一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法技术

本发明专利技术涉及认知无线网络的协作频谱感知技术，具体地说它是一种面向认知无线电网络的频域协作频谱感知方法。本发明专利技术包括以下步骤：单认知用户进行能量检测和本地决策；单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心；融合中心对单认知用户的感知结果进行载波级融合；融合中心对多认知用户的感知结果进行用户级融合；认知无线网络根据融合中心的感知结果进行动态频谱接入决策。本发明专利技术中各CRU采用OFDM子载波二进制幅值调制方法向FC汇报本地感知结果，实现了时域上多用户的并行传输，显著减少了协作频谱感知的报告时延。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及认知无线网络的协作频谱感知技术，具体地说它是一种面向认知无线电网络的频域协作频谱感知方法。
技术介绍
由于无线通信技术的快速发展和无线设备的层出不穷，无线电频谱资源在当前已经面临了严重的短缺和拥塞问题。根据美国FCC的报告显示，大量已分配授权频段的频谱利用率均处于极低水平。因此，认知无线电技术应运而生，被认为是解决由于传统的静态频谱划分所造成的上述问题的有效途径。认知无线电通过准确的频谱感知，可以检测到主用户(PrimaryUser，PU)的活动情况，当PU不占用授权信道时，实现认知用户(CognitiveRadioUser，CRU)的机会式频谱接入，从而提高频谱的利用率；当PU出现在授权信道时，CRU迅速从授权信道退出，避免对PU造成干扰。因此，准确且快速的频谱感知技术是实现认知无线网络动态频谱接入的前提。现有的频谱感知技术主要包括能量感知，循环特征检测，匹配滤波等，这些感知技术具有不同的应用特点和背景，属于单用户的感知技术。然而，在无线通信的过程中，不可避免地存在多径衰落，阴影和隐藏终端等问题，单用户的频谱感知往往不能达到理想的频谱感知性能，容易对PU造成一定干扰。利用空间上分散的CRU进行协作频谱感知是一种提升频谱感知性能的有效途径。传统认知无线网络的协作感知工作方式是：首先由单个CRU进行本地的频谱感知，可采用的感知方法包括能量感知，匹配滤波等；然后协作的CRU将感知结果通过控制信道发送给融合中心(FusionCenter，FC)，FC对多个CRU的感知结果进行全局融合，判断PU是否占用当前信道；最后，认知无线网络根据FC广播的决策结果选择是否接入或退出当前PU信道。FC进行决策融合的方式主要包括软融合和硬融合两种方式。其中，软融合要求各CRU发送原始采样数据，具有准确性高的特点，但是网络开销较大；而硬融合仅要求各CRU发送1bit的本地判决结果即可，相比之下网络开销较小，但是准确性有限。理论上，参与协作感知的CRU数量越多，协作感知的准确性越高，对PU的保护性越强，相应信道的频带利用率也越高；但是，由于现有的认知无线网络中，CRU均采用TDMA的通信方式向FC汇报本地决策。这样，认知用户越多，报告感知结果的时延也就越大，导致用户进行数据传输的时间也就越少，吞吐量越低。
技术实现思路
针对传统认知无线网络协作频谱感知的汇报时间过长(特别是参与合作的CRU数量较多时)导致网络吞吐量降低的问题，本专利技术要解决的技术问题是提供一种面向认知无线电网络的频域协作频谱感知方法，适用于采用OFDM物理层的认知无线网络，可以实现协作频谱感知过程从时域到频域的转变。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，包括以下步骤：单认知用户进行能量检测和本地决策；单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心；融合中心对单认知用户的感知结果进行载波级融合；融合中心对多认知用户的感知结果进行用户级融合；认知无线网络根据融合中心的感知结果进行动态频谱接入决策。所述单认知用户进行能量检测和本地决策的过程为：每个认知用户均配备能量检测器，收集授权信道上的信号能量信息；根据二元假设检验模型，每个认知用户做出关于当前授权信道是否可用的本地决策：如果认知用户所收集的信号能量值大于事先设定的能量感知阈值，则认知用户判定当前授权信道不可用；否则，认知用户判定当前授权信道可用。所述二元假设检验模型为：H0:yi(n)=ui(n)H1:yi(n)=his(n)+ui(n),n=1,2,...,Ni---(1)]]>其中，Ni＝τsfs表示信号能量检测器所采集的样本数，τs表示采样时间，fs表示奈奎斯特采样频率，满足条件fs≥2W，W表示待检测授权信道的带宽，H0和H1分别表示当前授权信道上PU不存在和存在的情形，ui(n)表示背景噪声，s(n)表示主用户信号，hi表示从PU到认知用户i的信道增益。所述认知用户所收集的信号能量为：Ti(yi)=1NiΣn=1Ni|yi(n)|2]]>其中，yi(n)为认知用户收集的信号，Ti(yi)为信号yi(n)的能量，Ni为信号能量检测器所采集的样本数。所述单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心的过程为：参与协作感知的各认知用户将本地感知结果进行二进制幅度调制，然后通过所分配到的OFDM子载波并行发送给融合中心；所述二进制幅度调制中，本地决策“1”对应幅值为1的子载波，本地决策“0”对应幅值为0的子载波。所述各认知用户所使用的子载波集合由融合中心集中分配，分配原则为：子载波的选取只采用OFDM系统的奇数或偶数子载波序列。所述融合中心对单认知用户的感知结果进行载波级融合的过程为：融合中心对已分配的OFDM子载波逐一检测，得到每个子载波所代表的本地决策结果；对从属于同一个载波集的子载波进行载波级融合，从而获得单认知用户的感知结果；所述载波级融合采用Ks-out-of-N的硬融合准则，即当传输本地感知结果的N个子载波中，有至少Ks个子载波显示该认知用户的感知结果为1时，判定该认知用户的载波级融合结果为1；否则，该认知用户的载波级融合结果为0；所述Ks为载波级融合的阈值。所述融合中心对多认知用户的感知结果进行用户级融合的过程为：融合中心在完成载波级融合结果后，获得了各认知用户的感知结果；基于多个认知用户的感知结果，融合中心可以进一步完成用户级融合，即全局融合；所述用户级融合采用K-out-of-N的硬决策融合，即认知无线网络中的M个认知用户中，如果有至少K个用户的感知结果为1，则判定全局感知结果为1，即当前的授权信道可用；否则，判定全局感知结果为0，即当前的授权信道不可用；所述K为用户级融合的阈值。所述认知无线网络根据融合中心的感知结果进行动态频谱接入决策的过程为：融合中心完成载波级和用户级的两级融合后，获得了全局感知结果；当全局感知结果显示当前信道被主用户占用时，认知无线网络选择不接入该信道，在认知无线网络占用了该授权信道的情况下立即撤出当前信道，以确保主用户不受干扰；当全局感知结果显示当前信道未被主用户占用时，认知无线网络接入该信道。本专利技术具有以下优点及有益效果：1.本专利技术中多个CRU采用OFDM系统的正交子载波并行发送本地感知结果，极大减少了协作过程中的汇报时间。2.由于每个CRU采用多个正交子载波并行发送本地感知结果，FC采用载波级和用户级的两级融合决策，有效提高了协作频谱感知的准确性。3.各CRU采用OFDM子载波二进制幅值调制方法向FC汇报本地感知结果，实现了时域上多用户的并行传输，显著减少了协作频谱感知的报告时延。附图说明图1协作频谱感知示意图；图2控制信道子载波示意图；图3认知用户子载波分配策略示意图；图4协作感知两级融合示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤：单认知用户进行能量检测和本地决策；单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心；融合中心对单认知用户的感知结果进行载波级融合；融合中心对多认知用户的感知结果进行用户级融合；认知无线网络根据融合中心的感知结果进行动态频谱接入决策。

【技术特征摘要】
1.一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其特征在于，包括以下步
骤：
单认知用户进行能量检测和本地决策；
单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心；
融合中心对单认知用户的感知结果进行载波级融合；
融合中心对多认知用户的感知结果进行用户级融合；
认知无线网络根据融合中心的感知结果进行动态频谱接入决策。
2.根据权利要求1所述的一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其
特征在于，所述单认知用户进行能量检测和本地决策的过程为：
每个认知用户均配备能量检测器，收集授权信道上的信号能量信息；
根据二元假设检验模型，每个认知用户做出关于当前授权信道是否可用的
本地决策：如果认知用户所收集的信号能量值大于事先设定的能量感知阈值，
则认知用户判定当前授权信道不可用；否则，认知用户判定当前授权信道可用。
3.根据权利要求2所述的一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其
特征在于，所述二元假设检验模型为：
H0:yi(n)=ui(n)H1:yi(n)=his(n)+ui(n),n=1,2,...,Ni---(1)]]>其中，Ni＝τsfs表示信号能量检测器所采集的样本数，τs表示采样时间，fs表示奈
奎斯特采样频率，满足条件fs≥2W，W表示待检测授权信道的带宽，H0和H1分别表示当前授权信道上PU不存在和存在的情形，ui(n)表示背景噪声，s(n)
表示主用户信号，hi表示从PU到认知用户i的信道增益。
4.根据权利要求2所述的一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其
特征在于，所述认知用户所收集的信号能量为：
Ti(yi)=1NiΣn=1Ni|yi(n)|2]]>其中，yi(n)为认知用户收集的信号，Ti(yi)为信号yi(n)的能量，Ni为信号能量检测

\t器所采集的样本数。
5.根据权利要求1所述的一种面向认知无线网络的频域协作频谱感知方法，其
特征在于，所述单认知用户将感知结果通过OFDM载波并行传输给融合中心的
过程为：参与协作感知的各认知用户将本地感知结果进行二进制幅度调制，然
后通过所分配到的OFDM子载波并行发送给融合中心；所述二进制幅度调...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁炜，郑萌，许驰，张晓玲，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21