基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法制造技术

本发明专利技术提供一种基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法，解决非高斯噪声环境中宽带频谱感知的问题。本发明专利技术一方面利用最大互相关熵准则(Maximum Correntropy Criterion,MCC)的鲁棒性对非高斯噪声进行抑制，解决了非高斯噪声对频谱感知算法的不利影响；另一方面引入互相关熵诱导度量(Correntropy Induced Metric,CIM)作为宽带频谱估计的稀疏惩罚项，利用频谱的稀疏性进行稀疏估计，加快频谱向量的估计速度。

Robust Sparse Broadband Spectrum Sensing Based on Maximum Cross-correlation Entropy Criterion

【技术实现步骤摘要】
基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法
本专利技术涉及无线通信领域，特别涉及一种鲁棒的宽带频谱感知方法。
技术介绍
为了合理有效地利用好无线频谱资源，目前各国政府都采用固定的频谱分配策略，即将无线频谱按照频率划分互不重叠的频段，再将某个或某几个特定的频段分配给不同的业务或系统。总的来说所有的无线频谱被分为授权频谱和非授权频谱。授权频谱是国家授权给特定业务或系统的无线频谱，由特定系统使用的，其他非授权的系统无法使用，若擅自使用属于违法行为，将被追究法律责任。被授权使用授权频谱的系统用户称为授权用户或者主用户(PrimaryUser,PU)。非授权频谱则是可以随意使用无需无线频谱管理部门授权的频谱资源。随着无线通信技术的高速发展，特别是现在5G网络的大规模商用和大量终端的普及，无线频谱资源变的日趋紧缺。目前这种固定分配方式的弊端逐渐显现。一方面某些授权频段，由于业务需求旺盛，用户量大，导致无线频谱资源紧张不够用，出现频谱拥塞。如电信运营商所使用的无线频段。另一方面，有一大部分的无线频谱得不到充分利用，如数字电视频段。曾经有利于无线通信发展的固定频谱分配策略已成为阻碍无线通信发展的最大障碍之一。为了继续保持无线通信的高速发展，必须要打破这种固定的分配策略，建立一种动态频谱共享的新策略。认知无线电(CognitiveRadio,CR)技术就是在此背景下被推上无线通信的历史舞台。认知无线电是一种能够根据不断变化的无线电磁环境，感知其周围的电磁环境状态，并根据所感知的状态自适应地改变自身无线传输参数无线技术。频谱感知技术在认知无线电中起着至关重要的作用，是认知无线电技术应用的基础。认知无线电设备为了高效地进行感知频谱，通常需要感知一个宽频段的无线频谱，来增加找到空闲频谱的可能性。如果认知无线电设备的采样速率要达到奈奎斯特采样率进行全信号恢复的话，这对采样设备要求很高同时也需要很大的计算量，这对大多数认知无线电应用来说是很困难的。可喜的是通常情况下，主用户并不是一直不间断地使用授权频谱，所以认知用户接受到的信号在频域通常是稀疏的。正是因为这种稀疏性，使得亚奈奎斯特压缩采样稀疏信号恢复成为可能，这大大降低了认知用户设备的要求，有利于认知无线电技术的快速应用。本专利技术考虑在实际的非高斯噪声环境中，提出鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法。针对非高斯噪声的冲击特性，提出基于最大互相关熵准则(MaximunCorrentropyCriteriaMCC)的信号估计算法，利用互相关熵的鲁棒性对冲击噪声产生的异常误差进行抑制，获得鲁棒的压缩感知性能。此外为了提高算法的收敛速度，将互相关熵引入度量(CorrentropyInducedMetric,CIM)作为惩罚项，使得算法快速收敛。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种鲁棒的宽带频谱感知方法，应用场景以认知无线电场景为例，但并不局限于认知无线电场景。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法，包括以下步骤：1)认知用户根据设置的欠采样率，进行亚来奎斯特采样，获得欠采样信号，然后根据全采样与欠采样的相互关系获得欠采样逆离散傅里叶变换子矩阵；2)经过步骤1)后，认知用户应用基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的在线频谱向量估计算法进行频谱估计，直至算法收敛，获得频谱向量估计，完成频谱感知任务。所述步骤1)中，认知用户根据所需检测的频谱设置全采样个数N和欠采样个数M，则欠采样率为Rsn＝M/N，然后认知用户以亚奈奎斯特采样率进行采样获得M维欠采样信号为其对应的全采样信号为同时根据M和N的关系可以获得欠采样矩阵U，U是N维单位阵的子集，它的行和y的元素是一一对应的，得到关系式y＝Uz+v，其中是噪声项，根据N×N维逆离散傅里叶变换矩阵W得到z＝WZ，其中为全采样信号z的频域信号，根据欠采样矩阵U，获得欠采样逆离散傅里叶变换子矩阵X＝UW，其中逆离散傅里叶变换矩阵W表示如下：式中则得到如下关系y＝XZ+v。步骤2)中，构建了基于互相关熵诱导度量的最大互相关熵准则，称为CIM-MCC的代价函数：式中：σmcc是鲁棒核宽度，其大小与算法的鲁棒性相关；e(n)是估计误差，e(n)＝y(n)-X(n)Z(n)；λC是惩罚权值参数；σcim是惩罚核宽度，与算法的稀疏惩罚力度有关；Zi(n)是第n个时刻第i个频谱向量元素的估计值，是基于最大互相关熵准则的代价函数，其作用是为了抑制非高斯噪声的鲁棒项；是基于互相关熵诱导度量的代价函数，利用频谱的稀疏性进行稀疏估计的惩罚项，用来加快频谱向量的估计速度。所述步骤2)中，基于互相关熵诱导度量的最大互相关熵准则的代价函数运用最陡下降算法进行频谱向量Z的估计，直至算法收敛，其更新公式如下：e(n)＝y(n)-X(n)Z(n)式中：μmcc为学习步长；为惩罚因子；所述的最陡下降算法，为了获得足够的输入观测数据，使得算法能收敛，构建循环输入观测信号：yin＝[y,y,...,y]TXin＝[X,X,...,X]T本专利技术的有益效果体现在：本专利技术所述的基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法，针对非高斯噪声的冲击特性，考虑了具有鲁棒特性的最大相关熵准则MCC作为优化代价函数，利用最大互相关准则可以有效抑制非高斯噪声，消除非高斯噪声对在线频谱估计学习算法的影响。同时为了加快稀疏估计的收敛速度，考虑了接近理想稀疏方法(NP难问题)l0-范数的互相关熵诱导度量CIM作为稀疏惩罚项。于传统方法相比，所提算法能够大大提高非高斯噪声中频谱向量估计收敛速度和收敛精度。附图说明图1为认知无线电应用场景示意图；图2为本专利技术基于在线鲁棒宽带频谱感知算法总流程图；图3为本专利技术所述基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法流程图；图4为本专利技术所述基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法学习收敛性能；图5为本专利技术所述基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法频谱感知结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术所提基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法，用CIM-MCC表示。该算法是一种在线稀疏估计算法，可以有效抑制非高斯噪声冲击特性，获得鲁棒的学习性能，同时CIM-MCC算法引入了稀疏惩罚项，可以大大加快算法的收敛速度。基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法，步骤如下：1)认知用户以亚奈奎斯特采样率进行采样获得M维欠采样信号为其对应的N维全采样信号设为其中N＞M，欠采样率为Rsn＝M/N。那么可以得到以下关系y＝Uz+v其中U是欠采样矩阵，它是单位阵的子集，它的行和y的元素是一一对应的；是噪声项。在认知无线电宽带频谱感知中，通常主用户并不是一直不间断地使用授权频谱，所以认知用户接收信号的频域通常是稀疏的。下面设为全采样信号z的频域信号，称为频谱向量，那么可以得到如下表达式：z＝WZ式中：W是N×N维逆离散傅里叶变换(InverseDiscreteFourierTransform,IDFT)矩阵，表示如下：根据z的频谱稀疏性的假设，Z是一个稀疏向量，并且假设非零元素的个数为S，且满足S＜＜N。将上式带入式y＝Uz+v可得：y＝UWZ+v＝XZ+v式中：X＝UW，X是W的子集，其中X与欠采样信号y的元素一一对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法，其特征在于：包括以下步骤：1)认知用户根据设置的欠采样率，进行亚来奎斯特采样，获得欠采样信号，然后根据全采样与欠采样的相互关系获得欠采样逆离散傅里叶变换子矩阵；2)经过步骤1)后，认知用户应用基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的在线频谱向量估计算法进行频谱估计，直至算法收敛，获得频谱向量估计，完成频谱感知任务。

【技术特征摘要】
1.基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法，其特征在于：包括以下步骤：1)认知用户根据设置的欠采样率，进行亚来奎斯特采样，获得欠采样信号，然后根据全采样与欠采样的相互关系获得欠采样逆离散傅里叶变换子矩阵；2)经过步骤1)后，认知用户应用基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的在线频谱向量估计算法进行频谱估计，直至算法收敛，获得频谱向量估计，完成频谱感知任务。2.根据权利要求1所述一种基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法，其特征在于：所述步骤1)中，认知用户根据所需检测的频谱设置全采样个数N和欠采样个数M，则欠采样率为Rsn＝M/N，然后认知用户以亚奈奎斯特采样率进行采样获得M维欠采样信号为其对应的全采样信号为同时根据M和N的关系可以获得欠采样矩阵U，U是N维单位阵的子集，它的行和y的元素是一一对应的，得到关系式y＝Uz+v，其中是噪声项，根据N×N维逆离散傅里叶变换矩阵W得到z＝WZ，其中为全采样信号z的频域信号，根据欠采样矩阵U，获得欠采样逆离散傅里叶变换子矩阵X＝UW，其中逆离散傅里叶变换矩阵W表示如下：式中则得到如下关系y＝XZ+v。3.根据权利要求1所述一种基于最大互相关熵准则鲁棒稀疏的宽带频谱感知算法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲桦，徐西光，赵季红，闫飞宇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61