基于异常用频行为检测的频谱使用秩序强化方法及系统

1.本发明属于认知无线网络频谱管理技术领域，具体涉及一种基于异常用频行为检测的频谱使用秩序强化方法及系统。


背景技术：

2.面对频谱资源愈加凸显的短缺问题，认知无线网络通过引入动态频谱共享，允许各种各样的用户在干扰可控的前提下接入信道，移除了异构网络的频谱藩篱，极大提升了频谱利用率。然而，在开放的通信环境中，干扰受控这一前提极易受短期利益或恶意攻击影响，导致频谱通信质量缺乏保障，整个网络的通信效率急剧下降。
3.因此，频谱使用秩序管理显得尤为重要。需要通过规范频谱使用方式，强化功率控制，将网络中相互干扰控制在合理范围内，进而提升整个网络收益。另一方面，还需要避免过于严苛的功率控制带来的频谱资源浪费。一种稳妥的频谱管理方式是构建集中式的频谱管理中心，依据频谱需求、通信设备的位置与环境，制定集中式的频谱分配策略，明确发射功率等频谱使用要求。然而，要真正实现有效的频谱管理，需要掌握实际的频谱使用情况，才能发现网络内违反频谱使用要求的行为，惩罚违规用频设备，规范频谱使用秩序。
4.在现有技术中，很少有将频谱管理与异常用频行为检测相结合的工作，因此，频谱管理策略无法得到有效的信息支撑，也就难以针对性地强化频谱秩序。


技术实现要素：

5.技术问题：针对频谱共享网络中频谱使用失序问题，现有技术存在频谱利用低效问题和过度干扰问题，本发明提供一种基于异常用频行为检测的频谱使用秩序强化方法及系统，将异常用频行为检测与频谱分配紧密联结，构成频谱分配情况、频谱使用规范与实际频谱使用情况之间的信息闭环，进而为频谱使用秩序强化提供有利的信息支撑。
6.技术方案：第一方面，本发明提供一种基于异常用频行为检测的频谱使用秩序强化方法，其特征在于，每一个频谱共享周期包括频谱资源申请阶段、频谱分配阶段、频谱监测阶段和频谱使用评估阶段，其中：
7.在频谱资源申请阶段，各个用频设备根据本身的频谱使用需求向频谱共享管理中心发送频谱使用申请；
8.在频谱分配阶段，频谱共享管理中心根据收到的频谱使用申请和用户历史频谱使用信誉，为频谱设备分配频谱资源，并依据空时干扰约束，给出相应的发射功率的限定；
9.在频谱监测阶段，频谱监测汇聚节点向多个频谱感知节点发布监测任务，频谱感知节点将对目标频谱的感知数据上报到汇聚节点，所述感知数据为感知节点根据本地检测模型与检测方法判定的本地异常用频行为；
10.在频谱使用评估阶段，汇聚节点根据k个感知节点的感知数据，对异常用频行为进行最终判决，并将最终判决结果上报频谱共享管理中心，根据最终判决结果与频谱占空比更新用频设备的频谱使用信誉值。
11.进一步地，所述的频谱资源申请包括频谱带宽和使用时长；单个用频设备所申请的频谱资源数量通过频谱带宽和使用时长的乘积标明，其不得超出最大资源申请额度。
12.进一步地，在频谱分配阶段，使用信誉值为每个用频设备维护对应的频谱，所述信誉值小于或等于1。
13.进一步地，为频谱设备分配频谱资源的方法为：
14.按照信誉值大小的顺序频谱资源分配进行，当资源不足时，优先分配给信誉值高的设备；
15.当用频设备的信誉值大于或等等于第一门限时，足额分配频谱资源；
16.当信誉值小于第一门限且大于或等于第二门限时，以信誉值大小为比例，以基准频谱资源为单位，分配频谱资源；其中，基准频谱资源为频谱申请中的最小资源数；
17.当信誉值低于第二门限时，不分配频谱资源。
18.进一步地，所述依据空时干扰约束，给出相应的发射功率的限定的方法为：根据如下功率控制策略判断用频设备的发射功率是否超过干扰约束：
[0019][0020]
其中，pj表示用频设备的发射功率，i
th
表示干扰约束因子，dj为用频设备的位置，α为路径衰落因子。
[0021]
进一步地，所述本地检测模型为：
[0022][0023]
其中，和分别表示信道空闲、用频设备正常工作和用频设备异常工作，σ2为采集的感知样本方差，p
t
为用户发射功率，h为用频设备的信号到感知节点所经历的信道衰落，为噪声功率。
[0024]
进一步地，所述本地检测方法为：设定单节点的判决域优化目标为：
[0025][0026][0027]
其中，为实际状态为时节点判定为的概率；α0和α1均为常数，表示本地检测时虚警概率约束参数；
[0028]
从而得到感知节点关于异常用频的判决域：
[0029][0030]
其中，yn为单次抽样值，n为采样数，参数λi由优化目标中的虚警概率约束决定；若未检测到状态异常，则本地判决结果d＝0,1,2分别对应频谱状态和
[0031]
进一步地，在频谱使用评估阶段，汇聚节点根据k个感知节点的感知数据，对异常用频行为进行最终判决的方式为：汇聚节点收集到k个感知节点的感知数据后，采用如下判决准则：
[0032][0033]
其中，n2和n0分别表示k个感知节点中上报存在异常行为和信道空闲的数目，l1和l0是两个小于k的判决门限。
[0034]
进一步地，所述根据最终判决结果与频谱占空比更新用频设备的频谱使用信誉值的方法为：
[0035]
每个频谱共享周期更新一次用频设备的信誉值，用频设备的信誉值更新方法如下：
[0036][0037]
其中，表示上一个频谱共享周期结束时该用频设备的信誉值，na为已分配时隙总数，n0、n2分别表示已分配时隙中检测到信道空闲的时隙数和检测到该用户存在异常用频行为的时隙数，表示频谱占空比，θ＜1，用于评估占空比的高低，c1表示对过低占空比的用频行为的惩罚，c2表示对异常用频行为的惩罚。
[0038]
第二方面，本发明提供一种基于异常用频行为检测的频谱使用秩序强化系统，所述系统本发明提供的基于异常用频行为检测的频谱使用秩序强化方法对频谱使用秩序进行强化。
[0039]
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)将实际的频谱使用情况纳入到频谱分配策略的相关因素中，促使用频设备从全局优化的角度遵从频谱使用规范，进而推动整个网络的频谱效率提升；(2)在用频设备的信誉值更新中，综合考虑了两种损害频谱收益的行为：违背发射功率规定的任意用频行为，虚高的频谱申请。(3)异常用频检测与频谱分配之间形成的信息闭环提高了频谱管理的效率和效果。
附图说明
[0040]
图1为本发明的实施例中基于异常用频行为检测的频谱使用秩序强化方法的流程图。
具体实施方式
[0041]
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。图1示出了本发明的实施例中基于异常用频行为检测的频谱使用秩序强化方法的流程图，结合图1所示，在该方法中，每一个频谱共享周期包括频谱资源申请阶段、频谱分配阶段、频谱监测阶段和频谱使用评估阶段。
[0042]
在频谱资源申请阶段，各个用频设备根据本身的频谱使用需求向频谱共享管理中
心发送频谱使用申请。在该阶段中，频谱资源申请包括频谱带宽和使用时长两个参数，单个用频设备所申请的频谱资源数量通过频谱带宽和使用时长的乘积标明，其不得超出最大资源申请额度。
[0043]
在频谱分配阶段，频谱共享管理中心根据收到的频谱使用申请和用户历史频谱使用信誉，为用频设备分配频谱资源，并依据空时干扰约束，给出相应的发射功率等的限定。具体的，在本发明的实施例中，该阶段中，使用信誉值为每个用频设备维护对应的频谱，其中信誉值为小于等于1的数值。采用如下的分配策略为用频设备分配频谱资源：
[0044]
首先，按照信誉值大小的顺序进行频谱资源分配，当资源不足时，优先分配给信誉值高的设备；其次，当用频设备的信誉值大于或等于第一门限时足额分配频谱资源；当信誉值小于第一门限大于或等于第二门限时，以信誉值大小为比例，以基准频谱资源为单位，分配频谱资源；当信誉值低于第二门限时，不分配频谱资源。其中，基准频谱资源为频谱申请中的最小资源数。
[0045]
在频谱分配阶段中，依据空时干扰约束，给出相应的发射功率等的限定的方法为：根据如下功率控制策略判断用频设备的发射功率是否超过干扰约束：
[0046][0047]
其中，pj表示用频设备的发射功率，i
th
表示干扰约束因子，dj为用频设备的位置，α为路径衰落因子。
[0048]
在频谱监测阶段，频谱监测汇聚节点向多个频谱感知节点发布监测任务，频谱感知节点将对目标频谱的感知数据上报到汇聚节点，所述感知数据为感知节点根据本地检测模型与检测方法判定的本地异常用频行为。
[0049]
在该阶段中，感知节点能够接收并自动执行频谱监测汇聚节点的监测任务；在单个时隙内，单个节点根据本地检测模型与检测方法判定得出本地判决结果，并上报给汇聚节点。
[0050]
本发明的实施例中，在频谱监测阶段，单个节点所采用的本地检测模型如下：
[0051][0052]
其中，和分别表示信道空闲、用频设备正常工作和用频设备异常工作，σ2为采集的感知样本方差，p
t
为用户发射功率，h为用频设备的信号到感知节点所经历的信道衰落，为噪声功率。
[0053]
在频谱监测阶段，所根据的检测方法是通过设单节点的判决域优化目标如下：
[0054][0055][0056]
其中，为实际状态为时节点判定为的概率；α0和α1均为常数，表示本地检测时虚警概率约束参数；
[0057]
从而得到感知节点关于异常用频的判决域：
[0058][0059]
其中，yn为单次抽样值，n为采样数，参数λi由优化目标中的虚警概率约束决定；若未检测到状态异常，则本地判决结果d＝0,1,2分别对应频谱状态和
[0060]
在频谱使用评估阶段，汇聚节点根据k个感知节点的感知数据，对异常用频行为进行最终判决，并将最终判决结果上报频谱共享管理中心，根据最终判决结果与频谱占空比更新用频设备的频谱使用信誉值。
[0061]
本发明的实施例中，该阶段中，汇聚节点收集到k个感知节点的数据后，按照如下判决准则，对最终结果进行判定。
[0062][0063]
其中，n2和n0分别表示k个感知节点中上报存在异常行为和信道空闲的数目，l1和l0是两个小于k的判决门限。
[0064]
在本发明的实施例中，可对异常用频行为判决门限l1进行优化，可以考虑如下优化目标，即在全局虚警概率的约束下最大化异常检测概率：
[0065][0066][0067]
其中，β0和β1为全局虚警概率约束，0＜β0≤α0,0＜β1≤α1。
[0068]
汇聚节点进行最终判定后，将最终判决结果上传到频谱管理中心，在频谱管理中心中，根据最终判决结果与频谱占空比对用频设备的信誉值进行更新。
[0069]
具体的，用频设备的信誉值更新在每个频谱共享周期进行一次，某个用频设备的信誉值更新方法如下：
[0070][0071]
其中，表示上一个频谱共享周期结束时该用频设备的信誉值，na为已分配时隙总数，n0、n2分别表示已分配时隙中检测到信道空闲的时隙数和检测到该用户存在异常用频行为的时隙数，表示频谱占空比，θ＜1，用于评估占空比的高低，c1表示对过低占空比的用频行为的惩罚，c2表示对异常用频行为的惩罚。在评估的阶段中，占空比也进行了评估，占空比是指各用频设备使用频段时间相对于所有用频设备使用频段总时间的比例，在上面的公式中，体现在了而θ则评估了占空比的高低。
[0072]
另一方面，本发明提供一种基于异常用频行为检测的频谱使用秩序强化系统，盖系统中，采用本发明所提出的基于异常用频行为检测的频谱使用秩序强化方法对频谱使用秩序进行强化。
[0073]
本发明中，将异常用频行为检测与频谱分配紧密联结，构成频谱分配情况、频谱使用规范与实际频谱使用情况之间的信息闭环，进而为频谱使用秩序强化提供有利的信息支撑。
[0074]
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。