基于信道保持时间的频谱检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于信道保持时间的频谱检测方法，包括：步骤一：使用泊松帕累托过程的时间模型，还原一个Web应用程序和加性高斯白噪声过程，由能量的检测概率计算出检测概率；步骤二：在时间和噪声统计的基础上，推导出主用户的检测时间δt：步骤三：在吞吐量达到目标吞吐量的前提下，对检测时间δt进行优化，使其达到最小。本发明专利技术的基于信道保持时间的频谱检测方法通过优化检测时间来最大化认知用户吞吐量，节约认知无线电的能源；还利用检测概率的表达式，总结出一个当要求得到90％检测主用户的概率时的所需最小检测时间表达式，由此能够通过优化检测时间，使认知无线电网络的性能得到显著改善。

A spectrum detection method based on channel retention time

The invention discloses a channel to maintain spectrum detection method based on time includes the following steps: time model using the Poisson Pareto process, reduction of a Web application and added Gauss white noise process, the detection probability of energy to calculate the probability of detection; step two: Based on time and noise statistics. Is the primary user detection time 8 T: step three: the prerequisite to achieve target throughput in throughput, the detection time of delta T is optimized, achieving the minimum. To maximize the throughput by optimizing the detection time spectrum detection method based on the invention of the channel holding time, saving energy of cognitive radio; the expressions of detection probability, the minimum time required to detect expression summed up as a requirement to get the 90% primary user detection probability, which can be optimized by testing time the performance of the cognitive radio network has been significantly improved.

【技术实现步骤摘要】
基于信道保持时间的频谱检测方法
本专利技术属于认知无线电
，具体涉及一种基于信道保持时间的频谱检测方法。
技术介绍
无线电频谱是一种有限的自然资源，无线通信的广泛使用导致频谱的稀缺，使频谱日益拥挤，同时人们发现很多已经分配的静态频谱被无效利用或者并未得到充分利用，造成频谱资源浪费。传统的频谱管理方法不灵活，很难在持有无线运营商许可证的特定频段内找到空闲的频带。在这种情况下，我们需要一个改进的频谱利用率，这将为动态频谱接入(DSA)创造机会。其中，一个可能的解决方案是使用“认知无线电”技术。传统方法是采用假设检验的方法，检测频带是否被占用。主要的频谱检测技术有能量检测、循环平稳检测和匹配滤波器检测，许多技术提出的混合算法，能够得到比单一技术获得更好的结果。不过，这些方法存在不足。首先，在认知无线电系统中，持续感知频谱是不现实的，因为它会占用所有的接收器资源，而没有空间发送接收数据，造成资源的浪费。其次，能量检测在低信噪比下不能工作，无法区分用户；循环平稳检测和匹配滤波器检测都需要主用户的部分信息，计算成本高。最后，这些方法虽然能够完成一定意义上的频谱检测，但是，未能完成在优化检测时间的基础上提高认知用户吞吐量的任务，更没有提升认知无线网络性能。在认知无线电系统中，持续检测频谱是不现实的，因为它会占用所有的接收器资源；因此，定期进行检测被认为是最佳的方法。认知无线电节点无法检测出主用户环境，但认知无线电可以根据主用户的频谱占用特性来检测主用户，换句话说，如果主用户检测时间δt超过检测持续时间Tw传输，则认知无线电只检测主用户。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于信道保持时间的频谱检测方法，利用泊松帕累托过程的时间统计模型和基于人类行为的粒子群优化算法，完成频谱检测时间优化，实现认知无线电的频谱感知。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：基于信道保持时间的频谱检测方法，包括：步骤一：使用泊松帕累托过程的时间模型，还原一个Web应用程序和加性高斯白噪声过程，由能量的检测概率计算出检测概率；步骤二：在时间和噪声统计的基础上，推导出主用户的检测时间δt：其中，λ为到达率；QN是IN-1(.)的一种4阶修正贝塞尔函数的广义马坎Q函数；N为时间带宽的乘积；ρ为信噪比；μ为阈值；PF为虚警概率；PD为检测概率；TW为持续时间；τ为信道保持时间；步骤三：在吞吐量达到目标吞吐量的前提下，对检测时间δt进行优化，使其达到最小：其中，是主用户的目标吞吐量。优选的是，所述步骤二还包括：分别在噪声存在和不存在的环境下分析检测概率，得出信道保持时间显著影响系统性能。优选的是，利用基于人类行为的粒子群优化算法对检测时间δt进行优化。优选的是，所述检测概率PD为：其中，PD”为封闭形式的检测概率。优选的是，所述虚警概率PF为：PF＝Γ(N,μ/2)其中，Γ(a,b)是上不完全伽玛函数。优选的是，所述QN为：其中QN是(N-1)阶修正贝塞尔函数的广义马坎Q函数。本专利技术的有益效果是：1、在有噪声和无噪声两种环境下，分别准确计算信道保持时间内的PD、Pf、Pm，即为检测概率、虚警概率和漏检概率。2、利用泊松帕累托(PPBP)模型，本专利技术能够准确计算频段在任意持续时间Tw的占用概率P0、检测概率PD’、平均检测概率PD”、虚警概率PF和重写的检测概率PD，由此来完成分析频谱检测中信道保持时间影响的任务。3、本专利技术通过优化检测时间来最大化认知用户吞吐量，允许认知无线电节约能源。4、本专利技术还利用检测概率的表达式，总结出保证以90％概率检测主用户时所需最小检测时间的表达式，由此能够通过优化检测时间，使认知无线电网络的性能得到显著改善。附图说明图1是空白频谱和占用频谱示意图。图2是认知无线电检测过程示意图。图3是认知无线电周期检测示意图。图4在无噪声情况下对于不同信道恒定保持时间的检测概率的分析图。图5在无噪声情况下对于不同信道随机保持时间的检测概率的分析图。图6是存在噪声情况下检测时间为0.1s时，虚警概率和漏检概率之间的关系图。图7是存在噪声情况下检测时间为0.4s时，虚警概率和漏检概率之间的关系图。图8是检测时间与认知用户吞吐量之间关系图。图9为迭代次数与感知时间的关系图。图10为迭代次数与感知时间的关系图。图11为迭代次数与感知时间的关系图。图12为迭代次数与感知时间的关系图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术的基于信道保持时间的频谱检测方法的定义为：在信道保持内有效检测主用户是否占用频谱的方法。方法原理为：依托基于泊松到达过程的主用户占用模型，在尽可能短的感知时间内对主用户进行有效的检测。在这里，本专利技术的频谱占用模型为基于信道保持时间为帕累托分布的泊松到达过程模型，该方法能够将主用户占用的时间谱建模成泊松到达过程与帕累托分布保持时间的结合，占用的模型称为泊松帕累托模型(PPBP)，它描述了一个典型的Web服务。下面介绍泊松到达模型和帕累托分布保持时间模型：泊松到达模型描述了一个指数分布到达时间为Δi，平均到达率为λ的Web服务：λ＝1/Δm(1)其中，Δm为期望值；我们认为下面是泊松模型的公理。N(t)∈N为时间t的到达数，则·公理1：在时间t＝0时，主用户没有占用频谱。·公理2：N(t)的增量独立性与平稳性。也就是说，如果J1＝N(t2)-N(t1)和J2＝N(t4)-N(t3)fort1＜t2＜t3＜t4，那么，J1和J2是独立的。此外，如果t4-t3＝t2-t1，则J1和J2具有相同的统计特性。基于泊松到达模型的n到达概率公式为：帕累托随机保持时间，主用户随机保持时间τi是一个帕累托分布模型。帕累托随机过程的累积函数为τi≥τmin，τmin∈R+是最小包长度，k＞0是描述占用级别的参数。本专利技术之基于信道保持时间的频谱检测方法，包括以下步骤：步骤一：使用泊松帕累托过程的时间模型，还原一个Web应用程序和加性高斯白噪声过程，由能量的检测概率计算出检测概率表达式；对信道特性及其检测性能进行分析。首先假定主用户占用信道的模型为泊松达到过程，信道保持时间为τ＝τi。H0和H1分别代表不存在和存在的主用户。由认知无线电做出的假想的结论是：1.1、频谱的占用概率P0定义为：在时间T秒内，检测到至少一个主用户传输的概率，其表达式为：联合表达式(5)和表达式(2)，可以得到一个封闭形式的频谱的占用概率P0表达式：P0(T)＝1-P[N(t)＝0]＝1-exp(-λT)(6)此表达式可用于对(T＝Tw)计算占用概率。1.2、检测概率是指在检测时间Tw内CR节点检测到主用户的概率，定义为在传输时隙t1m-τ≤t≤t2m内第m次检测时至少检测到一次主用户传输的概率。检测概率Pd的表达式为：Pd＝P[N(t2m)-N(t1m)]≥1(7)利用公理2的独立性和平稳性，可以重写Pd为：t2m-(t1m-τ)＝t2m-t1m+τ＝δt+τ(8)N(t2m)-N(t1m-τ)＝N(δt+τ)-N(0)＝N(δt+τ)(9)Pd＝P[N(t2m)-N(t1m-τ)≥1]＝P[N(δt+τ)≥1](10)Pd＝P[N(δT+τ)≥1](11)根据公式(6)时间T内的频谱的占用概率公式，检测概率应为时本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于信道保持时间的频谱检测方法，其特征在于，包括：步骤一：使用泊松帕累托过程的时间模型，还原一个Web应用程序和加性高斯白噪声过程，由能量的检测概率计算出检测概率；步骤二：在时间和噪声统计的基础上，推导出主用户的检测时间δt：

【技术特征摘要】
1.基于信道保持时间的频谱检测方法，其特征在于，包括：步骤一：使用泊松帕累托过程的时间模型，还原一个Web应用程序和加性高斯白噪声过程，由能量的检测概率计算出检测概率；步骤二：在时间和噪声统计的基础上，推导出主用户的检测时间δt：其中，λ为到达率；QN是IN-1(.)的一种4阶修正贝塞尔函数的广义马坎Q函数；N为时间带宽的乘积；ρ为信噪比；μ为阈值；PF为虚警概率；PD为检测概率；TW为持续时间；τ为信道保持时间；步骤三：在吞吐量达到目标吞吐量的前提下，对检测时间δt进行优化，使其达到最小：

【专利技术属性】
技术研发人员：白雪梅，马努尔，耿小飞，彭金歌，王志军，张晨洁，胡汉平，郭滨，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22