发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种认知无线网络中优化协作频谱感知性能的方案,该方法可以使得协作频谱感知的全局错误概率在各接收信噪比条件下都达到最小值,从而达到提高协作频谱感知性能的目的。
技术方案:该方法对基于表决融合的双门限协作频谱感知中的投票门限和检测门限分别进行了优化,首先,固定双门限能量检测的检测门限值,对表决融合准则的投票门限进行优化,使得在该能量检测门限值条件下,协作频谱感知的全局错误概率最小;然后在表决融合准则的投票门限取最优值的前提下,对双门限能量检测的检测门限值进行了优化,在不同接收信噪比条件下,最优的检测门限值是动态的,所以要根据信噪比确定最优的检测门限值。
本发明所针对的认知无线网络中基于表决融合的集中式协作频谱感知***结构如图1所示。包括一个主用户,多个次用户以及一个融合中心,认知用户通过各自的感知信道(次用户接收主用户信号经过的信道)接收主用户信号的能量信息,然后对接收到的主用户信号的能量信息进行双门限能量检测,做出本地判决结果,并将各自的判决结果通过报告信道(次用户将判决结果传输给融合中心经历的信道)发送至融合中心,融合中心对接收到的判决结果进行表决融合,得到最终判决结果。认知无线网络根据此最终检测结果来判断该授权频谱是否空闲。
能量检测法是频谱检测最基本的方法。它测量信道中的无线频率能量或者接收到的信号强度指标(RSSI)来判断信道是否被占用。能量检测的性能决定了最终的感知结果和感知性能,而能量检测的性能主要与门限值、噪声平均功率、信号平均功率和采样数有关。若采用传统的传统的单门限能量检测法,选取λ作为单门限能量检测的门限值,则能量检测的虚警概率pf和检测概率pd为:
其中:γ为次用户的接收信噪比;是噪声方差;τ是次用户的感知时间;fs为采样频率;
本发明所采用的双门限能量检测有两个检测门限λ0、λ1,如图2所示,则次用户对应的本地判决准则为:
其中:U表示能量值落入不定区间时,次用户不做出本地判决。
由于隐蔽终端、多径衰落等问题的影响,单用户检测性能很差,多次用户协作频谱感知可以有效提高检测性能,协作频谱感知的融合准则有AND准则、OR准则、表决融合准则等,其中OR准则等价于表决融合准则的投票门限为1、AND准则是等价于表决融合准则的投票门限为次用户的总个数,所以AND准则和OR准则都是表决融合准则的特例。协作频谱感知的检测性能与表决融合准则的投票门限、双门限能量检测的检测门限密切相关,于是本发明首先对表决融合准则的投票门限进行优化,然后在表决融合准则的投票门限取最优值的前提下,对双门限能量检测的检测门限值进行了优化,在不同接收信噪比条件下,最优的检测门限值是动态的,所以要根据信噪比确定最优的检测门限值,使得协作频谱感知的全局错误概率在各信噪比条件下都达到最小值,从而提高了协作频谱感知的性能。
有益效果:双门限能量检测较之传统的单门限能量检测,可以大大降低频谱感知的误检概率,而且由于隐蔽终端、多径衰落等问题的影响,单用户检测性能很差,多次用户协作频谱感知可以有效提高检测性能。本发明基于双门限能量检测的协作频谱感知方法,在融合中心采用表决融合准则对各次用户的本地判决结果进行融合,将优化目标设为全局错误概率,基于该优化目标对表决融合准则的投票门限值和双门限能量检测的检测门限值进行选取,使全局错误概率最小,从而提高了协作频谱感知的性能。
具体实施方式
按照单门限能量检测的相关概率定义,定义双门限能量检测的相关概率如下:
其中:H1和H0分别表示主用户存在和不存在的情况,△0和△1分别表示在H0、H1条件下次用户接收到的能量值位于不定区间的概率,γ为次用户的接收信噪比,是噪声方差,τ是次用户的感知时间,fs为采样频率,本发明所采用的双门限能量检测有两个检测门限λ0、λ1。
假设有N个次用户进行频谱感知,其中做出本地判决的次用户将判决结果发送给融合中心,融合中心对接收到的判决结果进行表决融合,表决融合的投票门限为n,则融合中心按照表决融合准则:
判断主用户的存在与否,其中Di表示第i个次用户做出的本地判决结果。则本地判决采用单门限能量检测时,全局虚警概率Qf和全局检测概率Qd分别为:
本地判决采用双门限能量检测时,N个进行频谱感知的次用户中,若有K个次用户接收到的能量值位于确定区间,则有(N-K)个次用户不做出本地判决。所以全局虚警概率Qf、漏检概率Qm和检测概率Qd分别为:
Qd=1-Qm (12)
a.表决融合准则的投票门限n的优化
对于协作频谱感知,融合准则的选取会影响频谱感知的性能,OR准则和AND准则分别是表决融合准则的投票门限n等于1和等于次用户的总个数N的特殊情况,由式(10)、(11)和(12)知,表决融合准则的投票门限n会影响协作频谱感知的性能,所以需要对它的值进行最优化,使得协作频谱感知的性能最优。
我们定义频谱感知全局错误概率为(Qf+Qm),假设做出本地判决的次用户的个数K已知,则优化问题可以写为:
min(Qf+Qm) (13)
s.t.n≤K
求表决融合准则的最优投票门限nopt,使得全局错误概率为(Qf+Qm)达到最小值。
由式(10)、(11),得全局错误概率:
设:
则由式(14)、(15)可得:
因为:
所以由式(17)、(18)可得:
对上式两边取对数得:
解得:
所以当 时, 取得极值。又因为:
由式(1)、(2)、(4)和(5)知pa>pm,pd>pf,故:
所以由式(19)、(23)和(24)得:
代入式(23)得:
所以:
综上所述,当 时, 所以(Qf+Qm)取得极小值。实际应用中,投票门限n为正整数,所以:
表示不小于x的最小整数。当双门限能量检测的门限值λ0、λ1确定时,可以将λ0、λ1的值代入(1)~(6)式,求得pd、pf、pa、pm以及△0、△1,代入上式即可求出使得(Qf+Qm)取得极小值的投票门限nopt。
b.双门限能量检测的门限值λ0、λ1的优化
对于双门限能量检测,门限值λ0、λ1的取值以及它们之间的关系都会对频谱感知的性能产生影响,其中λ0≤λ1。由(1)~(6)式可知,当λ0的取值减小时,漏检概率会降低当λ1的取值增大时,虚警概率会降低,但是同时检测概率也会降低;当两个门限之间的距离拉大时,次用户接收到的能量值位于不定区间的概率加大,反之则减小,当λ0=λ1时,等价于单门限能量检测,则次用户接收到的能量值位于不定区间的概率为0。
我们定义频谱感知全局错误概率为(Qf+Qm),假设做出本地判决的次用户的个数K已知,则优化问题可以写为:
min(Qf+Qm) (27)
s.t.0<λ0<λ1<+∞
求双门限能量检测的最优门限值使得全局错误概率为(Qf+Qm)达到最小值,即满足:
其中:
则
将式(15)代入上式得:
其中:
将式(31)、(32)和(33)代入式(33)得:
由式(34)即可解得最优门限值
其中:
将式(35)、(36)和(37)代入(28)得:
由式(38)即可解得最优门限值
由公式(34)(38)可知,不同的信噪比条件下,双门限能量检测的门限最优值的取值各异。取表决融合准则的投票门限n=nopt,即表决融合准则达到最优的前提下,由公式(34)(38)可计算得在各信噪比条件下的值。