基于认知无线电的频谱感知装置、方法、程序制造方法及图纸

提供了一种基于认知无线电的频谱感知装置、方法、通信终端设备。该频谱感知装置包括：采样单元，其被配置成针对通过至少一个次用户的R根天线所接收到的来自主用户的信号，利用基于压缩感知的低于奈奎斯特速率的采样速率进行采样，其中R为大于1的自然数；恢复单元，其被配置成将通过采样单元所得到采样信号恢复成奈奎斯特速率的采样信号；以及频谱检测单元，其被配置成对通过恢复单元所恢复得到的信号进行频谱检测，以便得到关于在所述主用户可使用的频谱中空闲频谱的分布情况。根据本发明专利技术实施例的频谱感知装置、方法和通信终端设备将多天线技术与压缩频谱感知相结合，提高了检测性能。此外还可以降低实现的复杂度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及认知无线电技术，更具体地说涉及一种基于认知无线电的频谱感知技术，尤其是涉及基于多天线的压缩宽带频谱感知技术。
技术介绍
认知无线电中的压缩频谱感知技术结合了当前通信中蓬勃发展的认知无线电 (Cognitive Radio)技术和数字信号处理中新兴起的压缩感知(Compressed Sensing)理论，成为学者们的新研究热点。例如，可以从以下文献中获得有关认知无线电技术和压缩感知的相关知识 Jan F. Akyildiz ；Lee, Won-Yeol ；Vuran, Mehmet C. ；Mohanty, Shantidev, NeXtgeneration/dynamic spectrum access/cognitive radio wirelessnetworks A survey, Computer Networks, ν 50, η 13, p2127_2159, September 15, 2006 ；Donoho, D. L. ；Compressedsensing，，，Information Theory, IEEE Transactions on Volume 52, Issue 4, April 2006Page (s) 1289-1306 ； VX R Candes, Ε. J. ； Tao, Τ. ,Near-Optimal Signal Recovery From RandomProjections :Universal Encoding Strategies ？，，， InformationTheory, IEEE Transactions on Volume 52, Issue 12, Dec. 2006Page(s) 5406-5425。2002年FCC的报告指出，被分配的频谱的利用率仅为15% 85%，并且随着时间的变化有较大的波动，该报告表明目前频谱资源的紧张不是由于频谱资源本身不够丰富， 而是由于某些被分配的频谱未被充分利用引起的，这一报告引发了对频谱管理方法即如何提高频谱利用率的广泛研究。与传统的固定频谱分配方案相比，研究者提出了动态频谱管理的新方法，其中认知无线电技术是实现动态频谱管理的最优选择，因为它与现有的通信系统保持了最好的后向兼容性。有关2002年FCC的报告，可参见以下文献“Federal CommunicationsCommission Spectrum Policy Task Force-Report of theSpectrum Efficiency Working Group,November 15,2002。认知无线电技术允许未授权的用户/次用户(unlicensed/secondary user)使用授权用户/主用户(licensed/primary user)暂时未使用的频段，但当主用户要重新接入该频段时，次用户要尽快地退出该频段，以免对主用户造成干扰。因此，准确而快速的频谱感知技术是实现认知无线电技术的前提和必要条件。实际上，认知无线电系统要求在很宽的带宽范围内迅速准确地寻找到空闲的频谱和检测到有主用户重新接入的情况。但是这一要求给实际系统的实现带来了很大的挑战一方面，宽带的频谱感知方法要求次用户的终端配备高速率和高精度的AD转换器，但是当系统要求在几GHz内迅速确定频谱空洞和主用户的存在时，它对AD转换器的需求已经超过了现有AD转换器的性能极限；另一方面， 由于无线通信环境中的多径、阴影衰落和噪声的影响，迅速准确的频谱检测在实际的通信环境中也是很难做到的。例如，可参见如下文献以获得这方面的知识Zhi Quan ；Shuguang Cui ；Poor, H. ；Sayed, A. ,Collaborative wideband sensing for cognitive radios，，， SignalProcessing Magazine, IEEE Volume 25, Issue 6, November2008Page(s) :60_73o令人高兴的是最近学者发现了频谱在很宽的带宽上呈现稀疏性，而稀疏性又是压缩感知理论的关键词。压缩感知理论指出，如果一个信号在某个正交基上呈现稀疏性，那么就能以低于奈奎斯特速率(Sub-Nyquist)的数据采样，并能够以较高的概率恢复出原始信号。因此这为解决宽带频谱感知方法中遇到的瓶颈之一极高速率的AD转化器，提供了解决方案，并在理论上给予了指导。这就是认知无线电中的压缩宽带频谱感知方法。例如，从如下文献可以获得有关压缩宽带频谱感知的有关知识Zhi Tian ； Giannakis, G. B. ,Compressed Sensing forffideband Cognitive Radios，，Acoustics, Speech and SignalProcessing,2007. ICASSP 2007. IEEE International Conferenceon Volume 4，15_20April 2007Page(s) :IV-1357-IV-1360 ；以及 Zhuizhuan Yu ；Hoyos, S. ；Sadler, B. Μ. , Mixed-signalparallel compressed sensing and reception for cognitive radio，，，Acoustics, Speech and Signal Processing, 2008. ICASSP 2008. IEEE International Conference on March 312008-April 42008Page(s) :3861_38640压缩感知理论中的数学模型为y = Ax，其中χ是K稀疏的向量，信号的长度为 MXl ;A为mXM的随机的测量矩阵，且矩阵A中的元素一般服从高斯分布或者伯努利分布； y为mXl的测量向量，其中m<< Μ。综上所述，压缩宽带频谱感知方法解决了认知无线电中的宽带频谱感知方法中遇到的第一个难题，即实现极高速率的AD转换器；但是压缩感知的引入在降低了采样速率的同时，也降低了宽带频谱感知的检测性能，这使得宽带频谱感知中的第二个难题更加难以解决。因此，宽带频谱感知中的低检测性能这一难题亟需进一步解决。
技术实现思路
鉴于上述现有技术中存在的问题，根据本专利技术的实施例提供了一种基于认知无线电的频谱感知装置，包括采样单元，其被配置成针对通过至少一个次用户的R根天线所接收到的来自主用户的信号，利用基于压缩感知的低于奈奎斯特速率的采样速率进行采样，其中R为大于1的自然数；恢复单元，其被配置成将通过采样单元所得到采样信号恢复成奈奎斯特速率的采样信号；以及频谱检测单元，其被配置成对通过恢复单元所恢复得到的信号进行频谱检测，以便得到关于在主用户可使用的频谱中空闲频谱的分布情况。根据本专利技术的另外的实施例，提供了一种基于认知无线电的频谱感知方法，包括采样步骤，用于针对通过至少一个次用户的R根天线所接收到的来自主用户的信号，利用基于压缩感知的低于奈奎斯特速率的采样速率进行采样，其中R为大于1的自然数；恢复步骤，用于将通过采本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于认知无线电的频谱感知装置，包括：采样单元，其被配置成针对通过至少一个次用户的Ｒ根天线所接收到的来自主用户的信号，利用基于压缩感知的低于奈奎斯特速率的采样速率进行采样，其中Ｒ为大于１的自然数；恢复单元，其被配置成将通过所述采样单元所得到采样信号恢复成奈奎斯特速率的采样信号；以及频谱检测单元，其被配置成对通过所述恢复单元所恢复得到的信号进行频谱检测，以便得到关于在所述主用户可使用的频谱中空闲频谱的分布情况。

【技术特征摘要】
1.一种基于认知无线电的频谱感知装置，包括采样单元，其被配置成针对通过至少一个次用户的R根天线所接收到的来自主用户的信号，利用基于压缩感知的低于奈奎斯特速率的采样速率进行采样，其中R为大于1的自然数；恢复单元，其被配置成将通过所述采样单元所得到采样信号恢复成奈奎斯特速率的采样信号；以及频谱检测单元，其被配置成对通过所述恢复单元所恢复得到的信号进行频谱检测，以便得到关于在所述主用户可使用的频谱中空闲频谱的分布情况。2.如权利要求1所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中所述采样单元包括合并子单元，其被配置成对通过所述R根天线接收到的来自主用户的信号按照预定的合并方式合并为一路信号；以及第一采样子单元，其被配置成对通过所述合并单元所合并的信号进行低于奈奎斯特速率的采样。3.如权利要求2所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中，所述预定的合并方式是以下中的任意一种等增益合并，最大比合并，选择合并。4.如权利要求1所述的基于认知无线电的频谱感知系统，其中所述采样单元包括多个第二采样子单元，其中的每一个第二采样子单元被配置成对通过所述R根天线中相应的一根天线所接收到的来自主用户的信号分别进行采样。5.如权利要求4所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中所述多个第二采样子单元中的每一个被配置成分别进行如下的采样操作 确定所述第二采样单元将要采用的并行采样支路数m，并在每个支路产生服从伯努利分布或者服从高斯分布的随机变化的序列P。(t)，其中m是大于1的正整数；对于每一支路，将所述随机变化的序列P。(t)通过扩序调制的方式调制为随机变化的序列P’。(t)，使得由针对所有m个支路进行扩序调制而得到的随机变化的序列所组成的测量矩阵满足任意2K列线性无关的条件，其中随机变化的序列p’。(t)中元素的数量大于随机变化的序列P。(t)中元素的数量，且K为正整数；将从所述R根天线中相应的一根天线所接收的主用户的信号x(t)与为每一个支路确定的随机序列P’。(t)相乘；将相乘得到的序列通过具有预定截止频率的低通滤波器；以及将通过低通滤波器的信号按照所述预定截止频率的两倍的速率进行采样，得到与所述相应的一根天线相关的并行的m路采样信号。6.如权利要求4或5中任一项所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中所述恢复单元包括天线选择子单元，其被配置成根据所述R根天线对应的通信信道的状态信息，从所述R 根天线中选出信道状况最好的第j天线，或者在无法获知所述R根天线的通信信道的状态信息的情况下从R根天线中任选出第j天线；非零元素确定子单元，其被配置成对所述第j天线上的信号进行恢复，以便获得该天线上的接收信号的非零元素的位置信息和幅值信息；以及信号恢复子单元，其被配置成根据所述非零元素确定子单元确定的非零元素的信息得到所述R根天线中除了第j天线以外的天线上的非零元素的位置信息，以便将通过所述采样单元从所述R根天线采样得到的采样信号恢复成奈奎斯特速率的采样信号。7.如权利要求6所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中，所述信号恢复子单元被配置成通过如下操作将采样信号恢复成奈奎斯特速率的采样信号确定所述采样单元在进行采样时使用的随机测量矩阵A中与各天线中非零元素位置相对应的位置的列；使所确定的随机测量矩阵A的各列形成矩阵As ；根据矩阵As采用最小二乘法或者利用矩阵As的伪逆，将所述采样信号恢复为奈奎斯特速率的采样信号。8.如权利要求4或5所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中所述恢复单元包括测量信号建模子单元，其被配置成将所述R根天线所接收的信号构建为多维测量向量 MMV模型Y = AX，其中，每根天线上采用相同的测量矩阵A，每根天线上采样得到的信号yi 为一个mXl维的离散信号，由所述R根天线上采样得到的R个mXl维的向量构成mXR的矩阵Y= [yi;y2,...yE]；以及信号恢复子单元，其被配置成求解由所述测量信号建模子单元构建的MMV模型Y = AX， 以便得到MXR维的矩阵X，其中矩阵X的第i列对应于所述R根天线中第i根天线上恢复出来的信号。9.如权利要求8所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中，所述信号恢复子单元被配置成通过M-BMP方法求解MMV模型，其中，在寻找测量矩阵A中与矩阵Y最对齐的列的迭代过程中，每一次迭代完成后将与该迭代有关的矩阵A中的找到的最对齐的列置零。10.如权利要求4-9中任一项所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中所述频谱检测单元包括信号合并子单元，其被配置成通过按照预定方式将所述恢复单元恢复的奈奎斯特速率速率的采样信号合并为一路信号；以及第一频谱检测子单元，其被配置成通过预定算法对合并的信号进行检测，以确定在所述主用户可使用的频谱中空闲频谱的分布情况。11.如权利要求10所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中所述信号合并子单元被配置成通过等增益合并EGC、最大比合并MRC、选择合并SC和平方律合并SLC中的任意一种合并方式来将所述恢复单元恢复的奈奎斯特速率的采样信号合并为一路信号；以及所述第一频谱检测子单元被配置成采用能量检测、循环特征检测和匹配滤波检测中任意一种方法来对合并的信号进行频谱检测。12.如权利要求4-9所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中所述频谱检测单元包括第二频谱检测子单元，其被配置成对于针对所述R根天线中每一根所恢复的奈奎斯特速率信号进行分别的频谱检测；以及判决子单元，其被配置成按照预定的规则对所述第二频谱检测单元获得的针对所有 R根天线的检测结果进行分析，以便确定在所述主用户可使用的频谱中空闲频谱的分布情况。13.如权利要求12所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中所述预定的规则是“AND”、“0R”和“K out of N”中的任意一种，所述判决子单元被配置成通过所述预定规则来判断在所述主用户可使用的频谱中特定频谱是否被主用户占用。14.如权利要求10-13中任一项所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中，所述第一频谱检测子单元或所述第二频谱检测子单元包括频谱分段部件，其被配置成将所述主用户可使用的频谱划分成Q段，Q是大于1的正整数；频谱检测部件，其被配置成针对由所述频谱划分部件所划分的Q段频谱中的每一段， 利用能量检测方式进行频谱检测，以便确定在所述主用户可使用的频谱中空闲频谱的分布情况。15.如权利要求14所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中，通过所述R根天线接收的信号为宽带信号，以及其中所述频谱分段部件被配置成对所述宽带信号进行均勻分段；以及所述频谱检测部件被配置成如果检测到有主用户存在的频段，则使所述频谱分段部件在该连续的频段上以更小的间隔划分，以便所述频谱检测部件针对划分得到的频段以所述能量检测进行频谱检测以确定是否存在没有被主用户占用的频谱。16.如权利要求14所述的基于认知无线电的频谱感知装置，其中，通过所述R根天线接收的信号为宽带信号，以及其中所述频谱分段部件被配置成对通过R根天线中相应天线接收的时域信号求自相关函数R(t)； 对自相关函数R(t)求傅里叶变换FFT得到信号的功率谱密度P(f)； 对功率谱密度P(f)求导，以得到P(f)的斜率值，并将斜率值超过预定的第一门限值的点设定为信号的边缘位置；以及按照所述的边缘位置对所述主用户可使用的频谱进行划分； 所述频谱检测部件被配置成对划分得到的每段频谱积分求得每段上信号的功率；以及将每段信号上的功率与预定的第二门限值比较，以判断相应的频谱是否被主用户占用。17.—种通信终端设备，该通信终端设备包括如权利要求1-16中任一项所述的基于认知无线电的频谱感知装置。18...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔琪楣，杨现俊，陶小峰，杨锐，张雪菲，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：JP