一種基于信道特征的認(rèn)知無線電頻譜檢測間隔調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線通信領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于信道特征的認(rèn)知無線電頻譜檢測間 隔調(diào)節(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的無線設(shè)備需要接入到互聯(lián)網(wǎng)，使無線頻譜 資源變得非常緊張。無線頻譜資源是一種不可再生資源，如今頻譜資源的缺乏已經(jīng)阻礙了 無線通信技術(shù)的發(fā)展。造成頻譜資源匿乏的另一個(gè)重要原因是靜態(tài)的頻段劃分策略，該種 策略把大部分無線頻段劃分給特定的授權(quán)用戶（Authorized化er)。但授權(quán)頻段大部分時(shí) 間是空閑的，該就造成了頻譜分配不均勻，引起頻譜整體利用率降低。
[0003] 認(rèn)知無線電（CognitiveRadio)是解決該問題的有效手段，認(rèn)知無線電能夠自動(dòng) 檢測通信環(huán)境，智能調(diào)整自身通信參數(shù)W適應(yīng)環(huán)境變化，在不對授權(quán)用戶造成干擾的前提 下從時(shí)域和頻域利用空閑頻譜進(jìn)行通信。認(rèn)知無線電最基本的任務(wù)是頻譜檢測，其實(shí)質(zhì)是 對信道進(jìn)行檢測W發(fā)現(xiàn)頻譜空洞的過程。從原理上講，對頻譜進(jìn)行連續(xù)不間斷的檢測能達(dá) 到最佳性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于受檢測代價(jià)和硬件設(shè)備的限制，不可能做到連續(xù)檢測， 所W只能間隔檢測。傳統(tǒng)的頻譜檢測算法大多都是固定檢測間隔的方法，在每個(gè)檢測間隔 的開始對頻譜進(jìn)行檢測，但不是每個(gè)間隔內(nèi)都有授權(quán)用戶接入，所W就造成了不必要的檢 測開銷。傳統(tǒng)頻譜檢測算法沒有綜合考慮授權(quán)用戶不同頻譜占用特性對檢測性能造成的影 響，所W造成了檢測代價(jià)高且適應(yīng)性不強(qiáng)。
[0004] 目前，對于認(rèn)知無線電可變間隔頻譜檢測已經(jīng)有了一些研究，主要有；"劉允等， 一種基于授權(quán)信道特性的認(rèn)知無線電頻譜檢測算法[J]，物理學(xué)報(bào)，2013,07 ;078406"，該 方法在保證認(rèn)知無線電系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，分析授權(quán)用戶占用信道的特性，對授權(quán)用戶占 用信道的情況進(jìn)行建模，W信道容量最大化為目標(biāo)來優(yōu)化頻譜檢測模型，并設(shè)計(jì)了頻譜檢 測頻率控制因子來決定頻譜檢測間隔。該方法考慮到了授權(quán)用戶不同的信道占用特性 對頻譜檢測產(chǎn)生的影響，自適應(yīng)地調(diào)整頻譜檢測頻率，能提高頻譜利用率并降低檢測開 銷。"滕志軍等，基于陰陽理論的認(rèn)知無線電頻譜檢測算法[J]，東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011， 31 (3) :47-51"，該方法將陰陽理論與認(rèn)知無線電頻譜檢測相結(jié)合，引入陰陽算子，使檢測所 造成的損失時(shí)間與檢測次數(shù)之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。引入頻譜檢測周期控制參數(shù)S和檢測次數(shù) 最大值Mm"，一開始W間隔T進(jìn)行頻譜檢測，如果沒有檢測到授權(quán)用戶，檢測次數(shù)M加1，當(dāng) M<Mm。,時(shí)，繼續(xù)W檢測間隔T進(jìn)行頻譜檢測，當(dāng)M〉Mm。,時(shí)，Ws*T為間隔進(jìn)行頻譜檢測。該方 法在保證系統(tǒng)性能的同時(shí)有效降低了檢測成本。"江虹，羅智等，一種認(rèn)知無線電頻譜檢測 間隔的自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法[P].中國專利；201510142819. 6"，提出了一種自適應(yīng)改變檢測間 隔的方案，根據(jù)授權(quán)用戶信號(hào)的特征選擇參數(shù)h。，并按公式[1]改變檢測統(tǒng)計(jì)量的下限值， 有效的降低了開銷： 公式[1]
w上研究只考慮了在固定檢測間隔基礎(chǔ)上加入控制因子，存在w下幾個(gè)方面的問題： 第一，不同用戶對信道占用的特性是不一樣的，如果對不同的用戶采用相同的方法調(diào)整檢 測間隔，檢測性能不是最優(yōu)。第二，檢測間隔主要采用線性變化策略，該種策略不符合信道 中用戶信號(hào)出現(xiàn)和退出的規(guī)律。第S，目前的方法大多只檢測授權(quán)用戶從信道中出現(xiàn)，沒 有檢測用戶從信道中退出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 現(xiàn)有的可變間隔頻譜檢測方法，沒有充分考慮到授權(quán)用戶占用信道的特性對檢測 性能的影響，且大都是檢測授權(quán)用戶在信道中的出現(xiàn)。對此，本發(fā)明提出了一種基于信道特 征的認(rèn)知無線電頻譜檢測間隔調(diào)節(jié)方法，能根據(jù)不同授權(quán)用戶占用信道的特性調(diào)整檢測間 隔，而且可W用于用戶退出信道的檢測，該方法能有效降低檢測過程的能量消耗，能進(jìn)一步 提高信道的利用率。具體技術(shù)方案如下： 一種基于信道特征的認(rèn)知無線電頻譜檢測間隔調(diào)節(jié)方法，認(rèn)知用戶準(zhǔn)備占用信道或占 用信道的認(rèn)知用戶判決是否有授權(quán)用戶出現(xiàn)時(shí)按如下步驟工作： 1) 根據(jù)信號(hào)和噪聲分布的先驗(yàn)知識(shí)估計(jì)信道的信噪比，由公式[2]確定檢測的闊值， FAR是對系統(tǒng)要求的虛警概率（FalseAlarmRate,FAR,信道中原本只有噪聲信號(hào)，沒有授 權(quán)用戶信號(hào)，但由于信道中信號(hào)的隨機(jī)性，使檢測認(rèn)知用戶誤W為有授權(quán)用戶出現(xiàn)，而導(dǎo)致 錯(cuò)誤的檢測結(jié)果，該種情況叫誤警，其發(fā)生概率叫虛警概率)的上限，Delay是系統(tǒng)要求的延 遲，計(jì)算出的A就是檢測系統(tǒng)的闊值，該闊值主要用于判斷用戶從信道出現(xiàn)或退出： 公式巧]
2) W0. 5倍闊值和1. 5倍闊值設(shè)置闊值下限Ai。，和闊值上限Ahigh，作為免檢測的闊值， 當(dāng)認(rèn)知用戶的檢測統(tǒng)計(jì)量小于闊值下限Ai。，或大于闊值上限Ahigh時(shí)不進(jìn)行頻譜檢測； 3) 根據(jù)授權(quán)用戶信號(hào)和噪聲信號(hào)不同的分布特征計(jì)算對數(shù)似然比； 4) 在檢測授權(quán)用戶出現(xiàn)時(shí)，讓檢測統(tǒng)計(jì)量g(k)從0開始按公式[3]進(jìn)行累加，k為不 同的采樣點(diǎn)，s(k)為對數(shù)似然比的值。如果檢測統(tǒng)計(jì)量g(k)小于闊值下限Ai。，，認(rèn)知用戶 不進(jìn)行頻譜檢測，只用公式[4]對檢測統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行更新；如果檢測統(tǒng)計(jì)量g(k)大于闊值下 限Ai"，開始進(jìn)行頻譜檢測，并按公式[引將對數(shù)似然比累加；如果檢測統(tǒng)計(jì)量g(k)大于闊 值A(chǔ)，可判定此時(shí)信道中出現(xiàn)了授權(quán)用戶而不是其它認(rèn)知用戶（其它認(rèn)知用戶在檢測到信道 被占用時(shí)就會(huì)切換到另外的信道上繼續(xù)檢測，只有授權(quán)用戶的優(yōu)先級(jí)最高，不管有沒有其 它用戶正在使用信道都直接占用);如果檢測統(tǒng)計(jì)量Ai"<g(k)<A，則繼續(xù)進(jìn)行下一次頻譜檢 巧。，如果檢測統(tǒng)計(jì)量g(k)再次小于闊值下限Ai。，，則g(k)從當(dāng)前值按公式[4]累加：
5) 在檢測用戶退出信道時(shí)，讓檢測統(tǒng)計(jì)量g(k)按公式[6]進(jìn)行累加。如果檢測統(tǒng)計(jì)量 g(k)大于闊值上限Ahigh，不進(jìn)行頻譜檢測，只用公式[7]對檢測統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行更新；如果檢測 統(tǒng)計(jì)量g(k)小于闊值上限Ahigh，開始進(jìn)行頻譜檢測，并按公式[引將對數(shù)似然比累加；如果 檢測統(tǒng)計(jì)量g(k)小于闊值A(chǔ),則判定用戶退出信道(此時(shí)退出信道的可能是授權(quán)用戶，也可 能是其它認(rèn)知用戶）；如果檢測統(tǒng)計(jì)量A<g化)<Ahigh,則繼續(xù)進(jìn)行下一次頻譜檢測，如果檢測 統(tǒng)計(jì)量g(k)再次大于闊值上限Ahigh,則g(k)從當(dāng)前值按公式[7]累減：
6)檢測統(tǒng)計(jì)量遞減的步長為U，當(dāng)檢測統(tǒng)計(jì)量的下限和上限確定后，檢測間隔由步長U決定，本發(fā)明采用的可變檢測間隔U由公式巧]決定，參數(shù)a按生長曲線公式[10]變化， 參數(shù)K表示a的上限，A決定生長曲線的形狀，t表示累積檢測的次數(shù)：
由上述技術(shù)方案可知，根據(jù)授權(quán)用戶信號(hào)、噪聲信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)和信道被占用的特性 來確定U值變化的生長曲線，更加具有靈活性。另一方面，本發(fā)明提供的方法可用于用戶退 出信道的檢測，該將進(jìn)一步提高檢測的靈活性。
【附圖說明】
[0006] 為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將實(shí)施例描述中所需的附圖作簡要的 介紹。
[0007] 圖1為檢測統(tǒng)計(jì)量的變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。
[0009] 首先建立頻譜檢測模型，設(shè)頻譜檢測為一個(gè)二元假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如公式[11]和公 式[12]所示，它具有兩種假設(shè)狀態(tài)，H。對應(yīng)于信道處于空閑（Idle)狀態(tài)，即信道中不存在 用戶信號(hào)，只存在噪聲信號(hào)；Hi對應(yīng)信道處于占用（Busy)狀態(tài)，即信道中既有噪聲信號(hào)，又 有用戶信號(hào)：
公式[11]和公式[12]中，x(k)表示檢測到的信號(hào)；n(k)是均值為0,方差為巧?的高斯 白噪聲信號(hào)，即服從f。_N(0,巧^分布；SS化）是授權(quán)用戶信號(hào)，是均值為Ui，方差為巧^的 高斯信號(hào)，即服從fi^N(Ui，<F^)分布。信道被占用前的檢測序列概率密度函數(shù)為Pw(x)， 信道被用戶占用后的檢測序列概率密度函數(shù)為P0 1(X)。
[0010] 將每次檢測到的值X(k)用公式[13]求出其對數(shù)似然比，由于序列分布的變化將 導(dǎo)致概率密度函數(shù)發(fā)生變化，該將反映在對數(shù)似然比的均值上，所W根據(jù)檢測信號(hào)所計(jì)算 的對數(shù)似然比均值就可知道授權(quán)用戶是否出現(xiàn)，當(dāng)其小于0時(shí)，更傾向于信道沒有用戶出 現(xiàn)，當(dāng)其大于0時(shí)，更傾向于信道有用戶出現(xiàn)。
[0011] 由于每次計(jì)算出的對數(shù)似然比都很小，只有一個(gè)很小的偏移量，所W僅僅根據(jù)一 次的檢測結(jié)果不足W判定授權(quán)用戶有沒有出現(xiàn)，需要與之前的檢測值累加才能做出判決。 利用公式[14]對每次的