一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其用能量检测法估计授权用户占用授权频段的状态在相邻感知帧之间变化与不变化的概率，根据虚警概率的理论值和这两个概率设置满足目标虚警概率约束的高门限和低门限；然后进行频谱检测，若当前的感知帧的能量统计值大于高门限，判定授权用户在当前的感知帧内占用授权频段，否则，根据高门限和低门限，利用当前的感知帧和历史感知帧的能量统计值对授权用户占用授权频段的状态进行二次判定；优点是既能满足目标虚警概率的约束，又能得到较高的检测概率，有效提高了频谱检测性能，同时实现复杂度低，检测实时性较好，占用的系统带宽也小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种认知无线电系统中的频谱检测技术，尤其是涉及一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法。
技术介绍
随着无线通信技术的迅速发展，人们对频谱的需求量越来越大。目前大多数国家和地区使用的仍然是静态的频谱分配方式，即将特定的频段划分给特定的用户使用，不允许其他用户使用，因此无线通信系统的频谱利用率不高。为此，有人提出了认知无线电(CognitiveRadio，CR)技术，在不过分干扰授权用户通信的前提下，认知用户通过使用空闲频段来提高无线通信系统的频谱利用效率。作为认知无线电系统中的关键技术，频谱检测技术一直是研究热点。频谱检测性能的好坏既反映了认知用户能否及时的发现和利用空闲频段，且反映了认知用户是否会对授权用户产生干扰，因此频谱检测技术在认知无线电领域具有非常重要的意义。常见的单用户频谱感知方法有能量检测(EnergyDetection，ED)法、匹配滤波器法和循环平稳特征检测法等。其中，能量检测法具有操作简单、复杂度低且不需要授权用户信号的先验信息等优点，应用方便，但是由于能量检测法对噪声不确定性敏感，且它只根据认知用户的采样信号能量统计值来判决授权用户是否在使用授权频段，因此当认知用户的采样信号的信噪比(SignaltoNoiseRatio，SNR)较低时，它的检测性能会明显下降。业内人员均知晓认知用户的感知帧的时长远小于授权用户对授权频段的平均占用时长或平均不占用时长，所以授权用户在某一个感知帧的状态与在前一个感知帧的状态相同的概率很大，即在认知用户的相邻感知帧间授权用户的状态具有相关性。因此，可以利用在相邻感知帧间授权用户的状态的相关性来提高频谱感知的性能。鉴于此，有研究人员提出了一种改进的能量检测(ImprovedEnergyDetection，IED)法，当某一个感知帧的采样信号能量统计值低于门限值时，再利用历史感知帧的采样信号能量统计值的均值通过单一门限进行二次判定，得到最终的判决结果。改进的能量检测法虽然只需额外知道前几个感知帧的采样信号能量统计值，计算复杂度低，但是，其在二次判定时仅使用一个门限值，一方面当授权用户突然不再占用授权频段时，认知用户的感知帧的采样信号能量统计值将随之骤减，而前几个感知帧的采样信号能量统计值相对较大，这样当前的感知帧与前几个感知帧的采样信号的能量统计值的均值可能会高于门限值而发生误判；另一方面，当授权用户不占用授权频段但能量统计值骤增而大于门限值时，会导致后面一感知帧的能量统计值与其前几个感知帧的采样信号的能量统计值的均值高于门限值而发生误判，因此改进的能量检测法容易导致虚警概率过高，致使频谱感知性能降低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其在确保具有较高的检测概率、较低的实现复杂度、较好的检测实时性，且占用的系统带宽小的前提下，能够很好的满足目标虚警概率的约束，从而能够有效地提高频谱感知性能。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其特征在于包括以下步骤：①在认知无线电系统中，认知用户在每个感知帧的感知时隙的每个采样时刻对其接收到的信号进行采样，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻采样的信号记为xk(n)，其中，k的初始值为1，1≤k≤K，K表示认知用户的感知帧的总个数，K≥1，n的初始值为1，1≤n≤N，N表示认知用户的每个感知帧的感知时隙的采样点数，N≥250，wk(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道中产生的高斯白噪声，hk(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道的增益，sk(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时授权用户发出的信号，dk表示在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，dk＝0代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，dk＝1代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段；②在认知用户的每个感知帧内对授权用户占用授权频段的状态进行检测，具体过程为：②_1、计算认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值记为Uk，其中，符号“||”为取模符号；②_2、根据认知用户的每个感知帧的时间及认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值判定在认知用户的每个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，对于在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态dk，其判定过程为：②_2a、当k<M时，采用能量检测法进行判定：若Uk≥λED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令dk＝1；若Uk<λED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令dk＝0；当k≥M时，执行步骤②_2b；其中，M表示判定授权用户占用授权频段的状态时所使用的感知帧的总个数，1≤M＜＜K，λED表示设定的判决门限；②_2b、计算认知用户在第k个感知帧和前M-1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值的平均值，记为其中，Uk-M+1表示认知用户在第k-M+1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，Uk-M+2表示认知用户在第k-M+2个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号能量统计值，Uk-1表示认知用户在第k-1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值；然后当Uk≥λH时，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令dk＝1；当Uk<λH时，采用双门限进行二次判定：如果λL≤Uk<λH且且Uk-1≥λH，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令dk＝1，否则，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令dk＝0；其中，λL表示设定的低门限，λH表示设定的高门限，λL<λH。所述的步骤①中wk(n)服从均值为0且方差为的高斯分布。所述的步骤②_2a中取其中，Pf_target表示设定的目标虚警概率，Q-1(Pf_target)表示Q(Pf_target)的反函数，Q()表示标准正态分布概率密度的尾部面积函数。所述的步骤②_2b中λL和λH的具体获取过程为：令Pf表示认知无线电系统的虚警概率的理论值，令Pf_target表示设定的目标虚警概率；如果认知无线电系统对虚警概率的要求不严格，即Pf近似与Pf_target相等即可，则采用保守门限的设置方式，得到其中，Q-1(Pf_target)表示Q(Pf_target)的反函数，Q()表示标准正态分布概率密度的尾部面积函数，q表示调整因子，1<q≤40，Q-1(q×Pf_target)表示Q(q×Pf_target)的反函数；如果认知无线电系统对虚警概率的要求严格即要求Pf≤Pf_target，则采用激进门限的设置方式，得到其中，Q-1(Pf,H)表示Q(Pf,H)的反函数，Q-1(q×Pf,H)表示Q(q×Pf,H)的反函数，Pf,H为引入的中间变量，表示在认知用户的相邻两个感知帧的前一个感知帧内授权用户不占用授权频段且在后一个感知帧内授权用户本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其特征在于包括以下步骤：①在认知无线电系统中，认知用户在每个感知帧的感知时隙的每个采样时刻对其接收到的信号进行采样，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻采样的信号记为xk(n)，其中，k的初始值为1，1≤k≤K，K表示认知用户的感知帧的总个数，K≥1，n的初始值为1，1≤n≤N，N表示认知用户的每个感知帧的感知时隙的采样点数，N≥250，wk(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道中产生的高斯白噪声，hk(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道的增益，sk(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时授权用户发出的信号，dk表示在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，dk＝0代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，dk＝1代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段；②在认知用户的每个感知帧内对授权用户占用授权频段的状态进行检测，具体过程为：②_1、计算认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值记为Uk，其中，符号“| |”为取模符号；②_2、根据认知用户的每个感知帧的时间及认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值判定在认知用户的每个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，对于在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态dk，其判定过程为：②_2a、当k<M时，采用能量检测法进行判定：若Uk≥λED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令dk＝1；若Uk<λED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令dk＝0；当k≥M时，执行步骤②_2b；其中，M表示判定授权用户占用授权频段的状态时所使用的感知帧的总个数，1≤M＜＜K，λED表示设定的判决门限；②_2b、计算认知用户在第k个感知帧和前M‑1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值的平均值，记为其中，Uk‑M+1表示认知用户在第k‑M+1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，Uk‑M+2表示认知用户在第k‑M+2个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号能量统计值，Uk‑1表示认知用户在第k‑1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值；然后当Uk≥λH时，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令dk＝1；当Uk<λH时，采用双门限进行二次判定：如果λL≤Uk<λH且且Uk‑1≥λH，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令dk＝1，否则，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令dk＝0；其中，λL表示设定的低门限，λH表示设定的高门限，λL<λH。...

【技术特征摘要】
1.一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其特征在于包括以下步骤：①在认知无线电系统中，认知用户在每个感知帧的感知时隙的每个采样时刻对其接收到的信号进行采样，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻采样的信号记为xk(n)，其中，k的初始值为1，1≤k≤K，K表示认知用户的感知帧的总个数，K≥1，n的初始值为1，1≤n≤N，N表示认知用户的每个感知帧的感知时隙的采样点数，N≥250，wk(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道中产生的高斯白噪声，hk(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时无线信道的增益，sk(n)表示认知用户在第k个感知帧的感知时隙的第n个采样时刻时授权用户发出的信号，dk表示在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，dk＝0代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，dk＝1代表在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段；②在认知用户的每个感知帧内对授权用户占用授权频段的状态进行检测，具体过程为：②_1、计算认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，将认知用户在第k个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值记为Uk，其中，符号“||”为取模符号；②_2、根据认知用户的每个感知帧的时间及认知用户在每个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值判定在认知用户的每个感知帧内授权用户占用授权频段的状态，对于在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段的状态dk，其判定过程为：②_2a、当k<M时，采用能量检测法进行判定：若Uk≥λED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令dk＝1；若Uk<λED，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令dk＝0；当k≥M时，执行步骤②_2b；其中，M表示判定授权用户占用授权频段的状态时所使用的感知帧的总个数，1≤M＜＜K，λED表示设定的判决门限；②_2b、计算认知用户在第k个感知帧和前M-1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值的平均值，记为其中，Uk-M+1表示认知用户在第k-M+1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值，Uk-M+2表示认知用户在第k-M+2个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号能量统计值，Uk-1表示认知用户在第k-1个感知帧的感知时隙的所有采样时刻采样的信号的能量统计值；然后当Uk≥λH时，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令dk＝1；当Uk<λH时，采用双门限进行二次判定：如果λL≤Uk<λH且且Uk-1≥λH，则判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户占用授权频段，令dk＝1，否则，判定在认知用户的第k个感知帧内授权用户不占用授权频段，令dk＝0；其中，λL表示设定的低门限，λH表示设定的高门限，λL<λH。2.根据权利要求1所述的一种基于历史感知信息的双门限能量检测方法，其特征在于所述的步骤①中wk(n...

【专利技术属性】
技术研发人员：付彩梅，李有明，常生明，余明宸，周桂莉，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33