專利名稱：一種自適應門限的能量檢測方法
技術領域：
本發明涉及無線通訊領域，特別涉及一種自適應門限的能量檢測方法。
背景技術：
隨著無線通信技術與網絡的飛速發展，無線用戶的數量急劇增加，通過無線網絡接入的業務形式日趨多樣化，并對系統提出了越來越高的帶寬要求，使得頻譜資源變得非常緊張。另外，隨著無線網絡寬帶化及數據、業務、網絡IP化與一體化的逐步演進，人們對帶寬和頻譜的利用率提出了越來越高的要求。而認知無線電，就是用于解決這種頻譜使用不均衡，頻譜利用率不高等問題的非常具有潛力的技術手段。目前，認知無線電的一個典型應用就是機會頻譜接入，其核心思想是通過無線通信設備對通信環境的認知，進而按照某種“伺機”的方式，在空域、時域、和頻域中實時地去發現授權頻段上出現的可以被利用的頻譜機會，即“頻譜空穴”，并合理的利用。當未授權用戶(kcondary User, SU)通過這種“借用”的方式使用已授權用戶(Primary User, PU)的頻譜資源時，必須保證其通信過程不會影響到PU的通信，或對PU的干擾被控制在某個特定的范圍之內。頻譜檢測指的是認知無線電設備在特定的時間、特定的區域上感知并分析無線通信環境中的頻段使用情況的能力，其目的是為了找出適合通信的“頻譜空穴”，使得認知無線電系統能夠在不影響已有通信系統的前提下有效地進行工作。現有的頻譜檢測方法有能量檢測(H. Urkowitz, "Energy detection of unknown deterministic signals,，，Proceedings of IEEE, vol. 55, pp. 523-531, April 1967 ；F. F. Digham, M. -S. Alouini and M.K. Simon, "On the energy detection of unknow signals over fading channels, ” IEEE Trans. Commun, vol. 55, no. 1，pp. 3575-3579，Jan. 2007)、匹配濾波器檢測(S. Μ. Kay, Fundamental of Statistical Signal Processing :Dection Theory. New Jersey =Prentice Hall, 1998)和循環平穩特征檢測(S. Enserink and D. Cochran, "A cycolstationary feature detector," in Proc. 28thAsilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Monterey, CA, Oct. 1994，pp. 806-810)等。后兩種方法檢測方法需要知道當前頻段PU的先驗知識，同時其實現復雜度及成本較高，檢測時間也較長。因此， 頻譜檢測一般是在SU的發送端通過能量檢測與判決來完成。通過對所觀察的頻段內的無線信號進行測量及能量計算，并與特定的門限值進行比較，從而判決是否出現了符合通信要求的“頻譜空穴”。頻譜檢測的性能決定了 SU能否有效地抓住頻譜機會來實現高效的數據傳輸，以及能否比較準確地判定射頻信號碰撞事件，使SU在PU出現的情況下能夠盡快主動退避，避免過多地影響PU的通信，值的注意的是，頻譜檢測技術不僅僅在“頻譜空穴” 的搜尋和判定中起到關鍵作用，還在頻譜使用狀態的監測與統計等方面發揮至關重要的作用。通過無線頻譜的監測，可以搜集無線環境的統計資料，為高層的頻譜管理提供輔助，并為SU的通信提供必要的參數支持。自適應頻譜檢測強調的是提高頻譜檢測機制的智能化和對無線通信環境變化的自適應能力。現有的基于能量判決的頻譜檢測方法(W-Y. Lee and I. F. Akyildiz,“Optimal spectrum sensing framework for cognitive radio networks,，，IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，vol.7，no. 10，pp.3845—3857 ； H. Su and X. Zhang，” Energy-efficient spectrum sensing for cognitive radio networks, ” IEEE ICC 2010.)通常釆用固定的能量判決門限(其中，在H. Su and X. Zhang, "Energy-efficient spectrum sensing for cognitive radio networks，，，IEEE ICC 2010提到一種采用雙門限的方法。)。門限值的選取一般是在滿足對PU的干擾限制的條件下，通過優化SU的頻譜利用機會或傳輸容量等得出。在認知無線電系統運行過程中， 能量判決門限值難以自適應地根據無線信道參數的實時變化進行在線調整。一些研究人員考慮為SU提供一定的統計服務質量的手段，其中，文獻Q. Du and X. Zhang，"Queue-aware spectrum sensing for interference-constrained transmissions in cognitive radio networks, "in Proc. IEEE ICC 2010 假設 SU 發送端有一個數據緩存器隊列(Queue)，統計服務質量可以通過控制隊列的占用率來保證。其實現方法是根據隊列的占用率來動態、實時地調整能量判決門限的取值，使得隊列占用率較高的時候SU能進行更積極的數據傳輸(以減少隊列占用率)。該方法突破了以往采用固定門限的框架，但忽略了無限信道參數的實時變化對SU數據傳輸所造成的影響。事實上，由于 SU系統內部在收發兩端之間存在一定的協議和反饋機制，SU接收端實時檢測到的SOTR(信噪比)可以反饋到發送端。目前的能量判決門限的取值不能根據SOTR進行動態調整，嚴重影響了信號感知和檢測的準確性。由于能量檢測器具有實現簡單、無需預先知道PU的信號特征與調制方式信息等優勢，目前認知無線電中的頻譜檢測大多采用能量檢測判決機制。信號首先通過一個帶通濾波器濾除帶外噪聲，然后通過平方和積分器計算總能量Y，最后與一個能量判決門限值 I進行比較，以判斷兩種可能的情況=Htl和H1，其中Htl代表PU未占用頻譜，而Hl代表PU正在使用頻譜。如果Y < ξ，能量檢測的結果為Htl ；反之，為氏。在譜交織模式(SU只在PU的空閑期工作)下，通常SU只能在判決結果為Htl的時候才能傳輸數據。在文獻F.F.Digham， Μ.-S. Alouini and Μ. K. Simon，“On the energy detection of unknow signals over fading channels,，，IEEE Trans. Commun, vol. 55, no. 1，pp. 3575-3579, Jan. 2007 中提至lj， Y在Htl和H1兩個假設下均服從卡方分布。由于SU接收到能量是一個隨機卡方分布，當PU 實際上在使用頻譜時，SU檢測到的能量有可能Y < ξ，并錯誤地得出Htl的判決結果；于是，
SU開始使用頻譜，并對PU的通信造成干擾。這個概率《(ξ^Ρι·{τ< 定義為漏檢概率。
相對應的，檢測概率《(ξ)=PrJi^ ξ|《j代表頻譜被PU占用的狀態能夠正確地被SU能量檢測器檢測出來。另外，在PU未占用頻譜資源的情況下，SU能量檢測器也可能產生誤警，相應的概率定義為誤警概率戶/&^ 1"{/^€|#。；!。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中所存在的上述不足，提供一種自適應門限的能量檢測方法，動態調整能量判決門限的值，以提高認知無線電用戶的智能化水平，使得SU 的平均數據傳輸速率達到最大。本發明的另一目的是將漏檢概率Ρω( ξ)的平均值限定在一個預設的概率門限范圍^之內，減小誤警概率Pf ( ξ )，并且保證不對PU造成過度干擾。為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案一種自適應門限的能量檢測方法，該能量檢測方法先實現離線能量判決門限的決策函數的參數計算方案，再實現在線能量判決門限判決方案；所述離線能量判決門限的決策函數的參數計算方案包括以下步驟步驟1 建立能量判決門限的決策函數；步驟2 計算SU發送端的平均數據傳輸速率萬；步驟3 在滿足限制條件下將i進行優化；步驟4 通過優化工具計算出決策函數的參數；所述在線能量判決門限判決方案包括以下步驟步驟5 =SU發射端實時獲取SU接收端的信噪比Y反饋；步驟6 :SU發射端根據已經計算出的決策函數的最優參數，由決策函數確定當前的判決門限；步驟7 :SU發射端將檢測到的信號能量值Y與門限ξ作比較，如果Υ< ξ，那么判決為H0,即判決PU沒有工作；否則判決為Η1，即判決PU正在工作。根據本發明的實施例，上述步驟1中所述能量判決門限的決策函數為
# + Αγ》maXf^j,其中Y為SU接收端反饋到SU發送端的SOTR(信噪比)，ξ ^ 0,其他
為能量判決門限，k、b為待確定能量判決門限的決策函數的參數，是未知數。根據本發明的實施例，上述步驟2中所述SU發送端的平均數據傳輸速率i為
權利要求
1.一種自適應門限的能量檢測方法，其特征在于，該能量檢測方法先實現離線能量判決門限的決策函數的參數計算方案，再實現在線能量判決門限判決方案；所述離線能量判決門限的決策函數的參數計算方案包括以下步驟步驟1 建立能量判決門限的決策函數；步驟2 計算SU (從用戶)發送端的平均數據傳輸速率Z ；步驟3 在滿足限制條件下將i進行優化；步驟4 通過優化工具計算出決策函數的參數；所述在線能量判決門限判決方案包括以下步驟步驟5 :SU發射端實時獲取SU接收端的信噪比γ反饋；步驟6 :SU發射端根據已經計算出的決策函數的最優參數，由決策函數確定當前的判決門限；步驟7 :SU發射端將檢測到的信號能量值Y與能量判決門限ξ作比較，如果Υ< ξ, 那么判決為Η。，即判決PU(主用戶)沒有工作(即不傳輸數據)；否則判決為H1,即判決PU 正在工作(即傳輸數據)。
2.根據權利要求1所述的自適應門限的能量檢測方法，其特征在于，步驟1中所述能量判決門限的決策函數為
3.根據權利要求1所述的自適應門限的能量檢測方法，其特征在于，步驟2中所述SU發送端的平均數據傳輸速率i為
4.根據權利要求1所述的自適應門限的能量檢測方法，其特征在于，所述計算SU發送端的平均數據傳輸速率Z的方法是假設系統的帶寬為B，根據香農公式，SU的數據傳輸速率R可表示為
5.根據權利要求1所述的自適應門限的能量檢測方法，其特征在于，步驟3中所述限制條件為么，其中、為H1條件下SU接收端反饋到SU發送端的信噪比，為時的能量判決門限，T^fe(YiJ)為條件下的漏檢概率， \為預設的漏檢概率Pm(I)平均值的概率門限，/#(7%)是條件下的概率密度函數，ΦΜ^))]表示求))的均值。
6.根據權利要求1所述的自適應門限的能量檢測方法，其特征在于，步驟3所述滿足限制條件下將^進行優化包括以下步驟S31 將SU發送端的平均數據傳輸速率公式^ = ^o + 'Rh1 = ^x 4og2 (l + Y^0 )Pr K )(l - ^/(ξ))]+ ^x 4og2 (l + Ih1 ΥΜ] 演變成{Pr{HQ}E[log2(l” Jl-Pf (ξ(γΗ。)))]+PrIH1Hlog2 (l”H>mfe(YHJ 進入步驟S32 ；S32 結合瑞利衰落信道下的誤警概率和檢測概率Μ-21m!2V^y.M-\ 7ps Je p —e 2-7PS J J的概率密度函數A。(rJ=/U=亡^^v。20 ,L1的概率密度函數—IafHl (Υπ, ) = f0 4 (YHlt)fpr (t-l)tdt =e ^ - U (t + l)dt =Ysr Ypr+ -Ysr YpryPr Yh. +Ysr (Ypr Yhi +Ysr)—lae ,優化問題轉化為最大化
7.根據權利要求1-6之一所述的自適應門限的能量檢測方法，其特征在于，SU發送端基于自適應門限能量檢測方法進行頻譜檢測的流程是A.帶通濾波器(BPF)濾除帶外噪聲；B.平方器和積分器計算采樣信號所在檢測的時間及頻譜范圍內的總能量Y(假設信號在進入能量檢測器之前就已經被采樣)；C.將檢測到的信號能量值Y與能量判決門限ξ作比較，如果采樣到的信號的總能量 Y小于能量判決門限€，即￥< ξ，則SU發送端的能量檢測器得出HO的判決結果，即判斷 PU沒有工作，并利用當前時隙內頻譜機會發送數據；如果Y > ξ，則SU發送端的能量檢測器得出Hl的判決結果，即PU在工作，SU不能在當前時隙內發送數據。
全文摘要
本發明公開了一種自適應門限的能量檢測方法，該能量檢測方法先實現離線能量判決門限的決策函數的參數計算方案，再實現在線能量判決門限判決方案。本發明的自適應門限的能量檢測方法，通過離線建立能量判決門限決策函數，根據不同信噪比動態地調整能量判決門限的值，然后在線進行判決，提高了認知無線電用戶的智能化水平；減小了誤警概率Pf(ξ)，使得SU的平均數據傳輸速率達到最大；減少了運行過程中所需要的能量開銷；將漏檢概率Pm(ξ)的平均值限定在一個預設的概率門限范圍之內，保證了不對PU造成過度干擾。
文檔編號H04B17/00GK102324992SQ20111033691
公開日2012年1月18日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者凌翔, 吳斌, 潘莉麗, 鮑志強 申請人:電子科技大學