一种认知无线电系统中的合作频谱感知方法
专利汇可以提供一种认知无线电系统中的合作频谱感知方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 认知无线电 系统中的合作 频谱 感知 方法。现有合作频谱感知方法不能够有效抵抗恶意用户攻击。本发明方法首先是每个用户对主用户 信号 进行 能量 检测，将能量检测感知结果发送到控制中心；从用户可信度 数据库 中读取每个用户的可信度，进行归一化处理得到每个用户在本次合作感知中的权重系数；将本地感知结果与对应用户的权重系数相乘累加后与系统的判决 门 限比较，如果大于则目标频段当前正在被主用户使用；如果小于则目标频段当前没有被主用户使用。本发明方法具有线性合作感知 算法 的简单性和实用性，克服了现有方法不能有效抵抗恶意 节点 攻击的缺点，减轻了恶意节点对整个认知无线电系统感知性能的影响。，下面是一种认知无线电系统中的合作频谱感知方法专利的具体信息内容。
1、一种认知无线电系统中的合作频谱感知方法，其特征在于该方法的具体步骤是：步骤(1). 每个参与合作的认知无线电用户对主用户信号进行能量检测；步骤(2). 将每个参与合作的认知无线电用户的能量检测感知结果或量化的能量检测感知结果作为本地感知结果通过认知无线电系统的控制信道发送到控制中心；步骤(3). 认知无线电系统的控制中心收到所有参与合作的认知无线电用户的本地感知结果之后，从用户可信度数据库中读取每个参与合作的认知无线电用户的可信度rj，并且对其进行归一化处理，得到每个用户在本次合作感知中的权重系数wj，K为参与合作的认知无线电用户的总数；步骤(4).将接收到的本地感知结果Yj与对应用户的权重wj系数相乘后累加，将累加结果V和与系统的判决门限比较：如果该结果大于等于判决门限，则系统判决结果为目标频段当前正在被主用户使用；如果该结果小于判决门限，则系统判决结果为目标频段当前没有被主用户使用；步骤(5).认知无线电系统的控制中心对用户可信度数据库中参与合作的认知无线电用户的可信度rj进行更新，具体方法是：将控制中心收到的每个用户的本地感知结果Yj与该用户进行单用户感知时的判决门限作比较：如果本地感知结果Yj大于等于判决门限，则该单用户的判决结果为目标频段当前正在被主用户使用；如果本地感知结果Yj小于判决门限，则该单用户的判决结果为目标频段当前没有被主用户使用；如果单用户的判决结果与本次合作感知的系统判决结果一致，则根据认知无线电系统的要求提高该用户的可信度；如果不一致，则根据认知无线电系统的要求降低该用户的可信度。
一种认知无线电系统中的合作频谱感知方法
技术领域
近年来，在无线技术的高速发展带来许多新服务的同时，无线频谱稀缺 的问题也更加明显，由于许多新技术的实现都需要以频谱资源为基础，所以 无线频谱稀缺已成为影响通信产业发展的瓶颈。 一直以来无线频谱资源的使 用和管理都是由政府统一进行，目前可分配的频带已所剩无几，但是己有多
项研究表明在已经分配出去的无线频谱中，大多数频段的利用率低于25%， 有的频段利用率甚至不到10%。在这种情况下，能够有效利用频谱空洞实现 通信的认知无线电（Cognitive Radio)技术成为当前研究的热点。
认知无线电技术的目标是提高频谱利用率，使得具备认知功能的无线用 户能够智能地感知周围的环境，以伺机的方式使用未被主用户（Primary User)使用的频谱资源来完成通信，同时不对主用户的通信产生影响。认知 无线电用户通过不断的感知无线环境，可以检测在自己的通信范围内某个频 段当前是否正在被主用户使用，如果发现该频段当前未被主用户使用，则表 示认知无线电用户可以使用该频段进行通信； 一旦主用户需要使用某个频 段，则正在使用该频段进行通信的认知无线电用户必须立刻停止在该频段的 通信，继续寻找未被主用户使用的频段进行通信。
频谱感知是实现认知无线电技术的第一步，由于不能对主用户的通信造 成影响，同时又必须达到有效利用频谱空洞的目的，这就要求认知无线电用 户必须能够精确地感知主用户在各频段上的使用情况。目前常用的频谱感知 技术主要包括能量检测技术、匹配滤波检测技术和循环平稳特性检测技术。
能量检测技术具有对主用户信号需要先验信息最少以及简单实用的特 点，主要包含以下几个歩骤：
(1) 将接收信号通过带通滤波器，获得所要检测的目标频段的信号。
(2) 将目标频段信号通过平方率器件，获得该信号功率估计。
(3) 在某个固定的周期内对该信号的功率估计积分，得到目标频段内的 信号能量。
(4) 将得到的信号能量值与某一门限进行比较，高于该门限则表示当前 该频段正在被主用户使用，低于该门限则表示当前该频段没有被主用户使
用o
考虑到单个认知无线电用户使用能量检测技术进行频谱感知的准确度较 低，以及提升单个用户感知准确度的成本太高等问题，有人提出了合作频谱 感知的方法。图1为认知无线电系统合作频谱感知示意图。参与合作的认知无线电用户将对目标频段的主用户信号进行感知，将各自的本地感知结果发 送到认知无线电系统的控制中心，控制中心采用一定的融合算法处理收到的 本地感知结果，得到最终的判决结果。
目前提出的一些融合算法主要有似然比融合算法和线性融合算法，前者 检测性能好，但是实现复杂度高，很难用于实际的认知无线电系统，后者虽 然在性能上稍差于前者，但是实现相对简单。常见的线性融合算法有最大比 融合，等增益融合以及最优线性融合。不过，最大比融合算法和最优线性融 合算法都需要对无线感知信道特性进行实时估计，由于无线信道易受环境影 响，所以在实际中对信道特性进行实时估计需要的计算量较大，难以实用；
等增益融合算法虽然不需要对无线信道进行估计，但是这种方法没有考虑到 各个用户感知环境的差异性，例如各用户的感知信道特性不同，各用户的本 地接收信噪比不同等等。另一方面，常见的线性融合算法也没有考虑恶意认 知无线电用户对合作感知性能的影响。恶意认知无线电用户可以通过向控制 中心发送错误的本地感知结果来干扰正常的合作感知过程，导致系统产生错 误的判决。在恶意认知无线电用户的干扰下，这三种算法的性能都会下降， 随着恶意认知无线电用户所占比重的增加，这种影响会更加明显，也就失去 了合作的意义。 发明内容
本发明针对认知无线电系统中现有合作频谱感知方法一些问题，包括基 于最大比融合算法和最优线性融合算法的合作感知方法在实际中无法准确地 估计无线感知信道实时特性，基于等增益融合算法的合作感知方法没有充分 考虑用户感知环境的差异性，以及现有合作频谱感知方法不能够有效抵抗恶 意用户攻击等，提出一种基于用户可信度的线性融合合作感知方法。
本发明方法不需要对无线信道特性进行实时地估计，充分考虑了认知无 线电用户感知环境的多样性，而且能够有效地抵抗恶意认知无线电用户在合 作感知过程中的攻击，减轻恶意节点对系统感知性能的影响。
本发明采用传统的二元假设检验模型，M表示当前所检测的目标频段没 有被主用户使用的假设，a表示当前所检测的目标频段正在被主用户使用的 假设。对目标频段进行检测，实质上就是在M假设和a假设之间做出判决。 具体的方法是用检测结果与该二元假设检验模型判决门限进行比较，得到判
决结果。本发明采用基于Neyman-Pearson理论的最佳检测方法，即在给定 虚警概率的情况下，最大化检测概率。虚警概率为在"假设下判决结果为当 前所检测的目标频段正在被主用户使用的概率。检测概率为在^假设下判决 结果为当前所检测的目标频段正在被主用户使用的概率。由给定的虚警概率 可以计算得到所述二元假设检验模型的判决门限。
本发明在控制中心使用线性加权融合算法，即用所收到的每个认知无线 电用户的感知结果乘以该用户对应的权重系数，再把相乘结果进行累加，并 将该累加结果与系统的判决门限进行比较得到最终判决结果。相比最大比融
4合算法和等增益融合算法而言，该加权融合算法充分利用了各个用户感知环 境的多样性。在所提出的加权融合算法中所使用的权重系数由认知无线电用 户的可信度归一化后得到，而可信度则是控制中心根据该认知无线电用户在 每次合作感知过程中的表现统计得到的，利用可信度产生权重系数进行加权 融合的方法可以减小恶意认知无线电用户在合作感知过程中发动攻击对系统 感知性能产生的影响。
本发明方法的步骤是：
1. 每个参与合作的认知无线电用户对主用户信号进行能量检测； 每个参与合作的认知无线电用户采用现有的能量检测技术（背景技术中
所述的能量检测技术)对目标频段内的主用户信号能量进行检测。
2. 将每个参与合作的认知无线电用户的能量检测感知结果或量化的能量 检测感知结果作为本地感知结果通过认知无线电系统的控制信道发送到控制 中心。传输方法采用现有通信数据传输方法。
3. 认知无线电系统的控制中心收到所有参与合作的认知无线电用户的本 地感知结果之后，从用户可信度数据库中读取每个参与合作的认知无线电用 户的可信度。，并且对其进行归一化处理，得到每个用户在本次合作感知中
的权重系数w,.， w,=^， I为参与合作的认知无线电用户的总数。
• s。
4. 将接收到的本地感知结果K与对应用户的权重^系数相乘，再累加，
K = |^y,，将累加结果r和与系统的判决门限比较：如果该结果大于等于判决
门限，则系统判决结果为目标频段当前正在被主用户使用；如果该结果小于
判决门限，则系统判决结果为目标频段当前没有被主用户使用。计算系统的
判决门限的方法采用现有方法（背景技术中所述的"......由给定的虚警概率
可以计算得到所述二元假设检验模型的判决门限"）。
5. 认知无线电系统的控制中心对用户可信度数据库中参与合作的认知无
线电用户的可信度。进行更新，具体方法是：
将控制中心收到的每个用户的本地感知结果y,与该用户进行单用户感知
时的判决门限作比较：如果本地感知结果y,大于等于判决门限，则该单用户
的判决结果为目标频段当前正在被主用户使用；如果本地感知结果y,小于判 决门限，则该单用户的判决结果为目标频段当前没有被主用户使用；
如果单用户的判决结果与本次合作感知的系统判决结果一致-，则根据认 知无线电系统的要求提高该用户的可信度；如果不一致，则根据认知无线电 系统的要求降低该用户的可信度。
单用户感知时的判决门限的方法采用现有方法（背景技术中所述的"… …由给定的虚警概率可以计算得到所述二元假设检验模型的判决门限"）。
本发明提供的认知无线电中合作感知方法利用了能量检测对主用户信号需要先验信息最少的优点，同时具有线性合作感知算法的简单性和实用性， 充分考虑了各个用户感知环境的多样性；采用基于用户可信度的融合算法，
克服了最大比融合，等增益融合以及最优线性融合等算法不能有效抵抗恶意 节点攻击的缺点，减轻了恶意节点对整个认知无线电系统感知性能的影响。 附图说明
图1认知无线电系统合作频谱感知示意图； 图2本发明合作感知系统框图；
图3本发明中认知无线电系统控制中心的工作流程图。 具体实施方式
如图1，在本认知无线电系统中有f个参与合作感知的认知无线电用 户，它们对目标频段内主用户发射机的信号进行感知，将各自的本地感知结 果发送到该认知无线电系统中的控制中心；控制中心采用一定的融合算法处 理收到的本地感知结果，判断所检测的目标频段当前是否被主用户使用。
如图2，合作频谱感知过程包含以下几个步骤：
(1) 认知无线电用户J (户1，2，…》对目标频段进行能量检测，对收到的 信号力")进行处理后得到该信号的能量值几。
(2) 认知无线电用户J'将能量值F/作为本地感知结果，通过控制信道发 送到认知无线电系统的控制中心。由于1S在经过控制信道时，叠加了控制信 道的噪声A，故最终到达控制中心的感知结果为&。
(3) 控制中心根据可信度数据库中每个用户的可信度。计算出该用户在本
次合作感知中相应的权重系数w,。
(4) 控制中心将收到的参与合作的认知无线电用户的本地感知结果《与 对应的权重系数w,.进行加权相加，将该加权相加结果与系统判决门限比较，
得到系统判决结果。
如图3，在合作频谱感知过程中，控制中心的工作包含以下几个步骤：
(1) 接收各个参与合作的认知无线电用户发送的本地感知结果。
(2) 从用户可信度数据库中获取各个用户的可信度，将每个用户的可信 度归一化处理后得到该用户在本次合作感知中的权重系数。
(3) 用每个用户的权重系数乘以所收到的该用户的本地感知结果，然后 进行累加，并将累加和与系统判决门限比较。如果大于该系统判决门限，则 判决结果为目标频段当前正在被主用户使用；如果小于该系统判决门限，则 判决结果为目标频段当前没有被主用户使用。
(4) 将收到的每个用户发送的本地感知结果与该用户进行单用户频谱感
知时的门限作比较，得到该用户进行单用户频谱感知时的判决结果。
(5) 将第(4)步中得到的每个用户的单用户判决结果与本次合作感知的系 统判决结果作比较，如果一致，则根据认知无线电系统的要求提高该用户的 可信度；如果不一致，则根据认知无线电系统的要求降低该用户的可信度。
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