认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法技术

本发明专利技术涉及认知无线电网络频谱优化领域，提供认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知；决定参与感知的次用户进行频谱感知，获得本地感知结果，并根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心；融合中心根据判决准则做出主用户是否占用信道的决策；次用户根据判决结果和可能获得的吞吐量决定是否接入信道；当参与感知的次用户比例增长率和接入次用户比例增长率都趋于稳定时，获得参与感知的次用户比例和接入的次用户比例；本发明专利技术基于演化博弈，将频谱感知和接入二者联合起来，动态地调整次用户感知和接入的比例，最终达到均衡状态，优化系统性能。

【技术实现步骤摘要】
认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法
本专利技术涉及认知无线电网络频谱优化领域，特别涉及认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法。
技术介绍
随着无线通信的发展和用户需求的提高，有效使用频谱资源变得极为重要。目前通常的频谱管理方式是即使主用户(PrimaryUser，简称PU)未使用授权频段时，次用户(SecondaryUser,简称SU)也不能使用该频段，这种情况极大地降低了频谱的利用率。为了解决这个矛盾，人们提出了认知无线电(CognitiveRadio，简称CR)技术,次用户通过频谱感知手段感知到空闲的频段，在不影响主用户通信的前提下充分利用频谱资源。感知完成后，次用户将感知的结果发送给融合中心(FusionCenter,简称FC)，FC通过某一判决准则做出主用户是否存在的判决，次用户最终决定是否接入信道。在频谱感知过程中，单个次用户的频谱感知常常存在阴影效应、多径衰落和隐藏终端而使检测性能较差的问题，为了克服此问题，基于多个次用户的协作频谱感知技术相应被提出。但是，现有的多个次用户的协作频谱感知技术都是基于所有次用户首先利用相同的本地感知时间完成感知，然后依时分复用的方式将感知结果上传至融合中心，且当一个次用户上传感知结果时，其他次用户不做任何操作，直到轮到其上传时才执行上传，FC最后依据某一判决准则做出主用户是否占用信道的全局判决结果。可以发现，这样的协作频谱感知方式存在以下问题：1)当一个次用户上传感知结果时，其他次用户不做任何操作，直到轮到其上传时才执行上传，导致很多上传时隙的浪费。2)当感知的次用户数达到一定数量时，便可以获得较低的虚警概率，而超过此数量的次用户参与感知时，会导致很多能量的浪费；3)在接入阶段，当太多的次用户接入信道，使得信道变得非常拥挤，导致较低的吞吐量。尽管许多频谱感知方法和动态接入算法已经被提出以提高次用户使用主用户的频谱资源的机会，但是目前基于现有的频谱感知和接入技术，主要集中在频谱感知和动态接入二者分开研究，要么单方面最佳化频谱感知性能而不考虑频谱接入的影响，要么设计一种频谱接入算法而不考虑频谱感知的影响，例如：A.GhasemiandE.S.Sousa.Collaborativespectrumsensingforopportunisticaccessinfadingenvironments[C].InProc.2005IEEEDySPAN,pp.131–136；YangL,KimH,ZhangJS,etal.Pricing-baseddecentralizedspectrumaccesscontrolincognitiveradionetworks[J].IEEE/ACMTransactionsonNetworking(TON),2013,21(2):522-535。也即是说，现有技术基本上没有将频谱感知和动态接入二者联合起来进而考虑频谱感知与接入算法的相互影响。而经研究表明，将频谱感知和动态接入二者联合考虑它们的相互作用非常有意义，原因在于若参与感知主信道的次用户很少，将导致较高的虚警概率Pf和较低的吞吐量，最糟糕的情况是无次用户感知，因为感知需要消耗能量，这不可避免导致极其高的虚警概率Pf和几乎为0的吞吐量；而若太多的次用户接入主信道将使得信道非常拥挤，则再次导致非常低的吞吐量；因而，应该动态地调整次用户感知比例和接入比例以获得较高的实时吞吐量，即求得演化稳定解，使吞吐量达到最大，虚警概率达到最低。
技术实现思路
为解决以上技术问题，本专利技术提出认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法。本专利技术的认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，包括：步骤A、次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知；步骤B、决定参与感知的次用户进行频谱感知，获得本地感知结果，并根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心；步骤C、融合中心根据判决准则做出主用户是否占用信道的决策；步骤D、次用户根据判决结果和可能获得的吞吐量决定是否接入信道。步骤E、当参与感知的次用户比例增长率和接入次用户比例增长率都趋于稳定时，获得参与感知的次用户比例和接入的次用户比例。优选地，所述次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知包括：如果时隙t参与协作频谱感知的次用户的平均吞吐量Us(t)大于时隙t所有次用户的平均吞吐量U(t)，次用户做出参与感知的决定；如果时隙t参与协作频谱感知的次用户的平均吞吐量Us(t)小于t时隙所有次用户的平均吞吐量U(t)，次用户做出不参与感知的决定。优选地，所述决定参与感知的次用户进行频谱感知采用能量检测方式，包括：如果Yi<Yth，则次用户判决主用户不存在，否则次用户判决主用户存在；其中，表示次用户i在一个感知周期内的感知主用户信号的平均能量，Ni为次用户i在一个感知周期内的采样点数，Yth为主用户信号能量预设门限值；表示表示次用户i感知的第k个信号样本，ni[k]是次用户i的噪声且各ni[k]独立同分布，s[k]是主用户信号，hi表示主用户和次用户i间的信道增益，H0和H1分别表示主用户不存在和存在。优选地，所述根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心包括：在AND准则下，根据信噪比由高到低的顺序将本地感知结果上传给融合中心；在OR准则下，按信噪比由低到高的顺序将本地感知结果上传给融合中心；所述AND判决准则是指：当参与感知的次用户的判决结果都为真，则融合中心决策融合的最终判决为真，否则为假；所述OR判决准则是指：只要有一个参与感知的次用户的判决结果为真，则FC决策融合的最终判决为真，否则为假。优选地，所述根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心包括当上传顺序排在前面的次用户上传信息时，排在后面的次用户继续执行本地感知直至轮到自己上传时才发送其感知结果至融合中心。优选地，所述次用户根据判决结果和可能获得的吞吐量决定是否接入信道包括：如果FC判决主用户存在，则次用户不接入信道；如果FC判决主用户不存在，则次用户根据可能获得的吞吐量决定是否接入。优选地，如果t时隙次用户决定接入条件下接入信道的次用户的平均吞吐量Ua|D0(t)大于所有次用户的平均吞吐量U|D0(t)，则该次用户决定接入。优选地，所述参与感知的次用户比例增长率和接入次用户比例增长率都趋于0，即满足ps(t+1)-ps(t)∈[-THsa，THsa]且pa(t+1)-pa(t)∈[-THsa，THsa]，THsa∈[10-4,10-3]表示感知接入阈值，此时参与感知的次用户比例和接入次用户比例达到稳定状态；所述参与感知的次用户比例为：ps(t+1)＝ps(t)(1+η(1-ps(t))(-Θs-Θt+(1-pa(t)+pa(t)(p0Pf(Mps(t))+p1Pd))R)所述接入的次用户比例为：其中，...

【技术保护点】
认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在于，包括：步骤A、次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知；步骤B、决定参与感知的次用户进行频谱感知，获得本地感知结果，并根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心；步骤C、融合中心根据判决准则做出主用户是否占用信道的决策；步骤D、次用户根据判决结果和可能获得的吞吐量决定是否接入信道；步骤E、当参与感知的次用户比例增长率和接入次用户比例增长率都趋于稳定时，获得参与感知的次用户比例和接入的次用户比例。

【技术特征摘要】
1.认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在于，包括：步骤A、次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知；步骤B、决定参与感知的次用户进行频谱感知，获得本地感知结果，并根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心；步骤C、融合中心根据判决准则做出主用户是否占用信道的决策；步骤D、次用户根据判决结果和可能获得的吞吐量决定是否接入信道；步骤E、当参与感知的次用户比例增长率和接入次用户比例增长率都趋于稳定时，获得参与感知的次用户比例和接入的次用户比例。2.根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在于，所述次用户通过可能获得的吞吐量大小决定是否参与感知包括：如果时隙t参与协作频谱感知的次用户的平均吞吐量Us(t)大于时隙t所有次用户的平均吞吐量U(t)，次用户做出参与感知的决定；如果时隙t参与协作频谱感知的次用户的平均吞吐量Us(t)小于t时隙所有次用户的平均吞吐量U(t)，次用户做出不参与感知的决定。3.根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在于，所述决定参与感知的次用户进行频谱感知采用能量检测方式，包括：如果Yi<Yth，则次用户判决主用户不存在，否则次用户判决主用户存在；其中，表示次用户i在一个感知周期内感知主用户信号的平均能量，Ni为次用户i在一个感知周期内的采样点数，Yth为主用户信号能量预设门限值；表示次用户i感知的第k个信号样本，ni[k]是次用户i的噪声且各ni[k]独立同分布，s[k]是主用户信号，hi表示主用户和次用户i间的信道增益，H0和H1分别表示主用户不存在和存在。4.根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在于，所述根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心包括：在AND准则下，根据信噪比由高到低的顺序将本地感知结果上传给融合中心；在OR准则下，按信噪比由低到高的顺序将本地感知结果上传给融合中心；所述AND判决准则是指：当参与感知的次用户的判决结果都为真，则融合中心决策融合的最终判决为真，否则为假；所述OR判决准则是指：只要有一个参与感知的次用户的判决结果为真，则融合中心决策融合的最终判决为真，否则为假。5.根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在于，所述根据似然比大小的顺序将本地感知结果上传给融合中心包括当上传顺序排在前面的次用户上传信息时，排在后面的次用户继续执行本地感知直至轮到自己上传时才发送其感知结果至融合中心。6.根据权利要求1所述认知无线网络频谱感知和接入决策联合的优化方法，其特征在于，所述次用户根据判决结果和可能获得的吞吐量决定是否接入信道包括：如果融合中心判决主用户存在，则次用户不接入信道；如果融合中心判决主用户不存在，则次用户根据可能获得的吞吐量决定是...

【专利技术属性】
技术研发人员：李方伟，袁迎慧，朱江，刘帆，张佳佳，杨政，杨浩磊，韩超，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85