專利名稱：一種認知無線電網絡的協作頻譜感知方法
技術領域：
本發明屬于通信領域，涉及一種頻譜感知方法，尤其是一種認知無線電網絡的頻 譜感知方法，特別涉及一種基于協作技術的頻譜感知及其信號傳輸和處理方法。
背景技術：
隨著無線通信業務的飛速發展，現有網絡正面臨著無線頻譜資源稀缺和各種業務 對頻譜資源需求不斷增長的矛盾。認知無線電(Cognitive Radio,CR)利用本是分配給授權 用戶(Primary User，授權用戶PU)而暫時未被使用的頻帶，即頻譜空穴，協助認知用戶(也 作次級用戶，Secondary User, SU)傳送信息，從而為提高頻譜利用率開辟了新的途徑，成為 近年來的研究熱點，同時也是相關國際標準805. 22的關鍵技術。認知用戶在接入頻帶之前 應先對授權用戶是否在該頻帶上傳送信息進行“頻譜感知(Spectrum Sensing) ”，這樣做的 目的在于探明在某給定的頻帶、時間及空間上是否存在授權用戶，以便利用其閑置信道。感 知的性能通常通過漏檢率和虛警率來度量。其中漏檢率說明認知用戶SU對授權用戶PU的 干擾程度，而虛警率則影響頻譜的利用率。在感知過程中，分集階數是度量性能的又一種方 式，它反映了信道衰落影響下漏檢率和虛警率的魯棒性。頻譜感知是一項具有挑戰性的前沿技術，高性能的頻譜感知可以有效避免干擾， 同時顯著提高頻譜資源的利用率。根據認知用戶SU對授權用戶PU信號的了解程度，現有 頻譜感知技術可分為能量檢測、循環平穩特征檢測以及匹配濾波器方法等，針對不同應用 環境下上述檢測器的性能也有部分研究結果。除了提高單一認知用戶SU的檢測性能之外， 為了克服無線信道中陰影效應，小尺度衰落等影響以及隱藏終端甚至調度問題，對于協作 (或分布式)感知技術的研究也在展開。然而，現有的協作感知技術缺少對衰落信道的研 究，忽視了對分集性能的評估，其結果是其方法的性能雖優于非協作(即本地的)頻譜感知 策略，但是所獲得的感知分集性能并無顯著提高；部分方法要求所有認知用戶SU將軟檢測 信息傳送到融合中心(Fusion Center，信息融合中心FC)，在分布式背景下大幅增加了通信 開銷。特別對于整個網絡暴露于衰落信道中的情況，現有的協作感知技術要么損失了分集 增益，要么需要對認知用戶SU與信息融合中心FC之間的信道作在現實環境中難以成立的 假設。因此，有必要設計一種實用的協作頻譜檢測方法，一方面盡可能降低感知造成的 通信開銷，另一方面在衰落信道中充分發掘分集增益，以期獲得比現有方法更優的感知性 能。
發明內容
本發明提出了一種針對認知無線電網絡的協作頻譜感知方法，本方法不需要認知 用戶SU發送軟信息，認知用戶SU可獨立處理而無需相互交換信息，信息融合中心FC端檢 測器結構簡單，易于實現；同時方法具有通信開銷小、分集增益高、虛警率和漏檢率低等優 良性能，具有較強的實用性。
根據本發明，認知用戶SU首先使用能量檢測獨立判斷授權用戶PU信號是否存在， 然后將硬判決結果(二進制符號)發送到信息融合中心FC，其發射功率根據授權用戶PU到 該認知用戶SU的信道條件自適應調整；信息融合中心FC則采用最大似然檢測器融合多個 認知用戶SU的結果并作最終判決。認知用戶SU將本地的二進制判決結果發送給融合中心 信息融合中心FC，信息融合中心FC使用最大似然檢測器來判斷授權用戶PU是否正在進行 數據發送。本發明所述認知無線電網絡包含授權用戶PU，N個認知用戶SU和信息融合中心 FC，該網絡包括但不限于采用認知無線電技術的無線局域網、移動蜂窩網以及無線傳感器 網絡等。所述授權用戶PU為網絡中對頻譜資源具有優先使用權的授權用戶；認知用戶SU 為包含無線接收機、發射機并具備能量檢測功能的通信設備；所述信息融合中心FC則至少 包含無線接收機以及最大似然(ML)檢測器。所述無線信道均為信道系數服從復高斯分布 (信道增益服從瑞利分布)的衰落信道。為便于說明，以Htl假設表示授權用戶PU不發送信 號，發送信號則用H1假設表示，若以矢量rn表示接收信號，則H0 :rn = wn(12) H1 :rn = hpns+wn其中s = [s (1)，L，s (K) ]τ表示授權用戶PU所發送的信號，其平均功率Ps = E{|s(k) |2} ;wn= [wn⑴，L，wn⑷]T，K為采樣樣本數，％⑷ CN(0,<)為加性復高斯白噪 聲，所有認知用戶SU的平均噪聲功率用σ=表示，~ CN 則是授權用戶PU到第η個 認知用戶SU的信道衰落系數，服從均值為0，方差為^^ 的復高斯分布。這里不失一般性，假 設所有認知用戶SU的平均噪聲功率相同，但是本方法亦可用于平均噪聲功率不相同的場 本發明同時支持奈曼-皮爾遜(Neyman-Pearson，NP)準則和最小錯誤概率準則。 發明包括認知用戶SU側的信號接收、處理、發送和信息融合中心FC側的信號接收處理過 程。發明提供的方法包含以下步驟(1)在已有授權用戶PU的網路中配置包含N個認知用戶SU和一個信息融合中心 FC的認知無線電網絡；(2)認知用戶SU側信號接收、檢測、判決和信號發射過程第一步獲取信號能量。每個認知用戶SU在其檢測階段從接收信號中獲取K個采 樣點，以第η個認知用戶SU為例，可利用如下能量檢測方法判定授權用戶PU是否在發送信 息 其中&為檢測統計量，λη是與之相應的檢測門限。第二步根據檢測門限判斷授權用戶PU信號是否存在。在奈曼-皮爾遜準則下， 若虛警率指標不超過if= α，則檢測門限由下式給出 這里Q-i( ·)表示高斯尾函數Q(·)的逆函數。在最小錯誤概率準則下，檢測門限由下式給出
(15)其中；:=P, I hpn I2 ΙσΙ (Ps為PU發射功率)為第η個認知用戶SU的接收信噪比， 且 其中P (H0)和P (H1)分別是事件Htl和H1的先驗概率。注意對于最小錯誤概率準則，當Ypn和K都較大時，可行解將只有一個，此時門限 的近似表示式
(17)第三步調制信號。根據第一、二步完成檢測后，認知用戶SU將判斷結果(存在/ 不存在授權用戶PU信號)映射為BPSK調制信號，即
(18)注意此處若使用通斷(on-off)信號，即當tn < λη時設置Χη = 0，同樣也屬于本 方法所涉及的內容。第四步各認知用戶SU使用正交信道發射調制后的信號。不同于現有方法的等功 率發送方法，本方法對發射功率作如下自適應調整
(19)其中β是常數，用于限定各認知用戶SU的最大發射功率；代表認知用戶SUn 到信息融合中心FC的平均信道增益。這一功率調整是本發明獲得分集增益的關鍵步驟。(3)信息融合中心FC側信號接收，檢測和判決過程第一步接收信號。用/^ ~ CN (0,σ) )表示授權用戶PU和認知用戶SU η間的信道 衰落系數， CN (0,σ〖)表示信息融合中心FC端的加性高斯白噪聲，則接收到的第η個認 知用戶SU發出的信號為
(20)用矢量y := [Yl, L，yn]T表示從所有認知用戶SU接收到的信號，則將全部接收信 號可表示為
(21)其中Pr=血圾L ,^])為認知用戶 SU 發射功率，
hj)為認知用戶SU與信息融合中心FC之間的信道系數；χ = [xi; x2, L，xN]是調制信號， Wf = [wfl，Wf2，L, wfN]為接收機噪聲。第二步最大似然檢測。信息融合中心FC采用的最大似然檢測器描述如下
(22)其中In表示N維全1列向量。這一檢測器是獲得本方法最終獲得分集增益的關鍵步驟之一，隨后的詳細說明部分將做進一步闡述。第三步輸出判決結果。對應第二步檢測器的輸出結果，若X* = 1N，則判決結果為 H1,即存在授權用戶PU信號；反之如果χ* = -1N，則判決結果為Htl，即頻譜對認知用戶可用。
本發明提出了一種針對認知無線電網絡的協作頻譜感知方法，本方法不需要認知 用戶SU發送軟信息，認知用戶SU可獨立處理而無需相互交換信息，信息融合中心FC端檢 測器結構簡單，易于實現；同時方法具有通信開銷小、分集增益高、虛警率和漏檢率低等優 良性能，具有較強的實用性。
圖1給出了本發明的基于協作感知的認知無線電系統模型圖；圖2給出了本發明的認知用戶SU側信號處理流程示意圖；圖3給出了本發明的信息融合中心FC側信號處理流程示意圖；圖4為本發明在奈曼_皮爾遜準則下的性能曲線圖；圖5為本發明在最小錯誤概率準則下的性能曲線圖。其中圖4、5的測試條件為所有授權用戶PU到認知用戶SU和認知用戶SU到信息 融合中心FC的信噪比都相等；授權用戶PU有50%的時間處于信號發送狀態，即P(Htl)= P(H1) = 0. 5 ；各認知用戶SU的信號樣本采集長度均為K = 100 ；為了比較公平，調整式(8) 中的β以保證所有協作策略的平均發射功率相等。另外，圖4的虛警率指標為α =0.1。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述首先，建立圖1所示認知無線電協作感知系統。在此模型下，所有認知用戶SU根 據圖2的處理流程工作。容易證明，當授權用戶PU不發射信號時，第η個認知用戶SU的接 收能量tn(由式(2)給出)服從自由度為2K的中心卡方分布；而當授權用戶PU發送數據 時，&服從非中心卡方分布。引用中心極限定理，當K足夠大時，tn近似服從高斯分布，即 此處授權用戶PU到認知用戶SU η的接收功率Ps | hpn |2可通過盲信道估計技術獲 得。另外如果授權用戶PU存在訓練序列且可以被認知用戶SU感知，則認知用戶SU可根據 接收到授權用戶PU發射的訓練序列來估計出Ps|hpn|2。通過公式(23)可知，認知用戶SU η的虛警率^ffl〕(《)和漏檢率巧00…)可分別表示 為 和
(25)
其中 在頻譜感知中，漏檢會導致對授權用戶PU的干擾而虛警會導致頻譜資源沒有有 效利用。注意到式(24)、(25)中的巧㈤⑷和巧㈤⑷取決于λη，而λη又取決于檢測準則， 如發明內容部分所述，具體如下1)奈曼-皮爾遜準則如果認知用戶SU根據NP準則工作，在認知用戶SU η的 巧㈤…)滿足某給定的最大值的前提下，巧㈤…)將會被最小化。令巧㈤…)= ，則根據式 (24)可得到判決門限λ n如式(3)給出。式(25)的漏檢率可表示為 2)最小錯誤概率準則在該準則下，認知用戶SU η將最小化 在該準則下，門限λ η的最優值可通過求if駐點得到。最優門限的可行解已 由式(4)和(6)給出。值得注意的是式(6)中的λ η獨立于先驗概率P (H0)和P (H1)。將λ η代入式(24)、(25)可得 認知用戶SU通過向信息融合中心FC發送本地(硬)判決結果來完成協作。這樣 的二進制判決結果映射為BPSK符號，并通過正交信道(如使用不同的時隙)進行傳輸來避 免認知用戶SU間的干擾。信息融合中心FC將通過有效合并所有接收到的信號來獲得全局 的判決結果。第η個認知用戶SU的發射符號可表示如式(7)所示。或者認知用戶SU可以使用 通斷信號報告判決結果，也即只要Xi^ljxn= 1，否則Xn = 0。為了在信息融合中心FC 引入分集，認知用戶SU η自適應調整其發送的符號χη的發射功率Pn，由式(8)給出。其次，根據圖3所示的信息融合中心FC側處理流程，信息融合中心FC針對第η個 認知用戶SU的接收信號可表示為式(9)，全部接收信號則可由式(10)描述。將本系統視作 通信系統，可知此時最大后驗概率檢測器為最優檢測器。然而，獲得最優解的代價是要求信 息融合中心FC已知P(Htl)，P(H1)，巧㈤⑷，及巧測㈨(因此需要知道全部實時信道狀態信 息，難以實用)。為了克服這個問題，本發明中信息融合中心FC采用了如式(11)所述的最 大似然檢測器。對該最大似然檢測器的性能以下做簡要分析令Ef := {n I Xn乒-1，η = 1，L，N}表示出現虛警的認知用戶SU集合，而Em: = {η|χη^ 1, η = 1，L，N}為出現漏檢的認知用戶SU集合，Cf :=巨/和Cm :=巨^分別為其補集。 使用式(11)描述的最大似然檢測器，對給定發送矢量X，信息融合中心FC的虛警率if e)(x) 和漏檢率分別為
和 由此可以證明，平均意義下信息融合中心FC側的虛警率ife)和漏檢率可分 別表示為 和 將式⑶)中的巧^( ) = 和巧㈤⑷代入式C31)和式⑶)，并在衰落環境下平均 可證明針對奈曼_皮爾遜準則和最小錯誤概率準則的兩個結論。結論1 在奈曼-皮爾遜準則下使用本發明的協作方法，并采用式(8)的自適應發 射功率策略，在保證虛警率PjT0受限的條件下，式(32)中的漏檢率ife)的分集階數可達到 認知用戶SU的個數N，即 另外注意到雖然采樣的長度K可能影響到漏檢率和虛警率，但它并不會影響可獲 得的分集增益。將式⑶)中的巧㈤⑷和巧㈤⑷代入式(3I)和式⑶)可得到結論2。結論2 在最小錯誤概率準則下使用所提出的協作方法，并采用式(8)的自適應發 射功率策略，虛警率和漏檢率ife)的分集階數均可達到認知用戶SU的個數N，即 其中 結論1和結論2自動證明了信息融合中心FC端最優的解調規則同樣可以達到滿 分集。與其他方法相比，高分集增益的方法可使系統設計者在使用較少認知用戶的情況下 達到期望的性能要求。圖4與圖5的測試進一步表明，在本發明所設計的方法中，高性能 增益不僅在中高信噪比條件下有所保證，而且在所有實際應用可接受的SNR范圍內均可獲 得。按照
部分的測試條件，使用蒙特卡羅仿真方法對方法進行10000次以上 的獨立仿真，測試本發明在奈曼_皮爾遜準則和最小錯誤概率準則下的性能。結果如圖4 和5所示。圖4測試奈曼_皮爾遜準則下的方法性能，以信息融合中心FC的平均漏檢率和虛 警率隨SNR的變化曲線形式給出。所有認知用戶SU的虛警率限制在0.1。為了便于比較， 仿真還給出了某特定認知用戶SU的漏檢和虛警率以及現有方法中非自適應硬判決的系統 性能。如圖2所示，非協作和非自適應方法可達到的分集階數都是1。非自適應硬判決方法 比非協作方法的性能有所提高，但其分集階數仍然為1。另一方面，本文提出的自適應策略 所獲得的漏檢率的分集階數當N = 2和N = 3時分別是2和3，與結論1相符。如圖4所 示，高分集增益使得本發明的平均漏檢率顯著低于非協作以及非自適應功率調整方法。同 時，最終的平均虛警率低于任意一個給定認知用戶SU的虛警率。圖5測試在最小錯誤概率準則下的方法性能，以信息融合中心FC的平均漏檢率和 虛警率隨SNR的變化曲線形式給出。如圖5所示，對于本發明的方法，其分集階數與認知用 戶SU的個數相等，與結論2相符，而非協作和非自適應方法的分集階數都僅為1，這意味著 在中高信噪比時其性能會有所損失。例如圖5中當給定認知用戶SU的平均虛警率是10_2， N = 3時，硬判決策略的平均漏檢率和虛警率可達到10_3，而本發明的方法則可達到10_4。綜合以上圖例和分析可以看出，受益于高分集增益，無論在奈曼-皮爾遜準則還 是在最小錯誤概論準則下，本發明所采用的方法在授權用戶PU到認知用戶SU和認知用戶 SU到信息融合中心FC鏈路均為衰落信道的情況下具有良好的魯棒性，并且與現有的協作 和非協作感知策略相比，本發明可獲得顯著的性能增益。另外需要指出的是，以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步 詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式
僅限于此，本領域技術人員通過參考說明書和 附圖可以對本發明方案做出各種修改和替換，而不會背離本發明的精神和范圍。因此對這 些修改和替換都應在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種認知無線電網絡的協作頻譜感知方法，其特征在于，按照如下步驟(1)在已有授權用戶PU的網路中配置包含N個認知用戶SU和一個信息融合中心FC的認知無線電網絡；(2)認知用戶SU使用能量檢測獨立判斷授權用戶PU信號是否存在，然后將硬判決結果發送到信息融合中心FC，其發射功率根據授權用戶PU到該認知用戶SU的信道條件自適應調整；(3)信息融合中心FC則采用最大似然檢測器融合多個認知用戶SU的結果，并最終判決授權用戶PU是否正在占用頻譜。
2.如權利要求1所述一種認知無線電網絡的協作頻譜感知方法，其特征在于，所述步 驟(2)是按照如下步驟第一步獲取信號能量以Htl假設表示授權用戶PU不發送信號，發送信號則用H1假設表示，若以矢量rn表示 接收信號，則 其中s= [s(l),…，s(K)]T表示授權用戶PU所發送的信號，其平均功率Ps: = E{|s(k)|2} ;wn= [wn(l),…，wn⑷]τ，K為采樣樣本數，乂㈧ CN (O, 為加性復高斯白 噪聲，所有認知用戶SU的平均噪聲功率用σ=表示，~ CN 則是授權用戶PU到第η 個認知用戶SU的信道衰落系數，服從均值為0，方差為的復高斯分布；這里不失一股性， 假設所有認知用戶SU的平均噪聲功率相同，但是本方法亦可用于平均噪聲功率不相同的 場景；每個認知用戶SU在其檢測階段從接收信號中獲取K個采樣點，以第η個認知用戶SU 為例，利用如下能量檢測方法判定授權用戶PU是否在發送信息 其中&為檢測統計量，λ 是與之相應的檢測門限；第二步根據檢測門限判斷授權用戶PU信號是否存在；在奈曼-皮爾遜準則下，若虛 警率指標不超過= CX，則檢測門限由下式給出 這里Q—H ·)表示高斯尾函數Q( ·)的逆函數；在最小錯誤概率準則下，檢測門限由下 式給出 其中‘ :=P, I Kn I2 ΙσΙ (PX表示PU發射功率)為第η個認知用戶SU的接收信噪比，且 其中P (H0)和P (H1)分別是事件H0和H1的先驗概率； 當Y pn和K都較大時，可行解將只有一個，此時門限的近似表示式 (6)第三步調制信號根據第一步、第二步完成檢測后，認知用戶SU將判斷結果映射為 BPSK調制信號，即 注意此處若使用通斷(on-off)信號，即當tn< λ n時設置Xn = 0，同樣也屬于本方法 所涉及的內容；第四步各認知用戶SU使用正交信道發射調制后的信號；發射功率作如下自適應調整 (8)其中β是常數，用于限定各認知用戶SU的最大發射功率；hpn表示PU至SU η的信道 系數；^^ 則代表認知用戶SU η到信息融合中心FC的平均信道增益。
3.如權利要求1所述一種認知無線電網絡的協作頻譜感知方法，其特征在于，所述步 驟(3)是按照如下步驟第一步接收信號用~ ~ CN (Ο,σ^)表示授權用戶PU和認知用戶SU η間的信道衰落 系數， ~CN 裱示信息融合中心FC端的加性高斯白噪聲，則接收到的第η個認知用 戶SU發出的信號為 (9)用矢量y:= Ly1,…，yn]T表示從所有認知用戶SU接收到的信號，則將全部接收信號 可表示為 (10)其中巧=&+%([#，^，…，A])為認知用戶SU發射功率，Hf = diag([hfl, hf2，…，hj)為認知用戶SU與信息融合中心FC之間的信道系數；χ = [xi;x2, -,xN]是調制信號， Wf = [wfl, Wf2，…，WfJ為接收機噪聲；第二步最大似然檢測信息融合中心FC采用的最大似然檢測器描述如下 (11)其中In表示N維全1列向量；第三步輸出判決結果對應第二步檢測器的輸出結果，若Z= In，則判決結果為氏，即 存在授權用戶PU信號；反之如果χ* = -1Ν，則判決結果為Htl，即頻譜對認知用戶可用。
全文摘要
本發明公開了一種認知無線電網絡的協作頻譜感知方法，按照如下步驟(1)在已有授權用戶PU的網絡中配置包含N個認知用戶SU和一個信息融合中心FC的認知無線電網絡；(2)認知用戶SU使用能量檢測獨立判斷授權用戶PU信號是否存在，然后將二進制硬判決結果發送到信息融合中心FC，其發射功率根據授權用戶PU到該認知用戶SU的信道條件自適應調整；(3)信息融合中心FC則采用最大似然檢測器融合多個認知用戶SU的結果，并最終判決授權用戶PU是否正在占用頻譜。本方法不需要認知用戶SU發送軟信息，認知用戶SU可獨立處理而無需相互交換信息，信息融合中心FC端檢測器結構簡單，易于實現；同時本發明方法具有通信開銷小、分集增益高、虛警率和漏檢率低等優良性能，具有較高的實用價值。
文檔編號H04B1/707GK101867424SQ20101021012
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月25日 優先權日2010年6月25日
發明者廖學文, 張國梅, 惠鏸, 朱世華, 李國兵 申請人:西安交通大學