[发明专利]一种基于感知性能的多信道能效频谱感知方法

权利要求书

1.一种基于感知性能的多信道能效频谱感知方法，其步骤为：第一，建立认知无线电频谱感知二元假设模型，假设环境中存在一个主用户(PU)和一个次用户(SU)，且它们共享M个信道，各信道之间的状态是彼此独立的；次用户周期性地对各信道进行感知，若当前信道空闲则利用当前信道进行数据传输，若当前信道忙且有其它空闲信道则切换到最近的空闲信道进行数据传输，若所有信道均感知为忙则在本信道停止等待下一个感知周期；每个周期中感知时间为τ_S，数据传输时间为T；根据信道是否被主用户占用，每个信道存在两个状态，即空闲状态和忙状态，故感知问题可表示为下述二元假设：

式中，H₀表示该信道空闲；H₁表示该信道被主用户占用；w(n)表示独立同分布的零均值加性高斯白噪声，其方差为h(n)表示信道增益；s(n)表示主用户信号；

第二，推导多信道条件下认知无线电用户传输一个数据包所需的感知总能耗与感知时间的关系：根据能量检测相关理论，在某个信道上次用户对主用户的检测概率可表示为：

式中Q(·)为互补累积分布函数，即Q函数，f_s为采样速率，λ为检测门限，γ为次用户接收主用户信号时的信噪比，P_ft为所要求的虚警概率；在某个信道上次用户对主用户检测的虚警概率可表示为：

式中，P_dt为所要求的检测概率；因此，当前信道感知为空闲的概率P_i1表示如下：

P_i1(τ_s)＝(1-ρ)(1-P_f(τ_s))+ρ(1-P_d(τ_s)) (4)

式中ρ是主用户占用信道的概率；其余M-1个信道均感知为忙的概率P_b(M-1)表示如下：

P_b(M-1)(τ_s)＝((1-ρ)P_f(τ_s)+ρP_d(τ_s))^M-1 (5)

所有信道均感知为忙的概率P_b表示如下：

P_b(τ_s)＝(1-P_i1(τ_s))P_b(M-1)(τ_s) (6)

所以，次用户进行数据传输的传输概率P_t可表示为：

P_t＝1-P_b(τ_s) (7)

次用户完成时长为S的数据包的传输所需要的平均时间为T_s＝S/P_t，则完成一个数据包传输需要的感知次数如下：

式中为向上取整运算，T为次用户每个感知周期中用于传输的时间；因此可得传输一个数据包的感知总能耗为：

J(τ_s)＝N(τ_s)τ_sE_s (9)

式中E_s为次用户单位时间的感知能耗；

第三，将所要求的感知性能作为约束条件，计算多信道条件下传输一个数据包所需的最小感知能耗：在满足检测概率和虚警概率要求的前提下，次用户传输一个数据包所需的最小感知能耗可表示为如下的优化问题：

式中J(τ_s)是完成一个数据包传输所需的感知能耗，P_d(τ_s)、P_f(τ_s)分别为感知时间τ_s下的检测概率和虚警概率，P_dt、P_ft分别为所要求的检测概率和虚警概率；根据优化问题的约束条件，当采样频率f_s固定时，求解满足式(10)约束条件的感知时间，将式(2)和式(3)分别代入不等式P_d(τ_s)≥P_dt和P_f(τ_s)≤P_ft，均可得到：

式中γ为次用户接收主用户信号时的信噪比；由于在能量检测中，感知能耗与感知时长成正相关关系，感知时长越短，感知能耗越小；故为使传输一个数据包的感知总能耗最小，在满足约束条件情况下，应取感知时间为式(11)中的最小值：

将式(12)表示的最小感知时间代入式(9)中，得到传输一个数据包所需的最小感知能耗：

因此，次用户根据式(12)给出的感知时间进行感知，将在满足所要求的检测概率和虚警概率前提下，获得最低感知能耗。