[发明专利]基于分簇优化的多频段协作频谱感知方法

摘要

本发明涉及基于分簇优化的多频段协作频谱感知方法，建立频谱感知融合中心、N个次用户及授权用户组成的协作感知模型；频谱感知融合中心根据各次用户自身信噪比及预设的M个分簇信噪比阈值对次用户分簇，并在含有次用户的各分簇内，选取具有最大信噪比的次用户为对应分簇的簇首次用户，以该簇首次用户作为对应簇的融合中心，对本簇内其他次用户的频谱感知结果融合，以获得本簇的协作检测结果；最后频谱感知融合中心根据各簇首次用户发送的对应簇内全局检测概率和全局虚警概率进行融合检测，并以该融合检测结果为最终的多频段协作频谱检测结果，从而适应从用户所接收信号能量变化，提高次用户检测性能，减小频谱感知融合中心计算量、提高协作检测效率。

主权项

基于分簇优化的多频段协作频谱感知方法，用于频谱感知融合中心和N个具有频谱感知功能的次用户进行频谱检测，其特征在于，依次包括如下步骤：(1)建立由频谱感知融合中心、N个次用户以及授权用户组成的协作感知模型；其中，频谱感知融合中心记为FC，N个次用户分别标记为CR_i(i＝1,2,…,N，N≥3)，授权用户记为PU；(2)N个次用户CR_i分别独立地获取自身信噪比SNR_i，并分别将各自获取的信噪比SNR_i发送至频谱感知融合中心FC作分簇处理；(3)按照信噪比阈值的升序顺序，预设M个分簇的信噪比阈值SNR_Wall,m(m＝1,2,…,M且0.5N≤M＜N)，频谱感知融合中心FC将各次用户CR_i发送来的自身信噪比SNR_i分别与M个信噪比阈值SNR_Wall,m判断比较，获取到M₁个含有次用户的分簇，所得分簇记为C_l，l＝1,2,…,M₁，1＜M₁≤M，SNR_Wall,1＜SNR_Wall,2＜…＜SNR_Wall,M；频谱感知融合中心FC对各次用户CR_i信噪比SNR_i与各信噪比阈值SNR_Wall,m的判断比较过程如下步骤(3‑1)至步骤(3‑2)：(3‑1)根据M个分簇的信噪比阈值SNR_Wall,m，设置M+1个分簇信噪比区间段，分别为[‑∞,SNR_Wall,1)、[SNR_Wall,1,SNR_Wall,2)、…、[SNR_Wall,M‑1,SNR_Wall,M)和[SNR_Wall,M,∞)，其中，位于第一分簇内的次用户的信噪比处于[‑∞,SNR_Wall,1)分簇信噪比区间段内，位于第二分簇内的次用户的信噪比处于[SNR_Wall,1,SNR_Wall,2)分簇信噪比区间段内，依次类推，位于第M分簇内的次用户的信噪比处于[SNR_Wall,M‑1,SNR_Wall,M)分簇信噪比区间段内，位于第M+1分簇内的次用户的信噪比处于[SNR_Wall,M,∞)分簇信噪比区间段内；(3‑2)频谱感知融合中心FC分别将各次用户CR_i信噪比SNR_i与M个信噪比阈值SNR_Wall,m进行比较，以判断该信噪比SNR_i所处的分簇信噪比区间段；其中：当该信噪比SNR_i所处的分簇信噪比区间段为[‑∞,SNR_Wall,1)时，则不准予该信噪比SNR_i对应的次用户参与协作感知；若该信噪比SNR_i所处的分簇信噪比区间段为[SNR_Wall,M,∞)时，则将该信噪比SNR_i对应的次用户放置于第M分簇内；(4)在M₁个含有次用户的分簇内，按照次用户信噪比从大到小的顺序，选取其中具有最大信噪比的次用户为本分簇内的簇首次用户，从而得到M₁个簇首次用户；(5)在含有次用户的第二分簇内，以该簇首次用户作为本簇的融合中心，接收、并对本簇内其他次用户的频谱感知结果进行融合，以获得本簇的协作检测结果；其中，该簇内的协作检测过程包括如下步骤(5‑1)至步骤(5‑3)：(5‑1)设定第二分簇内具有K个次用户CR_k(k＝1,2,…,K)，K个次用户CR_k分别进行基于能量的频谱感知、独立地获取自身信噪比SNR_k，并分别将获取的信噪比SNR_k和频谱感知结果发送至簇首次用户CR₁；其中，频谱感知结果包括次用户CR_k的检测概率P_d,k以及虚警概率P_f,k；(5‑2)簇首次用户CR₁接收其他K‑1个次用户CR_k发送的信噪比SNR_k和频谱感知结果，并判断信噪比SNR_k大于预设的信噪比筛选值SNR_chose时，则选择此信噪比对应的次用户为参与协作检测的认知组成员，并执行步骤(5‑3)；否则，选择具有最高信噪比的次用户所对应的频谱感知结果为簇首次用户CR₁的最终检测结果；(5‑3)簇首次用户CR₁根据选定的参与协作的认知组成员的频谱感知结果进行自适应感知融合；其中，自适应感知融合过程包括如下步骤(5‑31)至步骤(5‑33)：(5‑31)簇首次用户CR₁根据K‑1个次用户发送的频谱感知结果，统计K‑1个次用户中感知到授权用户PU频谱为占用状态的次用户数目为m(1≤m≤K‑1)、感知到授权用户PU频谱为空闲状态的次用户数目为K‑1‑m；其中，授权用户PU频谱为占用状态记为H₁，授权用户PU₁频谱为空闲状态记为H₀；(5‑32)簇首次用户CR₁根据K‑1个次用户发送的信噪比，计算m个感知到授权用户PU频谱为占用状态H₁的次用户诚信系数κ_1,j以及K‑1‑m个感知到授权用户PU频谱为空闲状态H₀的次用户诚信系数κ_2,t；其中，诚信系数κ_1,j以及κ_2,t的计算公式如下：${\mathrm{\κ}}_{1,j}=\frac{{\mathrm{snr}}_j^2}{\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{snr}}_j^2},{\mathrm{\κ}}_{2,t}=\frac{{\mathrm{snr}}_t^2}{\frac{1}{K-1-m}\underset{t=1}{\overset{K-1-m}{\Σ}}{\mathrm{snr}}_t^2};$(5‑33)簇首次用户CR₁根据m个次用户的各自感知结果以及诚信系数κ_1,j，分别计算授权用户PU频谱为占用状态H₁的平均检测概率P_det,H1、全局检测概率D_det,H1和此占用状态H₁对应的全局漏检概率D_undet,H1，以及授权用户PU的频谱为空闲状态H₀的平均检测概率P_det,H0、全局检测概率D_det,H0、此空闲状态H₀对应的全局漏检概率D_undet,H0和全局虚警概率D_Fail,H0；其中，该过程包括如下步骤(a)至步骤(g)：(a)建立m个次用户协作感知的全局错误检测概率P_e，获取关于决策门限的能量检测优化函数γ^*以及能量检测的最优门限值γ_opt，并计算授权用户PU频谱为占用状态H₁的平均检测概率P_det,H1；其中，m个次用户协作感知的全局错误检测概率P_e计算公式如下：P_e＝P_H0P_f+P_H1P_m，P_H1＝1‑P_H0；$P_f=Q\left(\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\σ}}_n^2}{\frac{2}{m}{\mathrm{\σ}}_n^4}\right),P_d=Q\left(\frac{\mathrm{\γ}-(1+\stackrel{\‾}{snr}){\mathrm{\σ}}_n^2}{\frac{2}{m}(2\stackrel{\‾}{snr}+1){\mathrm{\σ}}_n^4}\right),$P_m＝1‑P_d，$Q\left(z\right)={\∫}_z^{\mathrm{\∞}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{1}{2}{x}^2}dx;$其中，P_H0为授权用户PU频谱处于空闲状态H₀的概率，P_H1为授权用户PU频谱处于占用状态H₁的概率；P_f为全局虚警概率，P_d为全局检测概率，P_m为全局漏检概率；为对应处于授权用户PU频谱处于占用状态H₁的m个次用户的平均信噪比，其中，snr_i为次用户CR_i自身的信噪比，Q(z)表示正态高斯互补积分函数；关于决策门限的能量检测优化函数γ^*定义为：${\mathrm{\γ}}^{*}=\arg \underset{\mathrm{\γ}}{\min }{P}_e=P_{H0}\·Q\left(\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\σ}}_n^2}{\frac{2}{m}{\mathrm{\σ}}_n^4}\right)+P_{H1}\·Q\left(\frac{\mathrm{\γ}-(1+\stackrel{\‾}{snr}){\mathrm{\σ}}_n^2}{\frac{2}{m}(2\stackrel{\‾}{snr}+1){\mathrm{\σ}}_n^4}\right);$能量检测的最优门限值γ_opt为：$\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_{opt}=\mathrm{\γ}{|}_{\frac{\∂P_e}{\∂\mathrm{\γ}}=0}\\ =\frac{{\mathrm{\σ}}_n^2}{2}+{\mathrm{\σ}}_n^2\sqrt{\frac{1}{4}+\frac{\stackrel{\‾}{snr}}{2}+\frac{4\stackrel{\‾}{snr}+2}{m\·\stackrel{\‾}{snr}}ln(\frac{P_{H0}}{P_{H1}}\sqrt{2\stackrel{\‾}{snr}+1}})\end{array};$授权用户PU频谱为占用状态H₁的平均检测概率P_det,H1计算公式如下：$P_{\det ,H_1=Q}\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_{opt}-(1+\stackrel{\‾}{snr})}{\sqrt{(2/(K-1)){(1+\stackrel{\‾}{snr})}^2}}\right);$(b)根据所得授权用户PU频谱为占用状态H₁的平均检测概率P_det,H1以及m个次用户的诚信系数κ_1,j，计算授权用户PU频谱为占用状态H₁的全局检测概率D_det,H1和此占用状态H₁对应的全局漏检概率D_undet,H1；其中，全局检测概率D_det,H1和全局漏检概率D_undet,H1计算公式如下：$D_{\det ,H_1}=\sqrt[m]{\underset{j=1}{\overset{m}{\Π}}{\mathrm{\κ}}_{1,j}}\·\underset{l=m}{\overset{N}{\Σ}}{\left(P_{\det ,H_1}\right)}^l{\left(1-P_{\det ,H_1}\right)}^{N-l};D_{un\det ,H_1}=1-D_{\det ,H_1}$(c)根据所得授权用户PU频谱为空闲状态H₀的平均检测概率P_det,H0以及K‑1‑m个次用户的诚信系数κ_2,t，计算授权用户PU频谱为空闲状态H₀的全局检测概率D_det,H0和此空闲状态H₀对应的全局漏检概率D_undet,H0、全局虚警概率D_Fail,H0；其中，平均检测概率P_det,H0、全局检测概率D_det,H0、全局漏检概率D_undet,H0和全局虚警概率D_Fail,H0的计算公式分别如下：$P_{\det ,H_0}=1-Q\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_{opt}-1}{\sqrt{(2/(K-1))}}\right);$$D_{\det ,H_0}=\sqrt[K-1-m]{\underset{t=1}{\overset{K-1-m}{\Π}}{\mathrm{\κ}}_{2,t}}\·\underset{l=\left(K-1-m\right)+1}{\overset{K-1}{\Σ}}{\left(P_{\det ,H_0}\right)}^l{\left(1-P_{\det ,H_0}\right)}^{K-1-l};$D_Fail,H0＝1‑D_det,H0；(d)簇首次用户CR₁根据授权用户PU频谱为占用状态H₁对应的全局漏检概率D_undet,H1以及授权用户PU频谱为空闲状态H₀对应的全局虚警概率D_Fail,H0，建立基于次用户数目的频谱感知误差函数Fun(m)；其中，频谱感知误差函数Fun(m)计算公式如下：$\begin{array}{c}Fun\left(m\right)=P_{pu}\·D_{un\det ,H_1}+\left(1-P_{pu}\right)\·D_{Fail,H_0}\\ =P_{pu}\·\left(1-D_{\det ,H_1}\right)+\left(1-P_{pu}\right)\·\left(1-D_{\det ,H_0}\right)\\ =P_{pu}\·(1-\sqrt[m]{\underset{j=1}{\overset{m}{\Π}}{\mathrm{\κ}}_{1,j}}\·\underset{l=m}{\overset{K-1}{\Σ}}{\left(P_{\det ,H_1}\right)}^l{\left(1-P_{\det ,H_1}\right)}^{K-1-l})+\\ \left(1-P_{pu}\right)\·(1-\sqrt[K-1-m]{\underset{t=1}{\overset{K-1-m}{\Π}}{\mathrm{\κ}}_{2,t}}\·\underset{l=\left(K-1-m\right)+1}{\overset{K-1}{\Σ}}{\left(P_{\det ,H_0}\right)}^l{\left(1-P_{\det ,H_0}\right)}^{K-1-l})\end{array};$其中，P_pu表示授权用户PU信号在其授权频谱出现的概率；(e)计算频谱感知误差函数Fun(m)的频谱感知误差最小值Fun(m₀)，并以该频谱感知误差函数最小值Fun(m₀)对应的数值m₀(m₀≤m)作为参与协作感知的最佳协作次用户数目，并对m个次用户按照其对应的信噪比值snr_i进行降序排列，得到m个次用户的降序排列组；(f)选取次用户降序排列组中的前m₀个次用户作为参与协作感知的最佳协作次用户；其中，分别标记选取的最佳协作次用户为CR'_r，其中，r＝1,2,…,m₀；(g)簇首次用户CR₁根据步骤(f)中m₀个最终参与协作感知的次用户的频谱感知结果进行基于OR准则的协作感知，并以协作感知的检测结果作为本簇内K个次用户的最终检测结果；其中，OR准则如下：$Q_{d,1}=1-\underset{r=1}{\overset{m_0}{\Π}}{\mathrm{\ω}}_r(1-P_{d,r}),Q_{fa,1}=1-\underset{r=1}{\overset{m_0}{\Π}}(1-P_{f,r});$${\mathrm{\ω}}_r=\frac{{{\mathrm{SNR}}^{\′\′}}_r}{0.5\·({{\mathrm{SNR}}^{\′\′}}_{\max }+{{\mathrm{SNR}}^{\′\′}}_{min})},r=1,2,...,m_0;$其中，P_d,r为本簇内最佳协作次用户CR”_r的检测概率，P_fa,j为本簇内最佳协作次用户CR”_r的虚警概率；Q_d，1为本簇协作检测后的全局检测概率，Q_fa,1为本簇协作检测后的全局虚警概率；ω_r表示信噪比SNR”_r的权重系数，SNR”_max表示本簇内m₀个最佳协作次用户的信噪比最大值，SNR”_min表示本簇内m₀个最佳协作次用户的信噪比最小值；(6)按照步骤(5)的过程，分别获取第三簇至第M₁簇内的簇内全局检测概率Q_d，3至Q_d,M1以及全局虚警概率Q_fa,2至Q_fa,M1；(7)频谱感知融合中心FC根据M₁个簇首次用户发送来的对应簇内的全局检测概率Q_d,s和全局虚警概率Q_fa,s进行基于AND准则的融合检测，并以该融合检测结果作为最终的多频段协作频谱检测结果；其中，AND准则如下：$Q_d=\underset{s=2}{\overset{M_1}{\Π}}{Q}_{d,s},Q_{fa}=\underset{s=2}{\overset{M_1}{\Π}}{Q}_{fa,s},$s＝2,3，…,M₁。