一種基於中繼傳輸的認知網絡頻譜感知方法
2023-04-26 15:34:36 1
專利名稱：一種基於中繼傳輸的認知網絡頻譜感知方法
技術領域：
本發明涉及無線通信領域，涉及認知系統中對於系統頻譜資源的感知方法。尤其 是一種基於中繼傳輸的認知網絡頻譜感知方法。
背景技術：
認知無線電技術可以顯著提高無線通信系統的頻譜效率，解決頻譜資源稀缺和頻 譜利用率低之間的矛盾，成為近年來的一個研究熱點。現存的頻譜註冊網絡對所分配頻譜 在時間和空間上使用的不連續性，使得大部分授權頻段在時間和空間上沒有得到充分的利 用。因此，認知無線電網絡中的次級用戶通過機會共享的方式，實現動態頻譜接入，就可以 不改變原有授權系統的協議，在不影響授權用戶正常通信的前提下，與授權系統共享頻譜。 當次級用戶通過「借用」的方式使用已授權的頻譜資源時，必須保證其通信不會影響到已授 權用戶的通信。要做到這一點，次級用戶必須按照一定的規則來發現授權頻譜中的「頻譜空 洞」併合理的使用。在認知無線電網絡當中，頻譜感知是其基本功能，通過感知授權頻段的 頻譜利用情況，發現其頻譜空洞，保證認知用戶的傳輸不對授權用戶造成幹擾。在傳統的認知網絡中，因為授權用戶的出現是動態的，次級用戶通過必須不斷的 周期性感知授權用戶是否存在，從而來避免對授權用戶造成幹擾。所以次級用戶能否有效 的感知到授權用戶的存在就成為了認知網絡技術關鍵所在。多個次級用戶之間合作感知技術的引入提高了認知網絡頻譜感知的有效性，與傳 統的感知方法相比較而言，合作機制的引入使得在系統性能有了很大的改進，但是次級用 戶在感知授權用戶時仍然需要相應的開銷，而在次級用戶感知授權用戶的周期內，次級用 戶感知到授權用戶所花費的時間越久，其自身信息傳輸的效率就越低。同時，即使是多個次 級用戶之間進行合作，在遇到授權用戶距離它們較遠、授權用戶的能量信號比較微弱的情 況時，和傳統技術一樣，合作機制也會出現檢測不到授權用戶存在的情況。綜上，在利用次級用戶合作頻譜感知技術的時候，需要解決以下一些問題1.如 何可靠的檢測到授權用戶的存在，從而有效避免對授權用戶造成幹擾；2.在授權用戶距離 次級用戶源節點很遠時，如何使得次級用戶很好的感知到授權用戶的存在；3.在避免對授 權用戶造成幹擾的前提下，如何使次級用戶檢測授權用戶花費儘量少的時間，達到優化系 統性能的目的。目前的方法很難同時考慮以上的三個問題，有的方法可以很好的降低次級 用戶對授權用戶的幹擾，但是卻使得次級用戶感知授權用戶的時間開銷增大；有的方法雖 然一方面降低了次級用戶對授權用戶的幹擾，另一方面也減小次級用戶感知的時間開銷， 但是並未能解決當授權用戶距離次級用戶很遠時，次級用戶對於授權用戶的準確感知問 題。
發明內容
本發明所解決的問題是發生在圖1場景中的，綜合考慮上面給出的三個方面的要 求，在上述技術的基礎上，提出一種針對多用戶認知無線電合作式感知場景中，次級用戶對於距離較遠時，在保證授權用戶幹擾限制條件滿足的情況下，利用中繼節點的傳輸策略，達 到以次級用戶感知授權用戶時間開銷最小為目標的頻譜感知方法。本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種基於中繼傳輸的認知網絡 頻譜感知方法(1)在次級用戶源節點和目的結點之間設置中繼結點；(2)次級用戶源節點向中繼結點廣播信號，該信號包括次級用戶的信號和授權用 戶的信號；(3)中繼節點接收信號，中繼節點將接收到的信號放大並向目的結點進行轉發； 次級用戶源節點仍可接收到中繼節點發送來的信號，由於次級用戶源節點自身發送的信號 為已知，從次級用戶源節點接收到的中繼轉發信號中消除掉其本身的信號，對剩餘的信號 採用能量檢測方法，判斷授權用戶信號是否存在。所述步驟(1)是指次級用戶系統採用前向放大協議，授權用戶結點Pu，次級用戶結Asu，目的結點 Ds，中繼relays具有M個結點，假設每個結點均有一根發射和接收天線，次級用戶到第i個 中繼結點的信道為第i個中繼節點到目的結點的信道為gi，授權用戶到第i個中繼結 點的信道為hpi，授權用戶到次級用戶的信道為hp，這些信道均符合0期望與單位方差的獨 立復高斯分布，dps為授權用戶與次級用戶之間的距離，C^為授權用戶與中繼結點之間的 距離，授權用戶到次級用戶和中繼的路徑損耗分別為《Γ和<了，α為路徑衰落指數，一般在 2 4之間，假設信道&為互易的，並且次級用戶知道&的信息；所述步驟⑵是指次級用戶Su向中繼發送信號S，授權用戶Pu可能存在，所以第 i個中繼Ri接收的信號為
(ι)P'工和？'分別為次級用戶和授權用戶的發射功率，θ = θν，ν為MXl維的向 量，其中所有的元素全為1，θ =1表明授權用戶存在，θ =0表明授權用戶不存在；經過 中繼Ri處理後，發送的信號為
(2)Ai為單位矩陣。所述步驟(3)是指中繼發送的功率首先在Ds歸一化。經過中繼處理後的信號當中包括授權用戶Pu 的狀態信息，在中繼處所接受到授權用戶Pu的能量比次級用戶Su處接收到的要高，所以為 了更多獲得授權用戶Pu的信息，次級用戶Su在階段II去接收中繼處理後的信號 f i + + 1為功率歸一化因子，P' 2為第i個中繼結點Ri的發射
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功率限制；式(3)中的第三項代表了授權用戶PuW狀態。假設授權用戶PuW狀態在次級用
5戶網絡兩次相鄰的傳輸過程中不改變。令巧=^7A=IA=4，"=Jd ρια Λ ； 在次級用戶Sj^，由於Sji於其自身發出的信息是已知的，所以，減去這部分不必 要的信息，最終次級用戶Su接收到的信號為 假設噪聲叫獨立復高斯分布工^] = ^』^!!11] = IM，i = 1，...，M，Im是一個 MXM的單位矩陣。次級用戶Su對授權用戶Pu的檢測建立在兩種假設之上H1 θ =1或是H。 θ =0再在次級用戶Su端進行能量檢測，能量檢測器的統計量為 通過選取合適的檢測門限，可以得到對於授權用戶Pu的檢測概率。在認知網絡中，對於認知系統的感知技術需要考慮以下幾個原則1.保證授權用戶不受幹擾2.在滿足1的前提下，儘量減小次級用戶感知授權用戶所花費的時間，提高系統 信息傳輸速率3.需要考慮感知技術的可適用性。根據以上原則，本發明的具體內容如下首先假設，該方法針對的是圖1所給出的場景，其中次級系統(即認知網絡)採用 中繼傳輸，可以擴大源節點的覆蓋範圍及減小源節點的發送功率。次級系統當中有多個用 戶節點，目的節點和次級用戶之間並無直接鏈路，認知網絡中的源節點居於離授權用戶較 遠的一端，而次級系統中的目的節點距離授權用戶較近，在此種場景下，會導致源節點難以 檢測到授權用戶的存在而發送信息，在目的節點卻發生源節點信號和授權用戶的信號相互 幹擾的情況，這時該問題一般稱之為「隱藏終端」問題。因為中繼節點一般是半雙工的，故 本發明中採用常用的兩階段的中繼轉發策略第一階段，次級用戶源節點向中繼結點廣播信息；第二階段，中繼節點接收第一階段的信號，包括次級用戶的信號和授權用戶的信 號，中繼節點將接收到的信號放大，並向目的結點進行轉發；因為無線傳播環境天然的廣播特性，第二階段中繼轉發時，次級用戶源節點仍可 接收到中繼發送來的信息，由於其自身發送的信號為已知，可從接收到的中繼轉發信號中 消除掉其本身的信息，對剩餘的信號採用能量檢測方法，可判斷授權用戶信號是否存在；該方法在使用AF(前向放大)的中繼無線網絡系統中，利用次級用戶之間的協作 特性，採用了利用中繼節點傳輸的檢測方法，在該方案下，因為中繼傳輸的兩階段傳輸協 議，次級用戶源節點無需佔用其信息傳輸的時間在檢測授權用戶的存在。源節點可在通信 的過程中監測授權用戶是否存在，所以在檢測授權用戶存在上並沒有額外的時間開銷，從 而提高了系統的性能。
圖1是本方法所應用的場景實例；其中PU-授權用戶；DS_目的結點；SU_次級用戶；relays-中繼結點；dps_授權用 戶與次級用戶之間的距離；C^--授權用戶與中繼結點之間的距離Α-次級用戶到第i個 中繼結點的信道第i個中繼節點到目的結點的信道；圖2給出了傳統的本地檢測方法與本發明中所提方法的正確檢測概率比較；其中PS-次級用戶發射功率；Pt-系統功率上限；dpr-授權用戶與中繼結點之間 的距離；M-中繼結點個數；TS-次級用戶感知授權用戶所用時間。圖3_a和圖3_b給出了不同總發射功率限制下的協作檢測方案與傳統本地感知方 案的檢測概率比較。其中Pf-誤報概率。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述首先附圖1給出了具體實施的場景，次級用戶系統採用AF(前向放大)協議，授權 用戶結點Pu，次級用戶結點Su，目的結點Ds，中繼relays具有M個結點，假設每個結點均有 一根發射和接收天線，次級用戶到第i個中繼結點的信道為A，第i個中繼節點到目的結 點的信道為gi，授權用戶到第i個中繼結點的信道為hpi，授權用戶到次級用戶的信道為hp， 這些信道均符合0期望與單位方差的獨立復高斯分布，dps為授權用戶與次級用戶之間的距 離，C^為授權用戶與中繼結點之間的距離，授權用戶到次級用戶和中繼的路徑損耗分別為 《Γ和《了，α為路徑衰落指數，一般在2 4之間，假設信道&為互易的，並且次級用戶知 道fi的信息。通信分為兩個階段階段I 次級用戶Su向中繼發送信號S，授權用戶Pu可能存在，所以第i個中繼Ri接收的 信號為 P'1和P'分別為次級用戶和授權用戶的發射功率，θ = θν，ν為MXl維的向 量，其中所有的元素全為1，θ =1表明授權用戶存在，θ =0表明授權用戶不存在。經過 中繼Ri處理後，發送的信號為tj = Ajri (2)Ai為單位矩陣。階段II:中繼發送的功率首先在Ds歸一化。經過中繼處理後的信號當中包括授權用戶Pu 的狀態信息，在中繼處所接受到授權用戶Pu的能量比次級用戶Su處接收到的要高，所以為 了更多獲得授權用戶Pu的信息，次級用戶Su在階段II去接收中繼處理後的信號 Pl =亙+ 1為功率歸一化因子，P' 2為第i個中繼結點Ri的發射
功率限制。式(3)中的第三項代表了授權用戶PuW狀態。假設授權用戶Pu的狀態在次級
用戶網絡兩次相鄰的傳輸過程中不改變 在次級用戶Sj^，由於Sji於其自身發出的信息是已知的，所以，減去這部分不必 要的信息，最終次級用戶Su接收到的信號為 假設噪聲叫獨立復高斯分布
，Im是一個
MXM的單位矩陣。次級用戶Su對授權用戶Pu的檢測建立在兩種假設之上H1 θ =1 或是H。 θ =0再在次級用戶Su端進行能量檢測，能量檢測器的統計量為 通過選取合適的檢測門限，可以得到對於授權用戶Pu的檢測概率，因為能量檢測 器是常規的信號檢測方法，對其過程不再贅述。仿真結果本發明通過計算機仿真展示了存在中繼傳輸的認知網絡中該檢測方法的性能。假 設認知網絡中的源節點接收到的授權用戶信號的功率為OdB，認知源節點和中繼節點分配 相等的功率，認知網絡中一次傳輸的總功率限制為30dB，路徑損耗係數為3，傳統本地感知 方案的時間長度為4個符號周期。圖2給出了傳統的本地檢測方法與本發明中所提方法的正確檢測概率比較，可以 看到當M = 2和M = 4時，採用本發明的檢測方案能明顯提高正確檢測的概率。圖3給出了不同總發射功率限制下的協作檢測方案與傳統本地感知方案的檢測 概率比較，可以看到即使在總發射功率為2dB時，本發明所提方法也大大優於本地感知檢 測方案。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技 術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種基於中繼傳輸的認知網絡頻譜感知方法，其特徵在於(1)在次級用戶源節點和目的結點之間設置中繼結點；(2)次級用戶源節點向中繼結點廣播信號，該信號包括次級用戶的信號和授權用戶的信號；(3)中繼節點接收信號，中繼節點將接收到的信號放大並向目的結點進行轉發；次級用戶源節點仍可接收到中繼節點發送來的信號，由於次級用戶源節點自身發送的信號為已知，從次級用戶源節點接收到的中繼轉發信號中消除掉其本身的信號，對剩餘的信號採用能量檢測方法，判斷授權用戶信號是否存在。
2.如權利要求1所述一種基於中繼傳輸的認知網絡頻譜感知方法，其特徵在於，所述 步驟(1)是指次級用戶系統採用前向放大協議，授權用戶結點Pu，次級用戶結點Su，目的結點Ds，中 繼relays具有M個結點，假設每個結點均有一根發射和接收天線，次級用戶到第i個中繼 結點的信道為&，第i個中繼節點到目的結點的信道為gi，授權用戶到第i個中繼結點的信 道為hpi，授權用戶到次級用戶的信道為hp，這些信道均符合0期望與單位方差的獨立復高 斯分布，dps為授權用戶與次級用戶之間的距離，Cllff為授權用戶與中繼結點之間的距離，授 權用戶到次級用戶和中繼的路徑損耗分別為《Γ和 了，α為路徑衰落指數，在2 4之間， 假設信道&為互易的，並且次級用戶知道&的信息。
3.如權利要求1所述一種基於中繼傳輸的認知網絡頻譜感知方法，其特徵在於，所述 步驟(2)是指次級用戶Su向中繼發送信號s，授權用戶Pu可能存在，所以第i個中繼Ri接 收的信號為Α，其表達式為 (1)P'工和？'分別為次級用戶和授權用戶的發射功率， = θν，ν為MXl維的向量，其 中所有的元素全為1，指示變量θ =1表明授權用戶存在，θ =0表明授權用戶不存在；經 過中繼Ri處理後，發送的信號為 (2)Ai為單位矩陣。
4.如權利要求1所述一種基於中繼傳輸的認知網絡頻譜感知方法，其特徵在於，所述 步驟⑶是指中繼發送的功率首先進行歸一化；經過中繼處理後的信號當中包括授權用戶Pu的狀態 信息，在中繼處所接受到授權用戶Pu的能量比次級用戶Su處接收到的要高，所以為了更多 獲得授權用戶Pu的信息，次級用戶Su在階段II去接收中繼處理後的信號為ys，可表示為下 式 iL+l沒+1為功率歸一子，ρ' 2^Hi個中■結點,Ri白勺發射功率限制；式⑶中的第三項代表了授權用戶Pu的狀態；假設授權用戶Pu的狀態在次級用戶網 絡兩次相鄰的傳輸過程中不改變；^vp _ ρ = P _ β - I__ .在次級用戶Su端，由於511對於其自身發出的信息是已知的，所以，減去這部分不必要的 信息，最終次級用戶Su接收到的信號為MMy = λ/^Σ a^KJ1 ++ZMi^ni+η (4)i=l i=l假設噪聲叫獨立復高斯分布工 !^] = ^』^!!11] = IM，i = 1，...，M，Im是一個MX M 的單位矩陣；次級用戶Su對授權用戶Pu的檢測建立在兩種假設之上 H1 θ =1 或是 H。 θ =0H1表示授權用戶存在的假設，Htl表示授權用戶不存在的假設；在次級用戶Sj^進行能 量檢測，能量檢測器的統計量為Mγ=Λ=ΣΙ^)|2 ⑷i=l通過選取合適的檢測門限，得到對於授權用戶Pu的檢測概率。全文摘要
本發明公開了一種基於中繼傳輸的認知網絡頻譜感知方法，該方法按照如下步驟(1)在次級用戶源節點和目的結點之間設置中繼結點；(2)次級用戶源節點向中繼結點發送數據信號；(3)中繼節點在第一階段接收信號，在第二階段進行放大轉發；第二階段次級用戶源節點進行接收，由於次級用戶源節點自身發送的信號為已知，從其接收到的轉發信號中消除掉其本身的信號，對剩餘的信號採用能量檢測方法，可判斷授權用戶信號是否存在。該方法利用次級用戶之間的協作特性，採用了利用中繼節點傳輸的檢測方法，由於中繼傳輸的所常用的兩階段時分傳輸協議，次級用戶源節點無需佔用額外時間開銷進行頻譜檢測，從而提高了系統的性能。
文檔編號H04B17/00GK101931478SQ201010270658
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月2日 優先權日2010年9月2日
發明者任品毅, 姜琪, 廖學文, 朱世華, 高貞貞 申請人:西安交通大學