CN101931478B - 一种基于中继传输的认知网络频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中继传输的认知网络频谱感知方法，该方法按照如下步骤：(1)在次级用户源节点和目的结点之间设置中继结点；(2)次级用户源节点向中继结点发送数据信号；(3)中继节点在第一阶段接收信号，在第二阶段进行放大转发；第二阶段次级用户源节点进行接收，由于次级用户源节点自身发送的信号为已知，从其接收到的转发信号中消除掉其本身的信号，对剩余的信号采用能量检测方法，可判断授权用户信号是否存在。该方法利用次级用户之间的协作特性，采用了利用中继节点传输的检测方法，由于中继传输的所常用的两阶段时分传输协议，次级用户源节点无需占用额外时间开销进行频谱检测，从而提高了系统的性能。

Description

一种基于中继传输的认知网络频谱感知方法

技术领域：

本发明涉及无线通信领域，涉及认知系统中对于系统频谱资源的感知方法。尤其是一种基于中继传输的认知网络频谱感知方法。

背景技术：

认知无线电技术可以显著提高无线通信系统的频谱效率，解决频谱资源稀缺和频谱利用率低之间的矛盾，成为近年来的一个研究热点。现存的频谱注册网络对所分配频谱在时间和空间上使用的不连续性，使得大部分授权频段在时间和空间上没有得到充分的利用。因此，认知无线电网络中的次级用户通过机会共享的方式，实现动态频谱接入，就可以不改变原有授权系统的协议，在不影响授权用户正常通信的前提下，与授权系统共享频谱。当次级用户通过“借用”的方式使用已授权的频谱资源时，必须保证其通信不会影响到已授权用户的通信。要做到这一点，次级用户必须按照一定的规则来发现授权频谱中的“频谱空洞”并合理的使用。在认知无线电网络当中，频谱感知是其基本功能，通过感知授权频段的频谱利用情况，发现其频谱空洞，保证认知用户的传输不对授权用户造成干扰。

在传统的认知网络中，因为授权用户的出现是动态的，次级用户通过必须不断的周期性感知授权用户是否存在，从而来避免对授权用户造成干扰。所以次级用户能否有效的感知到授权用户的存在就成为了认知网络技术关键所在。

多个次级用户之间合作感知技术的引入提高了认知网络频谱感知的有效性，与传统的感知方法相比较而言，合作机制的引入使得在系统性能有了很大的改进，但是次级用户在感知授权用户时仍然需要相应的开销，而在次级用户感知授权用户的周期内，次级用户感知到授权用户所花费的时间越久，其自身信息传输的效率就越低。同时，即使是多个次级用户之间进行合作，在遇到授权用户距离它们较远、授权用户的能量信号比较微弱的情况时，和传统技术一样，合作机制也会出现检测不到授权用户存在的情况。

综上，在利用次级用户合作频谱感知技术的时候，需要解决以下一些问题：1.如何可靠的检测到授权用户的存在，从而有效避免对授权用户造成干扰；2.在授权用户距离次级用户源节点很远时，如何使得次级用户很好的感知到授权用户的存在；3.在避免对授权用户造成干扰的前提下，如何使次级用户检测授权用户花费尽量少的时间，达到优化系统性能的目的。目前的方法很难同时考虑以上的三个问题，有的方法可以很好的降低次级用户对授权用户的干扰，但是却使得次级用户感知授权用户的时间开销增大；有的方法虽然一方面降低了次级用户对授权用户的干扰，另一方面也减小次级用户感知的时间开销，但是并未能解决当授权用户距离次级用户很远时，次级用户对于授权用户的准确感知问题。

发明内容：

本发明所解决的问题是发生在图1场景中的，综合考虑上面给出的三个方面的要求，在上述技术的基础上，提出一种针对多用户认知无线电合作式感知场景中，次级用户对于距离较远时，在保证授权用户干扰限制条件满足的情况下，利用中继节点的传输策略，达到以次级用户感知授权用户时间开销最小为目标的频谱感知方法。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于中继传输的认知网络频谱感知方法：

(1)在次级用户源节点和目的结点之间设置中继结点；

(2)次级用户源节点向中继结点广播信号，该信号包括次级用户的信号和授权用户的信号；

(3)中继节点接收信号，中继节点将接收到的信号放大并向目的结点进行转发；次级用户源节点仍可接收到中继节点发送来的信号，由于次级用户源节点自身发送的信号为已知，从次级用户源节点接收到的中继转发信号中消除掉其本身的信号，对剩余的信号采用能量检测方法，判断授权用户信号是否存在。

所述步骤(1)是指：

次级用户系统采用前向放大协议，授权用户结点P_u，次级用户结点S_u，目的结点D_s，中继relays具有M个结点，假设每个结点均有一根发射和接收天线，次级用户到第i个中继结点的信道为f_i，第i个中继节点到目的结点的信道为g_i，授权用户到第i个中继结点的信道为h_pi，授权用户到次级用户的信道为h_p，这些信道均符合0期望与单位方差的独立复高斯分布，d_ps为授权用户与次级用户之间的距离，d_pr为授权用户与中继结点之间的距离，授权用户到次级用户和中继的路径损耗分别为

和

α为路径衰落指数，一般在2～4之间，假设信道f_i为互易的，并且次级用户知道f_i的信息；

所述步骤(2)是指：次级用户S_u向中继发送信号s，授权用户P_u可能存在，所以第i个中继R_i接收的信号为：

$r_i=\sqrt{\frac{P_1^{\′}}{d_{\mathrm{sr}}^{\mathrm{\α}}}}{\mathrm{sf}}_i+\sqrt{\frac{P^{\′}}{d_{\mathrm{pr}}^{\mathrm{\α}}}}\mathrm{\Θ}{h}_{\mathrm{pi}}+n_i---\left(1\right)$

P′₁和P′分别为次级用户和授权用户的发射功率，Θ＝θv，v为M×1维的向量，其中所有的元素全为1，θ＝1表明授权用户存在，θ＝0表明授权用户不存在；经过中继R_i处理后，发送的信号为：

t_i＝A_ir_i             (2)

A_i为单位矩阵。

所述步骤(3)是指：

中继发送的功率首先在D_s归一化。经过中继处理后的信号当中包括授权用户P_u的状态信息，在中继处所接受到授权用户P_u的能量比次级用户S_u处接收到的要高，所以为了更多获得授权用户P_u的信息，次级用户S_u在阶段II去接收中继处理后的信号：

$y_s=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\β}}_i^{\′}}{\sqrt{d_{\mathrm{sr}}^{\mathrm{\α}}}}{t}_i{f}_i+\sqrt{P_s}\mathrm{\Θ}{h}_p+n---\left(3\right)$

为功率归一化因子，P′₂为第i个中继结点R_i的发射功率限制；式(3)中的第三项代表了授权用户P_u的状态。假设授权用户P_u的状态在次级用户网络两次相邻的传输过程中不改变。令

在次级用户S_u端，由于S_u对于其自身发出的信息是已知的，所以，减去这部分不必要的信息，最终次级用户S_u接收到的信号为：

$y=\sqrt{P_r}\mathrm{\β}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\mathrm{\Θ}{h}_{\mathrm{pi}}{f}_i+\sqrt{P_s}\mathrm{\Θ}{h}_p+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\β}{A}_i{f}_i{n}_i+n---\left(4\right)$

假设噪声n_i独立复高斯分布，

E[nn^H]＝I_M，i＝1，...，M，I_M是一个M×M的单位矩阵。次级用户S_u对授权用户P_u的检测建立在两种假设之上：

H₁：θ＝1       或是         H₀：θ＝0

再在次级用户S_u端进行能量检测，能量检测器的统计量为：

$Y=y^{H}y=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y\left(k\right)\right|}^2---\left(6\right)$

通过选取合适的检测门限，可以得到对于授权用户P_u的检测概率。

在认知网络中，对于认知系统的感知技术需要考虑以下几个原则：

1.保证授权用户不受干扰

2.在满足1的前提下，尽量减小次级用户感知授权用户所花费的时间，提高系统信息传输速率

3.需要考虑感知技术的可适用性。

根据以上原则，本发明的具体内容如下：

首先假设，该方法针对的是图1所给出的场景，其中次级系统(即认知网络)采用中继传输，可以扩大源节点的覆盖范围及减小源节点的发送功率。次级系统当中有多个用户节点，目的节点和次级用户之间并无直接链路，认知网络中的源节点居于离授权用户较远的一端，而次级系统中的目的节点距离授权用户较近，在此种场景下，会导致源节点难以检测到授权用户的存在而发送信息，在目的节点却发生源节点信号和授权用户的信号相互干扰的情况，这时该问题一般称之为“隐藏终端”问题。因为中继节点一般是半双工的，故本发明中采用常用的两阶段的中继转发策略：

第一阶段，次级用户源节点向中继结点广播信息；

第二阶段，中继节点接收第一阶段的信号，包括次级用户的信号和授权用户的信号，中继节点将接收到的信号放大，并向目的结点进行转发；

因为无线传播环境天然的广播特性，第二阶段中继转发时，次级用户源节点仍可接收到中继发送来的信息，由于其自身发送的信号为已知，可从接收到的中继转发信号中消除掉其本身的信息，对剩余的信号采用能量检测方法，可判断授权用户信号是否存在；

该方法在使用AF(前向放大)的中继无线网络系统中，利用次级用户之间的协作特性，采用了利用中继节点传输的检测方法，在该方案下，因为中继传输的两阶段传输协议，次级用户源节点无需占用其信息传输的时间在检测授权用户的存在。源节点可在通信的过程中监测授权用户是否存在，所以在检测授权用户存在上并没有额外的时间开销，从而提高了系统的性能。

附图说明：

图1是本方法所应用的场景实例；

其中：P_u-授权用户；D_s-目的结点；S_u-次级用户；relays-中继结点；d_ps-授权用户与次级用户之间的距离；d_pr--授权用户与中继结点之间的距离；f_i--次级用户到第i个中继结点的信道；g_i--第i个中继节点到目的结点的信道；

图2给出了传统的本地检测方法与本发明中所提方法的正确检测概率比较；

其中：P_s--次级用户发射功率；P_t-系统功率上限；d_pr--授权用户与中继结点之间的距离；M-中继结点个数；T_s-次级用户感知授权用户所用时间。

图3-a和图3-b给出了不同总发射功率限制下的协作检测方案与传统本地感知方案的检测概率比较。其中：P_f-误报概率。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

首先附图1给出了具体实施的场景，次级用户系统采用AF(前向放大)协议，授权用户结点P_u，次级用户结点S_u，目的结点D_s，中继relays具有M个结点，假设每个结点均有一根发射和接收天线，次级用户到第i个中继结点的信道为f_i，第i个中继节点到目的结点的信道为g_i，授权用户到第i个中继结点的信道为h_pi，授权用户到次级用户的信道为h_p，这些信道均符合0期望与单位方差的独立复高斯分布，d_ps为授权用户与次级用户之间的距离，d_pr为授权用户与中继结点之间的距离，授权用户到次级用户和中继的路径损耗分别为

和

α为路径衰落指数，一般在2～4之间，假设信道f_i为互易的，并且次级用户知道f_i的信息。

通信分为两个阶段

阶段I：

次级用户S_u向中继发送信号s，授权用户P_u可能存在，所以第i个中继R_i接收的信号为：

$r_i=\sqrt{\frac{P_1^{\′}}{d_{\mathrm{sr}}^{\mathrm{\α}}}}{\mathrm{sf}}_i+\sqrt{\frac{P^{\′}}{d_{\mathrm{pr}}^{\mathrm{\α}}}}\mathrm{\Θ}{h}_{\mathrm{pi}}+n_i---\left(1\right)$

P′₁和P′分别为次级用户和授权用户的发射功率，Θ＝θv，v为M×1维的向量，其中所有的元素全为1，θ＝1表明授权用户存在，θ＝0表明授权用户不存在。经过中继R_i处理后，发送的信号为：

t_i＝A_ir_i     (2)

A_i为单位矩阵。

阶段II：

中继发送的功率首先在D_s归一化。经过中继处理后的信号当中包括授权用户P_u的状态信息，在中继处所接受到授权用户P_u的能量比次级用户S_u处接收到的要高，所以为了更多获得授权用户P_u的信息，次级用户S_u在阶段II去接收中继处理后的信号：

$y_s=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\β}}_i^{\′}}{\sqrt{d_{\mathrm{sr}}^{\mathrm{\α}}}}{t}_i{f}_i+\sqrt{P_s}\mathrm{\Θ}{h}_p+n---\left(3\right)$

为功率归一化因子，P′₂为第i个中继结点R_i的发射功率限制。式(3)中的第三项代表了授权用户P_u的状态。假设授权用户P_u的状态在次级用户网络两次相邻的传输过程中不改变。令

在次级用户S_u端，由于S_u对于其自身发出的信息是已知的，所以，减去这部分不必要的信息，最终次级用户S_u接收到的信号为：

$y=\sqrt{P_r}\mathrm{\β}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\mathrm{\Θ}{h}_{\mathrm{pi}}{f}_i+\sqrt{P_s}\mathrm{\Θ}{h}_p+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\β}{A}_i{f}_i{n}_i+n---\left(4\right)$

假设噪声n_i独立复高斯分布，E[nn^H]＝I_M，i＝1，...，M，I_M是一个M×M的单位矩阵。次级用户S_u对授权用户P_u的检测建立在两种假设之上：

H₁：θ＝1   或是       H₀：θ＝0

再在次级用户S_u端进行能量检测，能量检测器的统计量为：

$Y=y^{H}y=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y\left(k\right)\right|}^2---\left(6\right)$

通过选取合适的检测门限，可以得到对于授权用户P_u的检测概率，因为能量检测器是常规的信号检测方法，对其过程不再赘述。

仿真结果：

本发明通过计算机仿真展示了存在中继传输的认知网络中该检测方法的性能。假设认知网络中的源节点接收到的授权用户信号的功率为0dB，认知源节点和中继节点分配相等的功率，认知网络中一次传输的总功率限制为30dB，路径损耗系数为3，传统本地感知方案的时间长度为4个符号周期。

图2给出了传统的本地检测方法与本发明中所提方法的正确检测概率比较，可以看到当M＝2和M＝4时，采用本发明的检测方案能明显提高正确检测的概率。

图3给出了不同总发射功率限制下的协作检测方案与传统本地感知方案的检测概率比较，可以看到即使在总发射功率为2dB时，本发明所提方法也大大优于本地感知检测方案。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于中继传输的认知网络频谱感知方法，其特征在于：

(1)在次级用户源节点和目的结点之间设置中继结点；

(2)第一阶段，次级用户源节点向中继结点广播信号，该信号包括次级用户的信号和授权用户的信号；

(3)第二阶段，中继节点接收信号，中继节点将接收到的信号放大并向目的结点进行转发；次级用户源节点仍可接收到中继节点发送来的信号，由于次级用户源节点自身发送的信号为已知，从次级用户源节点接收到的中继转发信号中消除掉其本身的信号，对剩余的信号采用能量检测方法，判断授权用户信号是否存在；

所述步骤(1)是指：

次级用户系统采用前向放大协议，授权用户结点P_u，次级用户结点S_u，目的结点D_s，中继relays具有M个结点，假设每个结点均有一根发射和接收天线，次级用户到第i个中继结点的信道为f_i，第i个中继节点到目的结点的信道为g_i，授权用户到第i个中继结点的信道为h_pi，授权用户到次级用户的信道为h_p，这些信道均符合0期望与单位方差的独立复高斯分布，d_ps为授权用户与次级用户之间的距离，d_pr为授权用户与中继结点之间的距离，授权用户到次级用户和中继的路径损耗分别为和

α为路径衰落指数，在2~4之间，假设信道f_i为互易的，并且次级用户知道f_i的信息。

2.如权利要求1所述一种基于中继传输的认知网络频谱感知方法，其特征在于，所述步骤(2)是指：次级用户S_u向中继发送信号s，授权用户P_u可能存在，所以第i个中继R_i接收的信号为r_i，其表达式为：

$r_i=\sqrt{\frac{P_1^{\′}}{d_{\mathrm{sr}}^{\mathrm{\α}}}}{\mathrm{sf}}_i+\sqrt{\frac{P^{\′}}{d_{\mathrm{pr}}^{\mathrm{\α}}}}\mathrm{\Θ}{h}_{\mathrm{pi}}+n_i---\left(1\right)$

为次级网络源节点到中继节点的路径损耗，P₁'和P'分别为次级用户和授权用户的发射功率，Θ=θv，v为M×1维的向量，其中所有的元素全为1，指示变量θ=1表明授权用户存在，θ=0表明授权用户不存在；经过中继R_i处理后，发送的信号为：

t_i=A_ir_i    （2）

A_i为单位矩阵。

3.如权利要求1所述一种基于中继传输的认知网络频谱感知方法，其特征在于，所述步骤(3)是指：

中继发送的功率首先进行归一化；经过中继处理后的信号当中包括授权用户P_u的状态信息，在中继处所接受到授权用户P_u的能量比次级用户S_u处接收到的要高，所以为了更多获得授权用户P_u的信息，次级用户S_u在第二阶段去接收中继处理后的信号为y_s，可表示为下式：

$y_s=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\β}}_i^{\′}}{\sqrt{d_{\mathrm{sr}}^{\mathrm{\α}}}}{t}_i{f}_i+\sqrt{P_s}{\mathrm{\Θh}}_p+n---\left(3\right)$

$P_s=\frac{P^{\′}}{d_{\mathrm{sr}}^{\mathrm{\α}}},{\mathrm{\β}}_i^{\′}=\sqrt{\frac{P_2^{\′}}{\frac{P_1^{\′}}{d_{\mathrm{sr}}^{\mathrm{\α}}}+\frac{P^{\′}}{d_{\mathrm{pr}}^{\mathrm{\α}}}\mathrm{\θ}+1}}$ 为功率归一化因子，

为次级网络源节点到中继节点的路径损耗，n_i为中继节点接收时产生的噪声，P₂′为第i个中继结点R_i的发射功率限制；式（3）中的第三项代表了授权用户P_u的状态；假设授权用户P_u的状态在次级用户网络两次相邻的传输过程中不改变；

令 $P_1=\frac{P^{\′}}{d_{\mathrm{sr}}^{\mathrm{\α}}},$ $P_r=\frac{P^{\′}}{d_{\mathrm{pr}}^{\mathrm{\α}}},$ $P_2=\frac{P_2^{\′}}{d_{\mathrm{sr}}^{\mathrm{\α}}},$ $\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{P_2}{P_1+P_r\mathrm{\θ}+1}};$

在次级用户S_u端，由于S_u对于其自身发出的信息是已知的，所以，减去这部分不必要的信息，最终次级用户S_u接收到的信号为：

$y=\sqrt{P_r}\mathrm{\β}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\mathrm{\Θh}}_{\mathrm{pi}}{f}_i+\sqrt{P_s}{\mathrm{\Θh}}_p+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\βA}}_i{f}_i{n}_i+n---\left(4\right)$

假设噪声n_i独立复高斯分布，

E[nn^H]＝I_M，i=1,…，M，I_M是一个M×M的单位矩阵；次级用户S_u对授权用户P_u的检测建立在两种假设之上：

H1：θ=1或是H₀：θ=0

H₁表示授权用户存在的假设，H₀表示授权用户不存在的假设；在次级用户S_u端进行能量检测，能量检测器的统计量为：

$Y=y^{H}y=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y\left(k\right)\right|}^2---\left(6\right)$

通过选取合适的检测门限，得到对于授权用户P_u的检测概率。

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