CN106549722B - 一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其用能量检测法估计授权用户占用授权频段的状态在相邻感知帧之间变化与不变化的概率，根据虚警概率的理论值和这两个概率设置满足目标虚警概率约束的高门限和低门限；然后进行频谱检测，若当前的感知帧的能量统计值大于高门限，判定授权用户在当前的感知帧内占用授权频段，否则，根据高门限和低门限，利用当前的感知帧和历史感知帧的能量统计值对授权用户占用授权频段的状态进行二次判定；优点是既能满足目标虚警概率的约束，又能得到较高的检测概率，有效提高了频谱检测性能，同时实现复杂度低，检测实时性较好，占用的***带宽也小。

Description

一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线电***中的频谱检测技术，尤其是涉及一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，人们对频谱的需求量越来越大。目前大多数国家和地区使用的仍然是静态的频谱分配方式，即将特定的频段划分给特定的用户使用，不允许其他用户使用，因此无线通信***的频谱利用率不高。为此，有人提出了认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术，在不过分干扰授权用户通信的前提下，认知用户通过使用空闲频段来提高无线通信***的频谱利用效率。

作为认知无线电***中的关键技术，频谱检测技术一直是研究热点。频谱检测性能的好坏既反映了认知用户能否及时的发现和利用空闲频段，且反映了认知用户是否会对授权用户产生干扰，因此频谱检测技术在认知无线电领域具有非常重要的意义。

常见的单用户频谱感知方法有能量检测(Energy Detection，ED)法、匹配滤波器法和循环平稳特征检测法等。其中，能量检测法具有操作简单、复杂度低且不需要授权用户信号的先验信息等优点，应用方便，但是由于能量检测法对噪声不确定性敏感，且它只根据认知用户的采样信号能量统计值来判决授权用户是否在使用授权频段，因此当认知用户的采样信号的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)较低时，它的检测性能会明显下降。

业内人员均知晓认知用户的感知帧的时长远小于授权用户对授权频段的平均占用时长或平均不占用时长，所以授权用户在某一个感知帧的状态与在前一个感知帧的状态相同的概率很大，即在认知用户的相邻感知帧间授权用户的状态具有相关性。因此，可以利用在相邻感知帧间授权用户的状态的相关性来提高频谱感知的性能。鉴于此，有研究人员提出了一种改进的能量检测(Improved Energy Detection，IED)法，当某一个感知帧的采样信号能量统计值低于门限值时，再利用历史感知帧的采样信号能量统计值的均值通过单一门限进行二次判定，得到最终的判决结果。改进的能量检测法虽然只需额外知道前几个感知帧的采样信号能量统计值，计算复杂度低，但是，其在二次判定时仅使用一个门限值，一方面当授权用户突然不再占用授权频段时，认知用户的感知帧的采样信号能量统计值将随之骤减，而前几个感知帧的采样信号能量统计值相对较大，这样当前的感知帧与前几个感知帧的采样信号的能量统计值的均值可能会高于门限值而发生误判；另一方面，当授权用户不占用授权频段但能量统计值骤增而大于门限值时，会导致后面一感知帧的能量统计值与其前几个感知帧的采样信号的能量统计值的均值高于门限值而发生误判，因此改进的能量检测法容易导致虚警概率过高，致使频谱感知性能降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其在确保具有较高的检测概率、较低的实现复杂度、较好的检测实时性，且占用的***带宽小的前提下，能够很好的满足目标虚警概率的约束，从而能够有效地提高频谱感知性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其特征在于包括以下步骤：

①在认知无线电***中，认知用户在每个感知帧的感知时隙的每个采样时刻对其接收到的信号进行采样，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻采样的信号记为x_k(n)，其中，k的初始值为1，1≤k≤K，K表示认知用户的感知帧的总个数，K≥1，n的初始值为1，1≤n≤N，N表示认知用户的每个感知帧的感知时隙的采样点数，N≥250，w_k(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道中产生的高斯白噪声，h_k(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道的增益，s_k(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时授权用户发出的信号，d_k表示在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，d_k＝0代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，d_k＝1代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段；

②在认知用户的每个感知帧内对授权用户占用授权频段的状态进行检测，具体过程为：

②_1、计算认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值记为U_k，其中，符号“||”为取模符号；

②_2、根据认知用户的每个感知帧的时间及认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值判定在认知用户的每个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，对于在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态d_k，其判定过程为：

②_2a、当k<M时，采用能量检测法进行判定：若U_k≥λ_ED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k＝1；若U_k<λ_ED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令d_k＝0；当k≥M时，执行步骤②_2b；其中，M表示判定授权用户占用授权频段的状态时所使用的感知帧的总个数，1≤M＜＜K，λ_ED表示设定的判决门限；

②_2b、计算认知用户在第k个感知帧和前M-1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值的平均值，记为 其中，U_k-M+1表示认知用户在第k-M+1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，U_k-M+2表示认知用户在第k-M+2个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号能量统计值，U_k-1表示认知用户在第k-1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值；然后当U_k≥λ_H时，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k＝1；当U_k<λ_H时，采用双门限进行二次判定：如果λ_L≤U_k<λ_H且且U_k-1≥λ_H，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k＝1，否则，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令d_k＝0；其中，λ_L表示设定的低门限，λ_H表示设定的高门限，λ_L<λ_H。

所述的步骤①中w_k(n)服从均值为0且方差为的高斯分布。

所述的步骤②_2a中取其中，P_{f_target}表示设定的目标虚警概率，Q^-1(P_{f_target})表示Q(P_{f_target})的反函数，Q()表示标准正态分布概率密度的尾部面积函数。

所述的步骤②_2b中λ_L和λ_H的具体获取过程为：

令P_f表示认知无线电***的虚警概率的理论值，令P_{f_target}表示设定的目标虚警概率；

如果认知无线电***对虚警概率的要求不严格，即P_f近似与P_{f_target}相等即可，则采用保守门限的设置方式，得到其中，Q^-1(P_{f_target})表示Q(P_{f_target})的反函数，Q()表示标准正态分布概率密度的尾部面积函数，q表示调整因子，1<q≤40，Q^-1(q×P_{f_target})表示Q(q×P_{f_target})的反函数；

如果认知无线电***对虚警概率的要求严格即要求P_f≤P_{f_target}，则采用激进门限的设置方式，得到其中，Q^-1(P_f,H)表示Q(P_f,H)的反函数，Q^-1(q×P_f,H)表示Q(q×P_f,H)的反函数，P_f,H为引入的中间变量， 表示在认知用户的相邻两个感知帧的前一个感知帧内授权用户不占用授权频段且在后一个感知帧内授权用户也不占用授权频段时的概率的估计值，表示在认知用户的相邻两个感知帧的前一个感知帧内授权用户不占用授权频段而在后一个感知帧内授权用户占用授权频段时的概率的估计值。

所述的和是在进行频谱检测之前获取的，和的获取过程为：

②_2b_1、选取K'个感知帧作为训练感知帧构成训练帧集，其中，K'≥1；

②_2b_2、采用能量检测法，判定在训练帧集中的每个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态，对于训练帧集中的第k'个训练感知帧，若U_k'≥λ_ED，则判定在训练帧集中的第k'个训练感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k'＝1；若U_k'<λ_ED，则判定在训练帧集中的第k'个训练感知帧内授权用户不占用授权频段，令d_k'＝0；其中，1≤k'≤K'，U_k'表示在训练帧集中的第k'个训练感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，d_k'表示在训练帧集中的第k'个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态；

②_2b_3、统计从训练帧集中的第2个训练感知帧遍历到第K'个训练感知帧时事件d_k”＝0,d_k”-1＝1发生的次数，记为num(d_k”＝0,d_k”-1＝1)；并统计从训练帧集中的第2个训练感知帧遍历到第K'个训练感知帧时事件d_k”＝0发生的次数，记为num(d_k”＝0)；其中，2≤k”≤K'，d_k”表示在训练帧集中的第k”个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态，d_k”-1表示在训练帧集中的第k”-1个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态；

②_2b_4、根据num(d_k”＝0,d_k”-1＝1)和num(d_k”＝0)，得到再根据得到

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明方法利用了授权用户占用授权频段的状态在相邻感知帧之间变化的概率较小这一性质，即本发明方法首先用能量检测法估计授权用户占用授权频段的状态在相邻感知帧之间变化与不变化的概率，根据虚警概率的理论值和估计的这两个概率设置了满足目标虚警概率约束的高门限值和低门限值；然后进行频谱检测，若当前的感知帧的能量统计值大于高门限，直接判定授权用户在当前的感知帧内占用授权频段，否则利用当前的感知帧和历史感知帧的能量统计值对授权用户占用授权频段的状态进行二次判定：若当前的感知帧的能量统计值大于低门限值，同时前一个感知帧的能量统计值大于高门限值，且当前的感知帧与前几个感知帧的能量统计值的平均值也大于高门限值，则判定授权用户在当前的感知帧内占用授权频段，否则判定授权用户在当前的感知帧没有使用授权频段；本发明方法既能满足目标虚警概率的约束，又能够得到较高的检测概率，有效提高了频谱检测性能，从而提高了频谱的使用效率，同时实现复杂度低，检测实时性较好，而且占用的***带宽也小。

附图说明

图1为认知用户进行频谱检测时感知帧的结构模型；

图2为P_{f_target}＝0.01时现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的检测概率P_d和虚警概率P_f随认知用户接收端的信噪比γ的变化曲线；

图3为P_{f_target}＝0.1时现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的检测概率P_d和虚警概率P_f随认知用户接收端的信噪比γ的变化曲线；

图4a为调整因子q对现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的检测概率的影响；

图4b为调整因子q对现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的虚警概率的影响；

图5a为和变化时现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的检测概率的变化情况；

图5b为和变化时现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的虚警概率的变化情况；

图6为本发明方法的总体实现框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

图1给出了认知用户进行频谱检测时感知帧的结构模型，本发明在此基础上提出了一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其总体实现框图如图6所示，其包括以下步骤：

①在认知无线电***中，认知用户在每个感知帧的感知时隙的每个采样时刻对其接收到的信号进行采样，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻采样的信号记为x_k(n)，其中，k的初始值为1，1≤k≤K，K表示认知用户的感知帧的总个数，K≥1，在本实施例中取K>10000，如取K＝20000，n的初始值为1，1≤n≤N，N表示认知用户的每个感知帧的感知时隙的采样点数，N≥250，为保证感知帧的检测结果具有较高的可信度，因此应使每个感知帧的采样长度尽量大，在本实施例中取N＝1000，w_k(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道中产生的高斯白噪声，h_k(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道的增益，s_k(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时授权用户发出的信号，d_k表示在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，d_k＝0代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，d_k＝1代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段。

在此具体实施例中，步骤①中w_k(n)服从均值为0且方差为的高斯分布，在本实施例中取

②在认知用户的每个感知帧内对授权用户占用授权频段的状态进行检测，具体过程为：

②_1、计算认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样信号的能量统计值记为U_k，其中，符号“||”为取模符号，当N足够大(N≥250)时，U_k近似服从高斯分布， 表示均值为N且方差为2N的高斯分布，表示均值为N(1+γ)且方差为2N(1+γ)²的高斯分布，γ表示认知用户接收端的信噪比。

②_2、根据认知用户的每个感知帧的时间及认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样信号的能量统计值，判定在认知用户的每个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，对于在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态d_k，其判定过程为：

②_2a、当k<M时，采用现有的能量检测法进行判定：若U_k≥λ_ED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k＝1；若U_k<λ_ED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令d_k＝0；当k≥M时，执行步骤②_2b；其中，M表示判定授权用户占用授权频段的状态时所使用的感知帧的总个数，1≤M＜＜K，在本实施例中取M＝5，λ_ED表示设定的判决门限。

在此具体实施例中，步骤②_2a中取其中，P_f__target表示设定的目标虚警概率，为保证感知帧的检测结果具有较高的可信度，因此应把目标虚警概率设置的足够小，一般要求P_f__target≤0.1，在本实施例中取P_f__target＝0.01或P_f__target＝0.1，Q-1(P_f__target)表示Q(P_f__target)的反函数，Q()表示标准正态分布概率密度的尾部面积函数，exp()表示以自然基数e为底的指数函数，t为积分变量。

②_2b、计算认知用户在第k个感知帧和前M-1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样信号的能量统计值的平均值，记为 其中，U_k-M+1表示认知用户在第k-M+1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样信号的能量统计值，U_k-M+2表示认知用户在第k-M+2个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，U_k-1表示认知用户在第k-1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，近似服从高斯分布， 表示均值为μ^avg且方差为(σ^avg)²的高斯分布，X表示在认知用户的第k个感知帧和前M-1个感知帧内授权用户占用授权频段对应的感知帧的总个数；然后当U_k≥λ_H时，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k＝1；当U_k<λ_H时，采用双门限进行二次判定：如果λ_L≤U_k<λ_H且且U_k-1≥λ_H，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k＝1，否则，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令d_k＝0；其中，λ_L表示设定的低门限，λ_H表示设定的高门限，λ_L<λ_H。

在此具体实施例中，当k≥M时，认知无线电***在认知用户的第k个感知帧的虚警概率的理论值P_f的表达式可描述为：其中，表示在d_k＝0的条件下事件U_k>λ_H发生的概率，表示在d_k＝1的条件下事件λ_L<U_k≤λ_H,U_k-1>λ_H,发生的概率；然后令令令令P_f,L＝q×P_f,H，得到其中，表示在d_k＝0的条件下事件U_k>λ_L发生的概率，表示在d_k＝1的条件下事件U_k>λ_H发生的概率， q表示调整因子，由于λ_L<λ_H，所以q>1，在本实施例中设置1<q≤40，如取q＝10，表示在认知用户的相邻两个感知帧的前一个感知帧内授权用户不占用授权频段且在后一个感知帧内授权用户也不占用授权频段时的概率，表示在认知用户的相邻两个感知帧的前一个感知帧内授权用户不占用授权频段而在后一个感知帧内授权用户占用授权频段时的概率，且在认知用户的相邻感知帧内授权用户占用授权频段的状态的变化概率很小，因此有由于因此可得当认知无线电***对虚警概率的要求不严格时，可用保守门限的设置方式获取λ_L和λ_H，使即可，由在认知用户的相邻感知帧内授权用户占用授权频段的状态变化的概率较小可知且认知无线电***一般要求虚警概率P_f≤0.1，所以可得当认知无线电***对虚警概率的要求比较严格时，可用激进门限的设置方式获取λ_L和λ_H，使即步骤②_2b中λ_L和λ_H的具体获取过程为：令P_f表示认知无线电***的虚警概率的理论值，令P_{f_target}表示设定的目标虚警概率，为保证感知帧的检测结果具有较高的可信度，因此应把目标虚警概率设置的足够小，一般要求P_{f_target}≤0.1，在本实施例中取P_{f_target}＝0.01或P_{f_target}＝0.1；如果认知无线电***对虚警概率的要求不严格，即P_f近似与P_{f_target}相等即可，可采用保守门限的设置方式，得到其中，Q^-1(P_{f_target})表示Q(P_{f_target})的反函数，Q()表示标准正态分布概率密度的尾部面积函数，exp()表示以自然基数e为底的指数函数，t为积分变量，q表示调整因子，在本实施例中设置1<q≤40，如取q＝10，Q^-1(q×P_{f_target})表示Q(q×P_{f_target})的反函数，如果认知无线电***对虚警概率的要求严格即要求P_f≤P_{f_target}，则采用激进门限的设置方式，得到其中，Q^-1(P_f,H)表示Q(P_f,H)的反函数，Q^-1(q×P_f,H)表示Q(q×P_f,H)的反函数，P_f,H为引入的中间变量，为满足激进门限的设置要求令解这个一元二次方程，得到 表示在认知用户的相邻两个感知帧的前一个感知帧内授权用户不占用授权频段且在后一个感知帧内授权用户也不占用授权频段时的概率的估计值，表示在认知用户的相邻两个感知帧的前一个感知帧内授权用户不占用授权频段而在后一个感知帧内授权用户占用授权频段时的概率的估计值，和在进行频谱检测之前由K'个训练感知帧获取，为了保证结果的准确性，K'和采样点数N应该足够大，在本实施例中取K'＝10000，N＝5000，其过程为：②_2b_1、选取K'个感知帧作为训练感知帧构成训练帧集，其中，K'≥1。②_2b_2、采用能量检测法，判定在训练帧集中的每个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态，对于训练帧集中的第k'个训练感知帧，若U_k'≥λ_ED，则判定在训练帧集中的第k'个训练感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k'＝1；若U_k'<λ_ED，则判定在训练帧集中的第k'个训练感知帧内授权用户不占用授权频段，令d_k'＝0；其中，1≤k'≤K'，U_k'表示在训练帧集中的第k'个训练感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样信号的能量统计值，d_k'表示在训练帧集中的第k'个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态。②_2b_3、统计从训练帧集中的第2个训练感知帧遍历到第K'个训练感知帧时事件d_k”＝0,d_k”-1＝1发生的次数，记为num(d_k”＝0,d_k”-1＝1)；并统计从训练帧集中的第2个训练感知帧遍历到第K'个训练感知帧时事件d_k”＝0发生的次数，记为num(d_k”＝0)；其中，2≤k”≤K'，d_k”表示在训练帧集中的第k”个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态，d_k”-1表示在训练帧集中的第k”-1个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态。②_2b_4、根据num(d_k”＝0,d_k”-1＝1)和num(d_k”＝0)，得到再根据得到

以下通过计算机仿真，进一步说明本发明方法的可行性和有效性。

假设无线信道中产生的高斯白噪声，均值为0且方差是1，授权用户发出的信号也是均值为0且方差为1、幅度服从正态分布，认知用户接收端的信噪比γ不随时间而变化，同时假设认知用户的各个感知帧相互独立。根据802.22协议令感知帧的时长TF＝10ms，授权用户占用授权频段的平均时长和不占用授权频段的平均时长均服从泊松分布。

为了获得比较稳定可靠的仿真结果，每个虚警概率和检测概率的得到都是对50000个感知帧进行检测。在进行频谱检测时，令采样点数N＝1000。

图2给出了P_{f_target}＝0.01时现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的检测概率P_d和虚警概率P_f随认知用户接收端的信噪比γ的变化曲线。从图2中可以看出，各种方法的检测概率都随着认知用户接收端的信噪比γ的增大而增大；现有的改进能量检测法虽然有较高的检测概率，但是在认知用户接收端的信噪比γ较大时它的虚警概率也很高，保守门限和激进门限下均未能保证它接近目标虚警概率，例如在γ＝-8dB，现有的改进能量检测法(保守门限)和现有的改进能量检测法(激进门限)的虚警概率分别高达0.065和0.049；而本发明方法(保守门限)和本发明方法(激进门限)的虚警概率没有明显的增大，不论认知用户接收端的信噪比γ多大，它都接近与目标虚警概率要求，并且本发明方法(保守门限)和本发明方法(激进门限)的检测概率只是稍微低于现有的改进能量检测法，但相对现有的能量检测法有明显的改善，例如同样在γ＝-8dB时，本发明方法(保守门限)的检测概率为0.92，比现有的能量检测法提高了0.07。

图3给出了P_{f_target}＝0.1时现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的检测概率P_d和虚警概率P_f随认知用户接收端的信噪比γ的变化曲线。对比图2可知，当目标虚警概率P_{f_target}提高至0.1时，同一认知用户的接收端的信噪比γ下各种方法的检测概率都明显提高了。同图2一样，现有的改进能量检测法(保守门限)和现有的改进能量检测法(激进门限)在提高检测概率的同时把虚警概率也提高了，现有的改进能量检测法(保守门限)的虚警概率甚至明显大于目标虚警概率。而同样在保守门限设置方法下，本发明方法的检测概率只稍微低于现有的改进能量检测法(保守门限)的检测概率，而其虚警概率却远低于现有的改进能量检测法(保守门限)的虚警概率；本发明方法(激进门限)可以严格满足目标虚警概率的要求，同时也有良好的检测概率性能。

图4a给出了调整因子q对现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的检测概率的影响；图4b给出了调整因子q对现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的虚警概率的影响。仿真时设置目标虚警概率P_{f_target}＝0.01，认知用户的接收端的信噪比γ＝-8dB。从图4a和图4b中可知，现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)的检测概率和虚警概率都不随q而改变，这是因为这两类方法与q无关；本发明方法(保守门限)的虚警概率随着q增大而近似线性地增大，但始终明显小于现有的改进能量检测法(保守门限)的虚警概率，同时其检测概率随着q的增大而逐渐逼近现有的改进能量检测法(保守门限)的检测概率，因此，本发明方法(保守门限)在有效降低虚警概率的同时，还能有较高的检测概率；本发明方法(激进门限)的虚警概率随q增大而有所减小，且始终低于目标虚警概率，其检测概率呈现先增大后减小的趋势，在q＝5附近达到最大，因此，本发明方法(激进门限)可以在保证目标虚警概率的前提下，得到较高的检测概率。

图5a给出了和变化时现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的检测概率的变化情况，图5b给出了和变化时现有的能量检测法、现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的虚警概率的变化情况。从图5a和图5b中可以看出，现有的能量检测法的检测概率和虚警概率不随和变化；而现有的改进能量检测法(保守门限)、现有的改进能量检测法(激进门限)、本发明方法(保守门限)、本发明方法(激进门限)的虚警概率都随着它们的增大而减小，其检测概率都随着它们的增大而增大，这是因为当和增大时，相邻感知帧内授权用户占用授权频段的状态变化概率减小，这时利用相邻几帧采样的信号的能量将有助于提高频谱检测的准确性。从图5a和图5b中还可以看出，当和变化时，本发明方法的虚警概率都低于现有的改进能量检测法的虚警概率；同时，本发明方法的检测概率虽然比现有的改进能量检测法稍低，但却远高于现有的能量检测法的检测概率。

上述仿真分析充分表明了本发明方法是可行且有效的。

Claims (4)

1.一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其特征在于包括以下步骤：

①在认知无线电***中，认知用户在每个感知帧的感知时隙的每个采样时刻对其接收到的信号进行采样，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻采样的信号记为x_k(n)，其中，k的初始值为1，1≤k≤K，K表示认知用户的感知帧的总个数，K≥1，n的初始值为1，1≤n≤N，N表示认知用户的每个感知帧的感知时隙的采样点数，N≥250，w_k(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道中产生的高斯白噪声，h_k(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道的增益，s_k(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时授权用户发出的信号，d_k表示在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，d_k＝0代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，d_k＝1代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段；

②在认知用户的每个感知帧内对授权用户占用授权频段的状态进行检测，具体过程为：

②_1、计算认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值记为U_k，其中，符号“| |”为取模符号；

②_2、根据认知用户的每个感知帧的时间及认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值判定在认知用户的每个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，对于在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态d_k，其判定过程为：

②_2a、当k＜M时，采用能量检测法进行判定：若U_k≥λ_ED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k＝1；若U_k＜λ_ED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令d_k＝0；当k≥M时，执行步骤②_2b；其中，M表示判定授权用户占用授权频段的状态时所使用的感知帧的总个数，1≤M＜＜K，λ_ED表示设定的判决门限；

②_2b、计算认知用户在第k个感知帧和前M-1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值的平均值，记为 其中，U_k-M+1表示认知用户在第k-M+1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，U_k-M+2表示认知用户在第k-M+2个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号能量统计值，U_k-1表示认知用户在第k-1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值；然后当U_k≥λ_H时，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k＝1；当U_k＜λ_H时，采用双门限进行二次判定：如果λ_L≤U_k＜λ_H且且U_k-1≥λ_H，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k＝1，否则，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令d_k＝0；其中，λ_L表示设定的低门限，λ_H表示设定的高门限，λ_L＜λ_H；

所述的步骤②_2b中λ_L和λ_H的具体获取过程为：

令P_f表示认知无线电***的虚警概率的理论值，令P_{f_target}表示设定的目标虚警概率；

如果认知无线电***对虚警概率的要求不严格，即P_f近似与P_{f_target}相等即可，则采用保守门限的设置方式，得到其中，Q^-1(P_{f_target})表示Q(P_{f_target})的反函数，Q()表示标准正态分布概率密度的尾部面积函数，q表示调整因子，1＜q≤40，Q^-1(q×P_{f_target})表示Q(q×P_{f_target})的反函数；

如果认知无线电***对虚警概率的要求严格即要求P_f≤P_{f_target}，则采用激进门限的设置方式，得到其中，Q^-1(P_f,H)表示Q(P_f,H)的反函数，Q^-1(q×P_f,H)表示Q(q×P_f,H)的反函数，P_f,H为引入的中间变量， 表示在认知用户的相邻两个感知帧的前一个感知帧内授权用户不占用授权频段且在后一个感知帧内授权用户也不占用授权频段时的概率的估计值，表示在认知用户的相邻两个感知帧的前一个感知帧内授权用户不占用授权频段而在后一个感知帧内授权用户占用授权频段时的概率的估计值。

2.根据权利要求1所述的一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其特征在于所述的步骤①中w_k(n)服从均值为0且方差为的高斯分布。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其特征在于所述的步骤②_2a中取其中，P_{f_target}表示设定的目标虚警概率，Q^-1(P_{f_target})表示Q(P_{f_target})的反函数，Q()表示标准正态分布概率密度的尾部面积函数。

4.根据权利要求1所述的一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其特征在于所述的和是在进行频谱检测之前获取的，和的获取过程为：

②_2b_1、选取K'个感知帧作为训练感知帧构成训练帧集，其中，K'≥1；

②_2b_2、采用能量检测法，判定在训练帧集中的每个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态，对于训练帧集中的第k'个训练感知帧，若U_k'≥λ_ED，则判定在训练帧集中的第k'个训练感知帧内授权用户占用授权频段，令d_k'＝1；若U_k'＜λ_ED，则判定在训练帧集中的第k'个训练感知帧内授权用户不占用授权频段，令d_k'＝0；其中，1≤k'≤K'，U_k'表示在训练帧集中的第k'个训练感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，d_k'表示在训练帧集中的第k'个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态；

②_2b_3、统计从训练帧集中的第2个训练感知帧遍历到第K'个训练感知帧时事件d_k”＝0,d_k”-1＝1发生的次数，记为num(d_k”＝0,d_k”-1＝1)；并统计从训练帧集中的第2个训练感知帧遍历到第K'个训练感知帧时事件d_k”＝0发生的次数，记为num(d_k”＝0)；其中，2≤k”≤K'，d_k”表示在训练帧集中的第k”个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态，d_k”-1表示在训练帧集中的第k”-1个训练感知帧内授权用户占用授权频段的状态；

②_2b_4、根据num(d_k”＝0,d_k”-1＝1)和num(d_k”＝0)，得到再根据得到