一种基于分集合并的无线电频谱感知的协作检测方法

摘要

本发明公开了一种基于分集合并的无线电频谱感知的协作检测方法，无线电系统中每个感知用户分别对主用户频谱使用情况进行检测，选择其中一个感知用户作为信息融合中心，信息融合中心对各个感知用户的检测信息进行最大比合并，得到合并后的信号能量，信息融合中心根据合并信号的信号能量进行判断，若合并信号的信号能量大于判决门限，主用户信号存在，否则不存在主用户信号。本发明判决灵敏度高，检测准确，极大地提高了频谱感知的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及认知无线电系统，特别适用于无线电系统中频谱感知 多用户协作检测。

背景技术

现有的无线电频谱感知的检测方法均为单用户检测，虽然单用户 检测的原理简单，不需要协调用户间的检测时间和检测消耗，但是这 些检测方法在实际的应用场景中不能达到较高的检测性能，单用户检 测存在隐藏终端和阴影效应二个方面的不足。

发明内容

本发明的目的在于针对频谱感知中协作检测灵敏度低，复杂度高 的问题，提出了一种基于分集合并的无线电频谱感知的协作检测方 法。本发明算法复杂度较低，检测精度高，提高了频谱感知的效果， 为认知无线电中频谱资源的充分利用打下了基础。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于分集合并的无线电频谱感知的协作检测方法，无线电系 统中包括了主用户和感知用户，其中主用户为频谱授权使用用户，感 知用户为申请频谱使用用户，包括以下步骤：

(1)无线电系统中每个参与协作检测的感知用户分别对主用户的 频谱使用情况进行检测，得到各自的检测信息；

(2)从无线电系统中选定一个感知用户作为信息融合中心，将其余 感知用户检测到的检测信息分别传输到信息融合中心；

(3)信息融合中心将自身检测到的检测信息和其余感知用户检测 到的检测信息进行最大比合并，得到一个合并信号；

(4)信息融合中心将合并信号进行单门限能量检测：首先对合并 信号进行N点快速傅里叶变换，将合并信号转换为频域信号，信息融 合中心对频域信号求模平方，得到频域信号的信号能量，频域信号的 信号能量即为合并信号的信号能量，其中，N为大于1的自然数；当 合并信号的能量值大于设定的单门限时，则说明主用户的频谱处于使 用状态；当合并信号的能量值小于设定的单门限时，则说明主用户的 频谱处于空闲状态；

完成基于分集合并的无线电频谱感知的协作检测。

其中，步骤(1)中所述的每个感知用户检测到的检测信号表示 为s_n(t)＝h_nx(t)+n_n(t)，其中n为大于1的自然数，x(t)为主用户信号的 包络信号，h_n为第n个感知用户检测的信道增益，n_n为第n个感知用 户检测的加性白噪声。

其中，步骤(3)中所述的合并信号s(t)表示为:

$s\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_n{s}_n\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_n{h}_{n}x\left(t\right)+\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_n{n}_n\left(t\right)$

其中α_n表示第n个感知用户的检测信号的信号幅度， N₀/2为感知用户接收到的检测信号的噪声功率，每个感知用户检测 到的检测信号可以表示为s_n(t)＝h_nx(t)+n_n(t)，其中n为大于1的自然 数，x(t)为主用户信号的包络信号，h_n为第n个感知用户检测的信道 增益，n_n(t)为第n个感知用户检测的加性白噪声。

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

(1)本发明算法复杂度较低，检测精度高，提高了频谱感知的效 果。

(2)通过该算法提升频谱感知的检测精度，提高频谱资源的利用 率，合理的分配认知用户的频谱。

附图说明：

图1是本发明协作检测的仿真模型；

图2是本发明协作检测的系统框图；

图3是高斯信道下本发明协作检测与其它检测方法性能比较示意图；

图4是Rayleigh信道下本发明协作检测与其它检测方法的性能比较 示意图。

具体实施方式：

下面，结合附图对本发明作进一步说明。

本发明涉及一种基于分集合并的无线电频谱感知的协作检测方 法，无线电系统中包括了主用户和感知用户，其中主用户为频谱授权 使用用户，感知用户为申请频谱使用用户，包括以下步骤：

(1)无线电系统中每个参与协作检测的感知用户分别对主用户的 频谱使用情况进行检测，得到各自的检测信息；

其中，步骤(1)中所述的每个感知用户检测到的检测信号可以 表示为s_n(t)＝h_nx(t)+n_n(t)，其中n为大于1的自然数，x(t)为主用户信 号的包络信号，h_n为第n个感知用户检测的信道增益，n_n为第n个感 知用户检测的加性白噪声。

如图1和图2所示，现有的频谱感知技术研究中对检测用户的检 测环境假定都是相同的，目的是在理论上分析算法的检测性能，体现 协作的优越。但是在实际的协作频谱检测中外界的环境都是变化的， 检测距离，信道增益的影响使得每个感知用户的检测结果不尽相同， 而在实际条件下对协作检测的性能进行研究更具有意义。

图中参与协作检测的n个感知用户，分别定义为SU_n(n＝1,2,3,…)， 一个主用户，定义为PU；每个感知用户所处的环境不同，信道增益 设为h_n(n＝1,2,3,…)，且每个检测用户的接受信噪比以恒定的ΔdB递 增，这样为了接近于实际的通信件和外界环境。此外，单独的一个感 知用户(SU_n)作为信息处理融合中心，将其它N-1个感知用户的检测 数据进行处理，得到最终的检测结果。

(2)从无线电系统中选定一个感知用户作为信息融合中心，将其 余感知用户检测到的检测信息分别传输到信息融合中心；

(3)信息融合中心将自身检测到的检测信息和其余感知用户检测 到的检测信息进行最大比合并，得到一个合并信号；

其中，步骤(3)中所述的合并信号s(t)表示为:

$s\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_n{s}_n\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_n{h}_{n}x\left(t\right)+\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_n{n}_n\left(t\right)$

其中α_n表示第n个感知用户的检测信号的信号幅度， N₀/2为感知用户接收到的检测信号的噪声功率。

(4)信息融合中心将合并信号进行单门限能量检测：首先对合并 信号进行N点快速傅里叶变换，将合并信号转换为频域信号，信息融 合中心对频域信号求模平方，得到频域信号的信号能量，频域信号的 信号能量即为合并信号的信号能量，其中，N为大于1的自然数；当 合并信号的能量值大于设定的单门限时，则说明主用户的频谱处于使 用状态；当合并信号的能量值小于设定的单门限时，则说明主用户的 频谱处于空闲状态。

图3和图4是本发明的有益效果。

其中，图3为高斯信道下最大比合并、等增益合并、多门限协作、 “OR”规则和“AND”规则这五种不同协作方式的检测概率仿真图。 在-10<SNR<-2 dB范围内，整体的检测概率都比较低，而且最大比合 并的检测结果略低于等增益合并。但在SNR>-2dB后基于分集合并的 协作检测方法的检测性能明显优于单门限多用户协作方式的，最大比 合并技术是将所有的信号信息融合后再做出判断，因此检测概率最 高，在5 dB时刻基本就达到了1。

图4给出了Rayleigh衰落信道下最大比合并、等增益合并、多 门限检测和单门限“OR”融合这四种协作检测方式的仿真图，由于信 号能量的衰落影响使得系统的检测概率整体下降，检测性能降低，但 是基于分集合并的最大比合并协作检测方法的检测精度依然最高。