一种基于子频带匹配选择的宽带压缩频谱感知方法技术

本发明专利技术公开了一种基于子频带匹配选择的宽带压缩频谱感知方法，其在频谱感知阶段，感知用户通过模拟信息转换器对其接收到的模拟信号进行压缩采样，获得少量压缩采样数据；然后采用迭代方式重构对模拟信号进行奈奎斯特采样获得的信号对应的频域稀疏信号；接着感知用户利用能量检测法对重构得到的频域稀疏信号上的每个子频带的占用状态进行判定；优点是将单个频点匹配选择变为子频带匹配选择，不仅可以确定存在授权用户的子频带，而且能够大大减少算法在频谱重构中的迭代次数，降低频谱重构时间；由于残差的更新采用正则化最小二乘法，因此可以进一步提高频谱重构的准确性和稳健性，从而改善宽带频谱感知性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种认知无线电中的宽带频谱感知方法，尤其是涉及一种基于子频带匹配选择的宽带压缩频谱感知方法。
技术介绍
随着无线通信服务需求的增加，无线电可用频谱资源变得越来越紧缺；然而大部分已经授权的频谱并没有被充分利用，致使频谱利用率低下。基于这种现象，认知无线电(CognitiveRadio，CR)技术应运而生，其主要思想是通过让感知用户(SecondaryUser，SU)机会式接入空闲频段，实现频谱资源的有效利用。频谱感知作为认知无线电技术中的一项关键技术，其主要目的是在不对授权用户(PrimaryUser，PU)通信产生干扰的前提下确定是否存在空闲频段，以便接入利用。在认知无线电宽带网络中，感知用户可以得到更多接入机会，因此宽带频谱感知技术变得尤为重要。由于宽带频谱较宽，往往高达数GHZ，而以奈奎斯特采样的频谱感知方式需要具有高速采样的能力来确保感知准确性，因此这给硬件上实现高速的模拟数字转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)带来了很大的困难；同时，为了满足实时性需求，感知用户必须对整个频带的占用状态信息进行快速感知，这会限制对感知信号的采样数据量，降低宽带频谱感知性能。因而宽带频谱感知技术面临着巨大的技术挑战。压缩感知(CompressedSensing，CS)技术作为一种新的信号采样方式可以实现信号的低速采样，降低信号的采样数据量。压缩感知理论针对稀疏信号，其采样率不再依据信<br>号的带宽，而是取决于信号信息在信号中的结构和内容，并能通过较少的采样数据精确的重构出原信号。由于实际的频谱利用率低下，宽带信号可以看作为频域中的稀疏信号，这就为压缩感知技术应用到宽带频谱感知中提供了前提条件。越来越多的研究把压缩感知理论应用到宽带频谱感知中，并取得了很大的进展。尤其在宽带压缩感知信号重构算法的研究中，多种重构算法被提出，较为代表的重构算法有凸松弛算法中的基追踪(BasisPursuit，BP)算法和贪婪迭代算法中的正交匹配追踪(OrthogonalMatchingPursuit，OMP)算法。这些算法在一定条件下都可以取得很好的重构性能，同时也存在一些缺点，凸松弛算法的计算复杂度较高，消耗时间长，在快速感知整个宽带频谱时尤显不足；贪婪迭代算法在信噪比低的条件下，重构效果较差。在宽带频谱感知中，算法的重构性能会直接影响到频谱感知性能，为了获得更好的宽带频谱感知性能，一些研究根据实际中宽带频谱具有的一些特性作为先验条件来提高频谱感知性能。因此，利用宽带频谱中的哪些特性，如何利用宽带频谱中的特性来降低采样速率和改善宽带频谱感知性能，是宽带频谱感知中需解决的问题。
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子频带匹配选择的宽带压缩频谱感知方法，其能够有效地提高频谱重构的准确度和缩短频谱感知时间，从而增强宽带频谱感知性能。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于子频带匹配选择的宽带压缩频谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：①在一个认知无线电宽带网络中，假设频域中可利用的总带宽为B兆赫兹，且已将整个频带依次随机分配给J个授权用户，则将第j个授权用户占用的子频带的带宽记为Bj兆赫兹，Bj＝bj-bj-1，其中，B≥1024，J≥64，1≤j≤J，bj表示第j个授权用户占用的子频带的带宽对应的上限边界点，bj-1表示第j个授权用户占用的子频带的带宽对应的下限边界点，当j＝1时bj-1＝0兆赫兹，同时，假设只有一个感知用户存在，并假设该感知用户在每次感知时间内，只有授权用户进行通信；②在频谱感知阶段，该感知用户通过模拟信息转换器对其接收到的模拟信号x(t)进行压缩采样，获得少量压缩采样数据，记为yt，yt＝Φxt，其中，模拟信息转换器等效为先通过奈奎斯特采样、再通过压缩采样，yt的维数为M×1，Φ为维数为M×N的高斯随机测量矩阵，Φ中的每个元素的值服从均值为零、方差为1/M的正态分布，xt为对x(t)进行奈奎斯特采样获得的维数为N×1的离散信号，xt中的第n个离散值1≤n≤N，T0为奈奎斯特采样的采样间隔，N为奈奎斯特采样下的数据量，1≤M<N，t为连续时间变量；③对xt进行离散傅里叶变换，得到xt对应的频域稀疏信号，记为xf，xf＝Fxt；然后获取yt与xf之间的关系：yt＝Φxt＝ΦF-1xf；接着根据压缩感知理论，将重构问题转变成一个优化组合问题，描述为：x^f=argminxf||xf||0s.t.ΦF-1xf=yt;]]>再对x^f=argminxf||xf||0s.t.ΦF-1xf=yt]]>进行松弛，描述为：x^f=argminxf||xf||1s.t.ΦF-1xf=yt;]]>最后将x^f=argminxf||xf||1s.t.ΦF-1xf=yt]]>转变成一个受噪声影响的问题，描述为：x^f=argminxf||xf||1s.t.||ΦF-1xf-yt||2≤ϵ;]]>其中，xf的维数为N×1，F为维数为N×N的离散傅里叶变换矩阵，F-1为F的逆矩阵，的维数为N×1，表示重构得到的重构频域稀疏信号，表示取使得||xf||0的值最小的xf，||xf||0表示求取xf中非零元素的总个数，s.t.表示“受约束于”，表示取使得||xf||1的值最小的xf，||xf||1表示求取xf的1-范数，||ΦF-1xf-yt||2表示求取ΦF-1xf-yt的2-范数，ε为噪声误差上界；④求解x^f=argminxf||xf||1s.t.||ΦF-1xf-yt||2≤ϵ,]]>采用迭代方式重构得到⑤该感知用户利用能量检测法对步骤④重构得到的上的每个子频带的占用状态进行判定，对于第j个子频带，如果E'j≥λ，则令如果E'j<λ，则令其中，E'j表示第j个子频带上的能量，表示在biMHZ处的幅值，符号“||”表示取模，λ表示能量门限，表示第j个子频带的占用状态，表示第j个子频带被授权用户占用，表示第j个子频带未被授权用户占用、为空闲频带且该感知用户可以接入使用。所述的步骤④的具体过程为：④-1、令A表示维数为M×N的传感矩阵，并令A＝ΦF-1；令k表示迭代次数，并令k的初始值为1；令Λk表示第k次迭代后的索引集；令表示第k次迭代后的支撑集；令sk表示第k次迭代后的频谱信号；令rk表示第k次迭代后的残差；④-2、更新Λk，Λk=Λk-1∪{i本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于子频带匹配选择的宽带压缩频谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：①在一个认知无线电宽带网络中，假设频域中可利用的总带宽为B兆赫兹，且已将整个频带依次随机分配给J个授权用户，则将第j个授权用户占用的子频带的带宽记为Bj兆赫兹，Bj＝bj‑bj‑1，其中，B≥1024，J≥64，1≤j≤J，bj表示第j个授权用户占用的子频带的带宽对应的上限边界点，bj‑1表示第j个授权用户占用的子频带的带宽对应的下限边界点，当j＝1时bj‑1＝0兆赫兹，同时，假设只有一个感知用户存在，并假设该感知用户在每次感知时间内，只有授权用户进行通信；②在频谱感知阶段，该感知用户通过模拟信息转换器对其接收到的模拟信号x(t)进行压缩采样，获得少量压缩采样数据，记为yt，yt＝Φxt，其中，模拟信息转换器等效为先通过奈奎斯特采样、再通过压缩采样，yt的维数为M×1，Φ为维数为M×N的高斯随机测量矩阵，Φ中的每个元素的值服从均值为零、方差为1/M的正态分布，xt为对x(t)进行奈奎斯特采样获得的维数为N×1的离散信号，xt中的第n个离散值1≤n≤N，T0为奈奎斯特采样的采样间隔，N为奈奎斯特采样下的数据量，1≤M&lt;N，t为连续时间变量；③对xt进行离散傅里叶变换，得到xt对应的频域稀疏信号，记为xf，xf＝Fxt；然后获取yt与xf之间的关系：yt＝Φxt＝ΦF‑1xf；接着根据压缩感知理论，将重构问题转变成一个优化组合问题，描述为：x^f=argminxf||xf||0s.t.ΦF-1xf=yt;]]>再对x^f=argminxf||xf||0s.t.ΦF-1xf=yt]]>进行松弛，描述为：x^f=argminxf||xf||1s.t.ΦF-1xf=yt;]]>最后将x^f=argminxf||xf||1s.t.ΦF-1xf=yt]]>转变成一个受噪声影响的问题，描述为：x^f=argminxf||xf||1s.t.||ΦF-1xf-yt||2≤ϵ;]]>其中，xf的维数为N×1，F为维数为N×N的离散傅里叶变换矩阵，F‑1为F的逆矩阵，的维数为N×1，表示重构得到的重构频域稀疏信号，表示取使得||xf||0的值最小的xf，||xf||0表示求取xf中非零元素的总个数，s.t.表示“受约束于”，表示取使得||xf||1的值最小的xf，||xf||1表示求取xf的1‑范数，||ΦF‑1xf‑yt||2表示求取ΦF‑1xf‑yt的2‑范数，ε为噪声误差上界；④求解x^f=argminxf||xf||1s.t.||ΦF-1xf-yt||2≤ϵ,]]>采用迭代方式重构得到⑤该感知用户利用能量检测法对步骤④重构得到的上的每个子频带的占用状态进行判定，对于第j个子频带，如果E'j≥λ，则令如果E'j<λ，则令其中，E'j表示第j个子频带上的能量，表示在biMHZ处的幅值，符号“||”表示取模，λ表示能量门限，表示第j个子频带的占用状态，表示第j个子频带被授权用户占用，表示第j个子频带未被授权用户占用、为空闲频带且该感知用户可以接入使用。...

【技术特征摘要】
1.一种基于子频带匹配选择的宽带压缩频谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：
①在一个认知无线电宽带网络中，假设频域中可利用的总带宽为B兆赫兹，且已将整个
频带依次随机分配给J个授权用户，则将第j个授权用户占用的子频带的带宽记为Bj兆赫
兹，Bj＝bj-bj-1，其中，B≥1024，J≥64，1≤j≤J，bj表示第j个授权用户占用的子频带的带宽
对应的上限边界点，bj-1表示第j个授权用户占用的子频带的带宽对应的下限边界点，当j＝
1时bj-1＝0兆赫兹，同时，假设只有一个感知用户存在，并假设该感知用户在每次感知时间内，只有授权用
户进行通信；
②在频谱感知阶段，该感知用户通过模拟信息转换器对其接收到的模拟信号x(t)进行
压缩采样，获得少量压缩采样数据，记为yt，yt＝Φxt，其中，模拟信息转换器等效为先通过
奈奎斯特采样、再通过压缩采样，yt的维数为M×1，Φ为维数为M×N的高斯随机测量矩阵，
Φ中的每个元素的值服从均值为零、方差为1/M的正态分布，xt为对x(t)进行奈奎斯特采样
获得的维数为N×1的离散信号，xt中的第n个离散值1≤n≤N，T0为奈奎斯
特采样的采样间隔，N为奈奎斯特采样下的数据量，1≤M<N，t为连续时间变量；
③对xt进行离散傅里叶变换，得到xt对应的频域稀疏信号，记为xf，xf＝Fxt；然后获取yt与
xf之间的关系：yt＝Φxt＝ΦF-1xf；接着根据压缩感知理论，将重构问题转变成一个优化组合问题，
描述为：x^f=argminxf||xf||0s.t.ΦF-1xf=yt;]]>再对x^f=argminxf||xf||0s.t.ΦF-1xf=yt]]>进行松弛，描述为：x^f=argminxf||xf||1s.t.ΦF-1xf=yt;]]>最
后将x^f=argm...

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