專利名稱：一種認(rèn)知無(wú)線電中檢測(cè)授權(quán)用戶到達(dá)角的頻譜感知方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中頻譜感知方法，更具體的涉及一種能夠檢測(cè)授 權(quán)用戶信號(hào)及到達(dá)角的方法。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展及無(wú)線業(yè)務(wù)的極大豐富，日益增加的無(wú)線電用戶使 頻譜資源越來(lái)越緊張，而目前所用到的頻譜只占所有可用頻譜的2%到6%。能夠動(dòng)態(tài)的管 理頻譜資源的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)正成為解決這個(gè)問題的熱點(diǎn)。認(rèn)知無(wú)線電作為一種智能的頻譜共享技術(shù)，能夠依靠人工智能的支持，感知無(wú)線 通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實(shí)時(shí)自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動(dòng)態(tài)地檢測(cè)和有 效地利用空閑頻譜，理論上允許在時(shí)間、頻率以及空間上進(jìn)行多維的頻譜復(fù)用。而頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，頻譜感知的目的是監(jiān)視和檢 測(cè)特定頻段上授權(quán)用戶信號(hào)的活動(dòng)情況，當(dāng)檢測(cè)到該頻段空閑時(shí)，認(rèn)知用戶可以使用該頻 段；當(dāng)授權(quán)用戶信號(hào)再次出現(xiàn)時(shí)，認(rèn)知用戶必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)退出該頻段。為了不對(duì)授權(quán)用 戶造成有害干擾，這就要求認(rèn)知用戶能夠?qū)崟r(shí)地連續(xù)偵聽頻譜，以提高檢測(cè)的可靠性。一般來(lái)說(shuō)，頻譜感知技術(shù)可以分為發(fā)射源檢測(cè)、合作檢測(cè)和干擾檢測(cè)。但是目前的 方法不能檢測(cè)授權(quán)用戶的多維信息，而且方法的本身也有一定的限制。目前研究人員正在 積極探索新的更加可靠的頻譜感知技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種能夠檢測(cè)授權(quán)用戶存在，并且可以獲得授權(quán)用戶的到達(dá)角信息 的多維頻譜感知算法。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的(1)由M個(gè)陣元組成線性陣列天線接收信號(hào)，在某時(shí)間段內(nèi)，第1個(gè)陣元接收的信 號(hào)為 X1U) (1 = 1，2，...M)。(2)把M個(gè)信號(hào)排列成一個(gè)列向量，矢量形式表示為X (t) = AS(t)+N(t)。(3)將X(t)的每個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣數(shù)為L(zhǎng)的采樣，然后通過一個(gè)待檢測(cè)頻段的帶通 濾波器?？傻媒邮招盘?hào)的抽樣陣列數(shù)據(jù)X1 (t)。(4)求抽樣陣列數(shù)據(jù)X1 (t)的協(xié)方差矩陣，》= + 不岑"。 (5)對(duì)左進(jìn)行特征分解有，》=UsZsU/ + UnWh，式中，Us是大特征值對(duì)應(yīng)的特 征矢量張成的信號(hào)子空間，Un是小特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量張成的噪聲子空間。 (6)由導(dǎo)向矢量和噪聲子空間可得譜估計(jì)公式為，= 二 二)"、，以
α (β、υNUΝ α(θ)
空間譜Pmusk的統(tǒng)計(jì)平均值作為判斷參量，因?yàn)榫€性陣列的信號(hào)參數(shù)搜索范圍為[-90°，
_ ι 90°
90° ]，所以I = ; Σ 4默砂
i OU ^=-90°
(7)通過試驗(yàn)求得滿足虛警概率Pf門限值Y。(8)將T與門限值Y進(jìn)行比較，如果T大于門限值Y，說(shuō)明主用戶信號(hào)存在；反 之，授權(quán)用戶信號(hào)不存在。(9)當(dāng)授權(quán)用戶信號(hào)存在時(shí)，授權(quán)用戶的到達(dá)角以最小優(yōu)化搜索實(shí)現(xiàn)，即θ SIC = argeminaH(0)UNUNHa(0)o本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，提出了一種能夠檢測(cè)授權(quán)用戶多維信息的頻譜感知技術(shù)。典型 的頻譜感知技術(shù)只能檢測(cè)授權(quán)用戶是否存在，而本發(fā)明在檢測(cè)到授權(quán)用戶的信號(hào)時(shí)，可以 獲得授權(quán)用戶的到達(dá)角。而且本方法以空間譜的統(tǒng)計(jì)平均值作為判斷參量，不依賴較高的 信噪比，比傳統(tǒng)的能量檢測(cè)有更好的檢測(cè)性能。
圖1是本方法的流程圖。圖2分別顯示了在不同天線個(gè)數(shù)的情況下，信噪比對(duì)到達(dá)角估計(jì)的均方誤差的影 響。圖3是本發(fā)明在信噪比SNR = -5的條件下，不同天線陣元數(shù)時(shí)的ROC曲線與能量 算法的ROC曲線對(duì)比。圖4是信噪比對(duì)檢測(cè)概率的影響。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及具體實(shí)例來(lái)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。(1)如圖1所示，首先由M陣元線性多天線系統(tǒng)接收某一時(shí)間段內(nèi)的窄帶遠(yuǎn)場(chǎng)信 號(hào)，由于各陣元接收到的信號(hào)相位不同，經(jīng)過合理的組合處理可以達(dá)到性能優(yōu)化的目的。假 設(shè)第1個(gè)陣元接收的信號(hào)為
Nχ； (0 = X gA (t -τ}[) + Yil (t)l = 1,2,...M
/=1式中，gli為第1個(gè)陣元對(duì)第i個(gè)信號(hào)的增益，ni(t)表示第1個(gè)陣元在t時(shí)刻的噪 聲，假設(shè)環(huán)境內(nèi)噪聲為高斯噪聲，均值為零，方差為σ2。τ u表示第1個(gè)陣元相對(duì)于參考陣 元的時(shí)延。(2)將M個(gè)陣元在特定時(shí)刻接收到的信號(hào)排列成一個(gè)列矢量，可得
"^,(Ο “響…gllVe—州、’"|ρ々η 「",(ο—V)=私W22 ... g2Ne-Ja^ s2(t) + n2(t)
gw'—1 ... “f vJk(oJ式中，(Oci為接收信號(hào)的頻率，假設(shè)陣列中各陣元是各向同性的且不存在通道不一 致，互耦等因素的影響，則上式中的增益可以省略(即歸一化為1)，這樣，上式可以簡(jiǎn)化為
^xi(01 「e—yiVl1 e^J0Va ···
X2 (0 ΓΛ e'J6hT22 ■■■ e'J0Vlx s Jt) n7(t). = . . . . 2. + .
._χ3 (0 J [e-.帥Μ e~mT"·2 ··· e~JCV"x [ ⑴」(t)
寫成矢量形式為，X(t) =AS(t)+N(t)。式中，X(t)為陣列的MXl維采樣數(shù)據(jù)矢 量，N(t)為陣列的MXl維噪聲數(shù)據(jù)矢量，S(t)為信號(hào)的NXl維矢量，A為空間陣列的MXN 維導(dǎo)向矢量陣，且
A= [B1(Co0)a2(COc^HaN(CO0)LqO0)= (3)將X(t)的每個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣數(shù)為L(zhǎng)的采樣，然后通過一個(gè)待檢測(cè)頻段的帶通 濾波器?？傻媒邮招盘?hào)的抽樣陣列數(shù)據(jù)X1 (t)。(4)求抽樣陣列數(shù)據(jù)X1 (t)的協(xié)方差矩陣，力=不I廣。(5)對(duì)》進(jìn)行特征分解有，》=仏工々/ +υΝΣΑ,υΝΗ，式中，Us是大特征值對(duì)應(yīng)的特 征矢量張成的信號(hào)子空間，Un是小特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量張成的噪聲子空間。(6)計(jì)算判斷參量I，山導(dǎo)向矢量和噪聲子空間可得譜估計(jì)公式為，
P畫C = HiaJeIari^ ，我們以空間譜的統(tǒng)計(jì)平均值作為判斷參量，又因?yàn)榫€陣的信號(hào) a (O)UnUn α{θ)
— 1 90°
參數(shù)搜索范圍為[-90°，90° ]，所以Ι = ‘ X Pmusic(O) °(7)通過試驗(yàn)求得滿足虛警概率Pf的門限值Y。在不同環(huán)境下，門限值是不同的。 不同的時(shí)間，頻段或地理位置都會(huì)對(duì)門限值造成影響。所以某一環(huán)境下門限值的確定，需要 在沒有授權(quán)用戶而只有高斯白噪聲的情況下，通過大量的對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算來(lái)獲得。具體 的實(shí)施方法為，重復(fù)使用(1) (6)的步驟，求出對(duì)應(yīng)的噪聲空間譜的統(tǒng)計(jì)平均值的集合 Iy1, Y2- Υν}，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的重采樣自舉法得到滿足虛警概率Pf的門限值Y。(8)將T與門限值Y進(jìn)行比較，如果T大于門限值Y，說(shuō)明接收信號(hào)的觀測(cè)值 在顯著性水平(即虛警概率)之上，則授權(quán)用戶信號(hào)存在；反之，當(dāng)T小于門限值Y時(shí)，授 權(quán)用戶信號(hào)不存在。(9)當(dāng)由(8)確定授權(quán)用戶存在時(shí)，即可求授權(quán)用戶的到達(dá)角，授權(quán)用戶的到達(dá)角 以最小優(yōu)化搜索實(shí)現(xiàn)，即θ MISic = argeminaH( θ )UNUNHa( θ )。下述實(shí)例仿真了正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制下的隨機(jī)信號(hào)在高斯噪聲(均值為0， 方差為1)環(huán)境下，算法的檢測(cè)性能和到達(dá)角估計(jì)精度。仿真過程中假設(shè)信源數(shù)小于天線陣 元數(shù)。圖2分別顯示了在不同天線個(gè)數(shù)的情況下，信噪比對(duì)到達(dá)角估計(jì)的均方誤差的影 響。從圖中可以看出，隨著信噪比的增大，到達(dá)角估計(jì)精度越高。而且，天線陣元個(gè)數(shù)的增 大也會(huì)提高到達(dá)角估計(jì)的精度。圖3是本發(fā)明在信噪比SNR = -5的條件下，不同天線陣元數(shù)時(shí)的ROC曲線。圖中 添加了能量檢測(cè)的ROC曲線以作對(duì)比。在相同信噪比的條件下，本發(fā)明的檢測(cè)性能明顯優(yōu) 于能量檢測(cè)，而且在不同天線陣元數(shù)的情況下，ROC曲線無(wú)明顯變化，所以在保證到達(dá)角估 計(jì)的精度的前提下，天線陣元數(shù)可以盡量減少。 圖4是信噪比對(duì)檢測(cè)概率的影響。
權(quán)利要求
一種認(rèn)知無(wú)線電中檢測(cè)授權(quán)用戶到達(dá)角的頻譜感知方法，其特征在于所述方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)由M個(gè)陣元組成線性陣列天線接收信號(hào)，在某時(shí)間段內(nèi)，第l個(gè)陣元接收的信號(hào)為xl(t)(l＝1，2，...M)。(2)把M個(gè)信號(hào)排列成一個(gè)列向量，矢量形式表示為X(t)＝AS(t)+N(t)。(3)將X(t)的每個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣數(shù)為L(zhǎng)的采樣，然后通過一個(gè)待檢測(cè)頻段的帶通濾波器?？傻媒邮招盘?hào)的抽樣陣列數(shù)據(jù)X1(t)。(4)求抽樣陣列數(shù)據(jù)X1(t)的協(xié)方差矩陣， <mrow><mover> <mi>R</mi> <mo>^</mo></mover><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>L</mi></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi></munderover><msub> <mi>X</mi> <mn>1</mn></msub><msup> <msub><mi>X</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>H</mi></msup><mo>.</mo> </mrow>(5)對(duì)進(jìn)行特征分解有，式中，US是大特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量張成的信號(hào)子空間，UN是小特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量張成的噪聲子空間。(6)由導(dǎo)向矢量和噪聲子空間可得譜估計(jì)公式為，以空間譜PMUSIC的統(tǒng)計(jì)平均值作為判斷參量，因?yàn)榫€性陣列的信號(hào)參數(shù)搜索范圍為[-90°，90°]，所以(7)通過試驗(yàn)求得滿足虛警概率Pf門限值γ。(8)將λ與門限值γ進(jìn)行比較，如果λ大于門限值γ，說(shuō)明主用戶信號(hào)存在；反之，授權(quán)用戶信號(hào)不存在。(9)當(dāng)授權(quán)用戶信號(hào)存在時(shí)，授權(quán)用戶的到達(dá)角以最小優(yōu)化搜索實(shí)現(xiàn)，即θMUSIC＝argθminaH(θ)UNUNHa(θ)。FSA00000047394200012.tif,FSA00000047394200013.tif,FSA00000047394200014.tif,FSA00000047394200015.tif
全文摘要
本發(fā)明一種認(rèn)知無(wú)線電中檢測(cè)授權(quán)用戶到達(dá)角的頻譜感知方法，涉及一種認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中頻譜感知方法，更具體的涉及一種能夠檢測(cè)授權(quán)用戶信號(hào)及到達(dá)角的方法。該方法的步驟為由線性陣列天線系統(tǒng)接收信號(hào)；以多重信號(hào)分類算法求得信號(hào)的空間譜；以空間譜的統(tǒng)計(jì)平均值λ作為判斷參量；通過試驗(yàn)求得滿足虛警概率Pf門限值γ；將λ與門限值γ進(jìn)行比較以判斷授權(quán)用戶是否存在；如果授權(quán)用戶存在，用最小優(yōu)化搜索求得授權(quán)用戶到達(dá)角。這種可以檢測(cè)授權(quán)用戶多維信息的方法為進(jìn)一步靈活運(yùn)用授權(quán)用戶頻段提供了條件。
文檔編號(hào)H04W16/14GK101808334SQ201010126350
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月15日
發(fā)明者呂瑩, 周賢偉, 李苗, 杜利平, 郭志立, 門玉蘋, 雷雨 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)