專利名稱：感知無線電的寬帶頻譜檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)，尤其涉及一種感知無線電的寬帶頻譜檢測(cè)裝置及方法。
背景技術(shù)：
無線電頻譜是一種寶貴的有限資源，由國家和特定組織統(tǒng)一分配授權(quán)使用。一個(gè)頻段通常只能供一個(gè)無線通信系統(tǒng)長期獨(dú)立使用，不同的無線通信系統(tǒng)為了不會(huì)出現(xiàn)互相干擾，必須使用不同的頻段。但是隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是近年來隨著數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的廣泛普及，無時(shí)無處不在的無線通信使得人們對(duì)頻譜資源的需求越來越旺盛，頻譜資源變得越來越稀缺。
解決頻譜資源稀缺的一個(gè)主要途徑是提高無線系統(tǒng)的傳輸效率，多發(fā)送/接收天線技術(shù)(MMO)已經(jīng)成了當(dāng)前以及未來無線通信的必然選擇。在MMO通信系統(tǒng)中，由于多個(gè)發(fā)送/接收天線的使用，大大地提高了系統(tǒng)的未知信道參數(shù)的數(shù)量，這些未知參數(shù)都需要使用已知的導(dǎo)頻或者訓(xùn)練信號(hào)估計(jì)得到。額外的導(dǎo)頻序列占用了大量的物理資源，因而多天線的使用對(duì)這些未知參數(shù)的估計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。此外，采用如卷積Turbo碼、高階調(diào)制等高級(jí)的調(diào)制編碼技術(shù)也是提高信道使用效率的方法之一，但是這些方法都無法顯著提高頻譜資源的利用效率。
另一方面，在傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中都采用了靜態(tài)的頻譜資源分配策略，其中各個(gè)用戶之間需要分配足夠的保護(hù)頻帶，以避免它們之間的互相干擾，因此當(dāng)沒有用戶數(shù)據(jù)傳輸時(shí)就會(huì)造成頻譜資源的浪費(fèi)。研究表明在一定地點(diǎn)的某一時(shí)刻，大量授權(quán)頻段都是沒有被利用的，這樣導(dǎo)致了頻譜資源的利用效率特別低下。
目前，已經(jīng)出現(xiàn)了改變傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)頻譜資源的分配策略，采用動(dòng)態(tài)資源管理機(jī)制可以從很大程度上解決頻譜資源緊張的局面。感知無線電技術(shù)首先是在2000年Mitola的博士論文中提出的,它的定義為:感知無線電是一種基于模型推理在無線電相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)特定能力水平的無線電。感知無線電的基本出發(fā)點(diǎn)是:為了提高頻譜資源的利用率，具有感知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“伺機(jī)(Opportunistic Way) ”的方式工作在已經(jīng)授權(quán)的頻段內(nèi)。這種在空域、時(shí)域和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源被統(tǒng)稱為“頻譜空洞”。
感知無線電的核心思想就是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并且能夠合理利用所發(fā)現(xiàn)的“頻譜空洞”的能力。感知無線電是一個(gè)可以感知無線電環(huán)境并相應(yīng)改變其頻譜使用方式的系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中感知用戶(也叫次要用戶)借助感知無線電技術(shù)主動(dòng)的搜索頻譜以尋求可以使用的頻譜空洞，然后利用這些頻譜空洞進(jìn)行有效的通信，在通信過程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的進(jìn)行參數(shù)控制，以避免對(duì)授權(quán)用戶(也叫主要用戶)可能產(chǎn)生的干擾。基于這一特點(diǎn)感知無線電的首要任務(wù)就是進(jìn)行頻譜檢測(cè)，查找能夠用來進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸?shù)念l譜空洞。
但是，在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷在于:由于感知無線電的首要任務(wù)之一就是探測(cè)寬帶無線資源中每一塊窄帶頻譜的占用情況，因而根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)采樣理論，寬帶的信號(hào)檢測(cè)將會(huì)導(dǎo)致A/D采樣器必須具有極高的采樣速率，這對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器的處理速度的要求也會(huì)大幅提高，從而導(dǎo)致硬件設(shè)備復(fù)雜度的增加和成本的大幅提1 。
以下列出本發(fā)明的參考文獻(xiàn)，通過引用將它們并入于此，如同在本說明書中作了詳盡描述。
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本發(fā)明實(shí)施例提供一種感知無線電的寬帶頻譜檢測(cè)裝置及方法，目的在于克服現(xiàn)有感知無線電系統(tǒng)中的寬帶 頻譜檢測(cè)技術(shù)的不足，既能避免釆用單一釆樣器時(shí)高釆樣率的缺點(diǎn)，同時(shí)又不需要子帶檢測(cè)器的多個(gè)射頻鏈路。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)方面，提供了一種感知無線電的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，所述寬帶頻譜檢測(cè)裝置包括:
低速率釆樣器，其對(duì)寬帶信號(hào)以低于奈奎斯特釆樣定理所要求的釆樣速率進(jìn)行釆樣；
頻譜重構(gòu)器，其根據(jù)所述低速率采樣器所獲得的采樣序列、以及預(yù)定的信號(hào)稀疏度，利用信號(hào)的稀疏特性進(jìn)行信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，以感知寬帶頻譜資源的使用狀況。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的又一個(gè)方面，提供了一種感知無線電的寬帶頻譜檢測(cè)方法，所述寬帶頻譜檢測(cè)方法包括:
對(duì)寬帶信號(hào)以低于奈奎斯特采樣定理所要求的采樣速率進(jìn)行采樣；
根據(jù)所獲得的采樣序列、以及預(yù)定的信號(hào)稀疏度，利用信號(hào)的稀疏特性進(jìn)行信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，以感知寬帶頻譜資源的使用狀況。
本發(fā)明實(shí)施例的有益效果在于:通過對(duì)寬帶信號(hào)以低于奈奎斯特采樣定理所要求的采樣速率進(jìn)行采樣，并利用信號(hào)的稀疏特性進(jìn)行信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，可以感知寬帶頻譜資源的使用狀況。由此，不僅大大降低了采樣速率，降低了對(duì)硬件的要求，而且可以對(duì)整個(gè)寬帶頻譜進(jìn)行檢測(cè)，避免了使用多個(gè)窄帶濾波器。
參照后文的說明和附圖，詳細(xì)公開了本發(fā)明的特定實(shí)施方式，指明了本發(fā)明的原理可以被采用的方式。應(yīng)該理解，本發(fā)明的實(shí)施方式在范圍上并不因而受到限制。在所附權(quán)利要求的精神和條款的范圍內(nèi)，本發(fā)明的實(shí)施方式包括許多改變、修改和等同。
針對(duì)一種實(shí)施方式描述和/或示出的特征可以以相同或類似的方式在一個(gè)或更多個(gè)其它實(shí)施方式中使用，與其它實(shí)施方式中的特征相組合，或替代其它實(shí)施方式中的特征。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，術(shù)語“包括/包含”在本文使用時(shí)指特征、整件、步驟或組件的存在，但并不排除一個(gè)或更多個(gè)其它特征、整件、步驟或組件的存在或附加。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的寬帶頻譜檢測(cè)裝置的構(gòu)成示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例的隨機(jī)采樣的示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例的隨機(jī)調(diào)制積分采樣的示意圖4是本發(fā)明實(shí)施例的隨機(jī)相乘采樣的示意圖5是本發(fā)明實(shí)施例的寬帶無線頻譜資源的一個(gè)實(shí)際占用情況的示意圖6是本發(fā)明實(shí)施例的寬帶無線頻譜的檢測(cè)結(jié)果示意圖7是本發(fā)明實(shí)施例的寬帶頻譜檢測(cè)方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施方式進(jìn)行說明。在說明書和附圖中，具體公開了本發(fā)明的特定實(shí)施方式，其表明了其中可以采用本發(fā)明的原則的部分實(shí)施方式，應(yīng)了解的是，這些實(shí)施方式只是示例性的，不是對(duì)本發(fā)明的限制。相反，本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的全部修改、變型以及等同物。
目前，由于現(xiàn)有頻譜資源分配策略中，低使用效率的寬帶頻譜總是被分成諸多的子帶，如果存在頻譜空洞，頻譜空洞總是以窄帶形式出現(xiàn)，不會(huì)有針狀空洞的出現(xiàn)。同樣被占用頻譜也是以窄帶形式出現(xiàn)，不會(huì)存在某一個(gè)無線系統(tǒng)僅僅使用非連續(xù)離散的頻點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
通常情況下，感知無線電系統(tǒng)中的寬帶頻譜檢測(cè)是在射頻前端使用一系列可調(diào)諧的窄帶帶通濾波器實(shí)現(xiàn)，且每一個(gè)窄帶濾波器只能對(duì)整個(gè)寬帶中的其中某個(gè)子帶進(jìn)行檢測(cè)。這種方法有一定的局限性，因?yàn)樗枰罅康纳漕l參數(shù)，而且每一個(gè)濾波器的調(diào)諧范圍必須預(yù)先設(shè)定?；谝陨戏治觯瑢拵Ц兄獰o線電頻譜檢測(cè)仍然是一件具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
本發(fā)明實(shí)施例提供給一種感知無線電的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，圖1是本發(fā)明實(shí)施例的寬帶頻譜檢測(cè)裝置的構(gòu)成示意圖，如圖1所示，所述寬帶頻譜檢測(cè)裝置包括:低速率采樣器101和頻譜重構(gòu)器102。
其中，低速率采樣器101對(duì)寬帶信號(hào)以低于奈奎斯特采樣定理所要求的采樣速率進(jìn)行采樣；頻譜重構(gòu)器102根據(jù)低速率采樣器101所獲得的采樣序列、以及預(yù)定的信號(hào)稀疏度，利用信號(hào)的稀疏特性進(jìn)行信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，以感知寬帶頻譜資源的使用狀況。
在本實(shí)施例中，該寬帶頻譜檢測(cè)裝置可以配置在感知用戶設(shè)備側(cè)，當(dāng)感知無線電基站端存在大量的數(shù)據(jù)需要向感知用戶設(shè)備傳輸時(shí)，感知用戶設(shè)備可以通過該頻譜檢測(cè)裝置，隨時(shí)進(jìn)行寬帶頻譜檢測(cè)。
進(jìn)一步地，該寬帶頻譜檢測(cè)裝置還可以包括；資源占用判決器；其中該資源占用判決器可以根據(jù)頻譜重構(gòu)器102得到的信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)，來判定寬帶信號(hào)上的一個(gè)或多個(gè)子帶是否被占用。
在具體實(shí)施時(shí)，感知用戶設(shè)備可以將整個(gè)頻帶劃分為許多子帶。可以根據(jù)信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)，來判定一個(gè)或多個(gè)子帶是否被占用，由此使用還沒有被占用的子帶。
在本實(shí)施例中，可以以遠(yuǎn)低于Nyquist采樣定理要求的速率對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行低速率采樣，并能以很高的檢測(cè)概率檢測(cè)出被占用的子帶以及頻譜空洞。由此克服現(xiàn)有感知無線電系統(tǒng)中的寬帶頻譜檢測(cè)技術(shù)的不足，既能避免采用單一采樣器時(shí)高采樣率的缺點(diǎn)，同時(shí)又不需要子帶檢測(cè)器的多個(gè)射頻鏈路。
在本實(shí)施例中，可以利用頻譜資源的稀疏特性，對(duì)被檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行低速率采樣，并基于稀疏采樣信號(hào)以低復(fù)雜度的檢測(cè)算法得到整個(gè)寬帶頻譜資源的使用狀況。以下通過具體的實(shí)例對(duì)該頻譜檢測(cè)裝置的構(gòu)成、實(shí)現(xiàn)步驟及工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
假設(shè)原始的寬帶信號(hào)的連續(xù)時(shí)域信號(hào)表示為s (t)，在Nyquist采樣速率(1/T)采樣條件下，該寬帶信號(hào)的離散序列可以表示為:st = [s(0),s(l),...，s (N-1) ]T，則信號(hào)的頻域可以表示為Sf = [S (O)，S (I)，...，S (N-1) ] Τ，且存在關(guān)系st = FHSf，其中，F(xiàn)為傅里葉變換矩陣。
在一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)于寬帶信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣，可以采用隨機(jī)抽樣的方法實(shí)現(xiàn)。該寬帶頻譜檢測(cè)裝置還可以包括:隨機(jī)采樣時(shí)鐘控制器，其控制采樣時(shí)鐘；并且，低速率采樣器101根據(jù)該采樣時(shí)鐘對(duì)寬帶信號(hào)的離散序列進(jìn)行隨機(jī)抽樣。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的隨機(jī)采樣的示意圖。如圖2所示，可以對(duì)原始寬帶信號(hào)的離散形式進(jìn)行隨機(jī)抽樣，假設(shè)抽樣矩陣為Q，其中Q的行數(shù)和列數(shù)分別為M和N，Q的每一行有且只有一個(gè)元素為I，且其在每一列的位置隨機(jī)分布，其余元素為O,則yt = Qst = QFaSf=OSf0
在具體實(shí)施時(shí)，采樣時(shí)鐘的相鄰兩個(gè)采樣時(shí)刻可以為奈奎斯特采樣間隔的整數(shù)倍。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的采樣矩陣為M行N列的寬矩陣,其中M行的每一行均有且只有一個(gè)元素為1，其余元素為零。由此可以得到輸入為信號(hào)頻譜，輸出為信號(hào)時(shí)域采樣序列的線性測(cè)量方程。
在具體實(shí)施時(shí)，采樣時(shí)鐘的相鄰兩個(gè)采樣時(shí)刻還可以為奈奎斯特采樣間隔的分?jǐn)?shù)倍。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的采樣矩陣為M行N列的寬矩陣,其中M行的每一行均有且只有一個(gè)元素為1，其余元素為零。此時(shí)，可以對(duì)信號(hào)的傅里葉變換矩陣做出相應(yīng)的調(diào)整，使得仍可以采用yt=OSf的形式。由此可以得到輸入為信號(hào)頻譜，輸出為信號(hào)時(shí)域采樣序列的線性測(cè)量方程。
在又一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)于寬帶信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣，可以采用隨機(jī)調(diào)制積分的方法實(shí)現(xiàn)。即:用一個(gè)偽隨機(jī)序列乘以原始寬帶信號(hào)的時(shí)域信號(hào)，然后對(duì)乘積信號(hào)進(jìn)行積分，再進(jìn)行等間隔均勻采樣。以此采樣方法得到的采樣方程構(gòu)成了寬帶頻譜估計(jì)的線性測(cè)量方程。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例的隨機(jī)調(diào)制積分采樣的示意圖。如圖3所示，該寬帶頻譜檢測(cè)裝置還可以包括:偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其產(chǎn)生偽隨機(jī)序列；乘法器，其將寬帶信號(hào)的離散序列與偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列相乘；積分器，其將乘法器得到的乘積序列進(jìn)行積分；并且，低速率采樣器101對(duì)積分器得到的積分結(jié)果進(jìn)行間隔均勻采樣。
在具體實(shí)施時(shí)，假設(shè)偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列為:p(0)，p(l)，...，P (N-1)，由其調(diào)制生成的連續(xù)信號(hào)記為P (t)，則它與時(shí)域信號(hào)相乘的結(jié)果為S (t) P (t)。
如圖3所示，可以對(duì)該信號(hào)在[(1-1) X (N/M) XT0,iX (N/M) XT0]區(qū)間內(nèi)進(jìn)行積分(M為一小于N的整數(shù)，i = 1,2,3,...)，提取出該時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)能量，然后以速率I/(MXT0)進(jìn)行采樣，最后得到的離散信號(hào)形式可以表示為It = [y(0)，y(l)，...，y(M-l)]T°。其中，Ttl即為Nyquist采樣速率(1/T)中的T。則yt等價(jià)于:
yt = HDst = HDFaSf = Φ Sf,
其中，
權(quán)利要求
1.一種感知無線電的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，所述寬帶頻譜檢測(cè)裝置包括: 低速率采樣器，其對(duì)寬帶信號(hào)以低于奈奎斯特采樣定理所要求的采樣速率進(jìn)行采樣；頻譜重構(gòu)器，其根據(jù)所述低速率采樣器所獲得的采樣序列、以及預(yù)定的信號(hào)稀疏度，利用信號(hào)的稀疏特性進(jìn)行信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，以感知寬帶頻譜資源的使用狀況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，其中，所述寬帶頻譜檢測(cè)裝置還包括: 資源占用判決器，其根據(jù)所述頻譜重構(gòu)器得到的信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)，判定所述寬帶信號(hào)上的一個(gè)或多個(gè)子帶是否被占用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，其中，所述寬帶頻譜檢測(cè)裝置還包括:隨機(jī)采樣時(shí)鐘控制器，其控制采樣時(shí)鐘；其中所述采樣時(shí)鐘的相鄰兩個(gè)采樣時(shí)刻為奈奎斯特采樣間隔的整數(shù)倍或者分?jǐn)?shù)倍； 并且，所述低速率采樣器根據(jù)所述采樣時(shí)鐘，對(duì)所述寬帶信號(hào)的離散序列進(jìn)行隨機(jī)抽樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，其中，所述寬帶頻譜檢測(cè)裝置還包括: 偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其產(chǎn)生偽隨機(jī)序列； 乘法器，其將所述寬帶信號(hào)的離散序列與所述偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列相乘； 積分器，其將所述乘法器得到的乘積序列進(jìn)行積分； 并且，所述低速率采樣器對(duì)所述積分器得到的積分結(jié)果進(jìn)行間隔均勻采樣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，其中，所述寬帶頻譜檢測(cè)裝置包括多個(gè)采樣支路，其中每一采樣支路包括偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器、乘法器、積分器和所述低速率采樣器； 所述偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列；所述乘法器將所述寬帶信號(hào)的離散序列與所述偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列相乘；所述積分器將所述乘法器得到的乘積序列進(jìn)行積分；并且所述低速率采樣器對(duì)所述積分器得到的積分結(jié)果進(jìn)行采樣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，其中，所述頻譜重構(gòu)器通過L-O范數(shù)優(yōu)化、或者L-1范數(shù)優(yōu)化進(jìn)行信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，其中，所述頻譜重構(gòu)器采用壓縮采樣匹配追蹤算法進(jìn)行信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，其中，所述信號(hào)稀疏度為所述寬帶信號(hào)的頻譜總頻點(diǎn)數(shù)目的20 %。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，其中，所述信號(hào)稀疏度根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定:如果前一次頻譜檢測(cè)結(jié)果中存在占用頻點(diǎn)的漏檢，則將所述信號(hào)稀疏度的數(shù)值增加5% ;如果前一次頻譜檢測(cè)結(jié)果中存在占用頻點(diǎn)的虛檢，則將所述信號(hào)稀疏度的數(shù)值減小5%。
10.一種感知無線電的寬帶頻譜檢測(cè)方法，所述寬帶頻譜檢測(cè)方法包括: 對(duì)寬帶信號(hào)以低于奈奎斯特采樣定理所要求的采樣速率進(jìn)行采樣； 根據(jù)所獲得的采樣序列、以及預(yù)定的信號(hào)稀疏度，利用信號(hào)的稀疏特性進(jìn)行信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，以感知寬帶頻譜資源的使用狀況。
全文摘要
本發(fā)明提供一種感知無線電的寬帶頻譜檢測(cè)裝置，所述寬帶頻譜檢測(cè)裝置包括低速率采樣器，其對(duì)寬帶信號(hào)以低于奈奎斯特采樣定理所要求的采樣速率進(jìn)行采樣；頻譜重構(gòu)器，其根據(jù)所述低速率采樣器所獲得的采樣序列、以及預(yù)定的信號(hào)稀疏度，利用信號(hào)的稀疏特性進(jìn)行信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，以感知寬帶頻譜資源的使用狀況。通過本發(fā)明實(shí)施例，不僅大大降低了采樣速率，降低了對(duì)硬件的要求，而且可以對(duì)整個(gè)寬帶頻譜進(jìn)行檢測(cè)，避免了使用多個(gè)窄帶濾波器。
文檔編號(hào)H04B17/00GK103138847SQ201110374278
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者李宏超, 張 杰, 周華 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社