基于幂集置信度的联合频谱感知系统和方法
【专利摘要】本发明公开一种基于幂集置信度的联合频谱感知系统和方法，技术要点为通过多个从用户独立进行频谱感知，根据各自的感知结果判断主用户频谱使用状态为频谱空闲或频谱被占用，上报相应的判决结果的判决置信度给融合中心，融合中心根据所有从用户上报的数据，分别对上报频谱空闲和频谱被占用的从用户上报的判决置信度进行计算处理，最终得出频谱感知的总判决结果。本发明有效地减少低置信度从用户对总判决的影响，极大地增强了在时变的无线通信环境下多用户频谱检测系统的自适应能力，极大地提高频谱检测系统的检测能力。
【专利说明】基于幂集置信度的联合频谱感知系统和方法
[0001]
【技术领域】 本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种基于幂集置信度的联合频谱感知系统和方 法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术与网络的飞速发展，无线用户的数量急剧增加，通过无线网络 接入的业务形式日趋多样化，并对系统提出了越来越高的带宽要求，使得频谱资源变得非 常紧张。另外，随着无线网络宽带化及数据、业务、网络IP化与一体化的逐步演进，人们对 带宽和频谱的利用率提出了越来越高的要求。而认知无线电，就是用于解决这种频谱使用 不均衡，频谱利用率不高等问题的非常具有潜力的技术手段。目前，认知无线电的一个典型 应用就是机会频谱接入。其核心思想是通过无线通信设备对通信环境的认知，进而按照某 种"伺机"的方式，在空域、时域、和频域中实时地去发现授权频段上出现的可以被利用的频 谱机会，即"频谱空穴"，并合理地利用。当未授权用户（SU，也称从用户、认知用户）通过这 种"借用"的方式使用已授权用户（PU，也称主用户）的频谱资源时，必须保证其通信过程不 会影响到PU的通信，或对PU的干扰被控制在某个特定的范围之内。
[0003] 为了找出适合通信的"频谱空穴"，使得认知无线电系统能够在不影响已有通信 系统的前提下有效地进行工作，目前通常采用频谱检测技术完成这一目的，频谱检测指的 是认知无线电设备在特定的时间、特定的区域上感知并分析无线通信环境中的频段使用情 况的能力。现有的频谱检测方法有能量检测方法（H. Urkowitz, "Energy detection of unknown deterministic signals,，' Proceedings of IEEE, vol. 55, pp. 523-531, April 1967 ；F. F. Digham, M. -S. Alouini and M. K. Simon, "On the energy detection of unknow signals over fading channels,，' IEEE Trans. Commun, vol. 55, no. 1, pp. 3575-3579, Jan. 2007)、匹配滤波器与相关检测方法（S. M. Kay, Fundamental of Statistical Signal Processing: Dection Theory. New Jersey: Prentice Hall, 1998) 和循环特征检测方法（S. Enserink and D. Cochran, "A cycolstationary feature detector,，' in Proc. 28thAsilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Monterey, CA，Oct. 1994，pp. 806-810)等。现有方法检测需要知道当前频段PU的先验 知识，其实现复杂度及成本较高，检测时间也较长。因此，为了降低成本和实现复杂度，现有 频谱检测一般是在SU的发送端通过能量检测与判决来完成，通过对所观察的频段内的无 线信号进行测量及能量计算，并与特定的门限值进行比较，从而判决是否出现了符合通信 要求的"频谱空穴"。频谱检测的性能决定了 SU能否有效地抓住频谱机会来实现高效的数 据传输，以及能否比较准确地判定射频信号碰撞事件，使SU在PU出现的情况下能够尽快主 动退避，避免过多地影响TO的通信。
[0004] 在实际的无线信道中，单一用户的频谱检测结果常常受到衰落、阴影和多径的影 响，无法达到一个很好的检测性能。通过将多个用户的检测结果加以综合，就能以少量的开 销传递用户判决信息，极大地提高检测的性能。
[0005] 而在多用户认知无线电网络中，存在一个主用户和#个从用户。从用户之间互不 干扰，每个从用户独立地进行频谱感知，然后通过控制信道把相关检测数据发送至融合中 心FC，由FC按照特定规则集中判决，通常采用K/N规则判决，K/N规则的经典应用就是少数 服从多数原则，基于K/N规则的联合频谱检测方法指的是，若#个用户中有大于或等于尤个 的判决为真，则总判决为真，否则总判决为假。
[0006] SU端能量检测器工作时，信号首先通过一个带通滤波器滤除带外噪声，然后通 过平方器和积分器计算总能量r，最后能量判决器将总能量T与一个能量判决门限值 5进行比较，以判断两个可能的情况成和坏其中怂代表TO未占用频谱，而0代表PU正 在使用频谱。如果能量检测的结果为怂；反之，为0。在谱交织模式（SU只在PU的 空闲期工作）下，SU只能在判决结果为怂的时候才能传输数据。总能量7在怂和0两个 假设下均服从卡方分布，由于SU接收到的能量是一个随机卡方分布，当PU实际上在使用频 谱时，SU检测到的能量也有可能/〈 G并错误地得出私的判决结果，于是，SU开始使用频 谱，并对PU的通信造成干扰。也就是说，从用户SU的判决可靠性差，尤其是对频谱感知能 力差（即置信度低）的从用户的判决的可靠性更差，影响总的判决可靠性，从而降低频谱检 测的性能。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种基于幂集置信度 的联合频谱感知系统和方法，其可以极大地增强在时变的无线通信环境下多用户频谱检测 的自适应能力，减少低置信度用户对总判决的干扰，提高频谱检测的性能。
[0008] 为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于幂集置信度的联合 频谱感知系统，包括至少两个认知用户终端，用于分别独立地探测自身周围的无线通信环 境中授权用户终端的出现，对其频段使用情况进行频谱感知，判断所述授权用户终端的频 谱使用状态是否空闲，根据判断结果分别上报相应的判决置信度到融合中心；以及融合中 心，用于接收所述至少两个认知用户终端分别上报的所述判决置信度，将所有的所述判决 置信度划分成两个集合，对两个集合进行幂集置信度计算处理，根据处理结果判断得到所 述授权用户终端的频谱使用状态的总判决结果；其中，所述两个集合中一个集合内的所述 判决置信度为所述至少两个认知用户终端中判断所述频谱使用状态为空闲的认知用户终 端上报的所述判决置信度，另一个集合内的所述判决置信度为所述至少两个认知用户终端 中判断所述频谱使用状态是被占用的认知用户终端上报的所述判决置信度。
[0009] 优选的，所述融合中心将所有的所述判决置信度划分成所述两个集合具体为： 根据所述判决置信度的标识信息将所有的所述判决置信度划分成所述两个集合； 其中，所述标识信息用于指示所述判决置信度为所述至少两个认知用户终端中判断所 述频谱使用状态为空闲的认知用户终端上报的所述判决置信度；或，用于指示所述判决置 信度为所述至少两个认知用户终端中判断所述频谱使用状态为被占用的认知用户终端上 报的判决置信度。
[0010] 优选的，所述至少两个认知用户终端，判断所述授权用户终端的频谱使用状态是 否空闲，根据判断结果分别上报相应的判决置信度到融合中心，具体为： 所述至少两个认知用户终端各自独立进行频谱感知，将检测计算得到的频谱能量r与 检测门限4比较，根据下式上报判决置信度A;
【权利要求】
1. 一种基于幂集置信度的联合频谱感知系统，其特征在于，包括： 至少两个认知用户终端，用于分别独立地探测自身周围的无线通信环境中授权用户终 端的出现，对其频段使用情况进行频谱感知，判断所述授权用户终端的频谱使用状态是否 空闲，根据判断结果分别上报相应的判决置信度到融合中心； 融合中心，用于接收所述至少两个认知用户终端分别上报的所述判决置信度，将所有 的所述判决置信度划分成两个集合，对两个集合进行幂集置信度计算处理，根据处理结果 判断得到所述授权用户终端的频谱使用状态的总判决结果； 其中，所述两个集合中一个集合内的所述判决置信度为所述至少两个认知用户终端中 判断所述频谱使用状态为空闲的认知用户终端上报的所述判决置信度，另一个集合内的所 述判决置信度为所述至少两个认知用户终端中判断所述频谱使用状态是被占用的认知用 户终端上报的所述判决置信度。
2. 根据权利要求1所述的基于幂集置信度的联合频谱感知系统，其特征在于，所述融 合中心将所有的所述判决置信度划分成所述两个集合具体为： 根据所述判决置信度的标识信息将所有的所述判决置信度划分成所述两个集合； 其中，所述标识信息用于指示所述判决置信度为所述至少两个认知用户终端中判断所 述频谱使用状态为空闲的认知用户终端上报的所述判决置信度；或，用于指示所述判决置 信度为所述至少两个认知用户终端中判断所述频谱使用状态为被占用的认知用户终端上 报的判决置信度。
3. 根据权利要求2所述的基于幂集置信度的联合频谱感知系统，其特征在于，所述至 少两个认知用户终端，判断所述授权用户终端的频谱使用状态是否空闲，根据判断结果分 别上报相应的判决置信度到融合中心，具体为： 所述至少两个认知用户终端各自独立进行频谱感知，将检测计算得到的频谱能量r与 检测门限€比较，根据下式上报判决置信度Λ ;
;其中怂代表所述授权用户终端的频谱使用状态 是空闲，/Z1代表所述授权用户终端的频谱使用状态是被占用，正负号为所述标识信息；所述 i为正整数，代表所述至少两个认知用户终端各自的编号。
4. 根据权利要求3所述的基于幂集置信度的联合频谱感知系统，其特征在于，所述融 合中心对所述两个集合进行幂集置信度计算处理，根据处理结果判断得到所述授权用户终 端的频谱使用状态的总判决结果，具体为； 根据所述判决置信度的所述标识信息将所有的所述判决置信度划分为所述两个集合 根据下式分别计算两个集合Utl和U1的幂集置信度，
分别对结果进行归一化处理：
再对比和》(//,)的大小，做出最后总判决结果；
其中：集合Utl内为所述至少两个认知用户终端中判断所述授权用户终端频谱使用状态 为^的上报的判决置信度，集合U1内为所述至少两个认知用户终端中判断所述授权用户终 端频谱使用状态为的上报的判决置信度，/^0?)是集合％的幂集置信度;4,?)是集合 G的幂集置信度，? 0?)是集合％的归一化幂集置信度;? (/Z1)是集合G的归一化幂集置信 度。
5. -种基于幂集置信度的联合频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、至少两个认知用户终端分别独立地探测自身周围的无线通信环境中授权用户 终端的出现，对其频段使用情况进行频谱感知，判断所述授权用户终端的频谱使用状态是 否空闲，根据判断结果分别上报相应的判决置信度到融合中心； 步骤二、所述融合中心接收所述至少两个认知用户终端分别上报的所述判决置信度， 将所有的所述判决置信度划分成两个集合，对两个集合进行幂集置信度计算处理，根据处 理结果判断得到所述授权用户终端的频谱使用状态的总判决结果； 其中，所述两个集合中一个集合内的所述判决置信度为所述至少两个认知用户终端中 判断所述频谱使用状态为空闲的认知用户终端上报的所述判决置信度，另一个集合内的所 述判决置信度为所述至少两个认知用户终端中判断所述频谱使用状态是被占用的认知用 户终端上报的所述判决置信度。
6. 根据权利要求5所述的基于幂集置信度的联合频谱感知方法，其特征在于，所述融 合中心将所有的所述判决置信度划分成所述两个集合具体为： 根据所述判决置信度的标识信息将所有的所述判决置信度划分成所述两个集合；其 中，所述标识信息用于指示所述判决置信度为所述至少两个认知用户终端中判断所述频谱 使用状态为空闲的认知用户终端上报的所述判决置信度；或，用于指示所述判决置信度为 所述至少两个认知用户终端中判断所述频谱使用状态为被占用的认知用户终端上报的判 决置信度。
7. 根据权利要求6所述的基于幂集置信度的联合频谱感知方法，其特征在于，所述至 少两个认知用户终端，判断所述授权用户终端的频谱使用状态是否空闲，根据判断结果分 别上报相应的判决置信度到融合中心，具体为： 所述至少两个认知用户终端各自独立进行频谱感知，将检测计算得到的频谱能量r与 检测门限4比较，根据下式上报判决置信度Λ ;
;其中怂代表所述授权用户终端的频谱使用状态 是空闲，/Z1代表所述授权用户终端的频谱使用状态是被占用，正负号为所述标识信息；所述 i为正整数，代表所述至少两个认知用户终端各自的编号。
8.根据权利要求7所述的基于幂集置信度的联合频谱感知方法，其特征在于，所述融 合中心对所述两个集合进行幂集置信度计算处理，根据处理结果判断得到所述授权用户终 端的频谱使用状态的总判决结果，具体为； 根据所述判决置信度的所述标识信息将所有的所述判决置信度划分为所述两个集合 根据下式分别计算两个集合Utl和U1的幂集置信度，
分别对结果进行归一化处理：
再对比《(//,)和W7)的大小，做出最后总判决结果； 其中：集合Utl内为所述至少两个认知用户终端中判断所述授权用户终端频谱使用状态 为^的上报的判决置信度，集合U1内为所述至少两个认知用户终端中判断所述授权用户终 端频谱使用状态为的上报的判决置信度，/^0?)是集合％的幂集置信度;4,?)是集合 G的幂集置信度，? 0?)是集合％的归一化幂集置信度;? (ZZ1)是集合G的归一化幂集置信 度。
【文档编号】H04B17/382GK104378169SQ201410739029
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】鲍志强, 凌翔, 吴斌, 陈亦欧, 潘丽莉 申请人:电子科技大学