一种能效优先时延容忍的LEO系统DCS信号重构方法技术方案

本发明专利技术公开了一种能效优先时延容忍的LEO系统DCS信号重构方法。本发明专利技术步骤如下：步骤1、建立时变LEO卫星感知信道模型；步骤2、分布式压缩感知联合稀疏模型；步骤3、基于DCS的信号重构与频谱检测，包括信号重构阶段和频谱检测阶段；步骤4、计算低信噪比情况下DCS信号重构与检测能耗；步骤5、确定时延容忍情况下DCS感知信号重构能效优化方案。本发明专利技术在低信噪比和低压缩比情况下具有良好的重构性能，在对LEO频谱进行有效判决的同时重构复杂度明显下降。同时针对L‑CR系统的能量有效性，考虑了两种方法进行信号重构与频谱检测阶段的能耗，并构造两个阶段的加权能耗函数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息与通信工程
，涉及一种能效优先时延容忍的DCS信号重构方法。尤其是在LEO感知无线电系统中。本专利技术涉及无线通信系统中的低轨地球卫星(Low Earth Orbit,LEO)通信理论和认知无线电(Cognitive Radio,CR)技术，信号处理中的分布式压缩感知(Distributed Compressive Sensing,DCS)理论和信号重构方法中的最小角回归法(Least angle regression,Lars)方法，具体是LEO感知无线电系统中一种能效优先时延容忍的DCS信号重构方法。
技术介绍
低轨地球卫星(Low Earth Orbit,LEO)卫星距离地面(500-2000)km，同时具有卫星信道和移动信道的特性，如传播损耗、多径效应、多普勒频移等。相对地面无线通信，LEO卫星有一系列特征，如轨道低，运动快，星间切换频繁，导致地面信关站接收信噪比较低，以及星地之间距离远且链路损耗较大等。认知无线电(Cognitive Radio,CR)亦称为感知无线电，它可在不影响主用户(Primary Users,PUs)通信的前提下，智能地利用大量空闲频谱以满足次用户(Secondary Users,SUs)即认知用户(Cognitive Users,CUs)的可靠通信，从而提高无线频谱的利用率，实现频谱资源共享。认知用户能够实时感知无线通信系统周围的网络环境，通过对环境的理解、主动学习来动态地调整网络参数以适应外部环境的变化。在基于CR技术的认知无线网络(Cognitive Radio Network,CRN)中，认知用户利用法定授权的主用户(Primary User,PU)暂时未使用的频段，一旦侦听到主用户收发信机需要通信时，就必须在一定的时间内退出该频段并切换到其它未使用的空闲频段进行机会通信(交叉共享(overlay sharing)方式)，或者在保障主用户通信服务质量(Quality of Service，QoS)的前提下，降低发射功率进行协作式机会传输(重叠共享(underlay sharing)方式)，从而避免认知用户对主用户通信造成干扰。因此，多个认知用户如何在有限的检测时间内从较宽的频带范围内迅速可靠地检测出主用户频谱空穴、并利用这些主用户频谱空穴进行机会频谱接入，从而实现主次用户的频谱共享，这是认知无线电中的关键技术。随着LEO卫星通信系统节点的增加和LEO卫星近地覆盖面积的扩大，LEO卫星的能耗问题已日益受到关注，“绿色化”已经成为未来感知无线电的发展方向之一。“能效优先LEO感知无线电”是目前感知无线电领域的研究重点，也是实现未来保障能量有效性的绿色LEO卫星感知无线电通信网络的关键。研究表明，地面站节点与LEO卫星节点利用感知无线电进行频谱检测与传输的功耗问题是LEO卫星通信网络能耗开销的主要问题。针对LEO微小卫星感知无线电系统能量有效性的研究已经成为感知无线电的研究热点之一。能量有效性与频谱有效性、传输可靠性等均存在着折衷关系。传统感知无线电关于频谱感知、动态频谱接入、频谱共享、网络配置方案等方面的研究均集中于增强网络的频谱有效性。然而，就感知无线电中的无线能效管理而言，构造绿色节能的感知无线电卫星通信网络是未来卫星通信的发展趋势。绿色感知无线电卫星通信网络是在保证一定频谱检测性能、传输可靠性、多卫星节点数据传输公平性等的前提下，尽可能减少卫星通信的节点能耗，并将其应用于LEO卫星通信的网络设计。压缩感知(Compressive Sensing,CS)理论研究表明，可压缩信号(在某一基空间上具有稀疏表示)的少量随机线性投影就包含了重构和处理的足够信息，仅利用信号的先验知识和少量全局线性测量可以获得准确重构。其中，设计满足约束等距性质(Restricted Isometry Property,RIP)且具有较低观测次数的自适应测量矩阵是CS在实际应用的关键问题。已有研究表明，测量矩阵中列向量的非线性相关性是降低重构方法复杂度的前提，测量矩阵列向量的非线性相关性越强，矩阵元素的稀疏度越高，则信号重构时迭代次数越少，可以大大减小信号重建时间。分布式压缩感知(DCS)理论将对单信号的稀疏采样进行了拓展，运用到多个关联信号中，对这一系列信号以一定的规律进行稀疏采样，建立联合稀疏模型(Joint Sparsity Model,JSM)，深度挖掘信号内部及信号间的相关性来实现汇聚节点对多个信号的联合重构。相对于地面无线通信，低轨(LEO)微小卫星感知无线电(LEO Cognitive Radios,L-CR)系统具有卫星节点能量受限、传输时延长、链路损耗大、传输信噪比低的特点。在L-CR系统中，授权频带的主用户(PU)和LEO卫星认知用户(SU)采用underlay方式进行频谱共享。SU采用功率控制技术降低其对PU的干扰。同时，卫星认知用户(SU)感知信号同时包含PU干扰和噪声。针对上述问题，L-CR通过DCS理论将感知信号进行稀疏观测后转发到地面信关站汇聚节点，汇聚节点通过CS凸松弛重构方法实现L-CR系统中低信干噪比感知信号的恢复。CS凸松弛方法需要求解的是一个由系数的l1范数构成的凸优化问题，其存在唯一最优解，相比匹配追踪类重构方法，它需要的观测数目少，并且不需要先验信息，适合于L-CR系统中LEO卫星汇聚节点在低信噪比条件下对感知信号进行恢复。凸松弛法中的最小绝对收缩和变量选择操作(Least absolute shrinkage and selection operator，Lasso)保留了子集收缩的优点，它将系数进行处理和建模构成一个罚函数，并在某种条件下对该函数进行求解，求解出的系数有部分为零，因此它是一种压缩估计。但是，Lasso方法对含噪信号进行重构，必须建立在信号稀疏度已知的基础上。L-CR中汇聚节点基于DCS理论的最小角回归(Least angle regression,Lars)信号重构方法。Lars方法保留了Lasso方法的特点，同时其计算复杂度远远小于Lasso方法，而接近于最小二乘(Least Square,LS)回归，有效地解决了Lasso的计算复杂度问题。最小角回归法(Least angle regression,Lars)首先将模型系数的l1范数作为罚函数，然后通过求解优化问题解出系数，得出的结果会有一部分系数为零，即模型系数会自行得到压缩，从而选择出具有代表性的变量，并对其参数进行估计。Lars方法的具体步骤如下：初始化：回归系数β(0)＝0，活动变量集非活动集I＝{1,…,p本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能效优先时延容忍的LEO系统DCS信号重构方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、建立时变LEO卫星感知信道模型；采用抽头延迟线信道模型理论来建立LEO卫星感知信道模型；在抽头延迟线方法建立LEO宽带卫星信道模型中，多径信道冲激响应由多个不同延时特性的路径组成，同时每条路径具有特定的信号幅度衰落及功率谱特性；步骤2、分布式压缩感知联合稀疏模型；步骤3、基于DCS的信号重构与频谱检测，包括信号重构阶段和频谱检测阶段；各LEO感知信号在同一稀疏基进行变换，信号重构阶段分别采用DCS‑Lars方法或基于同伦法的DCS‑DX方法，在保障重构误差性能的同时降低重构复杂度；同时，根据重构信号的频谱，地面汇聚节点采用能量判决法对占用的信道进行检测与判决；步骤4、计算低信噪比情况下DCS信号重构与检测能耗；步骤5、确定时延容忍情况下DCS感知信号重构能效优化方案。

【技术特征摘要】
1.一种能效优先时延容忍的LEO系统DCS信号重构方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、建立时变LEO卫星感知信道模型；采用抽头延迟线信道模型理论来建立LEO卫星感知信道模型；在抽头延迟线方法建立LEO宽带卫星信道模型中，多径信道冲激响应由多个不同延时特性的路径组成，同时每条路径具有特定的信号幅度衰落及功率谱特性；步骤2、分布式压缩感知联合稀疏模型；步骤3、基于DCS的信号重构与频谱检测，包括信号重构阶段和频谱检测阶段；各LEO感知信号在同一稀疏基进行变换，信号重构阶段分别采用DCS-Lars方法或基于同伦法的DCS-DX方法，在保障重构误差性能的同时降低重构复杂度；同时，根据重构信号的频谱，地面汇聚节点采用能量判决法对占用的信道进行检测与判决；步骤4、计算低信噪比情况下DCS信号重构与检测能耗；步骤5、确定时延容忍情况下DCS感知信号重构能效优化方案。2.根据权利要求1所述的一种能效优先时延容忍的LEO系统DCS信号重构方法，其特征在于步骤1具体过程如下：由于LEO感知中继卫星转发信号至地面汇聚节点的过程中存在反射物体以及散射，因此会产生多径传播；基于多径时延扩展，接收端的信号会存在平坦衰落或频率选择性衰落，所以卫星中继转发到地面的多径信号中存在直视路径；因此地面汇聚节点接收到的信号服从莱斯分布，其数学模型如式(1)所示：其中，r(t)是多径信号包络，ac(t)和as(t)是相互正交的高斯过程，参数Kls是莱斯因子，其物理意义是直视信号功率与多径信号功率之和的比值；多径信道的接收信号包括多个被减弱、有时延、有相移的传输信号，其信道冲激响应模型可表示为：其中，ak(t,τ)、τk(t)分别为在t时刻第k个多径分量的实际幅度和附加时延；2πfc...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡慧，许晓荣，章坚武，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33