一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法。首先，建立一個多用戶多信道協作感知系統模型，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接收PU-SU信道傳輸過來的感知信號；然后，通過SU-FC信道將接收到的本地感知信息上報給融合中心FC；最后，融合中心FC在綜合考慮上報信道、協作機制以及空間-頻譜多樣性等因素對接收到的本地感知信息利用線性加權軟判決法做出最終判決，判斷是否存在PU信號和可用的信道。本發明能有效地協調認知無線電系統中協作機制與空間-頻譜多樣性之間的權衡關系，減少了感知開銷，提高了感知效率。
【專利說明】一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多用戶多信道協作頻譜感知方法，尤其是涉及一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法。
【背景技術】
[0002]在認知無線電網絡(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，即次用戶(Secondary User, SU)需在避免對主用戶(Primary, PU)產生干擾的前提下發現盡可能多的空閑頻段資源。
[0003]傳統的頻譜感知方法是基于逐個掃描技術來實現的，其基本原理是在射頻前端使用一個可調節的窄帶低通濾波器，按照一定順序和窄帶檢測算法來感知每個頻段。其主要包括能量檢測法、循環平穩特征檢測法、匹配濾波器檢測法、似然比檢測法、基于協方差信息的感知法、盲合并能量檢測法等。雖然在實際中可通過組合應用來提高感知效率，但這些方法均存在著檢測周期過長、數據傳輸效率較低、數據傳輸失敗率高、能量消耗大等缺點。針對傳統頻譜感知方法存在的問題，研究者們提出了不少改進方法，主要包括壓縮感知法、小波檢測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:壓縮感知法需要較高的系統成本；小波檢測法存在著較嚴重的頻譜擴散性；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，上述傳統的頻譜感知方法及其改進技術還會受到無線通信網絡中存在的干擾、接收機的不確定性、多徑衰落、掩蔽效應等因素的較大影響，從而導致其感知效率受到限制。再者，上述頻譜感知技術針對的只是單用戶多信道情況下的頻譜感知問題，而實用情況下的認知無線電系統往往是多用戶多信道場景。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知無線電系統所面臨的一個關鍵問題。

【發明內容】

[0004]本發明主要是解決現有技術所存在的技術問題；提供了一種通過引入協作因子P建立了多用戶感知多個信道的協作機制模型，有效地權衡了感知精度、感知效率和感知開銷間的相互關系，并有效地協調了協作機制與空間-頻譜多樣性之間的權衡關系，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作頻譜感知方法。
[0005]本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的:
[0006]—種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，基于一個模型的建立，該模型包括:
[0007]主用戶PU:授權用戶；
[0008]次用戶SUs:非授權用戶，利用基于濾波器組的接收機來實現多信道的提取和本地信號的感知；
[0009]融合中心(Fusion Center，FC):綜合考慮非理想上報信道、協作機制以及空間-頻譜多樣性對感知性能的影響，并利用線性加權軟判決來確定PU信號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鏈路，次用戶利用此鏈路將本地頻譜信息上報給融合中心進行決策。
[0012]定義在K個信道的主用戶通信系統中，PU的頻譜占用率在每一信道上相互獨立，且對于所有感知SUs來說是相同的；
[0013]具體方法是:基于濾波器組的多信道協作感知框架，通過引入協作因子P建立多用戶多信道的協作頻譜感知模型，從而實現多用戶多信道的感知任務分配及調度，并將占用情況上報給FC。
[0014]在上述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，PU-SU信道模型是按照下述方法進行建立:
[0015]定義s (η)為PU發射信號，且滿足獨立同分布的高斯隨機過程，均值為0，方差為σ xm(η)為第m個SU接收到的PU數據；cm SPU與第m個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；定義發射信號s(n)、信道
增益Cm與加性噪聲Vm (η)是相互獨立的；于是，在第η個時刻，每一信道的二元假設檢驗表示為
[0016]當信道空閑，則=
[0017]當I3U 信道占用，則:?': Xm (/?) = Cms{n) + Vm (/?)
[0018]其中，m=l，2，...，M，η=1，2，...，Ν。N為一個感知周期內的采樣點數，以保證在有
限的信號樣點內完成檢測判決。
[0019]在上述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，多個次用戶SUs在同一時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來實現多信道的提取和本地信號的感知；然后通過引入協作因子P建立多用戶多信道的協作頻譜感知模型，實現多用戶多信道的感知任務分配及調度；最后基于能量檢測法的進行多用戶多信道的能量估計。
[0020]在上述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，所述基于濾波器組進行PU信號檢測的具體方法是:
[0021]第k個信道的輸出信號為
【權利要求】
1.一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，基于一個模型的建立，該模型包括: 主用戶I3U:授權用戶； 次用戶SUs:非授權用戶，利用基于濾波器組的接收機來實現多信道的提取和本地信號的感知； 融合中心:綜合考慮非理想上報信道、協作機制以及空間-頻譜多樣性對感知性能的影響，并利用線性加權軟判決來確定PU信號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鏈路，次用戶利用此鏈路將本地頻譜信息上報給融合中心進行決策； 定義在K個信道的主用戶通信系統中，PU的頻譜占用率在每一信道上相互獨立，且對于所有感知SUs來說是相同的； 具體方法是:基于濾波器組的多信道協作感知框架，通過引入協作因子P建立多用戶多信道的協作頻譜感知模型，從而實現多用戶多信道的感知任務分配及調度，并將占用情況上報給FC。
2.根據權利要求1所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，PU-SU信道模型是按照下述方法進行建立: 定義s (η)為發射信號， 且滿足獨立同分布的高斯隨機過程，均值為O，方差為σ52 ;xm(η)為第m個SU接收到的I3U數據；cm為PU與第m個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；定義發射信號s (η)、信道增益Cffl與加性噪聲Vm(η)是相互獨立的；于是，在第η個時刻，每一信道的二元假設檢驗表示為 當 PU 信道空閑，則:'K: = Vjn)
當 PU 信道占用，則:U: Am (/7) = ClilSin) + Vhl ⑷ 其中，m=l, 2,..., Μ, η=1, 2,..., N ；Ν為一個感知周期內的采樣點數，以保證在有限的信號樣點內完成檢測判決。
3.根據權利要求1所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，多個次用戶SUs在同一時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來實現多信道的提取和本地信號的感知；然后通過引入協作因子P建立多用戶多信道的協作頻譜感知模型，實現多用戶多信道的感知任務分配及調度；最后基于能量檢測法的進行多用戶多信道的能量估計。
4.根據權利要求3所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，所述基于濾波器組進行PU信號檢測的具體方法是: 第k個信道的輸出信號為
5.根據權利要求3所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，引入協作因子P建立多用戶感知多個信道的協作機制模型的具體方法是:定義
6.根據權利要求3所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，所述基于能量檢測法的進行信道能量估計的具體方法是: 第m個SU估計的第k個信道的能量為
7.根據權利要求1所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，SU-FC信道模型是按照下述方法進行建立: 次用戶SU通過多徑衰落信道將統計參量4上報給融合中心；假設上報信道的噪聲Iu1J是零均值方差力σ且空間不相關的加性高斯白噪聲，gm(l)是長度SLg的多徑信道沖擊響應，不同SU上報信息相互獨立，則融合中心從第m個SU收到的數據為
8.根據權利要求1所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，融合中心FC進行數據融合和判決的具體方法是: 定義<為第m個SU在第k個信道的統計參量，則有
9.根據權利要求1所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，融合中心FC采用最優協作頻譜感知算法獲得最優的系統性能，具體如下: 步驟8.1、優化多用戶多信道協作感知策略: 多用戶多信道協作感知的目標是要找到在每個PU干擾和感知開銷限制條件(ξ )下，滿足最大累積機會吞吐量時的K個信道的最優閾值λ，此多用戶多信道協作感知的最優問題可定義為
10.根據權利要求8所述的一種基于濾波器組的多用戶多信道協作頻譜感知方法，其特征在于，所述8.21中，基于GA的多用戶多樣性優化策略包括以下步驟: 步驟8.211:設置$t=0$，隨機產生一組(M*K+K)*nbits bit的染色體，其中，M為加權系數的個數，K為子信道閾值的個數，$nbits$為標識每一系數的bit數； 步驟8.212:對隨機種群中每一染色體進行編碼，分別對應加權系數ω和閾值λ ； 步驟8.213:對加權系數進行歸一化，以滿足限制條件
【文檔編號】H04L5/00GK103763086SQ201410040586
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2014年1月27日
【發明者】趙楠, 武明虎, 周先軍, 熊煒, 常春 申請人:湖北工業大學