一种节省网络通信开销的合作频谱感知方法

摘要

本发明涉及一种节省网络通信开销的合作频谱感知方法。现有的网络通信开销大。本发明方法中认知无线电用户使用能量检测技术对目标频段进行频谱感知，得到本地感知结果；数据融合中心收集认知无线电用户的本地感知结果并进行融合，做出对频谱使用情况的判决，得到合作感知的判决结果。数据融合中心和认知无线电用户之间通过控制信道进行消息交互，认知无线电用户发送本地频谱感知结果，数据融合中心发送合作感知的判决结果。本发明方法在不降低合作感知准确性的前提下，减少了认知无线电网络的通信开销；对于认知无线电用户而言，减少了不必要的感知结果的发送，节省了宝贵的能量，延长了电池使用寿命。

主权项

1.一种节省网络通信开销的合作频谱感知方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤(1)初始化认知无线电用户置信度和认知无线电用户置信度门限；所述的初始化认知无线电用户置信度为设置认知无线电用户置信度为1，所述的初始化认知无线电用户置信度门限为设置认知无线电用户置信度门限为0；步骤(2)认知无线电用户感知频谱使用情况；所述的认知无线电用户感知频谱使用情况包括认知无线电用户本地感知和认知无线电用户根据本地置信度控制感知结果的发送；a、认知无线电用户本地感知的方法为：在一次感知过程中，各个认知无线电用户独立地采用现有的能量检测技术感知目标频带上主用户的信号能量，得到本地的感知结果Y_i，$Y_i=\left\{\begin{array}{cc}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left[n_i\left(j\right)\right]}^2& H_0\\ \underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{[s_i\left(j\right)+n_i\left(j\right)]}^2& H_1\end{array}\right.$其中i为第i个认知无线电用户，n_i(j)为一次感知过程中，第i个认知无线电用户第j次采样到的噪声，s_i(j)为一次感知过程中，第i个认知无线电用户第j次采样到的主用户的信号，N为认知无线电用户执行一次感知所需的采样次数，H₁表示主用户占用目标频段，H₀表示主用户没有占用目标频段；1≤i≤K，1≤j≤N，N≥15，K表示合作感知的认知无线电用户的数量；存储感知结果Y_i为本地感知记录G_i(t)，其中t表示本地第t次感知过程；b、认知无线电用户根据本地置信度控制感知结果的发送；各个认知无线电用户比较本地置信度与本地置信度门限的大小，若本地置信度大于或等于本地置信度门限，则通过控制信道向数据融合中心发送本次感知过程中得到的本地感知结果Y_i，若本地置信度小于本地置信度门限则不发送本地感知结果Y_i；步骤(3)数据融合中心判决频谱使用情况；所述数据融合中心判决频谱使用情况是指数据融合中心在收到认知无线电用户发送的感知结果后，对接收到的感知结果进行融合，利用融合的结果做出对频谱使用情况的判决，具体如下：c、数据融合中心在接收到各个认知无线电用户的感知结果后，统计参与本次合作感知的用户个数K′；利用K′对收到的感知结果进行归一化，然后等增益融合得到融合结果Y_c，$Y_c=\frac{1}{K^{\prime }}\underset{i^{\prime }=1}{\overset{K^{\prime }}{\Sigma }}{Y}_{i^{\prime }}$其中Y_i′表示数据融合中心本次收到的第i′个感知结果；d、数据融合中心按照基于Neyman-Pearson最佳检测理论的判决方法，划定判决门限并做出对频谱使用情况的判决；划定判决门限γ_c，${\gamma }_c=\frac{1}{K^{\prime }}\underset{i^{\prime }=1}{\overset{K^{\prime }}{\Sigma }}{\mu }_{H_0}\left(i^{\prime }\right)+Q^{-1}\left(P_f\right)\sqrt{\underset{i^{\prime }=1}{\overset{K^{\prime }}{\Sigma }}{\left[\frac{1}{K^{\prime }}{\sigma }_{H_0}\left(i^{\prime }\right)\right]}^2}$其中为主用户没有占用目标频段时数据融合中心收到的第i′个感知结果的均值，为主用户没有占用目标频段时数据融合中心收到的第i′个感知结果的方差，P_f为系统给定的虚警概率，Q^-1为Q函数的反函数；当融合结果Y_c小于判决门限γ_c时，数据融合中心判决主用户没有占用目标频段；当融合结果Y_c大于或等于判决门限γ_c时，数据融合中心判决主用户占用了目标频段；将此判决结果作为本次合作感知的判决结果；e、数据融合中心将本次合作感知的判决结果和判决门限γ_c通过控制信道广播给所有认知无线电用户；步骤(4)认知无线电用户更新本地置信度；认知无线电用户更新本地置信度是指认知无线电用户利用收到的合作感知的判决结果和判决门限γ_c更新自身的置信度，具体为：f、第i个认知无线电用户收到数据融合中心发送的合作感知的判决结果和判决门限γ_c后，将此次频谱感知过程中的本地感知结果Y_i与γ_c进行比较，当本地感知结果Y_i小于判决门限γ_c时，本地判决主用户没有占用目标频段；当本地感知结果Y_i大于或等于判决门限γ_c时，本地判决主用户占用了目标频段；比较本地判决结果与合作感知的判决结果，得到在此次频谱感知过程中本地判决与合作感知判决的一致性记录；g、利用最近l次感知过程中本地判决与合作感知判决的一致性记录，统计最近l次感知过程中本地判决与合作感知判决一致的次数Num_matched(i)，更新本地置信度c_i，c_i＝Num_matched(i)/l，i＝1，2，…，K；l＞0；其中l表示置信度门限的更新周期；步骤(5)更新置信度门限；更新置信度门限是指每经过1次感知后，各个认知无线电用户向数据融合中心发送1次感知结果的平均值Z_i和当前的本地置信度c_i，并由数据融合中心重新选择置信度门限；具体为：h、认知无线电用户每经过1次感知后，根据1次感知过程中得到的本地感知记录G_i(t)，计算1次感知结果的平均值Z_i，$Z_i=\underset{t=t_c-l+1}{\overset{t_c}{\Sigma }}\frac{G_i\left(t\right)}{l},i=\mathrm{1,2},...,K$其中t_c表示本地最近的一次感知过程；每个认知无线电用户将本地统计的1次感知结果的平均值Z_i和当前的本地置信度c_i发送给数据融合中心；i、数据融合中心收到K个认知无线电用户发送来的1次感知结果的平均值Z_i和本地置信度c_i后，记录为{[Z₁，c₁]，[Z₂，c₂]，…，[Z_i，c_i]，…，[Z_K，c_K]}；对{[Z₁，c₁]，[Z₂，c₂]，…，[Z_i，c_K]，…，[Z_K，c_K]}按照置信度的大小进行排序，得到其中$c_{b_1}\ge c_{b_2}\ge ···\ge c_{b_m}\ge ···\ge c_{b_K},$1≤m≤K，1≤b_m≤K，b_m表示第b_m个认知无线电用户；计算偏差系数D(k)，$D\left(k\right)=\frac{{[\underset{m=1}{\overset{k}{\Sigma }}{Z}_{b_m}-\underset{m=1}{\overset{k}{\Sigma }}{\mu }_{H_0}\left(b_m\right)]}^2}{\underset{m=1}{\overset{k}{\Sigma }}{\sigma }_{H_0}^2\left(b_m\right)},k=\mathrm{1,2}···K$k依次从K取到1，得到对应的K个偏差系数{D(K)，D(K-1)，…，D(1)}；比较这K个偏差系数，找出其中的最大值，并确定使得偏差系数D(k)最大的k值，用k_opt表示；如果有多个k值都使得偏差系数最大，取其中最小的k值作为k_opt；选择第个认知无线电用户的置信度作为新的置信度门限；数据融合中心将新的置信度门限通过控制信道广播给所有认知无线电用户；j、认知无线电用户将收到的数据融合中心发送来的新的置信度门限设置为新的本地置信度门限。