一种新型的基于能量检测的双门限协作频谱感知算法

摘要

一种新型的基于能量检测的双门限协作频谱感知算法，它属于无线系统的频谱感知技术领域。它的方法步骤一：考虑一个中心单元或者基站和M个认知用户参与合作频谱感知；中心单元负责管理认知无线电网络和所有的M个合作认知用户；步骤二：每个参与合作频谱感知的认知用户首先检查它所接收到的授权用户信号的能量；判决能量统计量Ti是否小于门限λ₀或者大于等于门限λ₁，小于门限λ₀则认为所感知的授权信道当前空闲，判决为“0”；大于等于门限λ₁，则认为授权用户正在使用当前频段。本发明通过将K秩融合策略和EGC软融合策略的有效结合，有效提升合作频谱感知效率，节省系统开销，相比较单用户自适应双门限能量检测，多融合准则的双门限协作频谱感知算法检测。

主权项

一种新型的基于能量检测的双门限协作频谱感知算法，其特征在于它的方法步骤为：步骤一：考虑一个中心单元或者基站和M个认知用户参与合作频谱感知；中心单元负责管理认知无线电网络和所有的M个合作认知用户；在此网络中假设每个认知用户进行本地感知的过程是相互独立的，均采用双门限能量频谱感知算法来进行；第i个合作认知用户的感知情况，检测模型表示如下：$\{\begin{array}{c}{H}_0,x_i\left(n\right)=w_i\left(n\right)\\ H_1,x_i\left(n\right)=s_i\left(n\right)+w_i\left(n\right)\end{array},n=1,2,...N---\left(1\right)$式中，s(n)为输入的授权用户信息，假设服从均值为零，方差为的正态分布，w(n)为高斯白噪声，服从均值为零，方差为的正态分布，H₀表示测试端只有噪声，H₁表示测试端有授权用户信息和噪声，假设噪声采样值相互独立同分布，并且与信号采样值也相互独立，则在H₀下在H₁下也即在N个抽样求和后，输出统计量T_i可以表示为：$T_i=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i{\left(n\right)}^2---\left(2\right)$协作频谱检测充分利用各个认知用户感知数据信息，显著提高频谱感知结果的可靠性能，因此我们采用了基于能量检测的双门限的协作频谱感知策略；步骤二：每个参与合作频谱感知的认知用户首先检查它所接收到的授权用户信号的能量；判决能量统计量Ti是否小于门限λ₀或者大于等于门限λ₁，小于门限λ₀则认为所感知的授权信道当前空闲，判决为“0”；大于等于门限λ₁，则认为授权用户正在使用当前频段，判决为“1”；我们用D_i表示第i个用户的本地感知结果，D_i取数据“0”或“1”，判决结果D_i将送入融合中心，融合中心根据本地的感知结果，采用自适应K秩硬融合策略：下面对对K秩硬融合准则判决进行分析，假设一共有M个认知用户参与协作感知，基于能量感知的双门限算法的认知无线网络中，其k秩融合策略联合检测概率和虚警概率表达式为：$Q_{D\_dou}=P(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{T}_i>k|H_1)=\underset{i=k}{\overset{K}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}K\\ i\end{array}\right){\left(P\right(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{T}_i>i\left|H_1\right))}^i{(1-P(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{T}_i>i\left|H_1\right))}^{K-i}---\left(3\right)$$Q_{F\_dou}=P(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{T}_i>k|H_0)=\underset{i=k}{\overset{K}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}K\\ i\end{array}\right){\left(P\right(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{T}_i>k\left|H_0\right))}^i{(1-P(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{T}_i>k\left|H_0\right))}^{K-i}---\left(4\right)$k＝1即为“或”融合，k＝M即为“与”融合；传统的K秩融合投票门限值固定，一般为其中为ceiling函数，此时称为Majority准则；对频谱状态作出判决，判决结果用R₁来表示，表达式可写为：$R_1=\left\{\begin{array}{cc}1,& \underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}{D}_i\ge K\\ 0,& \underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}{D}_i<K\end{array}\right.---\left(5\right)$若R₁为1，表示融合中心判决授权用户存在，授权用户不可以占用信道；若R₁为0，判决授权用户不存在，授权用户可以接入信道进行通信；步骤三：如果Ti落入由门限λ₀和λ₁构成的不可靠区间，即λ₀≤Ti<λ₁，则第i个合作认知用户将自己接收到的信号直接上传到融合中心，在融合中心采用EGC软融合策略数据进行加权求和，并与软融合门限值进行比较，并作出判决，采用EGC准则的融合中心的检测过程可以表示为：$R_{EGC}=\left\{\begin{array}{cc}1,& {\psi }_{EGC}=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{T_i}{\sqrt{M}}\ge {\lambda }_{EGC}\\ 0,& {\psi }_{EGC}=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{T_i}{\sqrt{M}}<{\lambda }_{EGC}\end{array}\right.---\left(6\right)$其中，λ_EGC为预设门限值；文献[6]指出ψ_EGC服从正态分布：${\psi }_{EGC}\left\{\begin{array}{cc}Normal(N\sqrt{M},2N)& H_0\\ Normal\left(\frac{N}{\sqrt{M}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\right(1+{\gamma }_i))& H_1\end{array}\right.---\left(7\right)$其中，γ_i表示第i个用户的接收信噪比，N表示采样点数，M表示认知用户数；所以联合检测概率和虚警概率为：$Q_{D\_EGC}=Q\left(\frac{Q^{-1}\left(P_{f\_egc}\right)-\sqrt{\frac{N}{2M}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\gamma }_i}{\sqrt{1+\frac{2}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\gamma }_i}}\right)---\left(8\right)$$Q_{F\_EGC}=Q\left(\sqrt{1+\frac{2}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\gamma }_i}{Q}^{-1}\right(Q_{D\_EGC})+\sqrt{\frac{N}{2M}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\gamma }_i)---\left(9\right)$式中，为信息融合中心瞬时信噪比；采用EGC准则，参与的M个认知节点将本地的感知观测值Ti直接传送给融合中心，融合中心再对数据进行加权求和，若各节点权值取融合中心接收的信号：${\psi }_{EGC}=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{T_i}{\sqrt{M}}---\left(10\right)$将判决结果传送给用户，若判决结果用R₂来表示，表达式可写为判决规则如下：$R_2=\left\{\begin{array}{cc}1,& Y\ge \xi \\ 0,& Y<\xi \end{array}\right.---\left(11\right)$其中，若R₂为1，表示融合中心判决授权用户存在，认知用户不可以占用信道；若R₂为0，表示融合中心判决授权用户不存在，认知用户可以接入信道进行通信。