專利名稱：一種基于多天線系統(tǒng)協(xié)方差矩陣的頻譜感知方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種認(rèn)知無線電頻譜感知問題，尤其是涉及一種基于多天線系統(tǒng)協(xié)方差矩陣的頻譜感知方法。
背景技術(shù)：
隨著信息時(shí)代的到來，無線通信在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的戰(zhàn)略作用，并滲透到社會各領(lǐng)域。無線通信發(fā)展顯現(xiàn)出高速化、寬帶化、異構(gòu)化和泛在化的趨勢。 與此同時(shí)，無線通信也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，隨著無線通信業(yè)務(wù)需求的快速增長，頻譜資源變得越來越稀缺。這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面首先，無線局域網(wǎng)(WLAN)、無線個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN) 等業(yè)務(wù)接入的非授權(quán)頻段已經(jīng)趨于飽和；其次，隨著越來越多的授權(quán)頻段頻譜被分配利用，可以提供給新業(yè)務(wù)使用的空閑頻段出現(xiàn)短缺。然而，美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)頻譜政策任務(wù)組的調(diào)查表明，由頻率管理部門分配的授權(quán)頻段在不同的時(shí)間段、不同的地理區(qū)域里的使用率在15%到85%之間，這些頻段大部分時(shí)間里未被占用，還有一些只是被部分占用，頻譜的利用情況極不平衡?？梢姰?dāng)前的頻譜短缺現(xiàn)狀并不是由于頻率資源物理上的不足，而主要是由于現(xiàn)有的固定頻譜分配管理機(jī)制導(dǎo)致頻譜利用率低造成的。認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR)技術(shù)的提出，為提高授權(quán)頻段頻譜利用率提供了一種新的解決思路。不管是非授權(quán)頻段的不同用戶之間共存，還是授權(quán)頻段的認(rèn)知無線電用戶和授權(quán)用戶的共存，為了保證不同用戶之間互不干擾，某個(gè)用戶在接入某段頻段之前，必須先判斷該頻段是否正在被其它用戶使用。也就是說在使用某段頻段之前，需要對該頻段進(jìn)行頻譜感知。當(dāng)頻譜感知結(jié)果是該段頻譜沒有被其它用戶使用時(shí)，則該用戶可以利用該頻段進(jìn)行通信，否則不能利用此頻段以免干擾正在使用此頻段的用戶。如果不進(jìn)行頻譜感知直接利用該段頻譜，則會造成對正在使用該頻譜的其它用戶的干擾，進(jìn)而造成頻譜利用率的下降 (即該段頻譜由于存在干擾而無法利用)。因此，頻譜感知是提高頻譜效率的關(guān)鍵技術(shù)之
ο頻譜感知方法分為協(xié)作頻譜感知方法和單點(diǎn)頻譜感知方法兩大類。其中，協(xié)作頻譜感知方法是利用多個(gè)用戶之間的協(xié)作進(jìn)行頻譜感知。單點(diǎn)頻譜感知方法只利用一個(gè)認(rèn)知用戶對頻譜進(jìn)行感知?，F(xiàn)有的單點(diǎn)頻譜感知方法主要有匹配濾波器檢測、能量檢測，循環(huán)特征檢測和基于協(xié)方差的檢測等方法。其中匹配濾波器檢測法具有較好的檢測性能，但它需要被檢測信號的全部先驗(yàn)知識，而被檢測信號的先驗(yàn)知識在大部分情況下是無法知道的。能量檢測方法被廣泛研究，其具有實(shí)現(xiàn)簡單、復(fù)雜度低且不需要信號先驗(yàn)知識等優(yōu)點(diǎn)，但是其存在一個(gè)較為嚴(yán)重的缺點(diǎn)，就是該方法對噪聲不確定性非常敏感。針對能量檢測方法對噪聲不確定性敏感的問題，Zeng等人在 2009年發(fā)表的《Spectrum-Sensing Algorithms for Cognitive Radio Based on Statistical Covariances))(認(rèn)知無線電中基于統(tǒng)計(jì)協(xié)方差的頻譜感知方法)中提出了一種基于統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣的頻譜感知方法，該方法利用了信號的時(shí)域相關(guān)性而噪聲時(shí)域不相關(guān)的特點(diǎn)，并且該方法對噪聲不確定性不敏感。Lee等人在2010年發(fā)表的《Antenna Correlation Based Spectrum Sensing in Cognitive Radio systems》(認(rèn)知無線電中基于天線相關(guān)性的頻譜感知方法)把基于統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣的頻譜感知方法從利用信號時(shí)域相關(guān)性推廣到了利用信號空域相關(guān)性。但是該方法在天線相關(guān)性較低的感知性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種通過對檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)，不需要預(yù)先知道噪聲功率就能夠有效提高頻譜感知性能的基于多天線系統(tǒng)協(xié)方差矩陣的頻譜感知方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種基于多天線系統(tǒng)協(xié)方差矩陣的頻譜感知方法，包括以下步驟①在頻譜感知之前，首先根據(jù)認(rèn)知無線電系統(tǒng)的天線個(gè)數(shù)，通過預(yù)設(shè)信號采樣次數(shù)和恒虛警概率，并利用計(jì)算機(jī)模擬的噪聲設(shè)定判決門限λ ；②在頻譜感知期間，用M個(gè)天線對監(jiān)測信道的信號進(jìn)行K次采樣，采樣得到的信號表示為 x(k) = [X1 (k), x2 (k), ...xm(k)…，xM(k)]T，其中 xm(k)表示第 m(m = 1,2,…，M) 個(gè)天線上第k(k= 1，2，…，K)次采樣的信號，上標(biāo)卜”表示轉(zhuǎn)置操作。然后對采樣信號進(jìn)行歸一化，即
權(quán)利要求
1.一種基于多天線系統(tǒng)協(xié)方差矩陣的頻譜感知方法，其特征在于包括以下步驟①在頻譜感知之前，首先根據(jù)認(rèn)知無線電系統(tǒng)的天線個(gè)數(shù)，通過預(yù)設(shè)信號采樣次數(shù)和恒虛警概率，并利用計(jì)算機(jī)模擬的噪聲設(shè)定判決門限λ ；②在頻譜感知期間，用M個(gè)天線對監(jiān)測信道的信號進(jìn)行K次采樣，采樣得到的信號表示為 x(k) = [Xl (k)，X2 (k)，…、㈨…，xM(k)]T，其中 xm(k)表示第 m(m= 1,2,…，Μ)個(gè)天線上第k(k=l，2，…，K)次采樣的信號，上標(biāo)卜”表示轉(zhuǎn)置操作。然后對采樣信號進(jìn)行歸一化，即i(k、=華’ k = 1,2,…,K 4式中4=ZLZ^K1㈨I/·表示采樣信號歸一化系數(shù)，I · I表示求絕對值操作；③利用歸一化的采樣信號計(jì)算協(xié)方差矩陣民，式中上標(biāo)(·)η表示共軛Λ k=l轉(zhuǎn)置操作；④利用協(xié)方差矩陣計(jì)算自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)；利用Rx的主對角線上下最臨近的兩條對角線ι M-I元素計(jì)算加權(quán)系數(shù)如下義=7^[[民一,《 + 1) +民一 + 1, )]，式中Rx(m，m+1)表示Rx的第M - I m=im行、第m+1列元素，Rx (m+1，m)表示Rx的第m+1行、第m列元素；Σ民一乂)⑤利用協(xié)方差矩陣和自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)計(jì)算加權(quán)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 ;=Kf^^，式中m=lRx(m，1)表示Rx的第m行、第1列元素；一，0表示Rx的所有非主對角線元素之和； ΣΚμΟ表示Rx的主對角線元素之和；m=l⑥判斷加權(quán)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Tx是否大于判決門限λ，如果是Tx> λ，則判決為監(jiān)測信道繁忙，否則，判決為監(jiān)測信道空閑。
2.一種基于多天線系統(tǒng)協(xié)方差矩陣的頻譜感知方法，其特征在于設(shè)定判決門限的具體步驟如下①-1將認(rèn)知無線電系統(tǒng)的天線個(gè)數(shù)記為Μ,預(yù)設(shè)的信號采樣次數(shù)記為K， 預(yù)設(shè)的恒虛警概率記為Pf ；①-2用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生M個(gè)天線上K次采樣的噪聲向量 n(k) = Ln1 (k), n2 (k), ...nm(k)…，nM(k) ]T，其中 nm(k)表示第 m(m= 1,2,…，Μ)個(gè)天線上第k(k= 1,2,…，K)次采樣的噪聲；①_3對模擬產(chǎn)生的噪聲向量進(jìn)行歸一化，即n(k) = ^-,k= 1,2,…，K，式中4 工二工二^網(wǎng)/·表示噪聲歸一化系數(shù)；①-4利用歸一化后的噪聲向量求協(xié)方差矩陣&如下⑷，式中上標(biāo)(·)Η表示Λ k=l共軛轉(zhuǎn)置操作；①-5利用Rn的主對角線上下最臨近的兩條對角線元素計(jì)算加權(quán)系數(shù)如M-I下 =τ^ΤΣ[Κπ_,Μ + 1) + :ΚΠ_ + 1,_]，式中 Rn(m，m+1)表示 Rn 的第 m 行、第 m+1 列M _ 1 m=1元素，Rn(m+1, m)表示Rn的第m+1行、第m列元素；①-6計(jì)算加權(quán)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量如下Tn=Wn^ ,、，式中Rn(m，l)表示Rn的第m行、第1列元素；yd , Λ表示Rn的所有非主m=lm^l對角線元素之和；ΣΚ 一，0表示Rn的主對角線元素之和；①-7利用蒙特卡洛方法對以上六m=l個(gè)步驟進(jìn)行Q次重復(fù)，重復(fù)次數(shù)Q ^ IO6,產(chǎn)生總共Q個(gè)加權(quán)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值；①_8定義判別式頭-力<^且ε < 10_4，將滿足上述判別式的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值定義為判決門限λ，式中q Q為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值大于λ的加權(quán)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值的個(gè)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多天線系統(tǒng)協(xié)方差矩陣的頻譜感知方法，在頻譜感知之前，先根據(jù)認(rèn)知無線電系統(tǒng)的天線個(gè)數(shù)，通過預(yù)設(shè)信號采樣次數(shù)和恒虛警概率，并對計(jì)算機(jī)模擬的噪聲信號進(jìn)行歸一化操作，設(shè)定判決門限λ；在頻譜感知期間，多天線系統(tǒng)對監(jiān)測信道上的信號進(jìn)行采樣，并對采樣獲得的信號進(jìn)行歸一化；然后利用歸一化的采樣信號計(jì)算協(xié)方差矩陣；利用協(xié)方差矩陣計(jì)算自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)；利用協(xié)方差矩陣和自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)計(jì)算加權(quán)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；判斷加權(quán)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量是否大于判決門限，如果是，則判決為監(jiān)測信道繁忙，否則，判決為監(jiān)測信道空閑；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于不但可以在天線相關(guān)性較高時(shí)獲得較好的感知性能，在天線相關(guān)性較低時(shí)仍然具有較佳的感知性能。
文檔編號H04B7/08GK102324959SQ201110155330
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者俞建定, 李有明, 金明 申請人:寧波大學(xué)