一种认知无线电中基于三态学习策略的机会频谱接入方法技术

本发明专利技术公开了一种认知无线电中基于三态学习策略的机会频谱接入方法，其步骤为：认知用户对当前目标信道的进行拟合优度检验，每个时隙的检测结果包含三种状态：空闲、占用和过渡态；假设主用户的空闲占用状态时间服从指数分布，认知用户运用隐马尔可夫模型动态调整主用户信道利用参数；认知用户利用估计参数计算出机会频谱接入信道容量，并决定是否选择当前信道或接入下一信道；根据部分可观测马尔可夫决策过程更新当前的置信向量，认知用户决定是否在该时隙发送数据。本发明专利技术基于三态学习策略的机会频谱接入方法可以有效提高认知用户的信道利用率，从而更精确地反映授权信道的真实状态，信道接入、退出时延也显著降低，同时降低对主用户的干扰。

【技术实现步骤摘要】
一种认知无线电中基于三态学习策略的机会频谱接入方法
本专利技术涉及一种无线电信道接入
，具体涉及一种认知无线电中基于三态学习策略的机会频谱接入方法。
技术介绍
认知无线电(CognitiveRadio,CR)作为一种智能无线通信技术，可以有效提高授权信道的频带利用率。一个完整的认知循环通常包括频谱感知，自主学习，信道选择，信道接入四个方面。机会频谱接入(OpportunistSpectrumAccess,OSA)可以保证认知用户在接入授权信道的同时避免对主用户造成干扰。由于认知用户无法确知主用户的真实状态，只能通过频谱感知技术对授权频段进行检测。认知用户根据检测结果更新置信向量，并决定是否接入授权信道。然而，现有的信道接入方法由于没有引入学习策略，认知用户无法跟踪信道参数的变化，也无法根据估计参数进行信道选择；同时，认知用户对每个时隙的检测结果只包含两种状态：空闲和占用，而没有考虑实际中可能出现的在空闲和占用状态间切换的情况，这些都会导致认知用户浪费大量的频谱空穴。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种认知无线电中基于三态学习策略的机会频谱接入方法。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提供的认知无线电中基于三态学习策略的机会频谱接入方法，其实现包括以下步骤：(1)认知用户对当前目标信道的进行拟合优度检验，每个时隙的检测结果包含三种状态：空闲、占用和过渡态；(2)假设主用户的空闲占用状态时间服从指数分布，认知用户运用隐马尔可夫模型动态调整主用户信道利用参数；(3)认知用户利用估计参数计算出机会频谱接入信道容量，并决定是否选择当前信道或接入下一信道；(4)根据部分可观测马尔可夫决策过程更新当前的置信向量，认知用户决定是否在该时隙发送数据。所述步骤(1)中的实现过程如下：(1)认知用户接收采样数据Y={Y1,Y2,…,Yi,…,Yn}为本地接收机在一个时隙内的n个采样；Yi=Xi+Ni，其中，Xi是主用户信号，Ni是加性高斯白噪声；当没有主用户时，Yi~N(0,σ2)，f0(y)表示Yi的概率密度函数(pdf)，F0(y)表示Yi的分布函数(cdf)；当主用户发送信号时，Yi~N(μ，σ2)，f1(y)表示Yi的概率密度函数，F1(y)表示Yi的分布函数。设Fn(y)是Y的经验分布函数(edf)，定义如下Fn(y)＝|{i|Yi≤y,1≤i≤n}|/n(1)式中，对于任意有限集合S，|S|表示S的势；基于拟合优度检验的频谱感知方法，提出的三元假设检验为H0：Y是独立同分布序列，且分布函数为F0(y)H1：Y是独立同分布序列，且分布函数为F1(y)H2：Y不是独立同分布序列，即存在信道状态的切换，Y的分布函数为tF0(y)/T+(T–t)F1(y)/T，(0<t<T)，式中，t取决于信道状态发生切换的时间；假设H0的检验统计量W02定义为式中，Ψ(t)=1/[t(1–t)]。在AD检验中，假设H0的拒绝域为W02>ξ0，其中门限ξ0对应的虚警概率为γ0Pr{W02＞ξ0|H0}＝γ0(3)在假设H0条件下，W02的分布不依赖于噪声分布F0(y)，采样点数n对其影响也可以忽略；进而，当n→+∞时，W02的极限分布为当n>5时，该极限分布收敛很快，以此代替W02的分布来求解Pr{W02≤ξ0}；定义假设H1的检验统计量W12在AD检验中，假设H1的拒绝域为W12>ξ1，其中门限ξ1对应的漏检概率为γ1Pr{W12＞ξ1|H1}＝γ1(6)(2)若W02≤ξ0，则接受假设H0，即在该时隙内信道状态为空闲；若W12≤ξ1，则接受假设H1，即在该时隙内信道状态为占用；若W02>ξ0且W12>ξ1，则接受假设H2，即在该时隙内信道状态发生变化。所述认知用户的帧结构中，每个复帧分为信道学习子帧和信道接入子帧；在信道学习子帧中，通过对主用户信道利用参数的估计，认知用户能够动态调整信道参数，以适应外界环境的变换；在信道接入子帧中，认知用户根据最近的感知结果和在信道学习子帧中估计得到的历史先验知识更新置信向量，并决定是否在当前时隙发送数据。有益效果：本专利技术与现有技术相比，本专利技术所述的认知无线电中基于三态学习策略的机会频谱接入方法性能有所改善；本专利技术将认知用户的每个复帧分为信道学习子帧和信道接入子帧；在信道学习子帧中，通过对主用户信道利用参数的估计，认知用户能够动态调整信道参数，以适应外界环境的变换；引入机会频谱接入信道容量，认知用户能够选择主用户空闲时间长，信道质量好的授权信道；在信道接入子帧中，认知用户三元假设检验进行频谱感知，从而更精确地反映授权信道的真实状态，信道接入、退出时延也显著降低。因此，本专利技术提供的技术方案同时考虑了最近感知结果和历史先验知识，从而提高了认知用户的接入授权信道的效率，也降低了认知用户与主用户间的碰撞率。附图说明图1是本专利技术中的认知循环模型结构框图。图2是本专利技术中的认知用户帧结构示意图。图3是本专利技术中的三元假设检验流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1所示，本专利技术的认知无线电中基于三态学习策略的机会频谱接入方法，当接收机接收到无线信号后，认知循环通常包括频谱感知，自主学习，信道选择，信道接入四个阶段。宽带射频部分主要由发送/接收(Tx/Rx)射频模块、数字下变频(DDC)模块和数字信号处理(DSP)模块组成，采用多次变频的超外差式结构与全波段低噪声宽带器件，抑制交调、互调等干扰。其中，高速数字信号处理部分包括DDC模块和DSP模块，通过DDC和DSP解调，设计快速傅里叶变换(FFT)采样点数和解调的采样频率进一步提高分析精度。频谱感知阶段由认知用户对采集到的信号进行拟合优度检验，每个时隙的检测结果包含三种状态：空闲、占用和过渡态。在自主学习阶段，认知用户将频谱感知结果送入HMM模块，估计主用户信道利用参数，更新先验知识并及时反馈。信道选择阶段将主用户信道估计参数送入OSACC模块，并决定是否选择当前信道或接入下一信道。同时，快速频率合成部分采用直接数字频率合成(DDS)模块，保证频率合成器的高速扫描和快速锁定。在信道接入阶段，认知用户将先验知识连同最近感知结果送入POMDP模块，并由此判决是否在该时隙发送数据。在本专利技术中，主用户网络拥有M个信道的授权频段，每个信道的带宽为W。图2用二态连续时间马尔可夫链(CTMC)来描述主用户的状态。信道状态在空闲(用“0”表示)和占用(用“1”表示)两种状态间交替变化，持续时间相互独立且服从均值分别为1/α和1/β的指数分布。考察加性高斯白噪声(AWGN)信道，接收信号服从正态分布N(μ，σ2)，μ为信号幅度，σ2为噪声功率。由此可见，主用户信道利用参数λ完全由四元素向量α,β,μ,σ决定λ=(α，β，μ，σ)∈Λ。实际中，主用户信道利用参数变化缓慢。因而，在一个复帧内，我们可以将其看作是各态历经的。对于认知用户网络，每个复帧包括NL时隙的信道学习子帧和NA信道接入子帧。实际中，认知用户网络与主用户网络由于协议不同，时钟并不完全同步。为了以最优方式接入信道，在信道学习子帧内，认知用户估计主用户信道利用参数以跟踪外界环境的变化。在信道接入子帧内，认知用户根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种认知无线电中基于三态学习策略的机会频谱接入方法，其特征在于，其实现包括以下步骤：(1)认知用户对当前目标信道的进行拟合优度检验，每个时隙的检测结果包含三种状态：空闲、占用和过渡态；(2)假设主用户的空闲占用状态时间服从指数分布，认知用户运用隐马尔可夫模型动态调整主用户信道利用参数；(3)认知用户利用估计参数计算出机会频谱接入信道容量，并决定是否选择当前信道或接入下一信道；(4)根据部分可观测马尔可夫决策过程更新当前的置信向量，认知用户决定是否在该时隙发送数据。

【技术特征摘要】
1.一种认知无线电中基于三态学习策略的机会频谱接入方法，其特征在于，其实现包括以下步骤：(1)认知用户对当前目标信道进行拟合优度检验，每个时隙的检测结果包含三种状态：空闲、占用和过渡态；所述步骤(1)中的实现过程如下：(1.1)认知用户接收采样数据Y＝{Y1,Y2,…,Yi,…,Yn}为本地接收机在一个时隙内的n个采样；Yi＝Xi+Ni，其中，Xi是主用户信号，Ni是加性高斯白噪声；当没有主用户时，Yi～N(0,σ2)，f0(y)表示Yi的概率密度函数(pdf)，F0(y)表示Yi的分布函数(cdf)；当主用户发送信号时，Yi～N(μ,σ2)，f1(y)表示Yi的概率密度函数，F1(y)表示Yi的分布函数，设Fn(y)是Y的经验分布函数(edf)，定义如下Fn(y)＝|{i|Yi≤y,1≤i≤n}|/n(1)基于拟合优度检验的频谱感知方法，提出的三元假设检验为H0：Y是独立同分布序列，且分布函数为F0(y)H1：Y是独立同分布序列，且分布函数为F1(y)H2：Y不是独立同分布序列，即存在信道状态的切换，Y的分布函数为tF0(y)/T+(T–t)F1(y)/T，(0<t<T)，式中，t取决于信道状态发生切换的时间，T为时隙长度；假设H0的检验统计量W02定义为式中，Ψ(t)＝1/[t(1–t)]，在拟合优度检验中，假设H0的拒绝域为W02>ξ0，其中门限ξ0对应的虚警概率为γ0

【专利技术属性】
技术研发人员：冯奇，叶芝慧，李文峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：