專(zhuān)利名稱(chēng)：基于雙譜對(duì)角切片實(shí)現(xiàn)頻譜感知的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，特別涉及基于雙譜對(duì)角切片實(shí)現(xiàn)頻譜感知的方法。
技術(shù)背景
認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio)是為了解決未來(lái)無(wú)線通信中可用頻譜資源緊缺， 傳統(tǒng)固定頻譜分配機(jī)制利用率不高而提出的一種頻譜共享技術(shù)，認(rèn)知無(wú)線電通過(guò)對(duì)周?chē)鸁o(wú) 線環(huán)境進(jìn)行頻譜感知(Spectrum Sensing)，并基于頻譜感知的結(jié)果選擇合適的空閑工作頻 段，調(diào)整無(wú)線傳輸參數(shù)，即避免了對(duì)該頻段上有使用許可用戶系統(tǒng)的干擾，又保證了認(rèn)知設(shè) 備的傳輸。認(rèn)知無(wú)線電中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)的前提就是如何保證準(zhǔn)確而快速的進(jìn)行頻譜 感知。在認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，常見(jiàn)的單節(jié)點(diǎn)頻譜感知方法包括能量檢測(cè)，匹配濾波器，循 環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)等，這些感知方法都存在著不足，如能量檢測(cè)器雖然實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但是容 易受到信道和噪聲不確定性的影響。在單節(jié)點(diǎn)頻譜感知的基礎(chǔ)上基于協(xié)作的辦法提出了協(xié) 作感知的方法，即融合多個(gè)認(rèn)知設(shè)備頻譜感知的結(jié)果做出總的判決，從而能降低由于無(wú)線 信道衰落或陰影對(duì)感知性能的影響。在認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，常見(jiàn)的頻譜感知方法按照參與感知的節(jié)點(diǎn)及其方式分可以 分為單節(jié)點(diǎn)感知，多節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知和網(wǎng)絡(luò)輔助感知三類(lèi)。這三類(lèi)感知方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，單 節(jié)點(diǎn)感知的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要節(jié)點(diǎn)之間交互控制信息和數(shù)據(jù)信息。缺點(diǎn)是感知性 能容易受到無(wú)線信道衰落或陰影的影響。多節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知的方法，即融合多個(gè)認(rèn)知設(shè)備頻 譜感知的結(jié)果做出總的判決，能降低由于無(wú)線信道衰落或陰影對(duì)感知性能的影響。但是由 于多個(gè)認(rèn)知設(shè)備協(xié)同工作會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，如需要增加信道來(lái)傳輸交互各自的感知信息， 增加了處理的時(shí)延。此外由于惡意節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)可能會(huì)破壞感知結(jié)果。在單節(jié)點(diǎn)感知技術(shù)中，匹配濾波器和循環(huán)平穩(wěn)特性檢測(cè)都屬于信號(hào)特征檢測(cè)的方 法，需要檢測(cè)端事先知道主系統(tǒng)用戶的信號(hào)特點(diǎn)。而能量檢測(cè)則是一種盲檢測(cè)技術(shù)，因此具 有較大的適應(yīng)范圍，并且實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。但是缺點(diǎn)在于不確定的噪聲容易造成檢測(cè)錯(cuò) 誤。此外，無(wú)線信道的衰落也會(huì)影響檢測(cè)性能。針對(duì)盲檢測(cè)技術(shù)，我們需要解決如下幾個(gè)方面的問(wèn)題1)應(yīng)該具有對(duì)抗噪聲不確定性的能力，即檢測(cè)性能與噪聲功率變化無(wú)關(guān)，這樣可 以避免對(duì)噪聲進(jìn)行估計(jì)。2)在低信噪比的情況下也能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，這樣可以提高檢測(cè)性能，從而避免由于漏 檢，次要用戶給主用戶帶來(lái)干擾。應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示，主用戶(Primary User)和認(rèn)知次要用戶(Secondary User) 共享使用頻譜，要保證認(rèn)知設(shè)備不會(huì)影響主用戶系統(tǒng)的正常工作。在IEEE 802. 22標(biāo)準(zhǔn)草案Dl. 0列舉的頻譜感知方法中提出了利用協(xié)方差矩陣結(jié) 合特征值的方法，但是存在著計(jì)算復(fù)雜，并且在低信噪比情況下檢測(cè)性能差，不能有效對(duì)抗 噪聲不確定性的缺點(diǎn)。此外在802. 22中有一個(gè)提案(802. 22_07/0359r0)提出利用信號(hào)的高階統(tǒng)計(jì)量和噪聲的高階統(tǒng)計(jì)量不同的性質(zhì)來(lái)區(qū)分信號(hào)和噪聲，由于高斯噪聲的高階統(tǒng)計(jì) 量為0，而信號(hào)的高階統(tǒng)計(jì)量不為0，但是該提案的方法需要計(jì)算多階統(tǒng)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)上比較 復(fù)雜，并且不夠直觀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適合于低信噪比情況下快速通過(guò)雙譜對(duì)角切片分析進(jìn) 行頻譜感知和判決的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，一種認(rèn)知無(wú)線電中基于雙譜對(duì)角切片的頻譜感知方法，包括步 驟a.在天線接收到射頻信號(hào)之后進(jìn)行下變頻從射頻變到中頻或者基帶；b.下變頻之后的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，得到要感知的頻段的接收信號(hào)；c.對(duì)濾波之后的信號(hào)抽樣量化，得到信號(hào)序列；d.抽樣后的接收信號(hào)序列計(jì)算其雙譜對(duì)角切片；e.將雙譜對(duì)角切片的幅值和門(mén)限進(jìn)行比較，判別出空閑的頻譜空洞。本發(fā)明的方法可以快速和有效的尋找空閑的頻譜資源，并減少了計(jì)算時(shí)間。


圖1是一個(gè)典型的認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用場(chǎng)景；圖2是基于雙譜對(duì)角切片的頻譜感知功能模塊示意圖；圖3為基于雙譜對(duì)角切片進(jìn)行頻譜判別的流程圖；圖4為ATSC和無(wú)線麥克風(fēng)信號(hào)在信噪比為-ISdB時(shí)的雙譜等高圖；圖5是這兩種信號(hào)的雙譜對(duì)角切片圖；圖6給出了基于ATSC信號(hào)和無(wú)線麥克風(fēng)信號(hào)的雙譜對(duì)角切片進(jìn)行頻譜判別的過(guò) 程；圖7仿真了基于雙譜對(duì)角切片的頻譜感知和基于能量檢測(cè)的頻譜感知在虛警概 率為90%情況下的檢測(cè)概率。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方法構(gòu)成如圖2所示。圖2給出基于雙譜對(duì)角切片的頻譜感知功能模塊 示意圖。接收到的射頻信號(hào)在下變頻到中頻之后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和下抽樣，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算雙 譜對(duì)角切片之后，根據(jù)門(mén)限來(lái)判別存在主用戶信號(hào)的頻段。高階統(tǒng)計(jì)量最大的特征在于高斯噪聲的高階統(tǒng)計(jì)量(二階以上)等于零，因此通 過(guò)高階統(tǒng)計(jì)量能夠抑制高斯噪聲，但是傳統(tǒng)的高階統(tǒng)計(jì)量計(jì)算上比較復(fù)雜，因此可以選用 簡(jiǎn)化的對(duì)角切片分析來(lái)簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程。雙譜與傳統(tǒng)的功率譜不同，傳統(tǒng)的功率譜是一種二 階統(tǒng)計(jì)量，對(duì)于信號(hào)x(t)，假設(shè)其傅里葉變換為X (W)，則功率譜P (W)可以表示為Ρ(ω) = Χ(ω)Χ*(ω)(1)而雙譜則是三階統(tǒng)計(jì)量，雙譜B (W)可以表示為<formula>formula see original document page 4</formula>(2)如果在雙譜中取一個(gè)主對(duì)角線切片，就能得到雙譜對(duì)角切片，即讓?duì)?= ω2= ω，則雙譜對(duì)角切片可以表示為<formula>formula see original document page 5</formula>(3)可以看出雙譜對(duì)角切片B(W)可以根據(jù)信號(hào)的傅里葉變換X(W)及其共軛)(Jw)的 乘積直接計(jì)算，相對(duì)于雙譜減少了一維的運(yùn)算量，在計(jì)算機(jī)仿真中也可以發(fā)現(xiàn)大概節(jié)省了 7 倍的運(yùn)算時(shí)間。此外，還可以利用三階累積量對(duì)角切片的傅里葉變換來(lái)求雙譜對(duì)角切片，可 以進(jìn)一步節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，三階累積量的定義為<formula>formula see original document page 5</formula>三階累積量的對(duì)角切片就是讓T1= T2= τ，則有<formula>formula see original document page 5</formula>(5)對(duì)三階累積量的對(duì)角切片求傅里葉變換，就可以得到雙譜對(duì)角切片的簡(jiǎn)單計(jì)算<formula>formula see original document page 5</formula>其中，C3s(t)為三階累積量的對(duì)角切片，雙譜對(duì)角切片Β(ω)為三階累積量對(duì)角 切片的傅立葉變換，w表示的是頻域，τ表示的是時(shí)域延遲。對(duì)雙譜對(duì)角切片采用閾值比較就可以識(shí)別該頻段是否被主用戶信號(hào)占用?？傊?，這種利用雙譜對(duì)角切片的方法通過(guò)降維處理降低了計(jì)算雙譜的復(fù)雜度，利 用了高階統(tǒng)計(jì)量抑制高斯噪聲的優(yōu)良特性，從而提高在低信噪比情況下檢測(cè)的精度。在實(shí) 現(xiàn)上，該方法簡(jiǎn)單直觀，實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，特別適合于在低信噪比情況下窄帶信號(hào)的檢測(cè)。圖1為一個(gè)典型的認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用場(chǎng)景，主系統(tǒng)的發(fā)射端(PrimaryTransmitter) 發(fā)送信號(hào)到主系統(tǒng)的接收端(Primary Receiver)，而認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)則伺機(jī)占用主系統(tǒng)的工作頻 段，為了減少認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)對(duì)主系統(tǒng)的可能干擾，因此需要進(jìn)行頻譜感知來(lái)檢測(cè)是否有主系統(tǒng) 在占用該頻段。在圖2中給出了基于雙譜對(duì)角切片的頻譜感知功能模塊示意圖，雙譜對(duì)角 切片頻譜感知和判別的工作流程如下1.在天線接收到射頻信號(hào)之后進(jìn)行下變頻從射頻變到中頻或者基帶。2.下變頻之后的信號(hào)通過(guò)帶通濾波器，得到要感知的頻段的接收信號(hào)。3.然后對(duì)通過(guò)濾波器之后的信號(hào)抽樣量化，得到信號(hào)序列。4.抽樣后的接收信號(hào)序列根據(jù)(6)式計(jì)算其雙譜對(duì)角切片。5.雙譜對(duì)角切片的幅值和門(mén)限進(jìn)行比較，判別出空閑的頻譜空洞。為了能更好的識(shí)別寬帶主用戶信號(hào)的工作頻段，空閑頻段的判別過(guò)程如圖3所 示1)首先搜索所有雙譜對(duì)角切片高于閾值T1的頻段，分別按頻率從低到高標(biāo)記為
<formula>formula see original document page 5</formula>2)然后比較相鄰頻段的中心頻率的間隔，用f (Bi)表示第i個(gè)頻段Bi的中心頻率，2.1)初始化1 = 1。2.2)如果f(Bi)_f(Bi+1) <門(mén)限T2，那么就合并Bi和Bi+1頻段，即把從Bi頻段的最 低頻率和Bi+1頻段的最高頻率合并為一個(gè)被占用頻段。如果f (Bi) -f (Bi+1) >門(mén)限T2,則繼續(xù)處理下一個(gè)頻段Bi+1。2. 3) i = i+1，繼續(xù)重復(fù)2. 2)處理下一個(gè)頻段。
3)當(dāng)i =M時(shí)，即所有的被占用頻段都處理完成之后，在剩下的未被占用頻段內(nèi)選 擇滿足需求的頻段作為次要用戶的工作頻段。
用仿真來(lái)說(shuō)明基于小波包變換頻譜估計(jì)的性能，ATSC信號(hào)是美國(guó)有線電視的 信號(hào)格式，它采用的是8-VSB調(diào)制，仿真的中心頻率在7MHz，帶寬為5MHz，信號(hào)的信噪比 為-20dB。無(wú)線麥克風(fēng)信號(hào)為模擬調(diào)頻信號(hào)，中心頻率為4MHz，帶寬為100kHz。在低信噪 比情況下傳統(tǒng)的能量檢測(cè)方法完全無(wú)法從噪聲中識(shí)別出信號(hào)。圖4為這兩種信號(hào)在信噪比 為-ISdB時(shí)的雙譜等高圖，可以看出不同的信號(hào)有著不同的雙譜特性。左圖的ATSC信號(hào)在 4. 5MHz-7. 5MHz的區(qū)域內(nèi)幅值較大，而右圖的無(wú)線麥克風(fēng)信號(hào)在4MHz的頻點(diǎn)處幅值最大。 圖5是這兩種信號(hào)的雙譜對(duì)角切片圖，可以看出通過(guò)雙譜對(duì)角切片可以反映出信號(hào)的頻譜 分布情況，尤其是對(duì)于窄帶信號(hào)的無(wú)線麥克風(fēng)信號(hào)。圖6給出了基于ATSC信號(hào)和無(wú)線麥克 風(fēng)信號(hào)的雙譜對(duì)角切片進(jìn)行頻譜判別的過(guò)程，其中虛線陰影部分就是最后識(shí)別出來(lái)被占用 的頻段。用無(wú)線麥克風(fēng)信號(hào)為例，圖7仿真了基于雙譜對(duì)角切片的頻譜感知和基于能量檢 測(cè)的頻譜感知在虛警概率為90%情況下的檢測(cè)概率。可以看出在低信噪比的情況下，基 于雙譜對(duì)角切片的頻譜感知方法明顯由于能量檢測(cè)法，根據(jù)IEEE 802. 22對(duì)頻譜感知的需 求，即保證檢測(cè)概率為90%，基于雙譜對(duì)角切片的頻譜檢測(cè)可以在最低-14. 4dB信噪比的 情況下工作。從仿真結(jié)果可以看出基于雙譜對(duì)角切片的頻譜感知和判別具有更精確的檢測(cè)性 能，尤其是在低信噪比的情況下，由于雙譜對(duì)角切片利用信號(hào)的高階統(tǒng)計(jì)量具有抑制噪聲 的能力，因此雙譜對(duì)角切片檢測(cè)比傳統(tǒng)的盲檢測(cè)算法具有更好的性能。此外，雙譜對(duì)角切片 相對(duì)于其他高階統(tǒng)計(jì)量方法具有較低的計(jì)算復(fù)雜度。
權(quán)利要求
一種認(rèn)知無(wú)線電中基于雙譜對(duì)角切片的頻譜感知方法，包括步驟a.在天線接收到射頻信號(hào)之后進(jìn)行下變頻從射頻變到中頻或者基帶；b.下變頻之后的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，得到要感知的頻段的接收信號(hào)；c.對(duì)濾波之后的信號(hào)抽樣量化，得到信號(hào)序列；d.抽樣后的接收信號(hào)序列計(jì)算其雙譜對(duì)角切片；e.將雙譜對(duì)角切片的幅值和門(mén)限進(jìn)行比較，判別出空閑的頻譜空洞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于按下式計(jì)算其雙譜對(duì)角切片<formula>formula see original document page 2</formula>其中，C3s(T)為三階累積量的對(duì)角切片，雙譜對(duì)角切片B(W)為三階累積量對(duì)角切片的 傅立葉變換，w表示的是頻域，τ表示的是時(shí)域延遲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述判別出空閑的頻譜空洞包括步驟a.搜索所有雙譜對(duì)角切片高于閾值T1的頻段；b.比較相鄰頻段的中心頻率的間隔；c.當(dāng)所有被占用頻段都處理完成之后，在剩下的未被占用頻段內(nèi)選擇滿足需求的頻段 作為次要用戶的工作頻段。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于如果相鄰頻段之和小于閾值，則將兩個(gè)頻 段合并為一個(gè)被占用頻段。
全文摘要
一種認(rèn)知無(wú)線電中基于雙譜對(duì)角切片的頻譜感知方法，包括步驟在天線接收到射頻信號(hào)之后進(jìn)行下變頻從射頻變到中頻或者基帶；下變頻之后的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，得到要感知的頻段的接收信號(hào)；對(duì)濾波之后的信號(hào)抽樣量化，得到信號(hào)序列；抽樣后的接收信號(hào)序列計(jì)算其雙譜對(duì)角切片；將雙譜對(duì)角切片的幅值和門(mén)限進(jìn)行比較，判別出空閑的頻譜空洞。本發(fā)明的方法可以快速和有效的尋找空閑的頻譜資源，并減少了計(jì)算時(shí)間。
文檔編號(hào)H04B17/00GK101807961SQ20091000672
公開(kāi)日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2009年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日
發(fā)明者周雷, 許方敏 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社;北京三星通信技術(shù)研究有限公司