一种认知无线电系统中的帧间频谱感知方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种频谱感知技术，尤其是涉及一种认知无线电系统中的帧间频谱感 知方法。
【背景技术】
[0002] 无线通信技术迅猛发展，用户对频谱资源的竞争越来越激烈，然而，当前的静态频 谱分配政策使得有许多频段没有得到充分的利用。总体上看，频谱资源匮乏与频谱利用率 低下相互矛盾。在这个背景下，认知无线电技术被提出来，它允许感知用户动态接入授权用 户暂时不占用的频带，从而提高频谱利用率。频谱感知技术是认知无线电系统中感知用户 感知授权用户状态的技术。在认知无线电系统中，感知用户必须准确感知授权用户的状态 ("存在"或者"不存在"，授权用户存在表示某一时刻授权用户占用授权信道，授权用户不 存在表示某一时刻授权用户未占用授权信道），从而既充分利用空闲频谱资源，又不会对授 权用户产生过多干扰。因此，频谱感知技术是认知无线电系统中的首要关键技术。
[0003] 通常，感知用户进行频谱感知时是以帧的方式进行的。传统的频谱感知算法，如能 量检测法和特征检测法等认为不同感知帧之间是相互独立的，它们忽略了授权用户的活动 模型和感知用户的感知机制。大量实测数据表明，授权用户的活动状态近似服从一个马尔 科夫链，并且授权用户处于"存在"状态和"不存在"状态的时长分布服从指数分布。另外， 为了保证在一个感知帧内授权用户的活动状态不变，感知用户的感知帧长度往往远小于授 权用户的"存在"状态或"不存在"状态的平均持续时长。因此，实际中不同感知帧之间，尤 其是相邻的感知帧之间的相关性很强。当前，在感知用户以帧的方式进行工作时，仅有极 少频谱感知算法利用授权用户的活动模型和感知用户的感知机制来改善频谱感知性能；并 且，大多现有的频谱感知算法都要求恒定的感知帧长度。然而在考虑感知的能量消耗、频谱 利用效率等因素时，动态变化的感知帧长度的性能是最佳的，目前，针对既能充分利用授权 用户的活动模型和感知用户的感知机制，又能适应动态变化的感知帧长度的频谱感知算法 还未有研宄。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种认知无线电系统中的帧间频谱感知方法， 其能够充分利用授权用户的马尔科夫链和感知用户的感知机制来提高感知性能，且能够适 应动态变化的感知帧长度的感知环境。
[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种认知无线电系统中的帧间频 谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：
[0006] ①假设认知无线电系统中只有一个授权用户和一个感知用户，并假设授权用户的 状态变化是一个只有"存在"和"不存在"状态的持续时间的马尔可夫链，令a表示授权用 户"存在"状态的平均持续时间的倒数，令e表示授权用户"不存在"状态的平均持续时间 的倒数，且a和0的值均已知；
[0007] 设定感知用户以感知帧的方式工作，且每帧感知帧由一个感知时隙和一个数据传 输时隙组成，感知用户在每帧感知帧的感知时隙进行频谱感知；并假设感知用户在每帧感 知帧的感知时隙进行频谱感知时，授权用户的状态保持不变，噪声幅值的分布和授权用户 信号幅值的分布均服从高斯分布，且噪声幅值的均值和方差对应为ydP 〇 w2,授权用户信 号幅值的均值和方差对应为Us和。 s2,其中，Uw和。w2、U s和。s2的值均已知；
[0008] ②将感知用户当前进行频谱感知所在的第i帧感知帧定义为当前感知帧，其中，i 的初始值为1，K i < M，M表示认知无线电系统中的感知帧的总帧数；
[0009] ③感知用户在当前感知帧的感知时隙进行频谱感知时，对待谱频感知的授权 信道进行采样处理，得到离散采样值序列；然后计算离散采样值序列的能量，记为U，
知时对待谱频感知的授权信道进行采样处理的采样点数，N亦表示离散采样值序列中的采 样值的总个数，X (n)表示离散采样值序列中的第n个采样值，符号" I I "为取模运算符号；
[0010] ④令(Ii表示在当前感知帧的感知结果，d 4勺取值为1或为0,当d i= 1时代表在 当前感知帧授权用户存在，当Cli= 0时代表在当前感知帧授权用户不存在；
[0011] ⑤如果当前感知帧为第1帧感知帧，则感知用户根据uw、〇w 2、us、〇32和1并直 接采用能量检测法判定在当前感知帧授权用户是否存在，当在当前感知帧授权用户存在时 令(I i= 1，当在当前感知帧授权用户不存在时令d i= 0 ;
[0012] 如果当前感知帧为除第1帧感知帧外的其余感知帧，则感知用户首先设计并确定 两个判决门限，然后根据在当前感知帧的前一帧感知帧的感知结果从两个判决门限中选择 一个作为当前感知帧的最终的判决门限，最后感知用户比较U和最终的判决门限的大小， 若U大于或等于最终的判决门限，那么感知用户判定在当前感知帧授权用户存在，授权用 户占用授权信道，并令Cl i= 1 ;若U小于最终的判决门限，那么感知用户判定在当前感知帧 授权用户不存在，授权用户未占用授权信道，并令Cli= 0;
[0013] ⑥令i = i+1，将感知用户欲进行频谱感知所在的第i帧感知帧作为当前感知帧， 然后返回步骤③继续执行，直至感知用户在所有感知帧均完成频谱感知，其中，i = i+1中 的"="为赋值符号。
[0014] 所述的步骤⑤中感知用户设计并确定两个判决门限，并根据在当前感知帧的前一 帧感知帧的感知结果从两个判决门限中选择一个作为当前感知帧的最终的判决门限的具 体过程为：
[0018] ⑤-4、根据在当前感知帧的前一帧感知帧的感知结果从两个判决门限中选择一个 作为当前感知帧的最终的判决门限，若C^1=O,则选择X u作为当前感知帧的最终的判决 门限；若L= 1，则选择入(^乍为当前感知帧的最终的判决门限；其中，dg表示在当前感 知帧的前一帧感知帧的感知结果。
[0019] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明方法在进行频谱感知时，充分利用 了授权用户的马尔科夫链和感知用户的感知机制，在除第1帧感知帧外的任一帧感知帧的 感知时隙进行频谱感知时，首先设计并确定两个判决门限，然后根据前一帧感知帧的感知 结果从两个判决门限中选择一个作为最终的判决门限，利用了两帧相邻感知帧之间的相关 性，使频谱感知的性能有明显的提升；另外，本发明方法在进行除第1帧感知帧外的任一帧 感知帧的频谱感知时，只需知道前一帧感知帧的感知信息，因此适应于动态感知帧长度情 况下的频谱感知。
【附图说明】
[0020] 图1为感知帧长度为1，授权用户活动占空比为0. 5,且授权用户活动周期分别为 20、40和100时，本发明方法与现有的能量检测法的虚警概率和检测概率的比较示意图；
[0021] 图2为感知帧长度为1，授权用户活动周期为40,且授权用户活动占空比分别为 0. 2、0. 5和0. 8时，本发明方法与现有的能量检测法的虚警概率和检测概率的比较示意图；
[0022] 图3为授权用户活动周期为40,授权用户活动占空比为0. 2,且感知帧长度动态变 化时，本发明方法与现有的能量检测法的虚警概率和检测概率的比较示意图；
[0023] 图4为本发明方法的总体实现流程框图。
【具体实施方式】
[0024] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0025] 本发明提出的一种认知无线电系统中的帧间频谱感知方法，其目标是在满足虚警 概率要求下最大化感知用户的检测概率，其总体实现流程框图如图4所示，其包括以下步 骤：
[0026] ①假设认知无线电系统中只有一个授权用户和一个感知用户，并假设授权用户的 状态变化是一个只有"存在"和"不存在"状态的持续时间的马尔可夫链，令a表示授权用 户"存在"状态的平均持续时间的倒数，令e表示授权用户"不存在"状态的平均持续时间 的倒数，且a和0的值均已知；
[0027] 设定感知用户以感知帧的方式工作，且每帧感知帧由一个感知时隙和一个数据传 输时隙组成，感知用户在每帧感知帧的感知时隙进行频谱感知；并假设感知用户在每帧感 知帧的感知时隙进行频谱感知时，授权用户的状态保持不变，噪声幅值的分布和授权用户 信号幅值的分布均服从高斯分布，且噪声幅值的均值和方差对应为ydP 〇 w2,授权用户信 号幅值的均值和方差对应为ydP 〇 s2,其中，ydP 〇 w2、yjP 〇 s2的值均已知，一般y w 和y s均等于〇，。w2和。s2均大于〇,如。 w2= 1，。s2= 〇. 1。
[0028] ②将感知用户当前进行频谱感知所在的第i帧感知帧定义为当前感知帧，其中，i 的初始值为1，I < i < M，M表示认知无线电系统中的感知帧的总帧数。
[0029] ③感知用户在当前感知帧的感知时隙进行频谱感知时，对待频谱感知的授权 信道进行采样处理，得到离散采样值序列；然后计算离散采样值序列的能量，记为U，
知时对待频谱感知的授权信道进行采样处理的采样点数，N亦表示离散采样值序列中的采 样值的总个数，N>>1，符号">>"表示远远大于，如取N= 100, x(n)表示离散采样值序列中 的第n个采样值，符号" I I "为取模运算符号。
[0030] ④令(Ii表示在当前感知帧的感知结果，d亦取值为1或为0,当d i= 1时代表在 当前感知帧授权用户存在，当Cli= 0时代表在当前感知帧授权用户不存在。
[0031] ⑤如果当前感知帧为第1帧感知帧，则感知用户根据yw、〇 w2、ys、〇 s2和U，并直 接采用现有的能量检测法判定在当前感知帧授权用户是否存在，当在当前感知帧授权用户 存在时令Cl i= 1，当在当前感知帧授权用户不存在时令d i= 0。
[0032] 如果当前感知帧为除第1帧感知帧外的其余感知帧，则感知用户首先设计并确定 两个判决门限，然后根据在当前感知帧的前一帧感知帧的感知结果从两个判决门限中选择 一个作为当前感知帧的最终的判决门限，最后感知用户比较U和最终的判决门限的大小， 若U大于