本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)，具體涉及一種基于累積量的合作認(rèn)知無線電頻譜感知方法。

背景技術(shù)：

1.頻譜感知

隨著各種無線業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)以及無線傳輸內(nèi)容的不斷豐富，越來越多的無線通信有著大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枨?。但是現(xiàn)有的靜態(tài)頻譜分配策略難以在不增加頻譜資源的前提下提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并且越來越多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明現(xiàn)有無線電頻譜資源分配并不合理，即在某些地區(qū)某些時(shí)候，一些頻段的頻譜資源使用非常緊張而另一些頻段則非常空閑。這種頻譜資源使用不均衡的情況導(dǎo)致了認(rèn)知無線電技術(shù)的出現(xiàn)。

認(rèn)知無線電的核心思想即時(shí)通過頻譜復(fù)用和共享，將所有頻譜資源充分共享，以達(dá)到增加傳輸速率的目的。認(rèn)知無線電將已經(jīng)獲得頻段授權(quán)的用戶稱之為授權(quán)用戶，而將試圖在該頻段空閑時(shí)接入該頻段的用戶稱之為認(rèn)知用戶。認(rèn)知用戶的主要目的就是通過周期性的頻譜感知監(jiān)測(cè)出授權(quán)用戶沒有使用授權(quán)頻段的時(shí)候，然后接入該頻段，從而提高自己的傳輸速率；并在授權(quán)用戶返回的時(shí)候，迅速離開從而不干擾到授權(quán)用戶。由此可見，頻譜感知作為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的前提和先決條件，是整個(gè)認(rèn)知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

具體來說，頻譜感知即是根據(jù)認(rèn)知用戶從待測(cè)頻帶上收集到的信號(hào)的特征，通過信號(hào)處理的方式來判斷授權(quán)用戶信號(hào)是否存在的一種技術(shù)。目前來說，頻譜感知方法從信號(hào)特點(diǎn)來分有基于能量的感知方法、基于相關(guān)特性的感知方法、基于循環(huán)平穩(wěn)的感知方法和基于累積量的感知方法，從用戶數(shù)量上分有單用戶感知方法、多用戶感知方法，從頻帶資源上分有單頻段感知方法、多頻段感知方法等等。這些頻譜感知方法適用于不同的無線通信環(huán)境和場(chǎng)合。但是頻譜感知的目的是明確的，即通過這些感知快速而準(zhǔn)確地對(duì)授權(quán)用戶是否存在進(jìn)行決策。

認(rèn)知無線電是一種革命性的從通信物理層改變無線通信的頻譜效率、功率效率、通信速率的技術(shù)。而頻譜感知是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其的技術(shù)研究具有關(guān)鍵性的意義。

2.累積量

累積量，即高階累積量，往往是指信號(hào)的三階以上的特性。信號(hào)的高階累積量往往可以由信號(hào)的特征函數(shù)和信號(hào)的矩給出，如果x＝[x₁,…,x_k]是一隨機(jī)向量，其r階累積量的生成函數(shù)Ψ(w₁,…,w_k)可從其特征函數(shù)Φ(w₁,…,w_k)得來，定義為：

特別地，取v₁＝…＝v_k＝1，我們便得到最常見的k階矩，并將它記作

如果x(t)為一k階平穩(wěn)隨機(jī)過程，則該過程的k階累積量c_kx(τ₁,…,τ_k-1)定義為：

可以證明，高斯信號(hào)的三階以上(含三階)的累積量俱為零，而非高斯信號(hào)的三階以上(含三階)的累積量不俱為零。由于在信號(hào)處理領(lǐng)域，噪聲一般被假設(shè)成加性的高斯白噪聲，這樣便于進(jìn)行信息提取、參數(shù)辨識(shí)以及各種信號(hào)處理。而大多數(shù)無線通信信號(hào)并不是高斯分布的，因此可以利用這樣一個(gè)特點(diǎn)，將高階累積量引入頻譜感知當(dāng)中，作為一個(gè)數(shù)學(xué)工具來判斷授權(quán)用戶信號(hào)的存在與否。

累積量在信號(hào)處理領(lǐng)域的使用范圍是相當(dāng)廣泛的，包括進(jìn)行非因果、非最小相位、非線性系統(tǒng)的辨識(shí)、信號(hào)特征的提取、CDMA多用戶信號(hào)檢測(cè)、ARMA(自回歸滑動(dòng)平均模型)模型參數(shù)估計(jì)、時(shí)頻分析、水下通信、機(jī)械故障診斷、船舶信號(hào)檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域都有涉及。具體在頻譜感知方面，具體關(guān)于累積量的一些研究算法包括：高階累積量及其多譜估計(jì)計(jì)算理論的方法，多重非參數(shù)化高階累積量頻譜感知算法，濾波器組高階累積量頻譜感知算法以及高階循環(huán)累積量頻譜感知算法等等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于累積量的合作認(rèn)知無線電頻譜感知方法，解決在多用戶合作條件下，如何使用累積量技術(shù)并充分利用搜集到的每個(gè)用戶的信息從而進(jìn)行更高準(zhǔn)確度判決的問題而提出的一種合作認(rèn)知無線電頻譜感知方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種基于累積量的合作認(rèn)知無線電頻譜感知方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟一：每個(gè)認(rèn)知用戶根據(jù)其天線所接收到的信號(hào)，構(gòu)建單用戶的非參數(shù)化判決統(tǒng)計(jì)量，并將這個(gè)判決統(tǒng)計(jì)量發(fā)送到認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)聚合中心；步驟二：在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)聚合中心，根據(jù)各個(gè)用戶發(fā)送的判決統(tǒng)計(jì)量，進(jìn)行多用戶合作加權(quán)系數(shù)的構(gòu)建；

步驟三：在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)聚合中心，根據(jù)給定的虛警概率，以及計(jì)算出的合作加權(quán)系數(shù)，構(gòu)建總的判決統(tǒng)計(jì)量；步驟四：根據(jù)合作加權(quán)系數(shù)計(jì)算判決門限，判斷授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)，其具體的判決規(guī)則為：在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)聚合中心，當(dāng)判決統(tǒng)計(jì)量大于或等于判決門限時(shí)，判決授權(quán)用戶信號(hào)出現(xiàn)，否則判決其為不出現(xiàn)。

進(jìn)一步的，所述步驟一中的單用戶的非參數(shù)化判決統(tǒng)計(jì)量的構(gòu)建包括以下步驟：假設(shè)第i個(gè)認(rèn)知用戶采集信號(hào)x⁽ⁱ⁾(t)，收到的樣本個(gè)數(shù)是T；計(jì)算其k階矩的估計(jì)量其k階累積量估計(jì)量是式中N_p是指由元素x⁽ⁱ⁾(t),x⁽ⁱ⁾(t+τ₁),…,x⁽ⁱ⁾(t+τ_k-1)構(gòu)成的不同的組合個(gè)數(shù)，而p是指其中第p個(gè)組合；定義一個(gè)具備N個(gè)累積量估計(jì)量的1XN維累積量估計(jì)量向量并計(jì)算其協(xié)方差矩陣最終得到單用戶的判決統(tǒng)計(jì)量并將通過無線鏈路發(fā)送到聚合中心。

進(jìn)一步的，步驟二包括以下具體步驟：假設(shè)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中有K個(gè)用戶，用上標(biāo)(i)表示第i個(gè)用戶，因而在聚合中心一共可以接收到K個(gè)單用戶的判決統(tǒng)計(jì)量令則合作加權(quán)系數(shù)為：

進(jìn)一步的，所述步驟三中的總的判決量的構(gòu)建：

進(jìn)一步的，所述步驟四中的判決門限的構(gòu)建：當(dāng)給定虛警概率P_fa的時(shí)候，基于累積量的多用戶合作判決的統(tǒng)計(jì)量分布近似為一個(gè)高斯分布，其門限由虛警概率P_fa以及合作加權(quán)系數(shù)聯(lián)合給出：式中Q^-1(P_fa)為Q函數(shù)的反函數(shù)，其具體函數(shù)形式為在聚合中心比較Δ_FC與γ_FC的大小從而判斷授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)，當(dāng)Δ_FC大于或等于γ_FC時(shí)，判斷信號(hào)出現(xiàn)，否則判斷信號(hào)沒有出現(xiàn)；

聚合中心估計(jì)得到此次判決的檢測(cè)概率：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明解決在多用戶分作條件下，采用基于累積量技術(shù)的條件下，而提供的一種合作感知方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法在2用戶和3用戶合作條件下樣本數(shù)量與檢測(cè)概率關(guān)系曲線圖；

圖2為本發(fā)明方法在2用戶和3用戶合作條件下ROC接收機(jī)特性曲線圖；

圖3為本發(fā)明方法在2用戶和3用戶合作條件下信噪比與檢測(cè)概率關(guān)系曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步解釋說明。

一種基于累積量的合作認(rèn)知無線電頻譜感知方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟一：每個(gè)認(rèn)知用戶根據(jù)其天線所接收到的信號(hào)，構(gòu)建單用戶的非參數(shù)化判決統(tǒng)計(jì)量，并將這個(gè)判決統(tǒng)計(jì)量發(fā)送到認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)聚合中心；步驟二：在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)聚合中心，根據(jù)各個(gè)用戶發(fā)送的判決統(tǒng)計(jì)量計(jì)算相應(yīng)的合作加權(quán)系數(shù)；步驟三：在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)聚合中心，根據(jù)給定的虛警概率，以及計(jì)算出的合作加權(quán)系數(shù)，構(gòu)建總的判決統(tǒng)計(jì)量；步驟四：根據(jù)合作加權(quán)系數(shù)計(jì)算判決門限，判斷授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)，其具體的判決規(guī)則為：在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)聚合中心，當(dāng)判決統(tǒng)計(jì)量大于或等于判決門限時(shí)，判決授權(quán)用戶信號(hào)出現(xiàn)，否則判決其為不出現(xiàn)。

具體實(shí)施例中：

①在具備K個(gè)用戶的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中，每個(gè)認(rèn)知用戶通過其射頻前端對(duì)待測(cè)頻段進(jìn)行信號(hào)采集，假設(shè)采集信號(hào)x⁽ⁱ⁾(t)(上標(biāo)i表示第i個(gè)認(rèn)知用戶)的T個(gè)樣本，首先計(jì)算其k階矩的估計(jì)量然后計(jì)算其k階累積量估計(jì)量是式中N_p是指由元素x⁽ⁱ⁾(t),x⁽ⁱ⁾(t+τ₁),…,x⁽ⁱ⁾(t+τ_k-1)構(gòu)成的不同的組合個(gè)數(shù)，而p是指其中第p個(gè)組合；然后定義一個(gè)具備N個(gè)累積量估計(jì)量的1XN維累積量估計(jì)量向量并計(jì)算其協(xié)方差矩陣最終得到單用戶的判決統(tǒng)計(jì)量并將通過無線鏈路發(fā)送到聚合中心。

②聚合中心首先對(duì)收集到的K個(gè)單用戶判決統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行預(yù)處理，其方式為取其三次根，即令然后再構(gòu)建合作加權(quán)系數(shù)：

③聚合中心在得到每個(gè)用戶的判決統(tǒng)計(jì)量以及合作加權(quán)系數(shù)的條件下，構(gòu)建總判決統(tǒng)計(jì)量：

④當(dāng)給定虛警概率P_fa的時(shí)候，基于累積量的多用戶合作判決的統(tǒng)計(jì)量分布近似為一個(gè)高斯分布，其門限可以由虛警概率P_fa以及合作加權(quán)系數(shù)聯(lián)合給出：

式中Q^-1(P_fa)為Q函數(shù)的反函數(shù)，其具體函數(shù)形式為因此，在聚合中心只需比較Δ_FC與γ_FC的大小即可以判斷授權(quán)用戶信號(hào)是否出現(xiàn)，當(dāng)Δ_FC大于或等于γ_FC時(shí)，判斷信號(hào)出現(xiàn)，否則判斷信號(hào)沒有出現(xiàn)。此外，聚合中心還可以估計(jì)得到此次判決的檢測(cè)概率：

通過以下仿真以進(jìn)一步說明本發(fā)明方法的可行性和有效性：

假設(shè)授權(quán)用戶信號(hào)是一個(gè)符號(hào)間隔頻率是載波頻率1/10的BPSK信號(hào)且接收時(shí)已進(jìn)行了5倍過采樣，加權(quán)窗是一個(gè)長(zhǎng)度為201，β參數(shù)為10的凱撒窗。圖1給出了本發(fā)明方法在虛警概率為0.01，信噪比為-3dB情況下，樣本數(shù)量與檢測(cè)概率對(duì)比曲線圖。從圖中可以看出本發(fā)明方法的有效性。圖2給出了本發(fā)明方法在信噪比為-6dB，樣本數(shù)量為8000的情況下，本發(fā)明方法的ROC接收機(jī)特性曲線圖。從圖中可以看出本發(fā)明方法的虛警概率與理論值吻合，因此本方法的門限設(shè)置是正確的。圖3給出了本發(fā)明方法在虛警概率為0.01，樣本數(shù)量為8000的情況下，信噪比與檢測(cè)概率對(duì)比曲線圖，同樣也證實(shí)了本發(fā)明方法的有效性。

以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。