CN108988969B - 一种基于能量检测的频谱感知方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量检测的频谱感知方法和装置。所述方法包括：接收目标频段的信号得到接收信号；对接收信号抽样得到抽样信号；计算抽样信号的能量值；将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及***吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算目标函数最优情况下的检测阈值；根据能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。本发明所述基于能量检测的频谱感知方法和装置采用能量检测的手段，并综合考虑决定感知性能多个影响因素，从而判断出频段的状态。该方法相比于现有技术中以牺牲其他方面的***性能为代价获得最佳感知性能的频谱感知方法，本发明所述方法能够同时保证检测概率、虚警概率以及***吞吐量，能够适用于复杂网络环境。

Description

一种基于能量检测的频谱感知方法和装置

技术领域

本发明涉及认知无线电技术领域，特别是指一种基于能量检测的频谱感知方法和装置。

背景技术

由于在无线通信中的重要作用，无线电频谱是一种被严格管控的珍贵资源。随着无线通信技术的快速发展，以移动互联网、物联网、云计算为代表的新一代信息技术与传统产业的深度融合，无线电技术宽带、泛在、移动的应用特点越发明显，带来频谱需求的爆发式增长，造成频谱资源的极度短缺。根据联邦通信委员会(FCC：Federal CommunicationCommission)的报告，授权无线频谱的利用率大约只有30％。另外，根据2014年7月我国无线电检测中心和全球移动通信***协会发布的《450MHz-5GHz关注频段频谱资源评估报告》，5GHz以下大部分关注频段的频谱使用率远远小于10％。有效提高用频效率是缓解频谱稀缺问题，丰富大众业务体验的客观要求。

认知无线电(Cognitive Radio,CR)的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，其核心思想就是通过频谱感知(Spectrum Sensing)和***的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA：dynamic spectrum allocation)和频谱共享(Spectrum Sharing)，并限制和降低冲突的发生。作为认知无线电的关键技术，频谱感知对整个认知网络起着先导作用，是频谱分配和频谱共享的基础。

频谱感知的目标函数融合了影响频谱感知性能的主要因素，是频谱感知性能的优化方向，对感知性能上限起着决定性作用。目前主流频谱感知方法所使用的目标函数大多是汇集影响频谱感知性能的部分因素而形成的局部目标函数，降低了认知***的适应性和鲁棒性，不利于频谱感知在复杂网络环境下的应用和推广。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种基于能量检测的频谱感知方法和装置，综合考虑影响频谱感知性能的主要因素，有效提高了频谱检测的精度。

基于上述目的本发明实施例提供的一种基于能量检测的频谱感知方法，包括：

接收目标频段的信号得到接收信号；

对所述接收信号抽样得到抽样信号；

计算所述抽样信号的能量值；

将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及***吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；

根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。

可选的，所述接收信号r(t)为：

r(t)＝h(t)s(t)+w(t)，

其中，s(t)为来自授权用户的信号，w(t)为噪声，s(t)的方差为

w(t)的方差为

h(t)为信道增益，t为时间。

可选的，所述抽样信号r(n)为：

其中，对所述接收信号抽样的采样率为f_s，f_s≥2W，W表示带宽，H₀表示所述目标频段空闲，H₁表示所述目标频段中授权用户存在，n表示抽样点序号。

可选的，所述目标函数为：

其中，P_d表示检测概率，

表示最低检测概率，P_f表示虚警概率，

表示最大虚警概率。

可选的，当γ≥1.5时，计算所述目标函数最优情况下的所述检测阈值ε为：

其中，

表示CR接收机所在位置的信噪比。

可选的，所述根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态包括：

若所述能量值大于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于忙碌状态；

若所述能量值小于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于空闲状态。

本发明还提供一种基于能量检测的频谱感知装置，包括：

信号接收模块，用于接收目标频段的信号得到接收信号；

抽样模块，用于对所述接收信号抽样得到抽样信号；

能量计算模块，用于计算所述抽样信号的能量值；

检测阈值计算模块，用于将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及***吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；

判断模块，用于根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。

可选的，所述接收信号r(t)为：

r(t)＝h(t)s(t)+w(t)，

其中，s(t)为来自授权用户的信号，w(t)为噪声，s(t)的方差为

w(t)的方差为

h(t)为信道增益

可选的，所述抽样信号r(n)为：

其中，对所述接收信号抽样的采样率为f_s，f_s≥2W，W表示带宽，H₀表示所述目标频段空闲，H₁表示所述目标频段中授权用户存在。

可选的，所述目标函数为：

其中，P_d表示检测概率，

表示最低检测概率，P_f表示虚警概率，

表示最大虚警概率。

从上面所述可以看出，本发明实施例提供的基于能量检测的频谱感知方法采用能量检测的手段，并综合考虑决定感知性能多个影响因素，从而判断出频段的状态。该方法相比于现有技术中以牺牲其他方面的***性能为代价获得最佳感知性能的频谱感知方法，本发明实施例所述方法能够同时保证检测概率、虚警概率以及***吞吐量，能够适用于复杂网络环境。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于能量检测的频谱感知方法的流程图；

图2为本发明实施例一种基于能量检测的频谱感知装置的结构图；

图3a为本发明实施例四种目标函数在不同信噪比下的最佳性能的第一比较图；

图3b为本发明实施例四种目标函数在不同信噪比下的最佳性能的第二比较图；

图3c为本发明实施例四种目标函数在不同信噪比下的最佳性能的第三比较图；

图4a为本发明实施例两种目标函数在不同信噪比下的最佳性能的第一比较图；

图4b为本发明实施例两种目标函数在不同信噪比下的最佳性能的第二比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

对于单节点的频谱感知算法，四个因素决定着感知性能：虚警概率，检测概率，感知时间和***吞吐量。一个较高的检测概率表示CR具有较好的保护PU(授权用户)的能力；一个较低的虚警概率表示CR具有较强的通信能力。实际上，感知时间也直接决定着CR的感知准确率和***吞吐量。通常感知时间越长，检测的准确性和可靠性越好；与此同时，CR的***吞吐量越小。然而，各种频谱感知算法进行性能比较的时候，感知时间往往是一个定值。因此，本发明实施例中的感知时间也固定为某一个恒定值。

基于上述问题，本发明实施例提出一种基于能量检测的频谱感知方法，该方法能够综合考虑包括检测概率、虚警概率以及***吞吐量的约束条件，同时满足检测概率高、虚警概率低以及***吞吐量大。参照图1所示，所述基于能量检测的频谱感知方法，包括：

步骤101，调节CR天线的频率，接收目标频段的信号得到接收信号。

步骤102，对所述接收信号按照特定的频谱抽样得到抽样信号。

步骤103，计算所述抽样信号的能量值。

步骤104，将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及***吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值。

步骤105，根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。

通过上述实施例，所述基于能量检测的频谱感知方法采用能量检测的手段，并综合考虑决定感知性能多个影响因素，从而判断出频段的状态。该方法相比于现有技术中以牺牲其他方面的***性能为代价获得最佳感知性能的频谱感知方法，本发明实施例所述方法能够同时保证检测概率、虚警概率以及***吞吐量，能够适用于复杂网络环境。

在本发明另一些实施例中，在假设CR的接收信号r(t)为来自的PU的信号s(t)和噪声w(t)的叠加，则接收信号r(t)为：

r(t)＝h(t)s(t)+w(t), (4-1)

其中，s(t)为来自授权用户的信号，w(t)为噪声，s(t)独立于w(t)，s(t)和w(t)均为独立同分布的稳态随机过程，s(t)的方差为

w(t)的方差为

w(t)服从高斯分布，h(t)为信道增益，|h(t)|服从Nakagami-mi分布。其中，s(t)可以是来自于不同PU的多种源信号的叠加。

考虑二元假设理论，CR接收信号经过采样率为f_s(f_s≥2W)的抽样后，接收的抽样信号r(n)为：

其中，对所述接收信号抽样的采样率为f_s，f_s≥2W，W表示带宽，H₀表示所述目标频段空闲，H₁表示所述目标频段中授权用户PU存在。

经典的频谱感知目标函数主要包括以下三种：

min F＝P_f+P_m, (4-5)

其中P_f表示虚警概率，

表示CR可以容忍的最大虚警概率；P_d表示检测概率，

表示CR应该具有的最低检测概率；P_m＝1-P_d表示漏检概率，R为CR***吞吐量，τ为感知时间，ε为检测阈值。

在一个实施例中，对于目标函数(4-3)，当γ，

τ和f_s固定为某一恒定值时，

其中

τ表示感知时间，Q^-1表示标准正态分布互补累计分布函数的反函数，ε表示检测阈值。

通过计算可得：

通过上式可以看出，由于

和

P_d和P_f关于检测阈值ε单调递减。然而当

时，P_d达到最大值。此时，最大的检测概率是以较高的虚警概率为代价的。这将导致检测概率最大时，***吞吐量却较低。因此，如果考虑***吞吐量时，目标函数(4-3)不是最优选择。

在另一个实施例中，对于目标函数(4-4)，给定C₀，P(H₀)，τ和T，当

时，CR的平均***吞吐量最高。其中，C₀表示CR单位时间内传输的信息量，P(H₀)表示目标信道空闲的概率，T表示感知周期。

通过计算可得：

因此，

通过上式可以看出，当

时，***吞吐量取得最大值而CR的检测概率却处于较低水平。

在另一个实施例中，对于目标函数(4-5)，给定

和f_s，当

时，γ表示信噪比，F取得最小值。

通过计算可得：

由于

则

因而，

此时，可以得到，

因此，可以得到：F在区间ε∈[ε₀,+∞)单调递增，在区间ε∈(-∞,ε₀)单调递减。也即是当

时，F取得最小值。

与目标函数(4-3)和(4-4)相比，目标函数(4-5)是在考虑检测概率和虚警概率的情况下的一种折中方案。也就是说，目标函数(4-5)具有较强的保护PU的能力，同时也可以保证较高的***吞吐量。

下表展示了三种基于能量检测的经典频谱感知目标函数性能对比。

根据上表，可以得出一些重要的结论。首先，目标函数决定着频谱感知的性能；不同的目标函数对应着不同的感知性能，这暗示了探索频谱感知目标函数的重要性。其次，前两个目标函数以牺牲其他方面的***性能为代价获得最佳感知性能，而目标函数(4-5)是一种折中方案，兼顾了检测概率，虚警概率和***吞吐量。因此，在一些特定场景下，选择合适的目标函数显得非常重要。再者，进一步探索频谱感知目标函数有助于频谱感知算法的推广和其鲁棒性。更加有效的频谱感知目标函数有助于提供更多的优化方向和进一步提高特定场景下的感知性能。

基于上述目的，当γ≥1.5时，在兼顾检测概率，虚警概率和***吞吐量的情况下，本发明实施例提出一种最佳频谱感知目标函数。其中，所述目标函数为：

其中，P_d表示检测概率，

表示最低检测概率，P_f表示虚警概率，

表示最大虚警概率。

在上述实施例中，在给定γ，

τ时，通过计算可得

则

因此当检测阈值

时，G取得最大值，即G最优。

比较目标函数(4-5)和(4-16)，它们的主要差别如下

其中ε₀为目标函数(4-5)计算出的检测阈值，ε₁为目标函数(4-16)计算出的检测阈值。

当ε从ε₀到ε₁变化时，CR性能的变化量可以近似表示为

ΔP_d＝P_d|ε＝ε₁-P_d|ε＝ε₀＞0, (4-26)

ΔP_f＝P_f|ε＝ε₁-P_f|ε＝ε₀＞0, (4-27)

需要注意的是，(4-25)的成立基于检测概率，虚警概率和***吞吐量对于CR的贡献。更具体地说，虚警概率的升高和***吞吐量的下降降低了CR的***性能而检测概率的提高增加了***性能。

可选的，公式(4-25)可以进一步简化为

考虑(4-26)和(4-27)，(4-29)可以进一步表示为

Δε＝ε₁-ε₀. (4-30)

由于

则

由于P_f|ε＝ε₀→0&&ΔP_f＞0，则

即：当γ≥1.5时，目标函数(4-16)中G＝P_d/P_f优于目标函数(4-5)。

综上所述，考虑检测概率、虚警概率和***吞吐量，当γ≥1.5时，所提目标函数(4-16)优于目标函数(4-5)。需要注意的是，如果抽样点数足够多(τf_s＞20)，

则在兼顾检测概率、虚警概率和***吞吐量的情况下，目标函数(4-16)和目标函数(4-5)共同拥有最佳的检测性能。

可选的，步骤105中所述根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态包括：若所述能量值大于所述检测阈值，则所述目标频段处于忙碌状态；若所述能量值小于所述检测阈值，则所述目标频段处于空闲状态。

图3a-3c分别表示本发明所提目标函数与公式(4-3)、(4-4)、(4-5)所示目标函数虚警概率、检测概率和吞吐量性能对比。需要注意的是，图3a-3c(及后面图4a-4b)的各个检测性能均为各个目标函数取得最优解时取得的。另外，图3a-3c的采样点N＝100，而图4a-4b中的采样点均为N＝20。从图3a-3c可以看出，在同等条件下，目标函数(4-3)的虚警概率明显较高，表明目标函数(4-3)的较高的检测概率是以牺牲虚警概率为代价的；目标函数(4-4)的检测概率明显较低，说明目标函数(4-4)较高的吞吐量是以降低检测概率为代价的。很明显，在兼顾检测概率、虚警概率和***吞吐量的情况下，目标函数(4-3)和目标函数(4-4)均为次优化方案。相比而言，目标函数(4-5)和本发明实施例所述目标函数(4-16)兼顾了检测概率、虚警概率和***吞吐量，具有更好的技术效果。

图4a-4b展示了本发明实施例所述目标函数(4-16)与目标函数(4-5)的性能对比。可以看出，在同等条件下，本发明所述目标函数(4-16)的检测概率和虚警概率均明显高于目标函数(4-5)，说明本发明实施例所述目标函数(4-16)增加了保护主用户正常工作的能力而在一定程度上降低了CR用户的信息传输能力。根据前面的理论推导，当环境信噪比大于1.5时，本发明实施例所述目标函数(4-16)的整体性能优于目标函数(4-5)。

本发明实施例还提供一种基于能量检测的频谱感知装置，参照图2所示，所述装置包括：

信号接收模块11，用于接收目标频段的信号得到接收信号；

抽样模块12，用于对所述接收信号抽样得到抽样信号；

能量计算模块13，用于计算所述抽样信号的能量值；

检测阈值计算模块14，用于将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及***吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；

判断模块15，用于根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。

可选的，所述接收信号r(t)为：

r(t)＝h(t)s(t)+w(t)，

其中，s(t)为来自授权用户的信号，w(t)为噪声，s(t)的方差为

w(t)的方差为

h(t)为信道增益

可选的，所述抽样信号r(n)为：

其中，对所述接收信号抽样的采样率为f_s，f_s≥2W，W表示带宽，H₀表示所述目标频段空闲，H₁表示所述目标频段中授权用户存在。

可选的，所述目标函数为：

其中，P_d表示检测概率，

表示最低检测概率，P_f表示虚警概率，

表示最大虚警概率。

可选的，当γ≥1.5时，计算所述目标函数最优情况下的所述检测阈值ε为：

其中，γ表示信噪比。

可选的，所述判断模块15还用于实现：若所述能量值大于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于忙碌状态；若所述能量值小于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于空闲状态。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，包括：

接收目标频段的信号得到接收信号；

对所述接收信号抽样得到抽样信号；

计算所述抽样信号的能量值；

将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及***吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；所述目标函数为：

其中，P_d表示检测概率，

表示最低检测概率，P_f表示虚警概率，

表示最大虚警概率；当γ≥1.5时，计算所述目标函数最优情况下的所述检测阈值ε为：

其中，γ表示信噪比；

根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。

2.根据权利要求1所述的基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，所述接收信号r(t)为：

r(t)＝h(t)s(t)+w(t)，

其中，s(t)为来自授权用户的信号，w(t)为噪声，s(t)的方差为

w(t)的方差为

h(t)为信道增益，t为时间。

3.根据权利要求2所述的基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，所述抽样信号r(n)为：

其中，对所述接收信号抽样的采样率为f_s，f_s≥2W，W表示带宽，H₀表示所述目标频段空闲，H₁表示所述目标频段中授权用户存在，n表示抽样点序号。

4.根据权利要求1所述的基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，所述根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态包括：

若所述能量值大于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于忙碌状态；

若所述能量值小于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于空闲状态。

5.一种基于能量检测的频谱感知装置，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于接收目标频段的信号得到接收信号；

抽样模块，用于对所述接收信号抽样得到抽样信号；

能量计算模块，用于计算所述抽样信号的能量值；

检测阈值计算模块，用于将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及***吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；所述目标函数为：

其中，P_d表示检测概率，

表示最低检测概率，P_f表示虚警概率，

表示最大虚警概率；当γ≥1.5时，计算所述目标函数最优情况下的所述检测阈值ε为：

其中，γ表示信噪比；

判断模块，用于根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。

6.根据权利要求5所述的基于能量检测的频谱感知装置，其特征在于，

所述接收信号r(t)为：

r(t)＝h(t)s(t)+w(t)，

其中，s(t)为来自授权用户的信号，w(t)为噪声，s(t)的方差为

w(t)的方差为

h(t)为信道增益。

7.根据权利要求5所述的基于能量检测的频谱感知装置，其特征在于，所述抽样信号r(n)为：

其中，对所述接收信号抽样的采样率为f_s，f_s≥2W，W表示带宽，H₀表示所述目标频段空闲，H₁表示所述目标频段中授权用户存在。

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