基于次用户数目优化的多用户协作频谱感知方法技术

本发明专利技术涉及基于次用户数目优化的多用户协作频谱感知方法，包括构建授权用户、中继节点、频谱感知融合中心和多个次用户组成的认知无线网络模型，在中继节点与授权用户建立数据通信后，中继节点和各次用户分别接收授权用户发送的信号；频谱感知融合中心根据各次用户分别获取的频谱检测结果自适应地选取具有最低感知误差时对应的最佳协作次用户；根据最佳协作次用户得到信噪比最佳阈值、各最佳协作次用户的调整因子，并调整最佳协作次用户虚警概率，获取各最佳协作次用户调整后的判决阈值，然后以加权的OR准则协作检测，从而有效减小能量检测中所接收信号能量的动态变化对次用户检测性能的影响，降低频谱感知融合中心的融合计算量、提高协作检测性能。

【技术实现步骤摘要】
基于次用户数目优化的多用户协作频谱感知方法
本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于次用户数目优化的多用户协作频谱感知方法。
技术介绍
认知无线电技术(CognitiveRadio,CR)源于软件无线电，能够“伺机”的对空闲的频谱进行利用和共享，进而解决频谱资源紧缺难题，从而真正实现提高频谱利用率的目的。频谱感知技术作为认知无线电网络中的关键技术，对于检测授权用户信号的存在情况意义重大。认知无线电的基本途径是：首先次用户采用频谱感知对周围环境中的已授权频谱资源进行持续监测；然后在保证授权用户能够优先占用该段频谱且传输性能几乎不受影响的条件下，次用户自适应地调整收发设备至空闲频谱上通信。当次用户感知(或称检测)到有授权用户信号出现时，次用户则要快速腾出信道供授权用户使用，进而避免对授权用户的正常通信进行干扰。可见，次用户所采用的频谱感知方法要求对授权用户具有高度的可靠性，即要求频谱感知方法具有高度的检测性能。在实际环境中，由于受多径衰落、阴影效应和噪声不确定性等诸多因素的不利影响，单个次用户的检测性能往往不能适应对授权用户信号检测率的要求。为了减少多径衰落、阴影效应和噪声不确定性等因素对检测性能的不利影响，基于多个次用户的协作频谱感知方法被不断提出。在现有的协作频谱感知方法中，通过将每个次用户的能量检测结果发送给频谱感知融合中心进行融合，以达到对频谱感知的目的。然而，由于现有的协作频谱感知方法既没有考虑能量检测中所接收信号能量的动态变化对次用户检测性能的影响，也没有考虑频谱感知融合中心融合处理多个次用户检测结果所带来的时间消耗问题，这导致次用户在频谱感知时存在时间迟滞，不能及时对频谱情况进行检测，进而难以避免次用户干扰授权用户正常通信的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种既能有效地减小能量检测中所接收信号能量的动态变化对次用户检测性能的影响，又能够降低频谱感知融合中心的融合计算量、提高协作检测效率的基于次用户数目优化的多用户协作频谱感知方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于次用户数目优化的多用户协作频谱感知方法，其特征在于，依次包括如下步骤：(1)构建多用户协作频谱感知的认知无线网络模型，并设定认知无线网络中具有两个授权用户、具有放大增益的中继节点、频谱感知融合中心以及M个独立的次用户；其中，授权用户分别标记为PU1和PU2，中继节点记为AF，频谱感知融合中心标记为FC，第m个次用户标记为CRm，m＝1,2,…,M；(2)建立中继节点AF与授权用户PU1、PU2之间的数据通信，由授权用户PU1发送信号给授权用户PU2，并由中继节点AF和各次用户CRm对授权用户PU1发送的信号进行接收；(3)M个次用户分别对授权用户PU1频谱进行自适应的本地能量检测，并分别将各自获取的频谱检测结果发送至频谱感知融合中心FC，由频谱感知融合中心FC按照自适应融合判断准则选取参与协作的最佳协作次用户，频谱检测结果包括各次用户对授权用户PU频谱的检测概率和虚警概率；其中，自适应融合判断准则的判断选取过程包括步骤(3-1)至步骤(3-5)：(3-1)建立各独立次用户CRm接收到授权用户PU1信号的信号接收模型，其中，独立次用户CRm接收到授权用户PU1信号的模型如下：其中，xm(n)表示第m个次用户CRm检测到的信号，hm表示信道衰落系数，s(n)表示授权用户PU1发送的信号，vm(n)表示零均值的高斯白噪声；H0表示授权用户PU1频谱处于空闲状态，H1表示授权用户PU1频谱处于占用状态；(3-2)构建针对所接收信号的自适应能量检测模型，获取各次用户的检测概率和虚警概率；其中，所接收信号的自适应能量检测模型如下：其中，y'm,k计算公式如下：y'm,k＝cmym,k，m表示第m个次用户的编号，m∈[1,M]，N表示所接收信号xm(n)的采样个数，ym,k表示所接收信号的能量统计值；能量检测门限值γ的计算公式如下：其中，Pf,m表示第m个次用户CRm的虚警概率，Pd,m表示第m个次用户CRm的检测概率；Q(z)表示正态高斯互补积分函数；Pf为全局虚警概率；(3-3)频谱感知融合中心FC根据N个次用户发送的频谱感知结果，统计N个次用户中感知到授权用户PU频谱为占用状态的次用户数目为m(1≤m≤N)、感知到授权用户PU频谱为空闲状态的次用户数目为N-m；其中，授权用户PU频谱为占用状态记为H1，授权用户PU1频谱为空闲状态记为H0；(3-4)频谱感知融合中心FC根据N个次用户发送的信噪比，计算m个感知到授权用户PU频谱为占用状态H1的次用户诚信系数κ1,j以及N-m个感知到授权用户PU频谱为空闲状态H0的次用户诚信系数κ2,t；其中，诚信系数κ1,j以及κ2,t的计算公式如下：(3-5)频谱感知融合中心FC根据m个次用户的各自感知结果以及诚信系数κ1,j，分别计算授权用户PU频谱为占用状态H1的平均检测概率全局检测概率和此占用状态H1对应的全局漏检概率以及授权用户PU的频谱为空闲状态H0的平均检测概率全局检测概率此空闲状态H0对应的全局漏检概率和全局虚警概率其中，该过程包括如下步骤(a)至步骤(f)：(a)建立m个次用户协作感知的全局错误检测概率Pe，获取关于决策门限的能量检测优化函数γ*以及能量检测的最优门限值γopt，并计算授权用户PU频谱为占用状态H1的平均检测概率其中，m个次用户协作感知的全局错误检测概率Pe计算公式如下：其中，为授权用户PU频谱处于空闲状态H0的概率，为授权用户PU频谱处于占用状态H1的概率；Pf为全局虚警概率，Pd为全局检测概率，Pm为全局漏检概率；为对应处于授权用户PU频谱处于占用状态H1的m个次用户的平均信噪比，其中，snri为次用户CRi自身的信噪比；关于决策门限的能量检测优化函数γ*定义为：能量检测的最优门限值γopt为：授权用户PU频谱为占用状态H1的平均检测概率计算公式如下：(b)根据所得授权用户PU频谱为占用状态H1的平均检测概率以及m个次用户的诚信系数κ1,j，计算授权用户PU频谱为占用状态H1的全局检测概率和此占用状态H1对应的全局漏检概率其中，全局检测概率和全局漏检概率计算公式如下：(c)根据所得授权用户PU频谱为空闲状态H0的平均检测概率以及N-m个次用户的诚信系数κ2,t，计算授权用户PU频谱为空闲状态H0的全局检测概率和此空闲状态H0对应的全局漏检概率全局虚警概率其中，平均检测概率全局检测概率全局漏检概率和全局虚警概率的计算公式分别如下：(d)频谱感知融合中心FC根据授权用户PU频谱为占用状态H1对应的全局漏检概率以及授权用户PU频谱为空闲状态H0对应的全局虚警概率建立基于次用户数目的频谱感知误差函数Fun(m)；其中，频谱感知误差函数Fun(m)计算公式如下：其中，Ppu表示授权用户PU信号在其授权频谱出现的概率；(e)计算频谱感知误差函数Fun(m)的频谱感知误差最小值Fun(m0)，并以该频谱感知误差函数最小值Fun(m0)对应的数值m0(m0≤m)作为参与协作感知的最佳协作次用户数目，并对m个次用户按照其对应的信噪比值snri进行降序排列，得到m个次用户的降序排列组；(f)选取次用户降序排列组中的前m0个次用户作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于次用户数目优化的多用户协作频谱感知方法，其特征在于，依次包括如下步骤：(1)构建多用户协作频谱感知的认知无线网络模型，并设定认知无线网络中具有两个授权用户、具有放大增益的中继节点、频谱感知融合中心以及M个独立的次用户；其中，授权用户分别标记为PU1和PU2，中继节点记为AF，频谱感知融合中心标记为FC，第m个次用户标记为CRm，m＝1,2,…,M；(2)建立中继节点AF与授权用户PU1、PU2之间的数据通信，由授权用户PU1发送信号给授权用户PU2，并由中继节点AF和各次用户CRm对授权用户PU1发送的信号进行接收；(3)M个次用户分别对授权用户PU1频谱进行自适应的本地能量检测，并分别将各自获取的频谱检测结果发送至频谱感知融合中心FC，由频谱感知融合中心FC按照自适应融合判断准则选取参与协作的最佳协作次用户，频谱检测结果包括各次用户对授权用户PU频谱的检测概率和虚警概率；其中，自适应融合判断准则的判断选取过程包括步骤(3‑1)至步骤(3‑5)：(3‑1)建立各独立次用户CRm接收到授权用户PU1信号的信号接收模型，其中，独立次用户CRm接收到授权用户PU1信号的模型如下：xm(n)=vm(n)H0vm(n)+hms(n)H1;]]>其中，xm(n)表示第m个次用户CRm检测到的信号，hm表示信道衰落系数，s(n)表示授权用户PU1发送的信号，vm(n)表示零均值的高斯白噪声；H0表示授权用户PU1频谱处于空闲状态，H1表示授权用户PU1频谱处于占用状态；(3‑2)构建针对所接收信号的自适应能量检测模型，获取各次用户的检测概率和虚警概率；其中，所接收信号的自适应能量检测模型如下：ym,k′>γH1ym,k′<γH0;]]>其中，y'm,k计算公式如下：y′m,k＝cmym,k，m表示第m个次用户的编号，m∈[1,M]，N表示所接收信号xm(n)的采样个数，ym,k表示所接收信号的能量统计值；能量检测门限值γ的计算公式如下：γ=E[ym,k′]H0+Q-1(Pf)Var[ym,k′]H0;]]>E[ym,k′]=Nσm2H0[N+ηm,k]σm2H1,ηm,k=|hm,k|2σm2Σn=0N-1|sm(n+kN)|2;]]>Pf,m=Q(γ-E[ym,k′]H0Var[ym,k′]H0),Pd,m=Q(γ-E[ym,k′]H1Var[ym,k′]H1),Q(z)=∫z∞12πe-12x2dx;]]>Var[ym,k′]=2Nσm4H02[N+2ηm,k]σm4H1;]]>其中，Pf,m表示第m个次用户CRm的虚警概率，Pd,m表示第m个次用户CRm的检测概率；Q(z)表示正态高斯互补积分函数；(3‑3)频谱感知融合中心FC根据N个次用户发送的频谱感知结果，统计N个次用户中感知到授权用户PU频谱为占用状态的次用户数目为m(1≤m≤N)、感知到授权用户PU频谱为空闲状态的次用户数目为N‑m；其中，授权用户PU频谱为占用状态记为H1，授权用户PU1频谱为空闲状态记为H0；(3‑4)频谱感知融合中心FC根据N个次用户发送的信噪比，计算m个感知到授权用户PU频谱为占用状态H1的次用户诚信系数κ1,j以及N‑m个感知到授权用户PU频谱为空闲状态H0的次用户诚信系数κ2,t；其中，诚信系数κ1,j以及κ2,t的计算公式如下：κ1,j=snrj21mΣj=1msnrj2,κ2,t=snrt21N-mΣt=1N-msnrt2;]]>(3‑5)频谱感知融合中心FC根据m个次用户的各自感知结果以及诚信系数κ1,j，分别计算授权用户PU频谱为占用状态H1的平均检测概率全局检测概率和此占用状态H1对应的全局漏检概率以及授权用户PU的频谱为空闲状态H0的平均检测概率全局检测概率此空闲状态H0对应的全局漏检概率和全局虚警概率其中，该过程包括如下步骤(a)至步骤(f)：(a)建立m个次用户协作感知的全局错误检测概率Pe，获取关于决策门限的能量检测优化函数γ*以及能量检测的最优门限值γopt，并计算授权用户PU频谱为占用状态H1的平均检测概率其中，m个次用户协作感知的全局错误检测概率Pe计算公式如...

【技术特征摘要】
1.基于次用户数目优化的多用户协作频谱感知方法，其特征在于，依次包括如下步骤：(1)构建多用户协作频谱感知的认知无线网络模型，并设定认知无线网络中具有两个授权用户、具有放大增益的中继节点、频谱感知融合中心以及M个独立的次用户；其中，授权用户分别标记为PU1和PU2，中继节点记为AF，频谱感知融合中心标记为FC，第m个次用户标记为CRm，m＝1,2,…,M；(2)建立中继节点AF与授权用户PU1、PU2之间的数据通信，由授权用户PU1发送信号给授权用户PU2，并由中继节点AF和各次用户CRm对授权用户PU1发送的信号进行接收；(3)M个次用户分别对授权用户PU1频谱进行自适应的本地能量检测，并分别将各自获取的频谱检测结果发送至频谱感知融合中心FC，由频谱感知融合中心FC按照自适应融合判断准则选取参与协作的最佳协作次用户，频谱检测结果包括各次用户对授权用户PU频谱的检测概率和虚警概率；其中，自适应融合判断准则的判断选取过程包括步骤(3-1)至步骤(3-5)：(3-1)建立各独立次用户CRm接收到授权用户PU1信号的信号接收模型，其中，独立次用户CRm接收到授权用户PU1信号的模型如下：其中，xm(n)表示第m个次用户CRm检测到的信号，hm表示信道衰落系数，s(n)表示授权用户PU1发送的信号，vm(n)表示零均值的高斯白噪声；H0表示授权用户PU1频谱处于空闲状态，H1表示授权用户PU1频谱处于占用状态；(3-2)构建针对所接收信号的自适应能量检测模型，获取各次用户的检测概率和虚警概率；其中，所接收信号的自适应能量检测模型如下：其中，y'm,k计算公式如下：m表示第m个次用户的编号，m∈[1,M]，N表示所接收信号xm(n)的采样个数，ym,k表示所接收信号的能量统计值；能量检测门限值γ的计算公式如下：其中，Pf,m表示第m个次用户CRm的虚警概率，Pd,m表示第m个次用户CRm的检测概率；Q(z)表示正态高斯互补积分函数；Pf为全局虚警概率；(3-3)频谱感知融合中心FC根据N个次用户发送的频谱感知结果，统计N个次用户中感知到授权用户PU频谱为占用状态的次用户数目为m(1≤m≤N)、感知到授权用户PU频谱为空闲状态的次用户数目为N-m；其中，授权用户PU频谱为占用状态记为H1，授权用户PU1频谱为空闲状态记为H0；(3-4)频谱感知融合中心FC根据N个次用户发送的信噪比，计算m个感知到授权用户PU频谱为占用状态H1的次用户诚信系数κ1,j以及N-m个感知到授权用户PU频谱为空闲状态H0的次用户诚信系数κ2,t；其中，诚信系数κ1,j以及κ2,t的计算公式如下：(3-5)频谱感知融合中心FC根据m个次用户的各自感知结果以及诚信系数κ1,j，分别计算授权用户PU频谱为占用状态H1的平均检测概率Pdet,H1、全局检测概率Ddet,H1和此占用状态H1对应的全局漏检概率Dundet,H1，以及授权用户PU的频谱为空闲状态H0的平均检测概率Pdet,H0、全局检测概率Ddet,H0、此空闲状态H0对应的全局漏检概率Dundet,H0和全局虚警概率DFail,H0；其中，该过程包括如下步骤(a)至步骤(f)：(a)建立m个次用户协作感知的全局错误检测概率Pe，获取关于决策门限的能量检测优化函数γ*以及能量检测的最优门限值γopt，并计算授权用户PU频谱为占用状态H1的平均检测概率Pdet,H1；其中，m个次用户协作感知的全局错误检测概率Pe计算公式如下：Pe＝PH0Pf+PH1Pm，PH1＝1-PH0；其中，PH0为授权用户PU频谱处于空闲状态H0的概率，PH1为授权用户PU频谱处于占用状态H1的概率；Pf为全局虚警概率，Pd为全局检测概率，Pm为全局漏检概率；为对应处于授权用户PU频谱处于占用状态H1的m个次用户的平均信噪比，其中，snri为次用户CRi自身的信噪比；关于决策门限的能量检测优化函数γ*定义为：能量检测的最优门限值γopt为：授权用户PU频谱为占用状态H1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑紫微，秦闯，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33