一种基于平均共识的分布式协作频谱感知方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于平均共识的分布式协作频谱感知方法，针对实际场景中，认知用户在感知信道以及信息交互信道都会受噪声影响这一情形，设计了在交互信道存在噪声的情况下适用于共识算法的迭代矩阵，各认知用户首先进行本地能量检测，并将检测值作为平均共识算法中的初始迭代值；依据恒虚警概率原则，求得判决门限η；依据最小均方误差准则构建迭代矩阵；各认知用户将自己的状态传给邻居认知用户，同时接收邻居认知用户传来的状态，经过P次迭代后，各认知用户将当前的状态值与门限η相比较，作出最终判决。本发明方法使得各认知用户的感知信息在交互信道存在噪声的情况下依然能够收敛，提高了频谱的检测性能。
【专利说明】一种基于平均共识的分布式协作频谱感知方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于平均共识的分布式协作频谱感知方法，属于认知无线电领 域。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的快速发展，无线服务的重点已向需要宽频带和高下载速率的 多媒体通信等服务转移。依据香农定理，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长， 因而无线频谱资源变得愈发紧张，成为制约无线通信发展的瓶颈之一。然而，频谱资源并非 真的面临"耗尽"的危机。通过对已占用的频谱进行调查发现，某些授权频段的频谱利用率 极低，在时间和空间上存在不同程度的闲置现象；相反，一些非授权频段的频谱资源却超负 荷使用，频段相当拥挤。因而，频谱资源的紧张很大程度上并不是因为缺少物理上的可用频 谱资源，而是因为频谱管理政策不合理造成的。
[0003] 为了解决频谱资源的匮乏和已授权频谱利用率的矛盾，一些学者提出了认知无线 电（Cognitive Radio, CR)的概念。其实质在于具有认知能力的无线通信设备（即认知用 户）通过检测，选择性地接入已分配给授权用户（即主用户），但暂时未被使用的空闲频段； 一旦主用户重新接入该频段，认知用户则迅速退出信道，即认知用户的接入不能对主用户 的通信造成干扰。整个认知过程包括频谱感知、频谱管理和频谱共享三大关键技术。
[0004] 频谱感知作为实现认知无线电的关键和前提，是我们现阶段研究的热点。依据参 与感知的认知用户数量，频谱感知技术分为单用户频谱感知和多用户协作频谱感知。单用 户感知技术研究相对较早，主要有匹配滤波检测、能量检测和循环平稳特征检测，其中能量 检测因复杂度低和实现简单而广泛应用。单用户感知的性能容易受到无线信道中阴影衰落 等因素的影响，因而难以达到理想效果。协作频谱感知可以避免简单本地频谱感知的不确 定性，降低了多径衰落、隐藏节点和阴影效应的影响。多用户协作频谱检测分为集中式与分 布式。在集中式协作感知中，有一个中心节点用来收集各次用户的本地检测信息，并做出最 终判决，再将该判决结果通知给各次用户；在分布式协作感知中，没有中心节点，每个次用 户都相当于集中式协作检测中的信息融合中心，首先汇集其它次用户的信息并做出判决， 然后再反馈给其它次用户。
[0005] 目前大多数研究是基于集中式的协作频谱感知技术。然而，在现有的无线通信架 构中，有一些网络是无法提供统一的基站作为融合中心的，比如移动Ad hoc网络。所以分布 式协作频谱感知方案的研究是非常有必要的。分布式协作感知模型中，除了感知信道以外， 各认知用户之间信息交互的信道（以下称为交互信道）往往是有噪声的。现有的分布式频 谱感知研究中，通常假设交互信道传送的信息完全正确，没有考虑到交互信道的噪声影响， 这样的假设不利于提高检测性能。
【发明内容】
[0006] 技术问题：本发明的目的是提供一种基于平均共识的分布式协作频谱感知方法， 以解决在交互信道存在噪声的情况下，现有的分布式频谱感知方法检测性能不高的问题。 本方法将根据最小均方误差准则设计一个在交互信道存在噪声的情况下，适用于平均共识 方法的迭代矩阵，使各认知用户的感知信息在该情况下依然能够收敛，从而提高频谱感知 的整体性能。
[0007] 技术方案：一种基于平均共识的分布式协作频谱感知方法，包括如下步骤：
[0008] 1)设置初始值：各认知用户首先在本地进行能量检测，得到检测值赋值 给^(〇)，作为平均共识算法中的初始迭代值；根据恒虚警概率的原则，求得门限η备用； 据收敛步长5求解步骤求出δ，从而得到用来迭代的权值矩阵w u;依据认知用户数μ与迭代 次数ρ的关系，选取合适的迭代次数ρ ;
[0009] 2)各认知用户将当时的状态yi(t)传给自己的邻居认知用户，同时接收邻居认知 用户传来的状态h(t);根据公式
【权利要求】
1. 一种基于平均共识的分布式协作频谱感知方法，其特征在于，该方法包含以下步 骤： 1) 设置初始值：各认知用户首先在本地进行能量检测，得到检测值Yi，将Yi赋值给 yi(0)，作为平均共识中算法的初始迭代值；根据恒虚警概率的原则，求得门限η备用；据 收敛步长Ρ求解步骤求出0，从而得到用来迭代的权值矩阵w u;依据认知用户数Μ与迭代次 数Ρ的关系，选取合适的迭代次数Ρ ; 2) 各认知用户将当时的状态yi(t)传给自己的邻居认知用户，同时接收邻居认知用户 传来的状态y』⑴；根据公式-v+ +1} = -v#) + % - 来更新状态；此迭代更新 的步骤将进行P次； 3. P次迭代结束后，每个认知用户将当前的状态值yi(t)与门限η相比较，如果高于门 限则判为主用户存在，否则判为主用户不存在。
2. 根据权利要求1所述的一种基于平均共识的分布式协作频谱感知方法，其特征在 于，所述的步骤1)中，按照下述方法得到收敛步长&及权值矩阵Wu : 1) 采用覆盖优先泛洪方法得到认知用户图中用户个数Μ以及图的拉普拉斯矩阵L : 卜 1 (iK/) e E Lii=\di i = j 其中，di是节点的度，即节点i的邻居个数； [0 纖 2) 采用粒子群优化方法求解矩阵L的最大特征值λ JL); 2 2 2 3) 计算的值作为收敛步长0，其中，八^)表示实数^小数点后截两位 的值； 4) 交互信道带有噪声的平均共识方法的迭代矩阵为： 1/。 I* jHE Wu = < ?-dj/c i = j 0 i # j, (i,j) t E 〇
【文档编号】H04B17/00GK104158604SQ201410359181
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】冯永秀, 张登银, 鲍艾琴 申请人:南京邮电大学