主用户多电平环境下的认知无线电系统联合频谱感知方法
【专利摘要】本发明提供一种主用户多电平环境下的认知无线电系统联合频谱感知方法，包括：初始化系统参数，包括主用户各工作状态电平大小、次用户频谱感知门限个数及各个门限大小、以及次用户在一个感知时隙内接受的样本个数；各次用户分别在本地独立完成频谱感知，得出检测主用户状态的结果；各次用户分别将独立的频谱感知结果汇总到融合中心，融合中心根据收到的结果生成决策向量；融合中心根据得到的决策向量，基于多数人投票原则进行决策；主用户具有两个以上的工作电平。根据本发明，在不需要任何有关主用户先验知识的条件下，仅仅依靠各次用户独立检测结果汇总的决策向量进行决策融合，方案实施简单，性能较好，具有很强实用性。
【专利说明】主用户多电平环境下的认知无线电系统联合频谱感知方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在主用户多电平环境下基于多数人投票原则的认知无线电系 统联合频谱感知方法，涉及多个次用户（Secondary User)在联合频谱感知时对主用户 (Primary User)状态检测结果进行决策融合时的方案。
【背景技术】
[0002] 众所周知，无线电通信频谱是一种宝贵的自然资源，一般采用的是基于频谱授 权的静态频带分配的原则，即由政府授权使用。由于通信行业的迅速发展，无线局域网 (WLAN)、无线个人域网络（WPAN)等技术的出现，无线通信的需求不断增长，频谱资源贫乏 的问题日益严重；另外一方面，一些通信业务（如电视广播业务等）需要通信网络提供一定 的保护，使他们免受其他通信业务的干扰，频率管理部门专门分配了特定的授权频段，但是 相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱 资源相对较少但其实承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。因 此，可以得出这样的结论：目前的频谱资源分配方法已经不能适应日益增长的无线需求，需 要一种更合理高利用率的频谱分配方法。Joseph Mitola在软件无线电的基础上提出了认 知无线电的概念，为这个问题提供了解决方法。
[0003] 认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，在已授权频段没被使用或 只有很少的通信业务在活动的情况下，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种"伺机 (Opportunistic Way)"的方式工作在已授权的频段内。这种在空域、时域和频域中出现的 可以被利用的频谱资源被称为"频谱空洞"。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具 有发现"频谱空洞"并合理利用的能力。当非授权通信用户通过"借用"的方式使用已授权 的频谱资源时，必须保证他的通信不会影响到其他已授权用户的通信。要做到这一点，非授 权用户必须按照一定的规则来使用所发现的"频谱空洞"。在认知无线电中，这样的规则是 以某种机器可理解的形式（如XML语言）加载到通信终端上。由于这些规则可以随时根据 频谱的利用情况、通信业务的负荷与分布等进行不断的调整，因此通过这些规则，频谱管理 者就能以更灵活的方式来管理宝贵的频谱资源。
[0004] 认知无线电是一个智能无线通信系统，该系统能够识别外界通信环境，用建筑理 解的方法来学习外界环境，并且通过实时调整特定工作参数(如发射功率，载波频率和调制 方法)，将系统的射频接发系统自适应地调整到某个统计状态，以达到下列两个主要目标： 1.任何时间、地点通信的高可靠性；2.频谱的高效利用。
[0005] 在认知无线电中，为了合理有效地利用空闲频段进行通信，必须对无线传输场景 进行分析，首要的任务就是频谱感知，查找能够用来进行认知无线电系统业务通信的频谱 空洞。常用的频谱感知算法有：匹配滤波器、能量检测、周期特性检测、本地泄露检测等，其 中能量检测器应用最为广泛，因为它设计简单且不需要太多关于主用户状态的先验知识。 然而，在实际的频谱感知实现过程中，由于诸如信道衰落、阴影效应等作用影响，单个用户 的检测结果往往会出现较大的误差，因此更多地时候往往考虑利用多个次用户实施联合频 谱检测（Cooperative Spectrum Sensing)来提高对主用户状态检测的可靠性，其中在决策 融合的过程中一些典型的方法有："逻辑-与"准则，"逻辑-或"准则和"k-out-of N"准 则。
[0006] 在传统的频谱感知中，一般只考虑主用户具有两个状态，即"工作在固定电平上" 和"空闲"状态。然而这种假设在实际中并不经常成立，例如在如今许多标准中，主用户可以 根据需要工作在预先设计的不同电平上，而且在许多关于认知无线电功率分配的研究中， 主用户工作的电平也不能是一直不变的。因此我们很有必要考虑当主用户工作在多电平下 的频谱感知问题。当主用户工作在多电平时，由于主用户状态的增多，单个用户独立进行频 谱感知的可靠性变得更低，在进行联合频谱感知时，传统的基于两元假设的频谱感知方法 不再成立并且传统的对于频谱感知的评价标准也不再适用，因此我们需要在传统联合频谱 感知的思路上做出新的拓展，建立一套基于主用户多电平情况下的联合感知决策融合策略 以及评价标准。
【发明内容】
[0007] (-）要解决的技术问题
[0008] 本发明的目的是如何提供一种在主用户多电平环境下基于多数人投票原则的认 知无线电系统联合频谱感知的决策融合方法，不需要主用户的先验知识，通过各个次用户 独立检测结果汇总的决策向量进行决策融合。
[0009] (二）技术方案
[0010] 为解决上述问题，本发明提供一种主用户多电平环境下的认知无线电系统联合频 谱感知方法，其包括：初始化系统参数，包括主用户各工作状态电平大小、次用户频谱感知 门限个数及各个门限大小、以及次用户在一个感知时隙内接受的样本个数；
[0011] 各次用户分别在本地独立完成频谱感知，得出检测主用户状态的结果；
[0012] 各次用户分别将独立的频谱感知结果汇总到融合中心，融合中心根据收到的结果 生成决策向量；
[0013] 融合中心根据得到的决策向量，基于多数人投票原则进行决策。
[0014] 所述主用户具有两个以上的工作电平。
[0015] 优选地，次用户独立进行频谱感知时不要求具有主用户各电平的先验知识。
[0016] 优选地，各次用户独立作出决策并且将判断结果发至融合中心。
[0017] 优选地，融合中心在决策前对收到的检测结果进行汇集，得到决策向量。
[0018] 优选地，融合中心在进行决策融合时依据检测结果汇集的决策向量。
[0019] 优选地，融合中心的决策过程包括两个阶段，第一个阶段为判断主用户是否空闲， 若不空闲则在第二阶段判断主用户的具体工作电平，并将判断结果反馈给各次用户，否则 跳过第二阶段。
[0020] 优选地，检测概率定义为所有主用户工作电平正确检测概率之和，或者，定义为所 有主用户状态被正确检测的概率之和；或者，自行定义。
[0021] 优选地，决策融合结果出错的概率随着错判电平状态与实际电平状态之间间隔状 态数的增多而减小。
[0022] (三）有益效果
[0023] 根据本发明，在主用户多电平的情况下，不需要任何有关主用户先验知识的条件 下，仅仅依靠各次用户独立检测结果汇总的决策向量进行决策融合，方案实施简单，性能较 好，具有很强实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1为本发明一个实施例的系统配置图；
[0025] 图2为本发明一个实施例的检测概率与理论分析结果关于信噪比的关系图；
[0026] 图3为本发明一个实施例的不同情况错判概率关于信噪比的关系图；
[0027] 图4为本发明一个实施例的检测概率关于次用户人数的关系图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0029] 为了阐述本发明的细节信息，首先图1给出的系统配置，考虑一个具有单一主用 户和K个次用户的认知无线电网络，其中主用户具有多个发射电平，设为不失 一般性有 i > /.\ > 0, V7。
[0030] 本发明的【具体实施方式】为：
[0031] 步骤一：系统初始化，包括主用户各工作状态电平大小，主用户与次用户间信道增 益估计值，次用户频谱感知门限个数及各个门限大小，次用户在一个感知时隙内接受的样 本个数等，定义Yk为主用户到第k个次用户的瞬时信道功率增益，考虑到频谱感知的时间 相对于信道变化频率而言很小且频谱感知的过程相对于主用户状态变化的时间很短，那么 可以认为主用户的状态和信道增益Y k在一次频谱感知过程中不发生改变。
[0032] 对于第k个次用户SU-k，设在一次检测过程中，其收到的第j个符号为：
[0033]
【权利要求】
1. 一种主用户多电平环境下的认知无线电系统联合频谱感知方法，其特征在于，包 括： 初始化系统参数，包括主用户各工作状态电平大小、次用户频谱感知门限个数及各个 门限大小、以及次用户在一个感知时隙内接受的样本个数； 各次用户分别在本地独立完成频谱感知，得出检测主用户状态的结果； 各次用户分别将独立的频谱感知结果汇总到融合中心，融合中心根据收到的结果生成 决策向量； 融合中心根据得到的决策向量，基于多数人投票原则进行决策； 所述主用户具有两个以上的工作电平。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，次用户独立进行频谱感知时不要求具有主 用户各电平的先验知识。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，各次用户独立作出决策并且将判断结果发 至融合中心。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，融合中心在决策前对收到的检测结果进行 汇集，得到决策向量。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，融合中心在进行决策融合时依据检测结果 汇集的决策向量。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，融合中心的决策过程包括两个阶段，第一个 阶段为判断主用户是否空闲，若不空闲则在第二阶段判断主用户的具体工作电平，并将判 断结果反馈给各次用户，否则跳过第二阶段。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，检测概率定义为所有主用户工作电平正确 检测概率之和，或者，定义为所有主用户状态被正确检测的概率之和；或者，自行定义。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，决策融合结果出错的概率随着错判电平状 态与实际电平状态之间间隔状态数的增多而减小。
【文档编号】H04W16/14GK104254078SQ201310268346
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】高飞飞, 李家琛, 丁添 申请人:清华大学