基于自适应检测长度的双门限能量感知方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了基于自适应检测长度的双门限能量感知方法和系统，该方法通过自适应地增加检测长度来提高能量检测的检测性能，同时结合双门限检测机制以避免噪声不确定性对能量检测的影响。本发明专利技术首先根据噪声不确定性大小设置上下判决门限。当检测统计量位于双门限之外时直接判决，否则增加采样数并再次比较，直到得出判决结果或采样数达到上限。为了尽量减小由于采样数增加带来的系统能量开销的增加，本发明专利技术给出了系统能量开销与吞吐量折中的最佳采样数上限。该方法在能量开销略有增加的情况下，显著地提高了系统的检测性能。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应检测长度的双门限能量感知方法和系统
本专利技术涉及一种基于自适应检测长度的双门限能量感知方法和系统，属于无线通信

技术介绍
随着无线通信技术的迅速发展，有限的无线频谱资源已成为制约通信技术发展的主要因素之一。传统的静态频谱分配方式将可用的频谱资源固定地、非重叠地划分为多个频段，并且只允许获得授权的用户接入特定频段。这种分配方式实现简单、易于管理，能够最大程度地减小系统之间的干扰。然而，据研究统计表明大部分授权频段的频谱利用率低，与此同时，少数授权频段出现超负荷状态，如：移动通信频段。频谱利用状态严重不平衡。鉴于此，如何充分有效地利用有限的频谱资源，提高无线频谱资源利用率成为人们关注的首要问题。认知无线电技术采用动态频谱分配方式，在不影响授权用户正常通信的前提下，允许非授权用户机会式地接入授权频段，从而很大程度上提高了无线频谱的利用率。频谱感知作为认知无线电的关键技术之一，能够快速、准确地检测到空闲频段。常见的频谱感知技术有：匹配滤波器检测、能量检测、循环平稳检测、特征值检测等。其中，能量检测因其实现简单和不需要任何主用户先验知识，是目前最常用的频谱感知方法，它通过比较接收到的信号能量与预设门限来判断检测频段是否空闲。通过增加检测长度可以提高能量检测性能，然而检测长度的增加会带来系统开销的增加。此外，能量检测最大的缺点在于不能有效地区分主用户信号与噪声信号，因此，其检测性能受噪声不确定性的影响十分严重。目前，针对噪声不确定性问题的最简单有效的方法是采用双门限检测机制，但传统的双门限能量检测存在固有的感知失败问题。而本专利技术能够很好地解决上面的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对基于双门限克服噪声不确定性的优越性和存在感知失败的固有缺点，以及检测长度对检测性能影响较大问题，提出了一种基于自适应检测长度的双门限能量感知方法，该方法首先根据噪声不确定性大小设置上下判决门限。当检测统计量位于双门限之外时直接判决，否则增加采样数并再次比较，直到得出判决结果或采样数达到上限。同时，本专利技术为了尽量减小由于采样数增加带来的系统能量开销的增加，提出了系统能量开销与吞吐量折中的采样数上限。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于自适应检测长度的双门限能量感知方法，该方法采用传统的二元假设模型，H0表示频谱空闲；H1表示频谱繁忙。本专利技术的信道噪声为加性高斯白噪声，忽略信道选择性衰落、阴影和多径效应等影响因素。方法流程：步骤1：认知用户接收授权信道上的信号，并以最小奈奎斯特采样率进行采样，计算能量统计值Y。步骤2：根据接收信号的最大和最小值之比估计噪声不确定度大小ρ，并根据ρ设定双门限λh、λl，其中λh＞λl步骤3：首先采用固定检测长度的双门限能量检测算法，Y'＝Y。若Y‘＞λh，则表明主用户正在使用授权信道，判决结果为H1；若Y’＜λl，则表明主用户未使用授权信道，判决结果为H0；若λl≤Y‘≤λh，转至上述步骤4。步骤4：以最小化系统开销为目标，以目标虚警概率和最小系统吞吐量为约束条件，计算系统开销与吞吐量折中的检测长度上限Nt。如果检测长度n＜Nt，则增加检测长度，n＝n+1，转到步骤3；否则感知失败，判决为并立即启动下一轮感知。本专利技术所述方法根据接收信号的最大值和最小值之比估计噪声不确定度大小，并根据噪声不确定度大小设定双门限。本专利技术所述方法是根据判决结果自适应地增加检测长度，在提高检测性能的同时，尽可能地减小实际检测长度。本专利技术所述方法是以最小化系统开销为目标，以目标虚警概率和最小系统吞吐量为约束条件，给出了基于系统开销与吞吐量折中的检测长度上限，在利用增加检测长度的方法提高检测性能的同时，减少系统开销的增加。本专利技术所述方法应用于无线通信
本专利技术还提供了一种基于自适应检测长度的双门限能量感知系统，该系统包括：主用户、认知用户和融合中心；本专利技术所述的主用户是认知无线电系统感知频段内的授权用户，即感知对象，在授权频段内具有一定的无线收发功能；本专利技术所述的认知用户(SecondaryUser,SU)是认知无线电系统中感知授权频的独立节点，即实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能；本专利技术所述的融合中心(FusionCenter,FC)是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数据的设备，在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算和融合能力；各模块之间可通过特定的控制频段或空闲的授权频段进行无线通信。有益效果：1、本专利技术能够很好地解决能量检测的问题，提高了能量的检测性能。2、本专利技术结合双门限检测机制，很好地解决了噪声的不确定性影响的问题。附图说明图1为本专利技术的认知无线电系统框图。图2为本专利技术的能量检测原理框图。图3为本专利技术的方法流程图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术创造作进一步的详细说明。如图1所示，本专利技术提供了一种基于自适应检测长度的双门限能量感知系统，该系统包括：主用户、认知用户和融合中心；本专利技术所述的主用户是认知无线电系统感知频段内的授权用户，即感知对象，在授权频段内具有一定的无线收发功能；本专利技术所述的认知用户(SecondaryUser,SU)是认知无线电系统中感知授权频的独立节点，即实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能；本专利技术所述的融合中心(FusionCenter,FC)是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数据的设备，在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算和融合能力；各模块之间可通过特定的控制频段或空闲的授权频段进行无线通信。本专利技术系统的认知用户对主用户信号进行检测，并将检测结果发送给融合中心。融合中心对主用户状态做出判决：如果主用户信号存在，则认知用户需立刻让出频谱资源以避免对主用户通信造成有害干扰；否则认知用户可以使用频谱资源进行数据传输。其中，主用户(PrimaryUser,PU)是认知无线电系统感知频段内的授权用户，即感知对象，在授权频段内具有一定的无线收发功能，比如特定频段上某一时段内频谱利用率较低的TV终端；认知用户(CognitiveUser,CU)是认知无线电系统中感知授权频的独立节点，即实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能，比如智能传感器节点；融合中心(FusionCenter,FC)是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数据的设备，在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算和融合能力，比如具有无线收发功能的数据处理终端；各模块之间可通过特定的控制频段或空闲的授权频段进行无线通信。如图2所示，本专利技术系统的能量检测原理包括：首先，认知用户接收到的信号经过带通滤波器去除带外噪声，随后将带通滤波器的输出进行平方运算，并对该信号在感知周期内进行积分，得到信号的能量统计值，最后，将该能量统计值与一个取决于噪声水平的能量门限值进行比较，如果大于门限值则表示主用户正在使用授权信道，否则表示主用户未使用授权信道。如图3所示，本专利技术基于上述应用模型(即：场景)，其方法具体包括如下步骤：步骤1，认知用户接收授权信道上的信号，并以最小奈奎斯特采样率进行采样，计算能量统计值Y。步骤2，根据接收信号的最大值与最小值之比估计噪声不确定度大小ρ，并根据ρ设定双门限λh、λl。步骤3，首先采用固定检测长度的双门限能量检测算法，Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于自适应检测长度的双门限能量感知系统的实现方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：认知用户接收授权信道上的信号，并以最小奈奎斯特采样率进行采样，计算能量统计值Y；步骤2：根据接收信号的最大值与最小值之比估计噪声不确定度大小ρ，并根据ρ设定双门限λh、λl，其中λh＞λl；步骤3：首先采用固定检测长度的双门限能量检测算法，Y'＝Y，若Y‘＞λh，则表明主用户正在使用授权信道，判决结果为H1；若Y’＜λl，则表明主用户未使用授权信道，判决结果为H0；若λl≤Y‘≤λh，转至步骤4；步骤4：以最小化系统开销为目标，以目标虚警概率和最小系统吞吐量为约束条件，计算系统开销与吞吐量折中的检测长度上限Nt，如果检测长度n＜Nt，则增加检测长度，n＝n+1，转到步骤3；否则感知失败，判决为并立即启动下一轮感知。

【技术特征摘要】
1.基于自适应检测长度的双门限能量感知系统的实现方法，所述方法首先根据噪声不确定性大小设置上下判决门限，当检测统计量位于双门限之外时直接判决，否则增加采样数并再次比较，直到得出判决结果或采样数达到上限，包括如下步骤：步骤1：认知用户接收授权信道上的信号，并以最小奈奎斯特采样率进行采样，计算能量统计值Y；步骤2：根据接收信号的最大值与最小值之比估计噪声不确定度大小ρ，并根据ρ设定双门限λh、λl，其中λh＞λl；步骤3：首先采用固定检测长度的双门限能量检测算法，Y'＝Y，若Y‘＞λh，则表明主用户正在使用授权信道，判决结果为H1；若Y’＜λl，则表明主用户未使用授权信道，判决结果为H0；若λl≤Y‘≤λh，转至步骤4；步骤4：以最小化系统开销为目标，以目标虚警概率和最小系统吞吐量为约束条件，计算系统开销与吞吐量折中的检测长度上限Nt，如果检测长度n＜Nt，则增加检测长度，n＝n+1，转到步骤3；否则感知失败，判决为并立即启动下一轮感知；所述步骤4中的系统包括：主用户、认知用户和融合中心；所述的主用户是认知无线电系统感知频段内的授权用户，即：感知对象，在授权频段内具有无线收发功能；所述的认知用户是认知无线电系统中感知授权频的独立节点，即：实施感知的具体节点，在特定频段内具有无线收发功能；所述的融合中心是认知无线电系统中接收认知节点本地感知数据的设备，在特定频段内具有无线收发功能，且具有一定的计算和融合能力；各模块之间可通过特定的控制频段或空闲的授权频段进行无线通信；所述系统的认知用户接收到的信号经过带通滤波器去除带外噪声，随后将带通滤波器的输出进行平方运算，并对该信号在感知周期内进行积分，得到信号的能量统计值，最后，将该能量统计值与一个取决于噪声水平的能量门限值进行比较，如果大于门限值则表示主用户正在使用授权信道，否则表示主用户未使用授权信道；所述的主用户(PrimaryUser,PU)是认知无...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学军，严金童，鲁友，田峰，成谢锋，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32