基于联盟博弈的多用户协作频谱感知方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及认知无线电网络中的基于联盟博弈的多 用户协作频谱感知方法。
【背景技术】
[0002] 无线通信是通过电磁波来携带传输信息的，虽然无线电磁波的频谱很宽，但是在 实际使用过程中由于电磁波本身固有的传播特性和可使用无线电的设备自身的限制，目前 能够使用的频谱比较少，同时为了避免干扰，频谱分配都有专门的无线电法规部门采用固 定的频谱分配原则进行统一分配和管理。美国联邦通信委员会的研宄表明，授权频段的平 均利用率范围在15% -85%之间，频谱利用率高较低，随着通信业务量的急剧增大，这种频 谱分配方式暴露出了很大的缺陷，为了使得空闲的授权频谱被利用，人们提出了认知无线 电技术用来提高频谱利用率。其中拥有授权频谱的用户称为主用户，未被授权频谱的用户 称之为次用户。
[0003] 结合各研宄组织和学者对于认知无线电的定义和建立的系统模型分析可以得出， 认知无线电是一种可以感知外部通信环境，并且能够在环境发生改变的时候，通过修改自 身工作的相关参数，比如说功率，速率，频率等，来适应环境变化的一种智能的自我调整通 信系统，总体来说认知无线电具备两大能力：认知能力和重构能力，其中认知能力使得认知 无线电能够从其所处的工作环境中感知频谱信息，从而获得特定时间和空间内未被使用的 频谱空洞，由此可见认知能力是认知无线电实现技术实现的重要前提。为了避免对于主用 户的干扰，首先应该确保将要使用的授权频段是空闲的，也就是说只有在频谱感知的基础 上，才能够进行频谱分配、频谱接入等一系列操作。
[0004] 根据划分原则不同对频谱感知技术进行不同的分类。根据检测主用户信号来源 不同，将频谱感知技术分为基于主用户发射机检测和主用户接收机检测；据参与检测的次 用户的数目不同，将频谱感知技术分为单用户独立频谱感知和多用户协作频谱感知，在单 用户独立频谱感知中主要采用基于主用户发射机检测技术，常用的感知技术包含匹配滤波 器检测、能量检测和循环平稳特征检测，单用户感知是基于单个设备进行感知的，由于实 际通信系统和无线信道的复杂性，有很多因素影响了单用户频谱感知性能，比如隐藏节点 和阴影效应。多用户协作频谱感知通过融合次用户独立感知时的感知信息，能够降低隐 藏节点和阴影效应的影响，提高了检测性能。通常采用的融合机制是：OR规则、AND规则、 K-out-of-N规则。如果存在一个控制中心实体来融合所有的感知信息，称之为集中式频谱 感知，反之则为分布式频谱感知。
[0005] 现有的多用户协作频谱感知技术多采集中式频谱感知，也就是说存在一个集中控 制实体用来融合它所控制范围内所有的次用户的独立频谱感知时获得的频谱感知信息。这 种方式存在两个弊端，首先只能将控制中心所控制的范围作为一个整体判断频谱使用情 况，使得某些区域的频谱空洞不能被检测出来，降低了频谱利用率。再者，控制实体负责的 次用户设备一般较多，所有次用户传递本地感知信息到同一个控制中心，需要消耗较多的 带宽。
【发明内容】
[0006] 根据现有技术的不足，本发明提出一种基于联盟博弈的多用户协作频谱感知方 法，目的是提高感知性能，保证主用户对于频谱的优先使用权，减少对主用户的干扰。
[0007] 本发明基于联盟博弈的多用户协作频谱感知方法，包括以下步骤，
[0008] Al、每个次用户进行独立频谱感知，计算各自的检验概率和虚警概率；
[0009] A2、次用户之间形成联盟，并选取漏检概率最低的次用户作为该联盟的联盟头；
[0010] A3、利用联盟效用函数，计算每个次用户在加入联盟之前和之后的效用值；
[0011] A4、如果加入联盟之后的效用值小于加入联盟之前的效用值，则重复执行A2、A3， 形成新的联盟，并且直到加入联盟之后的效用值大于加入联盟之前的效用值，同时联盟内 原有的其他次用户的效用值不降低；
[0012] A5、更新联盟分区；
[0013] A6、判断联盟是否稳定，如果不稳定，即一段时间内有次用户成功离开该联盟，则 重复执行A2~A5,直到达到稳定状态；
[0014] A7、联盟内次用户将感知信息发送给联盟头；
[0015] A8、联盟头对所述感知信息进行数据融合，判断主用户是否存在，并将判断信息发 送给所有次用户；
[0016] A9、如果主用户不存在，则表示该授权频段目前处于空闲状态，联盟内次用户可以 使用该频段；否则联盟内次用户不能使用该频段
[0017] 所述联盟效用函数V(S)定义为
[0018] V⑶=Qd，s_C(Qf， s)
[0019] 其中Qd，s表示联盟S的检验概率，C(Q f，s)为代价函数，满足
【主权项】
1. 基于联盟博弈的多用户协作频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤， A1、每个次用户进行独立频谱感知，计算各自的检验概率和虚警概率； A2、次用户之间形成联盟，并选取漏检概率最低的次用户作为该联盟的联盟头； A3、利用联盟效用函数，计算每个次用户在加入联盟之前和之后的效用值； A4、如果加入联盟之后的效用值小于加入联盟之前的效用值，则重复执行A2、A3,形成 新的联盟，并且直到加入联盟之后的效用值大于加入联盟之前的效用值，同时联盟内原有 的其他次用户的效用值不降低； A5、更新联盟分区； A6、判断联盟是否稳定，如果不稳定，即一段时间内有次用户成功离开该联盟，则重复 执行A2~A5,直到达到稳定状态； A7、联盟内次用户将感知信息发送给联盟头； A8、联盟头对所述感知信息进行数据融合，判断主用户是否存在，并将判断信息发送给 所有次用户； A9、如果主用户不存在，则表示该授权频段目前处于空闲状态，联盟内次用户可以使用 该频段；否则联盟内次用户不能使用该频段。
2. 如权利要求1所述的基于联盟博弈的多用户协作频谱感知方法，其特征在于，所述 效用值通过联盟效用函数v(S)计算， v(S) =Qd，s_C(Qf，s) 其中0<^表示联盟S的检验概率，C(Qf，s)为代价函数，满足
其中a表示联盟S的虚警概率Qf，s的上限 值。
3. 如权利要求1所述的基于联盟博弈的多用户协作频谱感知方法，其特征在于，A4中 次用户效用值的比较，具体为：设定偏好关系来比较次用户的效用值，偏好关系满足帕累托 最优，即如果次用户加入到该联盟内，使得联盟内原有的成员效用值不减小，同时使得自身 的效用值增大，则该次用户就会加入到该联盟内，否则不允许加入到该联盟内。
4. 如权利要求1所述的基于联盟博弈的多用户协作频谱感知方法，其特征在于，A8中 数据融合规则是，由于联盟S内次用户i向联盟头k发送感知信息具有误报率PM，k，采用 OR规则进行数据融合时，得到联盟S的虚警概率Qf，s和检验概率Qd，s分别表示为：
5. 如权利要求1所述的基于联盟博弈的多用户协作频谱感知方法，其特征在于，每间 隔一定时间，重复执行A1~A9。
【专利摘要】本发明公开一种基于联盟博弈的多用户协作频谱感知方法，其方法步骤为：初始化阶段，每个次用户进行独立频谱感知、次用户相互之间形成联盟、选取联盟内的联盟头、计算次用户效用值、判断是否形成联盟、更新联盟分区、判断联盟是否达到稳定状态、各联盟内进行数据融合、最终进行联盟协作频谱感知。同时考虑到环境变化，如主用户移动性等，可以周期性地重复以上步骤。本发明在认知无线电网络的基础上，运用联盟博弈理论分析多用户协作感知问题。提高了对于无线环境动态变化的适应性。降低了阴影效应和隐藏节点对感知性能的影响。提高了频谱感知的检验概率，减少了对主用户的干扰，增大了对于主用户的保护。
【IPC分类】H04B17-382
【公开号】CN104780007
【申请号】CN201510159725
【发明人】王保云, 张坤
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月3日