一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法。首先，建立一個(gè)多用戶多信道協(xié)作感知系統(tǒng)模型，包括主用戶PU、PU-SU信道、次用戶SU、SU-FC信道和融合中心FC。在此模型下，次用戶SU利用基于濾波器組的接收機(jī)接收PU-SU信道傳輸過(guò)來(lái)的感知信號(hào)；然后，通過(guò)SU-FC信道將接收到的本地感知信息上報(bào)給融合中心FC；最后，融合中心FC在綜合考慮上報(bào)信道、協(xié)作機(jī)制以及空間-頻譜多樣性等因素對(duì)接收到的本地感知信息利用線性加權(quán)軟判決法做出最終判決，判斷是否存在PU信號(hào)和可用的信道。本發(fā)明能有效地協(xié)調(diào)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中協(xié)作機(jī)制與空間-頻譜多樣性之間的權(quán)衡關(guān)系，減少了感知開銷，提高了感知效率。
【專利說(shuō)明】一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，尤其是涉及一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Network, CRN)中，為提高感知效率和頻率利用率，需要有高效的頻譜感知技術(shù)，即次用戶(Secondary User, SU)需在避免對(duì)主用戶(Primary, PU)產(chǎn)生干擾的前提下發(fā)現(xiàn)盡可能多的空閑頻段資源。
[0003]傳統(tǒng)的頻譜感知方法是基于逐個(gè)掃描技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其基本原理是在射頻前端使用一個(gè)可調(diào)節(jié)的窄帶低通濾波器，按照一定順序和窄帶檢測(cè)算法來(lái)感知每個(gè)頻段。其主要包括能量檢測(cè)法、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)法、匹配濾波器檢測(cè)法、似然比檢測(cè)法、基于協(xié)方差信息的感知法、盲合并能量檢測(cè)法等。雖然在實(shí)際中可通過(guò)組合應(yīng)用來(lái)提高感知效率，但這些方法均存在著檢測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸效率較低、數(shù)據(jù)傳輸失敗率高、能量消耗大等缺點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)頻譜感知方法存在的問(wèn)題，研究者們提出了不少改進(jìn)方法，主要包括壓縮感知法、小波檢測(cè)法以及基于濾波器組的頻譜感知法。但這些方法仍存在著等不少缺點(diǎn):壓縮感知法需要較高的系統(tǒng)成本；小波檢測(cè)法存在著較嚴(yán)重的頻譜擴(kuò)散性；基于濾波器組的頻譜感知法尚未提及多信道感知策略。此外，上述傳統(tǒng)的頻譜感知方法及其改進(jìn)技術(shù)還會(huì)受到無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中存在的干擾、接收機(jī)的不確定性、多徑衰落、掩蔽效應(yīng)等因素的較大影響，從而導(dǎo)致其感知效率受到限制。再者，上述頻譜感知技術(shù)針對(duì)的只是單用戶多信道情況下的頻譜感知問(wèn)題，而實(shí)用情況下的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)往往是多用戶多信道場(chǎng)景。因此，如何解決多用戶多信道情況下的頻譜感知效率是目前的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)所面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問(wèn)題；提供了一種通過(guò)引入?yún)f(xié)作因子P建立了多用戶感知多個(gè)信道的協(xié)作機(jī)制模型，有效地權(quán)衡了感知精度、感知效率和感知開銷間的相互關(guān)系，并有效地協(xié)調(diào)了協(xié)作機(jī)制與空間-頻譜多樣性之間的權(quán)衡關(guān)系，從而減少了感知開銷，提高了感知效率的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法。
[0005]本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的:
[0006]—種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，基于一個(gè)模型的建立，該模型包括:
[0007]主用戶PU:授權(quán)用戶；
[0008]次用戶SUs:非授權(quán)用戶，利用基于濾波器組的接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多信道的提取和本地信號(hào)的感知；
[0009]融合中心(Fusion Center，F(xiàn)C):綜合考慮非理想上報(bào)信道、協(xié)作機(jī)制以及空間-頻譜多樣性對(duì)感知性能的影響，并利用線性加權(quán)軟判決來(lái)確定PU信號(hào)是否存在及信道是否可用；
[0010]PU-SU信道:主用戶與次用戶之間的感知鏈路，次用戶利用此鏈路感知主用戶信道的占用情況；
[0011]SU-FC信道:次用戶與融合中心之間的上報(bào)鏈路，次用戶利用此鏈路將本地頻譜信息上報(bào)給融合中心進(jìn)行決策。
[0012]定義在K個(gè)信道的主用戶通信系統(tǒng)中，PU的頻譜占用率在每一信道上相互獨(dú)立，且對(duì)于所有感知SUs來(lái)說(shuō)是相同的；
[0013]具體方法是:基于濾波器組的多信道協(xié)作感知框架，通過(guò)引入?yún)f(xié)作因子P建立多用戶多信道的協(xié)作頻譜感知模型，從而實(shí)現(xiàn)多用戶多信道的感知任務(wù)分配及調(diào)度，并將占用情況上報(bào)給FC。
[0014]在上述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，PU-SU信道模型是按照下述方法進(jìn)行建立:
[0015]定義s (η)為PU發(fā)射信號(hào)，且滿足獨(dú)立同分布的高斯隨機(jī)過(guò)程，均值為0，方差為σ xm(η)為第m個(gè)SU接收到的PU數(shù)據(jù)；cm SPU與第m個(gè)SU間的感知信道增益；vm(η)
為感知信道噪聲，且滿足均值為O、方差為 < 的加性高斯白噪聲；定義發(fā)射信號(hào)s(n)、信道
增益Cm與加性噪聲Vm (η)是相互獨(dú)立的；于是，在第η個(gè)時(shí)刻，每一信道的二元假設(shè)檢驗(yàn)表示為
[0016]當(dāng)信道空閑，則=
[0017]當(dāng)I3U 信道占用，則:?': Xm (/?) = Cms{n) + Vm (/?)
[0018]其中，m=l，2，...，M，η=1，2，...，Ν。N為一個(gè)感知周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，以保證在有
限的信號(hào)樣點(diǎn)內(nèi)完成檢測(cè)判決。
[0019]在上述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，多個(gè)次用戶SUs在同一時(shí)刻感知多信道頻譜占用情況的具體方法是:首先利用基于濾波器組的接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多信道的提取和本地信號(hào)的感知；然后通過(guò)引入?yún)f(xié)作因子P建立多用戶多信道的協(xié)作頻譜感知模型，實(shí)現(xiàn)多用戶多信道的感知任務(wù)分配及調(diào)度；最后基于能量檢測(cè)法的進(jìn)行多用戶多信道的能量估計(jì)。
[0020]在上述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，所述基于濾波器組進(jìn)行PU信號(hào)檢測(cè)的具體方法是:
[0021]第k個(gè)信道的輸出信號(hào)為
【權(quán)利要求】
1.一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，基于一個(gè)模型的建立，該模型包括: 主用戶I3U:授權(quán)用戶； 次用戶SUs:非授權(quán)用戶，利用基于濾波器組的接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多信道的提取和本地信號(hào)的感知； 融合中心:綜合考慮非理想上報(bào)信道、協(xié)作機(jī)制以及空間-頻譜多樣性對(duì)感知性能的影響，并利用線性加權(quán)軟判決來(lái)確定PU信號(hào)是否存在及信道是否可用； PU-SU信道:主用戶與次用戶之間的感知鏈路，次用戶利用此鏈路感知主用戶信道的占用情況； SU-FC信道:次用戶與融合中心之間的上報(bào)鏈路，次用戶利用此鏈路將本地頻譜信息上報(bào)給融合中心進(jìn)行決策； 定義在K個(gè)信道的主用戶通信系統(tǒng)中，PU的頻譜占用率在每一信道上相互獨(dú)立，且對(duì)于所有感知SUs來(lái)說(shuō)是相同的； 具體方法是:基于濾波器組的多信道協(xié)作感知框架，通過(guò)引入?yún)f(xié)作因子P建立多用戶多信道的協(xié)作頻譜感知模型，從而實(shí)現(xiàn)多用戶多信道的感知任務(wù)分配及調(diào)度，并將占用情況上報(bào)給FC。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，PU-SU信道模型是按照下述方法進(jìn)行建立: 定義s (η)為發(fā)射信號(hào)， 且滿足獨(dú)立同分布的高斯隨機(jī)過(guò)程，均值為O，方差為σ52 ;xm(η)為第m個(gè)SU接收到的I3U數(shù)據(jù)；cm為PU與第m個(gè)SU間的感知信道增益；vm(n)為感知信道噪聲，且滿足均值為O、方差為σ2ν的加性高斯白噪聲；定義發(fā)射信號(hào)s (η)、信道增益Cffl與加性噪聲Vm(η)是相互獨(dú)立的；于是，在第η個(gè)時(shí)刻，每一信道的二元假設(shè)檢驗(yàn)表示為 當(dāng) PU 信道空閑，則:'K: = Vjn)
當(dāng) PU 信道占用，則:U: Am (/7) = ClilSin) + Vhl ⑷ 其中，m=l, 2,..., Μ, η=1, 2,..., N ；Ν為一個(gè)感知周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，以保證在有限的信號(hào)樣點(diǎn)內(nèi)完成檢測(cè)判決。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，多個(gè)次用戶SUs在同一時(shí)刻感知多信道頻譜占用情況的具體方法是:首先利用基于濾波器組的接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多信道的提取和本地信號(hào)的感知；然后通過(guò)引入?yún)f(xié)作因子P建立多用戶多信道的協(xié)作頻譜感知模型，實(shí)現(xiàn)多用戶多信道的感知任務(wù)分配及調(diào)度；最后基于能量檢測(cè)法的進(jìn)行多用戶多信道的能量估計(jì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，所述基于濾波器組進(jìn)行PU信號(hào)檢測(cè)的具體方法是: 第k個(gè)信道的輸出信號(hào)為
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，引入?yún)f(xié)作因子P建立多用戶感知多個(gè)信道的協(xié)作機(jī)制模型的具體方法是:定義
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，所述基于能量檢測(cè)法的進(jìn)行信道能量估計(jì)的具體方法是: 第m個(gè)SU估計(jì)的第k個(gè)信道的能量為
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，SU-FC信道模型是按照下述方法進(jìn)行建立: 次用戶SU通過(guò)多徑衰落信道將統(tǒng)計(jì)參量4上報(bào)給融合中心；假設(shè)上報(bào)信道的噪聲Iu1J是零均值方差力σ且空間不相關(guān)的加性高斯白噪聲，gm(l)是長(zhǎng)度SLg的多徑信道沖擊響應(yīng)，不同SU上報(bào)信息相互獨(dú)立，則融合中心從第m個(gè)SU收到的數(shù)據(jù)為
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，融合中心FC進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和判決的具體方法是: 定義<為第m個(gè)SU在第k個(gè)信道的統(tǒng)計(jì)參量，則有
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，融合中心FC采用最優(yōu)協(xié)作頻譜感知算法獲得最優(yōu)的系統(tǒng)性能，具體如下: 步驟8.1、優(yōu)化多用戶多信道協(xié)作感知策略: 多用戶多信道協(xié)作感知的目標(biāo)是要找到在每個(gè)PU干擾和感知開銷限制條件(ξ )下，滿足最大累積機(jī)會(huì)吞吐量時(shí)的K個(gè)信道的最優(yōu)閾值λ，此多用戶多信道協(xié)作感知的最優(yōu)問(wèn)題可定義為
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，所述8.21中，基于GA的多用戶多樣性優(yōu)化策略包括以下步驟: 步驟8.211:設(shè)置$t=0$，隨機(jī)產(chǎn)生一組(M*K+K)*nbits bit的染色體，其中，M為加權(quán)系數(shù)的個(gè)數(shù)，K為子信道閾值的個(gè)數(shù)，$nbits$為標(biāo)識(shí)每一系數(shù)的bit數(shù)； 步驟8.212:對(duì)隨機(jī)種群中每一染色體進(jìn)行編碼，分別對(duì)應(yīng)加權(quán)系數(shù)ω和閾值λ ； 步驟8.213:對(duì)加權(quán)系數(shù)進(jìn)行歸一化，以滿足限制條件
【文檔編號(hào)】H04L5/00GK103763086SQ201410040586
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】趙楠, 武明虎, 周先軍, 熊煒, 常春 申請(qǐng)人:湖北工業(yè)大學(xué)