[发明专利]一种基于能量有效性分析的量化协作频谱感知方法

权利要求书

1.一种基于能量有效性分析的量化协作频谱感知方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、数据采集：传感器节点周期性的进行频谱感知、信息上报以及数据传输，并在频谱感知阶段对监测的目标频段进行数据采集；

步骤2、能量检测：建立二元假设模型，建立基于能量的测量统计量；

步骤3、量化处理：传感器节点利用均匀量化器对测量统计量进行量化处理，并将量化测量统计量发送至汇聚节点；

步骤4、量化信息融合判决：汇聚节点接收到所有传感器节点发送的量化测量统计量后，建立最终判决统计量，并建立融合判决准则；

步骤5、能耗分析：结合融合判决结果，分析频谱监测传感网在一个周期性帧内的平均能耗情况；

步骤6、数据传输：当频谱监测传感网的目标频段为空闲时，计算传感器节点利用该频段传输数据的吞吐量；

步骤7、能量有效性分析：构建能量有效性度量，并建立关于能量有效性的优化模型，求解模型的最优参数，频谱监测传感网在最优参数上进行数据传输；

步骤1所述的数据采集，具体如下：

设定频谱监测传感网中包含了N个传感器节点和一个汇聚节点，传感器节点周期性的进行频谱感知、信息上报以及数据传输：

频谱感知阶段，传感器节点对所监测目标频段信号进行数据采集，并对采集的数据进行分析，得出其频谱占用状况或对应的信号参数，并根据实际需求在传输阶段将相应的监测信息传递给汇聚节点；

信息上报阶段，传感器节点将所监测目标频段的被占用情况传递给汇聚节点，汇聚节点融合所有传感器的感知结果做出最终判决，并为传感器节点选择可用频谱资源进行数据的传递；

数据传输阶段，传感器节点根据汇聚节点的指令传递频谱感知阶段采集分析后的信号特征参数；

将一个周期的帧长T分为频谱感知时间T_s、信息上报时间T_r、融合判决以及数据传输时间T_d，T_d＝T-T_s-T_r；设定频谱监测传感网监测的目标频段被占用和空闲的概率分别为π₁和π₀，每个传感器节点的采样频率为f_s，则每个传感器节点信号采样长度为L＝f_s×T_s；设定D为传感器上报阶段的数据速率，B为传感器节点数据上报阶段的量化比特数，则数据传输时间T_d为

步骤2所述的能量检测，具体如下：

设定第i个传感器节点采样的第k个样点为y_i(k)，i＝1,2,…,N，基于能量检测器的测量统计量当L充分大时，根据中心极限定理，S_i服从下列高斯分布函数：

其中，H₀和H₁分别为传感器节点监测的目标频段空闲和被占用的假设检验，用符号H_θ,θ∈{0,1}表示；L为传感器节点信号采样长度；和分别为第i个传感器节点的信道噪声方差和接收到目标频段发射信号的信号方差，设定信道噪声为加性高斯白噪声，均值为0；

高斯分布的定义为：

若连续随机变量X的概率密度f(x)为：

其中μ，σ(σ0)为常数；

则X服从参数为μ，σ的高斯分布，记为X～N(μ，σ²)；

因此，S_i关于H_θ的条件概率密度分布函数为f_i(x/H_θ),θ∈{0,1}，为高斯分布函数；

步骤3所述的量化处理，具体如下：

步骤3.1、设定传感器节点均采用均匀量化器，Δ为量化间隔，和分别为第i个传感器节点的量化电平和量化门限，其中M＝2^B，ε_i,j＝jΔ，L_i,j＝j,j∈{1,2,…,M}，测量统计量的量化过程为：

如果ε_i,k-1≤S_i≤ε_i,k,k∈{1,2,…,M}，则

其中，为测量统计量S_i的量化值；

步骤3.2、每个传感器节点直接发送B比特量化测量统计量到汇聚节点；

步骤4所述的量化信息融合判决，具体如下：

汇聚节点接收到N个传感器节点发送的所有量化测量统计量后，建立最终判决统计量并建立融合判决准则：

其中，λ^q为检测门限；对于H₀和H₁，设定第i个传感器节点的量化测量统计量取值为k的概率为θ∈{0,1}，则

在H_θ条件下的均值μ_i,θ和方差为：

由于各传感器节点相互独立，所以在H_θ条件下的均值μ_θ和方差分别为：

根据Lyapunov定理，当传感器节点数足够多时，近似服从均值为μ_θ和方差为的高斯分布，且汇聚节点的检测概率和虚警概率分别为：

步骤5所述的能耗分析，具体如下：

设定e_s和e_t分别为传感器节点在频谱感知和数据传输阶段所消耗的能量，单位为瓦；e_r为传感器节点上报1比特信息所消耗的能量，单位为瓦；设定有n个传感器节点参与频谱感知和信息上报，1≤n≤N，则n个传感器节点在频谱感知和信息上报阶段所消耗的总能量E_sr为：

E_sr＝n×e_s+n×B×e_r

当汇聚节点确定监测的目标频段空闲时，通知传感器节点传输数据，由于汇聚中心存在虚警概率和漏检概率，因此，传感器节点在数据传输阶段消耗的平均能量E_dt为：

步骤6所述的数据传输，具体如下：

传感器节点在数据传输阶段的吞吐量R为：

其中，C₀＝log₂(1+R_sn)，R_sn为传感器节点的发送信号功率和噪声功率之比；

步骤7所述的能量有效性分析，具体如下：

能量有效性度量η(λ^q,B,n)为：

对于频谱监测传感网，目标是消耗尽量少的能量使得网络吞吐量达到最大，因此建立优化模型：

s.t.

其中，为目标频段监测概率，限制条件表示频谱感知和信息上报的时间之和不能超过一个周期总时间，量化比特数B的最大值其中是向下取整函数；

给定n和B，选择确定最优检测门限对于离散变量n和B的可行解空间，采用二维线性搜索的方法获取，共有N×B_max组局部最优解使得吞吐量R达到局部最优，从中选择使得吞吐量R达到最大的一组最优值(n^*,B^*,(λ^q)^*)，从而在设定段时间内，频谱监测传感网在最优参数上进行数据传输。