一种认知无线电中用于求解感知时隙长度的近似方法

摘要

本发明公开了一种认知无线电中用于求解感知时隙长度的近似方法，而认知无线电网络的频谱感知通常安排在数据帧内的感知时隙进行，随后的时隙用于传送数据。设置多少长度的帧内静默期，即感知时隙，以求达到最大的数据吞吐率，是一个非线性优化问题，一般使用二分法、黄金分割法或其他数值方法求解，所需的计算量很大，不便于实际应用。本发明提出一种复杂度更小的近似方法，能显著减少运算量。

权利要求

1.一种认知无线电中用于求解感知时隙长度的近似方法，其特征在于：其精简的利于快速执行的分段计算方法包括以下步骤：

1)次用户设置采样频率fs、数据帧宽度T和最低检测概率 门限；

2在次用户的每一数据帧开始的第一时隙，通过采样和能量检测对主用户信号进行感知，同时得到此时主用户在次用户当地的信噪比γ，作为下一帧感知时长调整的依据；

3)根据信噪比的大小，选择不同的方法计算最优感知时隙长度，如下：当

当

当

当

当

其中，

a ＝ ψ， c ＝ -Tψ ；

Δ Γ ＝ 6 ；

-1

Q(·)为Q函数；表示为 Q (·)为Q函数的反函数；w0(·)为LambertW函数的主分支。

2.根据权利要求1所述的认知无线电中用于求解感知时隙长度的近似方法，其特征在于：所述采样频率设置为授权用户信号带宽的整数倍。

3.根据权利要求1所述的认知无线电中用于求解感知时隙长度的近似方法，其特征在于：当信噪比较高时，即 时，该近似方法的形式是基于LambertW函数，而LambertW函数可以通过Fritsch迭代法只需极少量的迭代即可快速得到其较高精度数值解。

4.根据权利要求1所述的认知无线电中用于求解感知时隙长度的近似方法，其特征在于：当信噪比较低时，即 时，该近似方法的形式是基于二次方程求根公式，不需迭代能直接快速得到其高精度数值解。

5.根据权利要求1所述的认知无线电中用于求解感知时隙长度的近似方法，其特征在于：当信噪比中等时，即 时，直接代入线性函数，不需迭代能直接快速得到其高精度数值解。

说明书

一种认知无线电中用于求解感知时隙长度的近似方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线电领域，特别是一种认知无线电中用于求解感知时隙长度的近似方法。

背景技术

[0002] 目前的频谱资源分配体制将频谱资源授权并固定分配给专门用户，导致频谱资源的利用率严重低下。认知无线电使得非授权用户(也称认知用户或次用户)可以在不干扰授权用户(也称主用户)工作的基础上寻找授权用户未使用的空闲频谱资源并动态接入，从而显著提高频谱利用率。

[0003] 认知无线电可以使用能量检测法进行频谱感知以确定接入策略。认知无线电网络(CRN,Cognitive Radio Network)使用数据帧开始的一段时隙τ进行频谱感知，并利用数据帧的剩余时隙用于数据传输。对于固定长度的数据帧，从感知角度来说，增加τ可以提高能量检测法的感知准确度，减少虚警概率，提高数据吞吐率；从传输角度来说，增加τ会导致分配给数据传送的时隙减小，从而降低数据吞吐率。因此在实际应用中，需要对感知时隙τ进行优化设计以得到最大的数据吞吐率，提高传输效率。

发明内容

[0004] 发明目的：本发明的目的在于解决现有的感知时隙τ求解方式复杂、求解速度慢的问题。

[0005] 技术方案：本发明提供以下技术方案：一种认知无线电中用于求解感知时隙长度的近似方法，其精简的利于快速执行的分段计算方法包括以下步骤：

[0006] 1)次用户设置采样频率fs、数据帧宽度T和最低检测概率 门限；

[0007] 2)考虑到信道时变的相关性，利用上一次感知得到的能量检测结果，作为本次主用户在次用户当地的信噪比γ的估计(近似)值；

[0008] 3)根据信噪比的大小，选择不同的方法计算最优感知时隙长度，如下：

[0009] 当

[0010] 当

[0011] 当

[0012] 当

[0013] 当

[0014] 其 中， a＝ ψ， c ＝ -Tψ；
ΔΓ＝6；
-1
Q(·)为Q函数；表示为 Q (·)为Q函数的反函数；w0(·)为LambertW
函数的主分支。

[0015] 作为优化，所述采样频率设置为授权用户信号带宽的整数倍。

[0016] 作为优化，当信噪比较高时，即 时，该近似方法的形式是基于LambertW函数，而LambertW函数可以通过Fritsch迭代法仅需极少量的迭代次数即可快速得到其较高精度的数值解。

[0017] 作为优化，当信噪比较低时，即 时，该近似方法的形式是基于二次方程求根公式，不需迭代能直接快速得到其高精度数值解。

[0018] 作为优化，当信噪比中等时，即 时，不需迭代直接代入线性代数公式即可直接快速得到其高精度数值解。

[0019] 有益效果：本发明与现有技术相比：在满足运算精度要求的前提下，显著减少了运算量，且算法的迭代次数稳定，便于在多点感知融合中使用。

附图说明

[0020] 图1为本申请的数据帧结构示意图；

[0021] 图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

[0022] 实施例

[0023] 1、问题的提出

[0024] 基于能量检测法的认知无线电频谱感知中，认知用户对授权用户的频谱检测虚警概率Pf为：

[0025]

[0026] 其中Q(·)为Q函数，Q-1(·)为其反函数， 为频谱感知检测准确度下限，fs为采样频率，γ为授权用户的信噪比，τ为感知时间。单帧的吞吐率为：

[0027]

[0028] 其中C0为授权用户释放频谱时认知用户的信道容量，H0为授权用户停止通信的概率。单帧的归一化吞吐率为：

[0029]

[0030] 方案目标是在得到γ后，快速求解得到最优值τ0使B(τ，γ)达到最大。这是一个非线性优化问题，采用常规方法需多次迭代，复杂度较高。

[0031] 2、问题的解决思路

[0032] 在Pf＜0.5时B(τ,γ)关于τ是凸函数。因此，令B(τ,γ)对τ的偏导数为0即可得到τ0：

[0033]

[0034] 其中，

[0035] 利用Q函数近似式 对式(5)进行变换：

[0036] 1.γ较高时，可以得到：

[0037]

[0038] 其中， 其闭合解为

[0039]

[0040] 可得到感知时长的最优解如下。

[0041] 当

[0042] 其中W0(·)为Lambert W函数的主分支，可利用Fritsch迭代法快速得到较精确的值0。

[0043] 其中Γ＝10log10γ， ΔΓ＝6。 ΔΓ和Γ的单位均为dB。

[0044] 2.γ较低时，可以得到：

[0045] at2+bt+c＝0 (8)

[0046] 其中， a＝ψ， c＝-Tψ。可以解得

[0047]

[0048] 其中，

[0049] 3.γ处于中等值时，可以得到：

[0050] 通过拟合可以得到最优感知时隙长度公式为

[0051] 当

[0052] 当

[0053] 当

[0054] 其 中，

[0055] 3、问题的解决方法

[0056] 基于上述简化运算的思想，本发明的解决问题的方法采用如附图2所示，并得到如下计算步骤：

[0057] 1)次用户设置采样频率fs数据帧宽度T和最低检测概率 门限；

[0058] 2)考虑到信道时变的相关性，利用上一次感知得到的能量检测结果，作为本次主用户在次用户当地的信噪比γ的估计(近似)值；

[0059] 3)根据信噪比的大小，选择不同的方法计算最优感知时隙长度，如下：

[0060] 当

[0061] 当

[0062] 当

[0063] 当

[0064] 当

[0065] 其中，

[0066] a ＝ ψ， C ＝ -Tψ ；Δ Γ ＝ 6 ；
Q(·)为Q函数；表示为 Q-1(·)为Q
函数的反函数；w0(·)为LambertW函数的主分支。LambertW函数定义为满足如下关系的一个函数:x＝W(x)exp(W(x)),其为多值函数，包含无穷多个分支，记为Wk(x),k为整数，其在实数域内有两支，即k＝-1和k＝0。其中，W0(x)称为主分支，满足在x>-1/e时，W0(x)>-1。