一种双阶段盲频谱感知方案制造技术

本发明专利技术充分利用单个频谱感知器的优势，公开了一种双阶段盲频谱感知方法。根据评估的无线电环境中的信噪比，在信噪比较高的情况下使用能量检测法来检测频谱空洞；在信噪比较低的情况下，使用协方差矩阵检测法来确定目标频段的占用情况。由此极大地提高了频谱感知的有效性和可靠性。

A two-stage blind spectrum sensing scheme

The invention fully utilizes the advantages of a single spectrum sensor and discloses a two-stage blind spectrum sensing method. According to the estimated signal-to-noise ratio (SNR) in the radio environment, the energy detection method is used to detect the spectrum holes in the case of high SNR, and the covariance matrix detection method is used to determine the occupancy of the target frequency band in the case of low SNR. This greatly improves the effectiveness and reliability of spectrum sensing.

【技术实现步骤摘要】
一种双阶段盲频谱感知方案
本专利技术涉及认知无线电
，尤其涉及一种认知无线电频谱感知方法。
技术介绍
随着无线通信技术的快速发展以及注册频段较低的频谱利用率，无线电频谱成为一种稀缺资源。为此，JosephMitola博士提出了认知无线电技术，允许未授权用户(次级用户)在授权用户(主用户)没有占用频段的情况下使用该频段进行自己的通信。认知无线电的关键技术主要有频谱感知、频谱分配、频谱决策、频谱共享等。频谱感知是认知无线电(CR)最核心的一个技术，它的主要目的是检测目标频段是否为空闲。感知精度和感知复杂度决定着一个认知无线电装置的性能。而检测概率，虚警概率以及可得到的吞吐量影响着感知精度。常用的频谱感知方法主要包括能量检测(ED)、匹配滤波检测、循环特征检测、协方差矩阵检测(CMM)等。匹配滤波检测是一种相干检测技术，在接收端采用相干检测器去匹配信号特征如导频等。然而，作为最佳的检测技术，匹配滤波检测需要关于主用户信号的完整信息，如工作频率，带宽，调制类型和顺序，脉冲形状和分组格式。由于较低的感知复杂度以及不依赖于检测信号先验知识等优点，能量检测是一种广泛认可的频谱感知方法。然而随着信噪比的降低，由于噪声方差的不精确估计，基于能量检测的频谱感知准确性急剧下降。为了提高频谱感知性能，提出了循环平稳特征检测方法，通过观察接收信号的平均值和自相关，利用频谱循环周期性检测频谱空洞。循环平稳特征检测需要主信号的载波频率，并且对采样时钟频率同步情况要求较高；相比于能量检测和匹配滤波检测，其计算复杂度也更高。不同于以上检测方案，协方差矩阵检测是一种盲检测方法，不需要主信号和噪声信息的先验知识。另外，协方差矩阵检测适用于相关信号检测，而我们日常接触到的大部分信号都是相关信号。所以协方差矩阵检测是一种贴近于现实的检测方案。相比于能量检测，协方差矩阵检测需要更高的感知复杂度。不过，在强噪声环境下，协方差矩阵检测方法具有更高的检测准确性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于充分利用单个频谱感知器的优势，提高认知无线电频谱感知的有效性和可靠性。基于上述目的本专利技术提供一种双阶段盲频谱感知方法，包括以下步骤：步骤一，接收第一频段的信号，并按特定频率对所述信号进行抽样；步骤二，对抽样得到的离散时间信号序列，求自相关，并构造Toeplitz协方差矩阵；步骤三，对Toeplitz协方差矩阵进行特征值分解，评估无线电环境的实时信噪比；步骤四，根据无线电环境的实时信噪比以及预先设定的信噪比阈值，确定最优的频谱感知方案；步骤五：根据确定的频谱感知方案，计算接收信号的能量值或Toeplitz协方差矩阵对角元素绝对值之和与全部元素绝对值之和的比值；步骤六：根据所述比值判定目标频段的状态。其中，所述第一频段的信号是通过认知无线电(CR)设备的天线接收的。进一步地，所述根据所述比值判定目标频段的状态，包括根据所述比值判定目标频谱是否空闲。进一步地，所述根据所述比值判定目标频谱是否空闲，具体为：判断所述接收信号的能量值或Toeplitz协方差矩阵对角元素绝对值之和与全部元素绝对值之和的比值是否大于预设阈值。进一步地，若判断结果为是，则确定所述目标频段处于忙碌状态，否则确定所述目标频段处于空闲状态。本专利技术提供的一种双阶段盲频谱感知装置，包括以下模块：抽样模块，用于接收第一频段的信号，并按特定频率对所述信号进行抽样；构造模块，用于对抽样得到的离散时间信号序列，求自相关，并构造Toeplitz协方差矩阵；评估模块，用于对Toeplitz协方差矩阵进行特征值分解，评估无线电环境的实时信噪比；确定模块，根据无线电环境的实时信噪比以及预先设定的信噪比阈值，确定最优的频谱感知方案；计算模块：根据确定的频谱感知方案，计算接收信号的能量值或Toeplitz协方差矩阵对角元素绝对值之和与全部元素绝对值之和的比值；判定模块：用于根据所述比值判定目标频段的状态。其中，所述第一频段的信号是通过认知无线电(CR)设备的天线接收的。进一步地，所述根据所述比值判定目标频段的状态，包括根据所述比值判定目标频谱是否空闲。进一步地，所述根据所述比值判定目标频谱是否空闲，具体为：判断所述接收信号的能量值或Toeplitz协方差矩阵对角元素绝对值之和与全部元素绝对值之和的比值是否大于预设阈值。进一步地，若判断结果为是，则确定所述目标频段处于忙碌状态，否则确定所述目标频段处于空闲状态。从上面所述可以看出，本专利技术提供的适用于认知无线电环境的盲频谱感知方案，有效提高了感知的有效性和可靠性。一般来说，虚警概率、检测概率、吞吐量和复杂度是判断一个频谱感知方案好坏的关键指标。本专利技术提供了一种双阶段盲频谱感知方法，在强噪声环境下，使用协方差矩阵检测替代能量检测，在复杂度相当的情况下，显著降低了虚警概率，提高了检测概率及认知无线电系统的吞吐量。另外，本方案提供了一种认知无线电环境下信噪比的评估方案，根据评估的信噪比，非常方便的选择合适的频谱感知方案来实时检测目标频段的占用情况，极大地提高了频谱感知的可靠性。附图说明图1为本专利技术实施例的整体框架图；图2为本专利技术实施例中双阶段盲频谱感知方法的实施步骤框图；图3为本专利技术实施例中低信噪比情况下噪声不确定性对于能量检测性能的影响示意图；图4为本专利技术实施例中不同信噪比下ED方法和CMM方法的性能对比示意图；图5为本专利技术实施例中不同信噪比情况下双阶段盲频谱感知方法与ED方法和CMM方法的吞吐量对比示意图。图6为本专利技术实施例中双阶段盲频谱感知装置的结构框图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。由于传统的盲频谱感知方案，只是适用于特定环境下，如能量检测适用于高信噪比环境而协方差矩阵检测算法复杂度较高。本专利技术提出了一种两阶段频谱感知方案(简称为ED-CMM)。当信噪比处于较高水平时，能量检测方法用于检测频谱空洞；当信噪比处于较低水平时，基于协方差矩阵的频谱感知方法用来感知目标频段。另外本专利技术提供了一种认知无线环境下信噪比的评估方案，该方案便于实时评估环境信噪比，可依据信噪比情况选择合适的频谱感知方案，该信噪比评估方案还可以有效评估无线电环境的噪声方差并且有助于减少协方差矩阵检测的计算复杂度，从而降低系统的整体复杂度。具体
技术实现思路
如下。假设观测信号y(t)由主用户信号(主信号)xi(t)和高斯加性白噪声ui(t)组成，其中M(1≤m≤M；M∈Z+,M≥1)代表主用户的个数，hi(t)表示每个主用户对应的信道衰减因子。假设目标频段中心频率为fc，带宽为W。CR设备接收端的抽样频谱为fs(fs＞W)，因此抽样间隔为Ts＝1//fs。考虑到信号检测中的二元假设理论，H1:主用户存在；H0:主用户不存在，CR终端抽样后的接收信号可以表示为H0:r(n)＝n(n)(2)为了方便分析，我们定义了一个目标函数，用于评估一个频谱感知算法的性能C＝αPfa+(1-α)Pm,(4)其中α(0＜α≤1)为虚警概率Pfa的权重，(1-α)为漏检概率Pm(Pm＝1-Pd)的权重，Pd为检测概率。对于能量检测算法，目标函数可以表示为其中N＝fsτ，τ为感知时间；和分别为纯净信号和噪声的方差，为无线电环境的信噪比；表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双阶段盲频谱感知方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一，接收第一频段的信号，并按特定频率对所述信号进行抽样；步骤二，对抽样得到的离散时间信号序列，求自相关，并构造Toeplitz协方差矩阵；步骤三，对Toeplitz协方差矩阵进行特征值分解，评估无线电环境的实时信噪比；步骤四，根据无线电环境的实时信噪比以及预先设定的信噪比阈值，确定最优的频谱感知方案；步骤五：根据确定的频谱感知方案，计算接收信号的能量值或Toeplitz协方差矩阵对角元素绝对值之和与全部元素绝对值之和的比值；步骤六：根据所述比值判定目标频段的状态。

【技术特征摘要】
1.一种双阶段盲频谱感知方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一，接收第一频段的信号，并按特定频率对所述信号进行抽样；步骤二，对抽样得到的离散时间信号序列，求自相关，并构造Toeplitz协方差矩阵；步骤三，对Toeplitz协方差矩阵进行特征值分解，评估无线电环境的实时信噪比；步骤四，根据无线电环境的实时信噪比以及预先设定的信噪比阈值，确定最优的频谱感知方案；步骤五：根据确定的频谱感知方案，计算接收信号的能量值或Toeplitz协方差矩阵对角元素绝对值之和与全部元素绝对值之和的比值；步骤六：根据所述比值判定目标频段的状态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频段的信号是通过认知无线电(CR)设备的天线接收的。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述比值判定目标频段的状态，包括根据所述比值判定目标频谱是否空闲。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述比值判定目标频谱是否空闲，具体为：判断所述接收信号的能量值或Toeplitz协方差矩阵对角元素绝对值之和与全部元素绝对值之和的比值是否大于预设阈值。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，若判断结果为是，则确定所述目标频段处于忙碌状态，否则确定所述目标频段处于空闲状态。6.一种双阶段...

【专利技术属性】
技术研发人员：景晓军，穆俊生，黄海，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11