一種認知無線電網(wǎng)絡分簇協(xié)作頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種認知無線電網(wǎng)絡分簇協(xié)作頻譜感知方法，屬于認知無線電技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為一項實現(xiàn)動態(tài)的智能頻譜分配和頻譜資源共享的關(guān)鍵技術(shù)，認知無線電技術(shù) (CR，Cognitive Radio)近些年來受到了國內(nèi)外專家與學者的廣泛關(guān)注和研究。然而由于 頻譜資源難以滿足日益增長的消費人群的問題日益顯現(xiàn)，因此頻譜資源的高效合理分配已 然成為目前無線通信技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域亟待解決的難題之一。但是通過FFC(美國聯(lián)邦通信委 員）對頻譜利用率的研究報告顯示由于現(xiàn)有的靜態(tài)頻譜資源分配模式使得大部分授權(quán)頻 譜并未充分使用而導致了當前的頻譜資源使用率不高。為了緩解當前愈演愈烈的頻譜供求 關(guān)系同時解決頻譜資源使用率不高的問題，在頻譜檢測方面不影響整個系統(tǒng)的檢測精度前 提下，相關(guān)學者提出了協(xié)作頻譜檢測技術(shù)，即先通過融合多個認知用戶的感知信息，然后再 由融合中心確定該段頻譜是否被主用戶占用。所以，一種認知無線電網(wǎng)絡分簇協(xié)作頻譜感 知算法成為當前新的研究方向。
[0003] 傳統(tǒng)的分簇協(xié)作頻譜感知方法是將認知用戶按照某種規(guī)則分成若干個簇 (cluster)，進而選取每個簇中感知性能最好的認知用戶做為簇首（cluster head)。最后融 合中心（FC，fusion center)將收集到的各個簇發(fā)送過來的決策信息進行最終判決。針對 其在感知過程中大都沒有考慮衰落對判決結(jié)果方面造成誤碼率增加的不足，需要提出一種 認知無線電網(wǎng)絡分簇協(xié)作頻譜感知方法，該方法不僅應該考慮外環(huán)境對系統(tǒng)檢測性能造成 的影響，還要采用全新的分簇規(guī)則和融合準則，使參與協(xié)作的各個簇盡可能避免陰影效應、 噪聲以及多徑衰落對檢測結(jié)果的干擾。
[0004] 傳統(tǒng)的基于LEACH協(xié)議的分簇方法由于每個簇隨機分布在不同的位置，并且協(xié)議 沒有具體指出如何將多個簇首節(jié)點合理的分布才能遍及整個認知網(wǎng)絡。因此，一但出現(xiàn)從 認知節(jié)點中選出的簇首節(jié)點同時集中在網(wǎng)絡的某片區(qū)域，而一些節(jié)點的附近卻找不到任何 一個簇首，這樣就會導致網(wǎng)絡能耗分布的不均衡從而帶來的系統(tǒng)癱瘓。這將會對協(xié)作頻譜 感知的最終判決結(jié)果造成十分大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種認知無線電網(wǎng)絡分簇協(xié)作頻譜感知方法，以用于解決傳統(tǒng)分簇 協(xié)作頻譜感知方法中網(wǎng)絡能耗分布不均衡從而帶來的系統(tǒng)癱瘓的問題。
[0006] 本發(fā)明認知無線電網(wǎng)絡分簇協(xié)作頻譜感知方法是這樣實現(xiàn)的：所述認知無線電網(wǎng) 絡分簇協(xié)作頻譜感知方法的具體步驟如下：
[0007] StepU將感知網(wǎng)絡中所有感知用戶分為若干簇，并選出每個簇的簇頭；
[0008] Step2、首先對CR系統(tǒng)中分到每個簇內(nèi)的感知用戶進行能量檢測感知本地的頻譜 占用情況，同時簇首將本簇內(nèi)的感知用戶上報的能量檢測信息發(fā)送至簇首利用數(shù)據(jù)融合方 法進行第一次數(shù)據(jù)融合處理；
[0009] Step3、簇首數(shù)據(jù)融合之后簇首將它們各自判定出的融合判決結(jié)果發(fā)送至融合中 心，在融合中心中進行第一次數(shù)據(jù)融合處理；
[0010] Step4、由融合中心估計出接收到的每個簇首的信噪比，并將與其所有簇信噪比的 平均值進行比較，判斷是否大于其平均值；
[0011] Step5、如果大于平均值則在融合中心進行第二次數(shù)據(jù)融合，否則不進行；
[0012] 所述步驟Step5,在融合中心中利用"0R準則"進行第二次數(shù)據(jù)融合，并根據(jù)融合 結(jié)果作出最終感知判決結(jié)果，來感知此信道是否被使用。
[0013] 所述步驟Step3中，其中，在融合中心中進行第一次數(shù)據(jù)融合處理時合并感知所 有簇首節(jié)點的數(shù)據(jù)信息都采用"0R準則"融合策略。
[0014] 本發(fā)明的工作原理是：
[0015] 基于分簇的協(xié)作頻譜感知的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖中每一個大圓表示一個 簇，CR表示簇罩面的一個認知節(jié)點，CH表示位于一個簇里面的簇頭節(jié)點，灰色裝置表示協(xié) 作感知系統(tǒng)中的信息融合中心，發(fā)射塔代表主用戶發(fā)射機。
[0016] 整個基于分簇的協(xié)作頻譜感知的系統(tǒng)的實現(xiàn)過程如下所述：
[0017] 1)根據(jù)認知用戶的地理位置將距離較近的認知用戶分到同一個簇。
[0018] 2)隨機選擇簇里的認知用戶做為簇首，為避免功率消耗過快，簇頭由簇成員輪流 擔任。
[0019] 3)簇首收集并處理簇成員發(fā)送過來的本地感知結(jié)果，連同自己的感知信息做出判 決，并將判決結(jié)果發(fā)送至融合中心。為延長整個系統(tǒng)的壽命，節(jié)省各認知用戶的能量，融合 中心也是動態(tài)選擇，由簇頭輪流擔任。
[0020] 4)融合中心綜合自身感知結(jié)果與各簇頭的判決情況，進行最終決策，并將判決結(jié) 果由簇頭發(fā)至每個簇成員，如圖1所示，完成整個過程。
[0021] 假定在一個協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)中存在若干個認知節(jié)點并且每個認知節(jié)點可以獨 立向數(shù)據(jù)融合中心發(fā)送決策信息，決策信息在數(shù)據(jù)融合中心基站做出判決并將最終判決信 息通過基站告知各用戶節(jié)點。由于控制信道的非理想性，檢測信息發(fā)送至融合中心的過程 中可能會產(chǎn)生錯誤概率的情況，如果在這個時候盲目地將認知用戶節(jié)點數(shù)增多，則此時系 統(tǒng)的感知性能不但無法實現(xiàn)提升而且還會導致一些攜帶能量十分有限的認知節(jié)點能量耗 盡，帶來系統(tǒng)能耗過大的問題。當一個協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)的規(guī)模達到一定程度時，各信道 (包括感知信道和報告信道）極易受到路徑衰落或陰影效應的影響從而導致系統(tǒng)的生存面 臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，引入分簇機制這一途徑來解決此類問題。
[0022] 為解決此類問題，本發(fā)明給出了一種優(yōu)化的分簇協(xié)作頻譜感知方法。與傳統(tǒng)的 LEACH協(xié)議分簇方法不同之處在于（如圖2,圖3所示），這種方法依據(jù)簇間和簇內(nèi)的不同特 征選擇不同的數(shù)據(jù)融合準則，并且針對每個簇的簇首所經(jīng)歷的不同的信道衰落情況，自動 匹配某種規(guī)則使數(shù)據(jù)融合中心只選擇一部分符合融合條件的簇參與相應的分簇協(xié)作頻譜 感知，從而有效減小非理想控制信道對檢測結(jié)果導致的無法彌補的影響。其具體規(guī)則是：融 合中心收到各簇首發(fā)送來的檢測結(jié)果之后估計出各簇首的信噪比，然后與之所有簇首的平 均信噪比進行比對，最后選擇出信噪比大于平均值的簇首參與最終"0R準則"融合判決。
[0023] 該準則是指：若授權(quán)信息被認知用戶檢測到，則由數(shù)據(jù)融合中心產(chǎn)生判決，認為當 前狀態(tài)下的授權(quán)用戶已經(jīng)處于信道使用階段；否則，融合中心就判定授權(quán)用戶不存在，并且 當主用戶在任何認知用戶的判決信息中都是不存在的狀態(tài)時，數(shù)據(jù)融合中心才會發(fā)出信道 空閑可接入的決策。
[0024] I) "0R"準則下傳統(tǒng)的協(xié)作頻譜感知的檢測概率、虛警概率和漏檢概率分別表示 為：
[0025]
(1)
[0026] 式中，P41是指認知用戶i的檢測概率，P u是指認知用戶i的虛警概率，P ^是指 認知用戶i的漏檢概率。
[0027] 根據(jù)式⑴可得關(guān)系Qd>P4l和Qf>P fil，即在分簇協(xié)作頻譜感知中"0R準則"的檢測 概率和虛警概率值相對較高，同時，雖然"0R準則"對頻譜的利用率較低，但相對于授權(quán)用戶 信道的使用來說對信道產(chǎn)生的干擾卻很小。因此，"0R準則"在認知無線電系統(tǒng)的實際頻譜 感知中使用更為廣泛。
[0028] 2)優(yōu)化完成后認知無線電協(xié)作頻譜感知分簇算法的檢測概率Qd和虛警概率Q f分 別為： (2)
[0029]
[0030] 式（2)中，D表示一個簇內(nèi)所有感知用戶的數(shù)量，Pdi u是指簇j中第i個用戶的檢 測概率，Pui是指簇j中第i個用戶的虛警概率，誤碼率:^是簇群j中的簇首節(jié)點發(fā)送判 決信息給數(shù)據(jù)融合中心過程中出現(xiàn)的的誤差比例。
[0031] 本發(fā)明的有益效果是：
[0032] 1、由于這種方法依據(jù)簇間和簇內(nèi)的不同特征選擇不同的數(shù)據(jù)融合準則，并且針對 每個簇的簇首所經(jīng)歷的不同的信道衰落情況，自動匹配某種規(guī)則使數(shù)據(jù)融合中心只選擇一 部分符合融合條件的簇參與相應的分簇協(xié)作頻譜感知，從而有效減小非理想控制信道對檢 測結(jié)果造成的影響。
[0033] 2、該方法區(qū)別于傳統(tǒng)的基于LEACH協(xié)議分簇方法，由于在非理想控制信道中將經(jīng) 歷衰落較大的檢測結(jié)果排除出去，因此降低了對檢測結(jié)果造成誤差的可能，從而可以大幅 提高系統(tǒng)檢測性能的穩(wěn)定性和抗干擾能力；并且在信道環(huán)境復雜多變的情況下，該方法實 現(xiàn)簡單，成本低廉且拓撲結(jié)構(gòu)易于管理。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發(fā)明基于分簇協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0035] 其中：在圖中每一個大圓表不一個簇，CR表不簇罩面的一個認知節(jié)點，CH表不位 于一個簇里面的簇頭節(jié)點。
[0036] 圖2是本發(fā)明傳統(tǒng)LEACH協(xié)議分簇方法流程圖；
[0037] 圖3是本發(fā)明所述方法的流程圖；
[0038] 圖4是本發(fā)明的分簇感知方法與傳統(tǒng)LEACH協(xié)議分簇方法的檢測概率性能比較；
[0039] 圖5是本發(fā)明簇內(nèi)節(jié)點數(shù)不同時簇首節(jié)點的誤碼率；
[0040] 圖6是本發(fā)明不同分簇數(shù)下的檢測概率（SNR = _5dB)。
【具體實施方式】
[0041] 實施例1 :如圖1-6所示，一種認知無線電網(wǎng)絡分簇協(xié)作頻譜感知方法，所述認知 無線電網(wǎng)絡分簇協(xié)作頻譜感知方法的具體步驟如下：
[0042] StepU將感知網(wǎng)絡中所有感知用戶分為若干簇，并選出每個簇的簇頭；
[0043] Step2、首先對CR系統(tǒng)中分到每個簇內(nèi)的感知用戶進行能量檢測感知本地的頻譜 占用情況，同時簇首將本簇內(nèi)的感知用戶上報的能量檢測信息發(fā)送至簇首利用數(shù)據(jù)融合方 法進行第一次數(shù)據(jù)融合處理；
[0044] Step3、簇首數(shù)據(jù)融合之后簇首將它們各自判定出的融合判決結(jié)果發(fā)送至融合中 心，在融合中心中