[發(fā)明專利]一種基于能量有效性分析的量化協(xié)作頻譜感知方法

有效

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• 申請日: 2019-04-26
• 公開（公告）號: CN110113759B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳昊;張濤;陳勇;柳永祥
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: H04W16/14
• 分類號: H04W16/14;H04W24/08;H04W24/06;H04B17/382
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

1.一種基于能量有效性分析的量化協(xié)作頻譜感知方法，其特征在于，步驟如下：

步驟1、數(shù)據(jù)采集：傳感器節(jié)點(diǎn)周期性的進(jìn)行頻譜感知、信息上報以及數(shù)據(jù)傳輸，并在頻譜感知階段對監(jiān)測的目標(biāo)頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

步驟2、能量檢測：建立二元假設(shè)模型，建立基于能量的測量統(tǒng)計量；

步驟3、量化處理：傳感器節(jié)點(diǎn)利用均勻量化器對測量統(tǒng)計量進(jìn)行量化處理，并將量化測量統(tǒng)計量發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)；

步驟4、量化信息融合判決：匯聚節(jié)點(diǎn)接收到所有傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的量化測量統(tǒng)計量后，建立最終判決統(tǒng)計量，并建立融合判決準(zhǔn)則；

步驟5、能耗分析：結(jié)合融合判決結(jié)果，分析頻譜監(jiān)測傳感網(wǎng)在一個周期性幀內(nèi)的平均能耗情況；

步驟6、數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)頻譜監(jiān)測傳感網(wǎng)的目標(biāo)頻段為空閑時，計算傳感器節(jié)點(diǎn)利用該頻段傳輸數(shù)據(jù)的吞吐量；

步驟7、能量有效性分析：構(gòu)建能量有效性度量，并建立關(guān)于能量有效性的優(yōu)化模型，求解模型的最優(yōu)參數(shù)，頻譜監(jiān)測傳感網(wǎng)在最優(yōu)參數(shù)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

步驟1所述的數(shù)據(jù)采集，具體如下：

設(shè)定頻譜監(jiān)測傳感網(wǎng)中包含了N個傳感器節(jié)點(diǎn)和一個匯聚節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)周期性的進(jìn)行頻譜感知、信息上報以及數(shù)據(jù)傳輸：

頻譜感知階段，傳感器節(jié)點(diǎn)對所監(jiān)測目標(biāo)頻段信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出其頻譜占用狀況或?qū)?yīng)的信號參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際需求在傳輸階段將相應(yīng)的監(jiān)測信息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)；

信息上報階段，傳感器節(jié)點(diǎn)將所監(jiān)測目標(biāo)頻段的被占用情況傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)融合所有傳感器的感知結(jié)果做出最終判決，并為傳感器節(jié)點(diǎn)選擇可用頻譜資源進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞；

數(shù)據(jù)傳輸階段，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的指令傳遞頻譜感知階段采集分析后的信號特征參數(shù)；

將一個周期的幀長T分為頻譜感知時間T_s、信息上報時間T_r、融合判決以及數(shù)據(jù)傳輸時間T_d，T_d＝T-T_s-T_r；設(shè)定頻譜監(jiān)測傳感網(wǎng)監(jiān)測的目標(biāo)頻段被占用和空閑的概率分別為π₁和π₀，每個傳感器節(jié)點(diǎn)的采樣頻率為f_s，則每個傳感器節(jié)點(diǎn)信號采樣長度為L＝f_s×T_s；設(shè)定D為傳感器上報階段的數(shù)據(jù)速率，B為傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上報階段的量化比特數(shù)，則數(shù)據(jù)傳輸時間T_d為

步驟2所述的能量檢測，具體如下：

設(shè)定第i個傳感器節(jié)點(diǎn)采樣的第k個樣點(diǎn)為y_i(k)，i＝1,2,…,N，基于能量檢測器的測量統(tǒng)計量當(dāng)L充分大時，根據(jù)中心極限定理，S_i服從下列高斯分布函數(shù)：

其中，H₀和H₁分別為傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的目標(biāo)頻段空閑和被占用的假設(shè)檢驗(yàn)，用符號H_θ,θ∈{0,1}表示；L為傳感器節(jié)點(diǎn)信號采樣長度；和分別為第i個傳感器節(jié)點(diǎn)的信道噪聲方差和接收到目標(biāo)頻段發(fā)射信號的信號方差，設(shè)定信道噪聲為加性高斯白噪聲，均值為0；

高斯分布的定義為：

若連續(xù)隨機(jī)變量X的概率密度f(x)為：

其中μ，σ(σ0)為常數(shù)；

則X服從參數(shù)為μ，σ的高斯分布，記為X～N(μ，σ²)；

因此，S_i關(guān)于H_θ的條件概率密度分布函數(shù)為f_i(x/H_θ),θ∈{0,1}，為高斯分布函數(shù)；

步驟3所述的量化處理，具體如下：

步驟3.1、設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)均采用均勻量化器，Δ為量化間隔，和分別為第i個傳感器節(jié)點(diǎn)的量化電平和量化門限，其中M＝2^B，ε_i,j＝j(luò)Δ，L_i,j＝j(luò),j∈{1,2,…,M}，測量統(tǒng)計量的量化過程為：

如果ε_i,k-1≤S_i≤ε_i,k,k∈{1,2,…,M}，則

其中，為測量統(tǒng)計量S_i的量化值；

步驟3.2、每個傳感器節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送B比特量化測量統(tǒng)計量到匯聚節(jié)點(diǎn)；

步驟4所述的量化信息融合判決，具體如下：

匯聚節(jié)點(diǎn)接收到N個傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的所有量化測量統(tǒng)計量后，建立最終判決統(tǒng)計量并建立融合判決準(zhǔn)則：

其中，λ^q為檢測門限；對于H₀和H₁，設(shè)定第i個傳感器節(jié)點(diǎn)的量化測量統(tǒng)計量取值為k的概率為θ∈{0,1}，則

在H_θ條件下的均值μ_i,θ和方差為：

由于各傳感器節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立，所以在H_θ條件下的均值μ_θ和方差分別為：

根據(jù)Lyapunov定理，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)足夠多時，近似服從均值為μ_θ和方差為的高斯分布，且匯聚節(jié)點(diǎn)的檢測概率和虛警概率分別為：

步驟5所述的能耗分析，具體如下：

設(shè)定e_s和e_t分別為傳感器節(jié)點(diǎn)在頻譜感知和數(shù)據(jù)傳輸階段所消耗的能量，單位為瓦；e_r為傳感器節(jié)點(diǎn)上報1比特信息所消耗的能量，單位為瓦；設(shè)定有n個傳感器節(jié)點(diǎn)參與頻譜感知和信息上報，1≤n≤N，則n個傳感器節(jié)點(diǎn)在頻譜感知和信息上報階段所消耗的總能量E_sr為：

E_sr＝n×e_s+n×B×e_r

當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)確定監(jiān)測的目標(biāo)頻段空閑時，通知傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，由于匯聚中心存在虛警概率和漏檢概率，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸階段消耗的平均能量E_dt為：

步驟6所述的數(shù)據(jù)傳輸，具體如下：

傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸階段的吞吐量R為：

其中，C₀＝log₂(1+R_sn)，R_sn為傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號功率和噪聲功率之比；

步驟7所述的能量有效性分析，具體如下：

能量有效性度量η(λ^q,B,n)為：

對于頻譜監(jiān)測傳感網(wǎng)，目標(biāo)是消耗盡量少的能量使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到最大，因此建立優(yōu)化模型：

s.t.

其中，為目標(biāo)頻段監(jiān)測概率，限制條件表示頻譜感知和信息上報的時間之和不能超過一個周期總時間，量化比特數(shù)B的最大值其中是向下取整函數(shù)；

給定n和B，選擇確定最優(yōu)檢測門限對于離散變量n和B的可行解空間，采用二維線性搜索的方法獲取，共有N×B_max組局部最優(yōu)解使得吞吐量R達(dá)到局部最優(yōu)，從中選擇使得吞吐量R達(dá)到最大的一組最優(yōu)值(n^*,B^*,(λ^q)^*)，從而在設(shè)定段時間內(nèi)，頻譜監(jiān)測傳感網(wǎng)在最優(yōu)參數(shù)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。