一种MIMO-OFDM系统频-空二维谱空穴检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种MIMO‑OFDM系统频‑空二维谱空穴检测方法，包括以下步骤：S1，构建MIMO‑OFDM无线通信系统中主用户信号的子载波子空间空域联合稀疏模型；S2，对所述的子载波子空间空域联合稀疏模型进行求解，获得频‑空域稀疏编码解；S3，针对所述的频‑空域稀疏编码解，提取非零元素的位置，构成支撑集，从而获得主用户信号在频‑空二维平面上的投影点集，对所述的主用户信号在频‑空二维平面上的投影点集取补集，进而获得频‑空二维谱空穴投影点集。本发明专利技术获得了频‑空二维上的谱分布和谱空穴分布情况，从而更有利于认知用户利用空间和频率两个维度的谱空穴接入频谱资源，为认知用户随时随地接入频谱资源提供了前提保障。

【技术实现步骤摘要】
一种MIMO-OFDM系统频-空二维谱空穴检测方法
本专利技术涉及一种MIMO-OFDM系统频-空二维谱空穴检测方法，属于无线通信

技术介绍
随着互联网、物联网和各种通信设备的迅速发展，无线通信业务对频谱资源的需求也与日俱增，然而目前可使用的频谱资源已被静态分配殆尽，使得频谱资源短缺甚至呈现白日化状态。另外一方面，诸多报导和研究表明被静态分配的频谱利用率很低。以上现状表明传统的固定分配策略已经不能满足现有通信用户对频谱的要求，因此频谱资源如何被动态管理和高效使用已经成为广大学者迫切解决的问题。最近十几年来，认知无线电技术是解决该问题的核心技术之一，而其中的频谱感知是认知无线电的关键技术之一。目前，在认知无线电中，空闲频谱资源利用的研究主要集中在时-频域，空域的利用非常有限，因此研究时、空、频等多个维度接入空闲频谱方法，对于认知无线电频谱效率的提高不失为一种有效途径，而时-空-频等多维谱空穴高精度检测是实现多维谱空穴接入的前提保障。在认知无线电中，关于空闲频谱资源检测问题，以往的研究主要集中在时域、频域、空域等单个维度上，其相关的研究方法已比较成熟，然而关于各种联合域的谱空穴检测问题仍然具有挑战性，尤其是对于经过频分复用、空分复用、码分复用等多路复用技术调制或联合复用调制信号，比如，被第四代移动通信用作核心技术的多输入多输出(MIMO)与正交频分复用(OFDM)相结合的MIMO-OFDM系统信号，其联合域的谱空穴检测研究已成为开放性课题。MIMO-OFDM无线通信系统通过充分利用时间、空间和频率三种分集技术进行调制和传输信号，其特征之一是某个载波信号从多个方向发射或多个载波信号通过相近或相同方向发射。本专利技术针对具有如此特性的MIMO-OFDM无线通信系统信号的频-空二维谱空穴联合检测问题，提出了一种基于子空间联合稀疏表示的频-空二维谱空穴检测方法，目的在于利用认知无线电网络基站宽带测向接收机进行实时、高精度的估计MIMO-OFDM无线通信系统信号的频率和来波方向，从而发现频-空二维谱空穴，为认知用户随时随地接入频谱资源提供理论前提。申请号为“201310015327.1”的专利文件公开了“基于空频联合压缩感知的宽带频谱检测方法”，该方法利用压缩采样直接获得压缩数据的技术、频谱感知技术，构造了空间小波基，利用主用户信号在空域和频域上的双重稀疏性，通过使用频-空二维压缩方法，在不增大压缩比的前提下，提高了谱空穴的检测概率。申请号为“201510058061.8”的专利文件公开了基于能量有效的多任务贝叶斯压缩感知宽带频谱检测方法，该方法利用认知无线网络中主用户信号在空频域的稀疏性，认知基站通过基于期望最大化算法和相关向量机模型进行多任务贝叶斯压缩感知参数估计，实现多用户多任务传输条件下的稀疏信号重构与宽带频谱检测。在满足一定检测性能和重构误差的条件下，实现节点感知能耗最小。以上两个专利技术均利用了主用户信号在频域上和空域的双重稀疏性，分别采用压缩感知压缩采样技术和贝叶斯压缩感知理论进行稀疏求解和宽带频谱检测，但最后的输出结果仅仅是宽频带内各子频带的占用情况，二者均未检测频谱资源的空间维度信息，这将意味着认知用户将错失空间维度的谱空穴接入机会。申请号为“CN201710799841.7”的专利文件公开了一种用于MIMO-OFDM系统的信号检测方法，该方法在接收端获取各子载波上信道状态信息和信道噪声的基础上，获得接收到的各子载波信号。申请号为“CN201010100513.1”的专利文件公开了一种子载波分组的MIMO-OFDM检测方法，该专利技术采用计算机仿真的方法离线优化，建立典型频率选择性信道的频域跨零率范围-子载波组间隔表，根据信道估计系数实时统计出频域跨零率，通过查表获得相应的子载波组间隔，并按组间隔进行MIMO均衡处理，从而实现MIMO-OFDM在线检测。但是以上两个专利技术只对MIMO-OFDM系统信号检测方法做了研究，关于信号的频-空二维分布信息没有挖掘，尤其是对于MIMO-OFDM通信系统的多个信号共用一个载波频率或共用一个发射方向等特征未充分的提取和利用。综上所述，以往的研究方法并不能很好地解决MIMO-OFDM系统信号频-空二维谱空穴检测问题，因此研究MIMO-OFDM通信系统信号频-空二维谱空穴检测方法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种MIMO-OFDM系统频-空二维谱空穴检测方法，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是未检测频谱资源的空间维度信息，使得认知用户错失空间维度的谱空穴接入机会的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种MIMO-OFDM系统频-空二维谱空穴检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，构建MIMO-OFDM无线通信系统中主用户信号的子载波子空间空域联合稀疏模型；S2，对所述的子载波子空间空域联合稀疏模型进行求解，获得频-空域稀疏编码解；S3，针对所述的频-空域稀疏编码解，提取非零元素的位置，构成支撑集，从而获得主用户信号在频-空二维平面上的投影点集，对所述的主用户信号在频-空二维平面上的投影点集取补集，进而获得频-空二维谱空穴投影点集。优选的，步骤S1中，利用多个特征向量来表示所述的子载波子空间空域联合稀疏模型。进一步优选的，步骤S1包括以下步骤：S11，将阵列流型矩阵扩展为一个过完备稀疏字典D＝D(f,θ)＝(D(f1,θ)…,D(fK,θ)),该字典包含了所有可能源信号的频率和角度信息，其中K表示系统中主用户信号占用的所有可能频率数目；该字典形式表示下的t时刻接收信号的频-空域表示模型为y(t)＝D(f,θ)s(t)+w(t)；其中，过完备稀疏字典D(f,θ)＝(a(f1,θ1),…,a(fP,θP))，c表示电磁波传播速度，M表示天线的数量，r表示对于均匀分布的天线，任意两个相邻天线之间的距离；fp和θp表示每个主用户信号占用的频率和来波方向，p＝1,…,P，其中，P为MIMO-OFDM无线通信系统(MIMO-OFDM无线通信系统中，有一配备M根天线(均匀线阵)的认知无线电网络基站)中的(实时)主用户信号总数量，P＜M；s(t)＝(s(f1,θ1),…,s(fP,θP))T表示字典D对应的源信号频-空域稀疏矢量，w(t)表示独立于源信号的高斯白噪声矢量；S12，获取子载波快拍矢量：对M根天线阵列接收的主用户信号的K次快拍数据连续做N次K点傅里叶变换，获得载波频率fk及其频域快拍矢量n＝1,…,N；其中，表示复数集，M表示天线的数量，表示M×1的复矢量集；S13，对频率为fk的频域快拍矢量yn(fk)求样本协方差阵其中，H表示矩阵或向量的共轭转置；S14，对样本协方差阵进行特征值分解，得(将该式两端同时右乘以特征向量进而得到特征向量的稀疏表示其中，表示噪声功率，ak表示导向矢量，(单独的符号hki没有意义)hki(fk)是一个整体，表示向量hi(fk)中的第k个元素，fk表示频率，D(z)表示该稀疏表示下的字典，hi(fk)表示向量称之为该稀疏表示下的稀疏编码；Rs(fk)表示频率为fk的信号协方差阵，DH(z)表示D(z)的共轭转置，h1i(fk)表示向量hi(fk)中的第1个元素，hKi(fk)表示表示向量hi(f本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MIMO‑OFDM系统频‑空二维谱空穴检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，构建MIMO‑OFDM无线通信系统中主用户信号的子载波子空间空域联合稀疏模型；S2，对所述的子载波子空间空域联合稀疏模型进行求解，获得频‑空域稀疏编码解；S3，针对所述的频‑空域稀疏编码解，提取非零元素的位置，构成支撑集，从而获得主用户信号在频‑空二维平面上的投影点集，对所述的主用户信号在频‑空二维平面上的投影点集取补集，进而获得频‑空二维谱空穴投影点集。

【技术特征摘要】
1.一种MIMO-OFDM系统频-空二维谱空穴检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，构建MIMO-OFDM无线通信系统中主用户信号的子载波子空间空域联合稀疏模型；S2，对所述的子载波子空间空域联合稀疏模型进行求解，获得频-空域稀疏编码解；S3，针对所述的频-空域稀疏编码解，提取非零元素的位置，构成支撑集，从而获得主用户信号在频-空二维平面上的投影点集，对所述的主用户信号在频-空二维平面上的投影点集取补集，进而获得频-空二维谱空穴投影点集。2.根据权利要求1所述的MIMO-OFDM系统频-空二维谱空穴检测方法，其特征在于，步骤S1中，利用多个特征向量来表示所述的子载波子空间空域联合稀疏模型。3.根据权利要求2所述的MIMO-OFDM系统频-空二维谱空穴检测方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：S11，将阵列流型矩阵扩展为一个过完备稀疏字典D＝D(f,θ)＝(D(f1,θ)…,D(fK,θ))，该字典包含了所有可能源信号的频率和角度信息，其中K表示系统中主用户信号占用的所有可能频率数目；该字典形式表示下的t时刻接收信号的频-空域表示模型为y(t)＝D(f,θ)s(t)+w(t)；其中，过完备稀疏字典D(f,θ)＝(a(f1,θ1),…,a(fP,θP))，c表示电磁波传播速度，M表示天线的数量，r表示对于均匀分布的天线，任意两个相邻天线之间的距离；fp和θp表示每个主用户信号占用的频率和来波方向，p＝1,…,P，其中，P为MIMO-OFDM无线通信系统中的主用户信号总数量，P＜M；s(t)＝(s(f1,θ1),…,s(fP,θP))T表示字典D对应的源信号频-空域稀疏矢量，w(t)表示独立于源信号的高斯白噪声矢量；S12，获取子载波快拍矢量：对M根天线阵列接收的主用户信号的K次快拍数据连续做N次K点傅里叶变换，获得载波频率fk及其频域快拍矢量其中，表示复数集，M表示天线的数量，表示M×1的复矢量集；S13，对频率为fk的频域快拍矢量yn(fk)求样本协方差阵S14，对样本协方差阵进行特征值分解，得进而得到特征向量的稀疏表示其中，表示噪声功率，ak表示导向矢量，hki(fk)是一个整体，表示向量hi(fk)中的第k个元素，fk表示频率，D(z)表示该稀疏表示下的字典，hi(fk)表示向量称之为该稀疏表示下的稀疏编码；Rs(fk)表示频率为fk的信号协方差阵，DH(z)表示D(z)的共轭转置，h1i(fk)表示向量hi(fk)中的第1个元素，hKi(fk)表示表示向量hi(fk)中的第K个元素；当信号非相干时，假设M个特征值大小关系为为第i个特征值对应的特征向量，则取前Pk个特征值对应的特征向量构成信号子空间，表示为其中，Pk为占用同一个中心频率fk的载波个数，K0为系统中所有主用户信号占用频点个数，进而得到频率为fk的子载波信号子空...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福来，张子选，杜瑞燕，黄彩梅，盛娟，张艾怡，孙振兴，徐仪鑫，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：河北,13