同时隙上传的感知结果看成一个序列，找出相邻时隙间感知结果的相对关系，即如果认知用户相邻时隙间的感知结果相同，则认知用户不上传与上一时隙相同的感知结果，不仅充分利用了认知用户的历史感知结果，还能减少对认知用户感知结果的上传次数，实现节能。
2)本发明根据认知用户相邻时隙间感知结果的相关性，令数据融合中心比较当前时隙与上一时隙接收到的感知结果，检测并纠正由于信道干扰带来的误码，提高系统的检测概率并减少虚警概率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的仿真场景图；
图3为本发明认知用户协作感知时隙图；
图4为本发明认知用户上传感知结果与数据融合中心接收感知结果并判决的实例图；
图5为本发明与传统方法上传感知结果次数的变化曲线；
图6为本发明与传统方法检测性能的变化曲线。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案和效果做详细描述：
实施例1
传统协作感知模型的工作过程如下：
1.每个认知用户独立的检测本地频谱信息，并做出二进制判决，其中“0”表示主用户信道未被占用，“1”表示主用户信道被占用；
2.所有认知用户通过报告信道将二进制信息上传给数据融合中心；
3.数据融合中心对所有感知结果做最后的融合，判决出主用户信道是否被占用，并通过报告信道广播给认知用户。
本发明针对协作感知模型中仍然存在冗余上传信息造成的能量消耗以及认知用户向数据融合中心传输感知结果过程中存在误码的问题，提供了一种协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法。
见附图2，认知无线网络包括多个认知用户，主用户，数据融合中心，其中主用户占用一条信道。见附图3，系统以时隙为单位，每个时隙又分为四个阶段，认知用户本地感知结果阶段，认知用户上传感知结果阶段，数据融合中心融合认知用户感知结果并广播判决结果阶段，认知用户通信阶段。本发明利用认知用户的历史感知结果和相邻时隙之间感知结果的相关性，实现了减少感知结果上传次数和节能目的，包括有如下步骤：
(1)对认知用户和数据融合中心初始化；
(2)认知用户在时隙开始阶段使用感知技术对主用户所在信道进行感知，并且判决出主用户信道是否被占用；
(3)认知用户将自己当前时隙检测到的感知结果与其上个时隙的感知结果相比较，如果当前时隙感知结果与上个时隙的感知结果相同，则不向数据融合中心上传感知结果，否则，即当前时隙感知结果与上个时隙的感知结果不同，通过报告信道上传当前时隙感知结果；
(4)数据融合中心融合认知用户感知结果并广播判决结果：
(4a)如果数据融合中心没有收到认知用户上传的感知结果，则认为认知用户当前时隙上传的感知结果与上个时隙的感知结果相同；
(4b)判断认知用户上传的感知结果是否存在误码：若数据融合中心收到认知用户上传的感知结果，再判断当前时隙感知结果与上个时隙感知结果是否相同，如果相同，则认为感知结果被噪声干扰，即存在误码，并将感知结果取反并执行(4c)，否则，认为感知结果没有被噪声干扰，即不存在误码；
(4c)数据融合中心将当前时隙所有认知用户上传的感知结果，通过and融合准则做出关于主用户信道是否被占用的最终判决，并将判决结果通过报告信道广播给认知用户；
(5)认知用户根据数据融合中心广播的判决结果决定是否进行通信。
本发明通过这种方法，数据融合中心不仅能够推断出认知用户没有上传的感知结果，同时还可以对认知用户上传的感知结果进行差错纠正，提高系统检测性能。
实施例2
协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法同实施例1，步骤(4b)中判断认知用户上传的感知结果是否存在误码，是数据融合中心根据认知用户上一时隙感知结果与当前时隙收到的感知结果相比较，因此，需要保证数据融合中心上个时隙接收到认知用户的感知结果完全正确，从对认知用户和数据融合中心初始化开始执行。具体做法是：假设认知无线网络中有m个认知用户，主用户，数据融合中心，其中主用户占用一条信道，设
实施例3
协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法同实施例1-2，参见图1，实现过程包括
(1)对认知用户和数据融合中心进行初始化：
假设系统中有m个认知用户，主用户，数据融合中心，其中主用户占用一条信道。设
(2)本地感知阶段，认知用户k在第i个时隙使用感知技术对主用户所在信道进行感知，本发明采用能量检测技术，将认知用户感知到的能量与其设置的判决门限相比较，判决出主用户信道是否被占用，能量检测技术不需要知道主用户的信号特征，且使用起来方便简单，另外本发明不限于能量检测技术也可以采用匹配滤波器检测，周期平稳过程特征检测等技术。
(3)认知用户上传感知结果阶段，认知用户k将感知结果
(4)数据融合中心融合认知用户感知结果并广播判决结果阶段：
(4a)若没有收到认知用户k上传的感知结果
(4b)若收到感知结果，再判断
(4c)数据融合中心根据该时隙所有认知用户的感知结果，通过and融合准则做出关于主用户信道是否被占用的最终判决，并将判决结果通过报告信道广播给认知用户。通过这种方法，数据融合中心不仅能够推断出认知用户没有上传的感知结果，同时还可以对认知用户上传的感知结果进行差错纠正，提高系统检测性能。
(5)认知用户接收数据融合中心广播的判决结果，若判决结果为信道未被占用则进行握手通信，否则不进行通信。
见图3，本发明将单个认知用户在不同时隙上传的感知结果看成一个序列，找出相邻时隙间感知结果的相对关系，即如果认知用户相邻时隙的感知结果相同，则认知用户不上传与上一时隙相同的感知结果，不仅充分利用了认知用户的历史感知结果，还能减少对认知用户感知结果的上传次数，实现节能。
实施例4
协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法同实施例1-3，其中所述步骤(3)中，认知用户处理感知结果并产生上传信息，按如下方式进行：
认知用户将当前时隙感知结果与上一时隙的感知结果相比较，如果两个感知结果不同，则通过报告信道上传当前时隙感知结果，若相同，则不上传；
认知用户检测本地信道信息，将其与上个时隙的感知结果相比较，如果相同，则不向数据融合中心上传。比如上个时隙检测到的结果是“1”，当前时隙检测到的感知结果也是“1”，则不向数据融合中心上传当前时隙感知结果；如果不同，向数据融合中心上传当前时隙感知结果，比如上个时隙检测到的感知结果为“1”，当前时隙检测到的感知结果为“0”，则上传感知结果“0”。通过这种方法可以减少感知结果的上传次数，减少能量消耗。
实施例5
协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法同实施例1-4，步骤(4)中数据融合中心根据收到的感知结果再做有无误码存在的判定，具体是数据融合中心根据认知用户上一时隙感知结果纠正当前时隙收到的感知结果，因此需要保证数据融合中心上个时隙接收到认知用户的感知结果完全正确，就是对认知用户和数据融合中心进行初始化处理，具体做法同实施例2及实施例3的步骤(1)。
实施例6
协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法同实施例1-5，其中步骤(4)中，数据融合中心要区分感知结果来自哪个认知用户，传统的方法有正交频分多址，码分多址，时分多址，本发明中认知用户主要采用时分多址方式向数据融合中心上传感知结果，数据融合中心根据收到感知结果的时隙来区别认知用户。参见附图3，认知用户在上传感知结果阶段，分别在t1,t2,...,tm微时隙上传感知结果，数据融合中根据感知结果到来的时隙来区分认知用户。本发明同样可以使用正交频分多址，码分多址方式来区分认知用户。
实施例7
协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法同实施例1-6，本例给出一个完整的方案，假设认知无线网络以时隙为观察单位并且时钟同步，信道占用模型采用on-off模型，其中on代表信道被占用，off代表信道未被占用，并假设信道状态在一个时隙中保持不变。本发明实现步骤包括如下：
(1)认知用户和数据融合中心进行初始化：
具体初始化过程见实施例1的步骤(1)，认知用户k初始化感知结果
(2)认知用户k在第i个时隙开始阶段采用能量检测技术感知信道，设εk为认知用户k检测到的能量，λk为认知用户k能量检测中的判决门限。若εk＜λk，认知用户k本地感知结果为“0”；若εk≥λk，认知用户k本地感知结果为“1”。
(3)认知用户在第i个时隙上传感知结果阶段，以时分多址方式分别在t1,t2,...,tm微时隙向数据融合中心上传。若认知用户k检测到的感知结果
(4)数据融合中心融合认知用户感知结果并广播判决结果：
(4a)数据融合中心分别对t1,t2,...,tm微时隙上传的感知结果检测，若未在第tk个微时隙内收到认知用户k上传的感知结果，认为认知用户k当前时隙上传的感知结果为βk。
(4b)若在第tk个微时隙内收到认知用户k上传的感知结果在将
(4c)重复(4a)，直到检测完m个认知用户上传的感知结果，然后数据融合中心通过and规则对所有认知用户的感知结果进行and运算。设数据融合中心最终判决结果用result表示。若存在至少一个认知用户的感知结果为“0”，则result＝0；只有当所有认知用户的感知结果都为“1”，才认为当前时隙感知结果result＝1。数据融合中心将最终判决的感知结果通过报告信道广播给所有认知用户。
(5)认知用户根据数据融合中心广播的判决结果决定是否进行通信，转到上述步骤(2)中继续下个时隙的感知。
本发明根据认知用户相邻时隙间感知结果的相关性，将数据融合中心接收到的感知结果与上一时隙接收到的感知结果相比较，检测并纠正由于信道干扰带来的误信息，提高系统的检测概率并减少虚警概率。
实施例8
协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法同实施例1-7。以下参照附图，对本发明的技术方案和效果做进一步描述：
本发明的应用系统，参照图2包括m个认知用户，主用户和数据融合中心，其中主用户占用一条信道。认知用户使用能量检测技术感知信道，认知用户k检测到的信号为yk(t)，那么频谱感知可以用一个二元假设表示
h0:yk(t)＝nk(t),k＝1,...,m
h1:yk＝hks(t)+nk(t),k＝1,...,m
其中，h1和h0分别表示主用户占用信道或不占用信道。nk(t)表示认知用户k检测时的高斯白噪声，均值0方差
检测到主用户信号的能量为
其中n是采样点数。令ρ＝|yk(n)|2，容易发现检测能量εk是n个相互独立的统计变量之和。因此，当主用户未占用信道时，εk服从自由度为2n的中心卡方分布。当主用户主用户占用信道时，εk服从自由度为2n，非中心参数为2γk的非中心卡方分布。即：
设λk为认知用户k能量检测中的判决门限。因此在加性高斯白噪声信道下，能量检测的虚警概率pf,k和检测概率pd,k的表达式为
其中pr是概率函数，γ(a,x)是不完整gamma函数，
and融合准则下，协作感知系统的检测概率qd和虚警概率qf表达式为
具体步骤如下：
(1)认知用户和数据融合中心初始化：
具体初始化过程见实施例1的步骤(1)，认知用户k初始化感知结果
(2)认知用户k在第i个时隙开始阶段采用能量检测技术感知信道，若εk＜λk，则
(3)认知用户以时分多址方式分别在t1,t2,...,tm微时隙向数据融合中心上传感知结果，若认知用户k检测到的感知结果
(4)数据融合中心融合认知用户感知结果并广播判决结果：
(4a)数据融合中心在接收感知结果阶段，分别对t1,t2,...,tm微时隙上传的感知结果检测，若未在第tk个微时隙内收到认知用户k上传的感知结果，认为认知用户k第i个时隙上传的感知结果为βk，否则将
(4b)重复(4a)，用相同的方法检测判决所有认知用户上传的感知结果，然后转(4c)，对所有认知用户的感知结果进行融合判决；
(4c)数据融合中心通过and规则对所有认知用户的感知结果进行and运算。设数据融合中心最终判决结果用result表示。若存在至少一个认知用户的感知结果为“0”，则result＝0；只有当所有认知用户的感知结果都为“1”，才认为当前时隙感知结果result＝1。数据融合中心将最终得到的感知结果通过报告信道广播给所有认知用户
(5)认知用户根据数据融合中心广播的判决结果决定是否进行通信，转到上述步骤(2)中继续下个时隙的感知。
本发明数据融合中心不仅能够推断出认知用户没有上传的感知结果，同时还可以对认知用户上传的感知结果进行差错纠正。
实施例9
协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法同实施例1-8。本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：
1)仿真参数
根据附图2所示，在一个认知无线电网络中，有一个主用户，多个认知用户和一个数据融合中心。主用户占用一条信道，认知用户通过能量检测技术感知信道。
假设信道状态服从伯努利分布模型，信道从时间上分为一个一个的时隙，每个时隙内信道的状态保持不变，认知用户与认知用户之间是独立的。主用户的信号特征服从高斯分布，信道干扰为高斯白噪声，假设所有认知用户的检测性能相同，检测概率为0.9，虚警概率为0.1；认知用户感知信道消耗1个单位能量，上传感知结果消耗1.5个单位能量，信息采用bpsk方式上传，信道的误码率为0.02，仿真时隙数为100，仿真次数为10000次，然后对获得的结果进行统计平均。附图5中，横坐标表示信道占用概率，以步长0.01从0增加到0.5，纵坐标表示感知结果上传次数。附图6中，横坐标表示协作感知用户数，纵坐标表示检测概率和虚警概率。
仿真方法为：
本发明采用and融合准则，传统方法中如sinamaleki等在ieeetransactionsonwirelesscommunications，2015《toandortooronenergy-efficientdistributedspectrumsensingwithcombinedcensoringandsleeping》通过分析得出，在感知结果上传时，对and融合准则起判决作用的只有感知结果为“0”的情况，当认知用户检测到主用户状态为“1”时不向数据融合中心上传。
2)仿真内容与结果
仿真1，附图5表明，本发明所采用方法的感知结果上传次数随着信道占用概率增加而增加，同时可以看出，信道占用概率越小，本方法比censoringandsleeping方法减少的感知结果上传次数越多。当信道占用概率为0.5时，本发明方法与censoringandsleeping方法感知结果上传次数几乎相同，当信道占用概率在0到0.3的时候，本发明方法比censoringandsleeping方法能减少大量感知结果上传次数进而节省大量能量。当信道占用概率小于0.3时，本发明方法比sleepingandcensor方法减少感知结果上传次数达40％以上，进而能节省40％以上的上传感知结果所消耗的能量。
仿真2，附图6表明，在有干扰的报告信道下，本发明的系统检测概率总是在censoringandsleeping方法之上，在认知无线电里，检测概率越高即检测到主用户出现的概率越大，对主用户造成的干扰越小。同时本发明的系统虚警概率总是在censoringandsleeping方法之下，认知无线电里，虚警概率越小，即认知用户将主用户未占用信道判断成主用户占用信道的概率越小，这样可以使认知用户充分利用信道。
本发明利用了认知用户相邻时隙感知结果的相关性和历史感知结果，能够减少认知用户上传感知结果的次数，尤其在信道占用概率小于0.3时能明显减少大量上传次数，进而减少大量上传感知结果所消耗的能量。同时在数据融合中心端，数据融合中心对接收到的感知结果进行差错纠正，克服了信道干扰造成误码的影响，提高了通信系统的检测性能。
简而言之，本发明公开的一种协作感知中基于减少冗余上传信息的节能方法，主要解决现有技术上传能耗过大的问题，其实现步骤是：1)对认知用户和数据融合中心进行初始化；2)认知用户对主用户信道进行感知；3)认知用户将当前时隙与上一时隙的感知结果比较，相同时不上传，反之，通过报告信道上传到数据融合中心；4)数据融合中心根据接收规则对接收到的感知结果进行判决；5)数据融合中心将认知用户上传的感知结果进行融合判定，将最终结果通过报告信道广播给认知用户，认知用户根据判决结果决定是否进行通信。本发明减少了系统上传信息能耗，克服了报告信道对认知用户干扰导致的误码，提高了系统的检测性能，可用于能量受限的认知无线网络。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！