一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法技术

本发明专利技术公开了一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法，多馈源卫星接收端M个接收馈源接收到的连续感知数据，经滤波采样后，得到M维的基带等效离散时间信号列向量Y；根据得到的基带等效离散时间信号向量Y将则频谱感知问题简化为二元假设模型；根据角度互易的原则，使用已知的波束覆盖中间角ω生成数据预处理矩阵；使用该预处理矩阵对基带等效离散时间信号向量Y进行处理；取预处理之后的数据能量和作为检测统计量；将该检测统计量与门限进行比较，对感知频谱进行判断，完成频谱感知。本发明专利技术便于后续的软件化处理，通过设计根据角度互易原则，在增加较少计算量的基础上，能够较大幅度的提高方案的感知性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法
本专利技术属于通信
，具体涉及一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法。
技术介绍
随着通信技术的发展，地面移动通信网络的业务覆盖范围已经能够延伸到大部分的陆地区域，但是受地域和运营成本等因素的影响，其覆盖区域仍存在很多盲区，不能够满足人们实时通信的需求，而在这些区域卫星移动通信技术具有独特的优势，因此现在已提出空天一体化的构想，将卫星移动通信系统作为地面移动通信系统的有效补充。同时，在战争和重大自然灾害中，地面移动通信系统极易受到破坏，卫星移动通信系统可以作为一种应急通信手段。由于卫星具有通信距离远、覆盖范围广、不易受地域影响的特点，逐渐成为全球实时通信必不可少的手段。其接入需求也日益增长，卫星频谱资源匮乏与整体频谱利用率低之间的冲突愈加尖锐。而认知无线电技术作为解决该矛盾的关键技术之一，为提高卫星通信系统传输效率，提出认知卫星通信网络的概念。频谱感知技术作为认知无线网络的基础，只有在正确、可靠的频谱感知结果的基础上，才能够有效的利用空闲的频谱资源进行通信。所以在认知无线电技术中，频谱感知广受关注和研究。现有的频谱感知技术中，能量感知由于其不需要信号的先验信息和方案低复杂度等特性而被广泛应有。但是能量感知的感知性能较差，因此在实际的感知方案中，能量感知的优化方案是一个重要方向，其目的是在增加较小的计算复杂度的前提下，获取较大的检测性能提高。在低信噪比下受噪声不确定度的影响较大，性能恶化。当前很多能量感知优化方案研究集中于多用户的协作能量感知，以期降低噪声不确定度对感知性能的影响，但这必将带来一定的信令开销，且协作感知性能不仅与控制中心的数据处理过程相关，而且与单节点的感知性能紧密相关，且低信噪比环境下，协作感知的性能受单个认知用户性能的严重制约。还有人提出双门限协作的能量感知方案以减少信令开销，但当所有认知用户的感知数据落入两个门限之间时，存在感知失败的问题。而在现有卫星移动通信系统中，为提高频谱复用率大多采用多波束覆盖技术，多波束覆盖可以获得空间增益的同时，提高总体的频谱利用率。在卫星端采用多馈源技术，可以简化视为多天线技术，多馈源的排列也大多服从一定规则几何图形。根据该特点，可以利用阵列信号处理的方法提高卫星感知系统的检测性能。但是基于阵列信号处理的感知方案，一般需要估计信号的到达角(DOA)，传统的DOA估计方案如MUSIC算法、最大似然估计算法、最大熵谱估计算法等计算复杂度较高。而且卫星端星上处理能力有限，使用这些方法进行感知时，性价比不高，因此这些传统的DOA估计方案并不适用。经过研究发现，多馈源多波束卫星系统中，其窄点波束的角度比较小。经过计算，例如在现有的卫星移动通信系统中，ACeS通信系统中格鲁达(Garuda)卫星的波束宽度约为1.4452°，美国TerreStar卫星系统波束宽度约为1.1934°，中国天通一号中波束宽度约为0.5604°。通过上面的举例，现有的卫星移动通信系统中其波束角度比较小，且随着卫星技术的发展，卫星波束覆盖的宽度将会越来越小，以期可以在实现更大的频率复用率。在进行频谱感知时，如果先进行DOA估计，需要付出大量计算成本，使用成本比较高的DOA结果进行频谱感知，可以提高检测性能，但是性价比并不高。而在卫星实际通信时，因为要实现多波束覆盖，卫星端需要进行波束成形，在自身进行波束成形时，其波束中间角可以视为已知。因为波束角较小，而波束中间角与实际角度之间的偏移量的最大值等于波束角的一半，其值将更小。如果在后续的频谱感知过程中，根据角度的互易性，使用已知的波束中间角进行频谱感知，不仅可以提高系统的检测性能，而且可以节省进行DOA估计时的计算资源，研究将很有意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法，用于实现提高频谱感知精度的目的。本专利技术采用以下技术方案：一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法，包括以下步骤：S1、多馈源卫星接收端M个接收馈源接收到的连续感知数据，经滤波采样后，得到M维的基带等效离散时间信号列向量Y；S2、根据步骤S1得到的基带等效离散时间信号向量Y将则频谱感知问题简化为二元假设模型；S3、根据角度互易的原则，使用已知的波束覆盖中间角ω生成数据预处理矩阵；S4、使用该预处理矩阵对基带等效离散时间信号向量Y进行处理；S5、取预处理之后的数据能量和作为检测统计量；S6、将该检测统计量与门限进行比较，对感知频谱进行判断，完成频谱感知。具体的，步骤S1中，M维的基带等效离散时间信号列向量Y为：Y＝[y1,y2,…yM]T∈CM×1；其中，T表示转置计算，CM×1表示M维元素为复数的列向量。具体的，步骤S2中，二元假设模型如下：其中，H0为信道空闲事件，H1为信道非空闲事件，A为实际导向矢量。进一步的，实际导向矢量A定义如下：其中，λ为电磁波长，j为复数标志，d为接收天线间距，为实际的信号到达角。更进一步的，实际导向矢量A的模值平方，信号与噪声方差已知，所以检验统计量Topt转换为：其中，H为矩阵共轭转置，γLLR为检测门限。具体的，步骤S3中，数据预处理矩阵A'为：其中，λ为电磁波长，j为复数标志，d为接收天线间距,ω为波束中间角。具体的，步骤S4中，对基带等效离散时间信号向量Y处理如下：(A')HY其中，H为矩阵共轭转置，A'为数据预处理矩阵。具体的，步骤S5中，如下：TLLR＝||(A')HY||2其中，TLLR为判决统计量，H为矩阵共轭转置，A'为数据预处理矩阵。具体的，步骤S6中，当检测统计量大于门限则当前感知频谱不空闲，如果小于门限，则当前感知频谱空闲，即：当信号不存在时，即H0:Y＝N时，预处理后矩阵元素服从如下分布：。进一步的，检测统计量Topt满足：进而可以将虚警概率表示为：利用奈曼-皮尔逊准则可以求得此时的检测门限γLLR如下：与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法，与能量感知方案相比较，本专利技术能够在增加少量计算量的条件下，根据角度互易原则,利用已知的波束中间角，以及卫星波束较窄的系统特点，提高检测性能。进一步的，将多馈源卫星接收端的模拟数据,经滤波采样后转化为基带等效离散时间信号，即将模拟信号转化为数字信号，便于信号的传输以及软件处理。进一步的，将频谱感知问题简化为基于二元假设模型的判决问题，利用对数似然比判决的原则，可以从理论上求出判决门限。进一步的，根据角度互易原则,使用已知的波束中间角生成数据预处理矩阵，不增加方案整体的计算复杂度。进一步的，使用根据已知波束中间角生成的预处理矩阵，对原始数据矩阵进行处理，为后续的二元判决提供数据来源。进一步的，将预处理之后的数据能量和作为判决统计量，方案计算复杂度较低，且方案可靠程度较高，实现难度小。进一步的，本方案中使用预处理之后的数据能量和作为检测统计量，将该检测统计量与基于二元假设模型和检测性能要求理论推导出的门限进行比较，便于后续的系统升级改造调整。综上所述，本专利技术首先将模拟数据数字化，便于后续的软件化处理，将频谱感知问题简化为数学上二元假设模型进行表示,通过理论分析，根据一定的方案检测性能要求能够得到理论上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、多馈源卫星接收端M个接收馈源接收到的连续感知数据，经滤波采样后，得到M维的基带等效离散时间信号列向量Y；S2、根据步骤S1得到的基带等效离散时间信号向量Y将则频谱感知问题简化为二元假设模型；S3、根据角度互易的原则，使用已知的波束覆盖中间角ω生成数据预处理矩阵；S4、使用该预处理矩阵对基带等效离散时间信号向量Y进行处理；S5、取预处理之后的数据能量和作为检测统计量；S6、将该检测统计量与门限进行比较，对感知频谱进行判断，完成频谱感知。

【技术特征摘要】
1.一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、多馈源卫星接收端M个接收馈源接收到的连续感知数据，经滤波采样后，得到M维的基带等效离散时间信号列向量Y；S2、根据步骤S1得到的基带等效离散时间信号向量Y将则频谱感知问题简化为二元假设模型；S3、根据角度互易的原则，使用已知的波束覆盖中间角ω生成数据预处理矩阵；S4、使用该预处理矩阵对基带等效离散时间信号向量Y进行处理；S5、取预处理之后的数据能量和作为检测统计量；S6、将该检测统计量与门限进行比较，对感知频谱进行判断，完成频谱感知。2.根据权利要求1所述的基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法，其特征在于，步骤S1中，M维的基带等效离散时间信号列向量Y为：Y＝[y1,y2,…yM]T∈CM×1；其中，T表示转置计算，CM×1表示M维元素为复数的列向量。3.根据权利要求1所述的基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法，其特征在于，步骤S2中，二元假设模型如下：其中，H0为信道空闲事件，H1为信道非空闲事件，A为实际导向矢量。4.根据权利要求3所述的基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法，其特征在于，实际导向矢量A定义如下：其中，λ为电磁波长，j为复数标志，d为接收天线间距，为实际的信号到达角。5.根据权利要求4所述的基于角度互易的...

【专利技术属性】
技术研发人员：范建存，班勇，张莹，罗新民，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61