專利名稱：基于雙譜對角切片實現(xiàn)頻譜感知的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信領域，特別涉及基于雙譜對角切片實現(xiàn)頻譜感知的方法。
技術背景
認知無線電(Cognitive Radio)是為了解決未來無線通信中可用頻譜資源緊缺， 傳統(tǒng)固定頻譜分配機制利用率不高而提出的一種頻譜共享技術，認知無線電通過對周圍無 線環(huán)境進行頻譜感知(Spectrum Sensing)，并基于頻譜感知的結果選擇合適的空閑工作頻 段，調整無線傳輸參數(shù)，即避免了對該頻段上有使用許可用戶系統(tǒng)的干擾，又保證了認知設 備的傳輸。認知無線電中一個關鍵技術和實現(xiàn)的前提就是如何保證準確而快速的進行頻譜 感知。在認知無線電系統(tǒng)中，常見的單節(jié)點頻譜感知方法包括能量檢測，匹配濾波器，循 環(huán)平穩(wěn)特征檢測等，這些感知方法都存在著不足，如能量檢測器雖然實現(xiàn)比較簡單，但是容 易受到信道和噪聲不確定性的影響。在單節(jié)點頻譜感知的基礎上基于協(xié)作的辦法提出了協(xié) 作感知的方法，即融合多個認知設備頻譜感知的結果做出總的判決，從而能降低由于無線 信道衰落或陰影對感知性能的影響。在認知無線電系統(tǒng)中，常見的頻譜感知方法按照參與感知的節(jié)點及其方式分可以 分為單節(jié)點感知，多節(jié)點協(xié)作感知和網(wǎng)絡輔助感知三類。這三類感知方法各有其優(yōu)缺點，單 節(jié)點感知的優(yōu)點在于實現(xiàn)簡單，不需要節(jié)點之間交互控制信息和數(shù)據(jù)信息。缺點是感知性 能容易受到無線信道衰落或陰影的影響。多節(jié)點協(xié)作感知的方法，即融合多個認知設備頻 譜感知的結果做出總的判決，能降低由于無線信道衰落或陰影對感知性能的影響。但是由 于多個認知設備協(xié)同工作會帶來很多問題，如需要增加信道來傳輸交互各自的感知信息， 增加了處理的時延。此外由于惡意節(jié)點的出現(xiàn)可能會破壞感知結果。在單節(jié)點感知技術中，匹配濾波器和循環(huán)平穩(wěn)特性檢測都屬于信號特征檢測的方 法，需要檢測端事先知道主系統(tǒng)用戶的信號特點。而能量檢測則是一種盲檢測技術，因此具 有較大的適應范圍，并且實現(xiàn)起來比較簡單。但是缺點在于不確定的噪聲容易造成檢測錯 誤。此外，無線信道的衰落也會影響檢測性能。針對盲檢測技術，我們需要解決如下幾個方面的問題1)應該具有對抗噪聲不確定性的能力，即檢測性能與噪聲功率變化無關，這樣可 以避免對噪聲進行估計。2)在低信噪比的情況下也能實現(xiàn)檢測，這樣可以提高檢測性能，從而避免由于漏 檢，次要用戶給主用戶帶來干擾。應用場景如圖1所示，主用戶(Primary User)和認知次要用戶(Secondary User) 共享使用頻譜，要保證認知設備不會影響主用戶系統(tǒng)的正常工作。在IEEE 802. 22標準草案Dl. 0列舉的頻譜感知方法中提出了利用協(xié)方差矩陣結 合特征值的方法，但是存在著計算復雜，并且在低信噪比情況下檢測性能差，不能有效對抗 噪聲不確定性的缺點。此外在802. 22中有一個提案(802. 22_07/0359r0)提出利用信號的高階統(tǒng)計量和噪聲的高階統(tǒng)計量不同的性質來區(qū)分信號和噪聲，由于高斯噪聲的高階統(tǒng)計 量為0，而信號的高階統(tǒng)計量不為0，但是該提案的方法需要計算多階統(tǒng)計量，實現(xiàn)上比較 復雜，并且不夠直觀。

發(fā)明內容
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雙譜對角切片分析進 行頻譜感知和判決的方法。為實現(xiàn)上述目的，一種認知無線電中基于雙譜對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之后進行下變頻從射頻變到中頻或者基帶；b.下變頻之后的信號經(jīng)過濾波，得到要感知的頻段的接收信號；c.對濾波之后的信號抽樣量化，得到信號序列；d.抽樣后的接收信號序列計算其雙譜對角切片；e.將雙譜對角切片的幅值和門限進行比較，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，并減少了計算時間。


圖1是一個典型的認知無線電應用場景；圖2是基于雙譜對角切片的頻譜感知功能模塊示意圖；圖3為基于雙譜對角切片進行頻譜判別的流程圖；圖4為ATSC和無線麥克風信號在信噪比為-ISdB時的雙譜等高圖；圖5是這兩種信號的雙譜對角切片圖；圖6給出了基于ATSC信號和無線麥克風信號的雙譜對角切片進行頻譜判別的過 程；圖7仿真了基于雙譜對角切片的頻譜感知和基于能量檢測的頻譜感知在虛警概 率為90%情況下的檢測概率。
具體實施例方式本發(fā)明的方法構成如圖2所示。圖2給出基于雙譜對角切片的頻譜感知功能模塊 示意圖。接收到的射頻信號在下變頻到中頻之后進行模數(shù)轉換和下抽樣，然后經(jīng)過計算雙 譜對角切片之后，根據(jù)門限來判別存在主用戶信號的頻段。高階統(tǒng)計量最大的特征在于高斯噪聲的高階統(tǒng)計量(二階以上)等于零，因此通 過高階統(tǒng)計量能夠抑制高斯噪聲，但是傳統(tǒng)的高階統(tǒng)計量計算上比較復雜，因此可以選用 簡化的對角切片分析來簡化檢測過程。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)計量，對于信號x(t)，假設其傅里葉變換為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主對角線切片，就能得到雙譜對角切片，即讓ω1= ω2= ω，則雙譜對角切片可以表示為<formula>formula see original document page 5</formula>(3)可以看出雙譜對角切片B(W)可以根據(jù)信號的傅里葉變換X(W)及其共軛)(Jw)的 乘積直接計算，相對于雙譜減少了一維的運算量，在計算機仿真中也可以發(fā)現(xiàn)大概節(jié)省了 7 倍的運算時間。此外，還可以利用三階累積量對角切片的傅里葉變換來求雙譜對角切片，可 以進一步節(jié)省運算時間，三階累積量的定義為<formula>formula see original document page 5</formula>三階累積量的對角切片就是讓T1= T2= τ，則有<formula>formula see original document page 5</formula>(5)對三階累積量的對角切片求傅里葉變換，就可以得到雙譜對角切片的簡單計算<formula>formula see original document page 5</formula>其中，C3s(t)為三階累積量的對角切片，雙譜對角切片Β(ω)為三階累積量對角 切片的傅立葉變換，w表示的是頻域，τ表示的是時域延遲。對雙譜對角切片采用閾值比較就可以識別該頻段是否被主用戶信號占用?？傊@種利用雙譜對角切片的方法通過降維處理降低了計算雙譜的復雜度，利 用了高階統(tǒng)計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的精度。在實 現(xiàn)上，該方法簡單直觀，實現(xiàn)較簡單，特別適合于在低信噪比情況下窄帶信號的檢測。圖1為一個典型的認知無線電應用場景，主系統(tǒng)的發(fā)射端(PrimaryTransmitter) 發(fā)送信號到主系統(tǒng)的接收端(Primary Receiver)，而認知網(wǎng)絡則伺機占用主系統(tǒng)的工作頻 段，為了減少認知網(wǎng)絡對主系統(tǒng)的可能干擾，因此需要進行頻譜感知來檢測是否有主系統(tǒng) 在占用該頻段。在圖2中給出了基于雙譜對角切片的頻譜感知功能模塊示意圖，雙譜對角 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之后進行下變頻從射頻變到中頻或者基帶。2.下變頻之后的信號通過帶通濾波器，得到要感知的頻段的接收信號。3.然后對通過濾波器之后的信號抽樣量化，得到信號序列。4.抽樣后的接收信號序列根據(jù)(6)式計算其雙譜對角切片。5.雙譜對角切片的幅值和門限進行比較，判別出空閑的頻譜空洞。為了能更好的識別寬帶主用戶信號的工作頻段，空閑頻段的判別過程如圖3所 示1)首先搜索所有雙譜對角切片高于閾值T1的頻段，分別按頻率從低到高標記為
<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被占用頻段。如果f (Bi) -f (Bi+1) >門限T2,則繼續(xù)處理下一個頻段Bi+1。2. 3) i = i+1，繼續(xù)重復2. 2)處理下一個頻段。
3)當i =M時，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選 擇滿足需求的頻段作為次要用戶的工作頻段。
用仿真來說明基于小波包變換頻譜估計的性能，ATSC信號是美國有線電視的 信號格式，它采用的是8-VSB調制，仿真的中心頻率在7MHz，帶寬為5MHz，信號的信噪比 為-20dB。無線麥克風信號為模擬調頻信號，中心頻率為4MHz，帶寬為100kHz。在低信噪 比情況下傳統(tǒng)的能量檢測方法完全無法從噪聲中識別出信號。圖4為這兩種信號在信噪比 為-ISdB時的雙譜等高圖，可以看出不同的信號有著不同的雙譜特性。左圖的ATSC信號在 4. 5MHz-7. 5MHz的區(qū)域內幅值較大，而右圖的無線麥克風信號在4MHz的頻點處幅值最大。 圖5是這兩種信號的雙譜對角切片圖，可以看出通過雙譜對角切片可以反映出信號的頻譜 分布情況，尤其是對于窄帶信號的無線麥克風信號。圖6給出了基于ATSC信號和無線麥克 風信號的雙譜對角切片進行頻譜判別的過程，其中虛線陰影部分就是最后識別出來被占用 的頻段。用無線麥克風信號為例，圖7仿真了基于雙譜對角切片的頻譜感知和基于能量檢 測的頻譜感知在虛警概率為90%情況下的檢測概率?？梢钥闯鲈诘托旁氡鹊那闆r下，基 于雙譜對角切片的頻譜感知方法明顯由于能量檢測法，根據(jù)IEEE 802. 22對頻譜感知的需 求，即保證檢測概率為90%，基于雙譜對角切片的頻譜檢測可以在最低-14. 4dB信噪比的 情況下工作。從仿真結果可以看出基于雙譜對角切片的頻譜感知和判別具有更精確的檢測性 能，尤其是在低信噪比的情況下，由于雙譜對角切片利用信號的高階統(tǒng)計量具有抑制噪聲 的能力，因此雙譜對角切片檢測比傳統(tǒng)的盲檢測算法具有更好的性能。此外，雙譜對角切片 相對于其他高階統(tǒng)計量方法具有較低的計算復雜度。
權利要求
一種認知無線電中基于雙譜對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之后進行下變頻從射頻變到中頻或者基帶；b.下變頻之后的信號經(jīng)過濾波，得到要感知的頻段的接收信號；c.對濾波之后的信號抽樣量化，得到信號序列；d.抽樣后的接收信號序列計算其雙譜對角切片；e.將雙譜對角切片的幅值和門限進行比較，判別出空閑的頻譜空洞。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于按下式計算其雙譜對角切片<formula>formula see original document page 2</formula>其中，C3s(T)為三階累積量的對角切片，雙譜對角切片B(W)為三階累積量對角切片的 傅立葉變換，w表示的是頻域，τ表示的是時域延遲。
3.根據(jù)權利要求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，則將兩個頻 段合并為一個被占用頻段。
全文摘要
一種認知無線電中基于雙譜對角切片的頻譜感知方法，包括步驟在天線接收到射頻信號之后進行下變頻從射頻變到中頻或者基帶；下變頻之后的信號經(jīng)過濾波，得到要感知的頻段的接收信號；對濾波之后的信號抽樣量化，得到信號序列；抽樣后的接收信號序列計算其雙譜對角切片；將雙譜對角切片的幅值和門限進行比較，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，并減少了計算時間。
文檔編號H04B17/00GK101807961SQ20091000672
公開日2010年8月18日 申請日期2009年2月13日 優(yōu)先權日2009年2月13日
發(fā)明者周雷, 許方敏 申請人:三星電子株式會社;北京三星通信技術研究有限公司