專利名稱:基于判決門限自適應(yīng)的信號(hào)頻譜感知與檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及隨機(jī)信號(hào)的頻譜感知與檢測(cè)技術(shù),更具體地說(shuō)涉及一種在無(wú)線 信道環(huán)境下基于判決門限自適應(yīng)的信號(hào)頻譜感知與檢測(cè)技術(shù)。
背景技術(shù):
當(dāng)前,日益增長(zhǎng)的頻譜需求和有限的頻譜資源之間的矛盾日顯突出,嚴(yán)重 制約了無(wú)線通信業(yè)務(wù)的發(fā)展。但從實(shí)際無(wú)線頻譜運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看,已分配(授權(quán)) 的無(wú)線頻譜在時(shí)間和空間上存在著相當(dāng)程度的閑置,根據(jù)對(duì)無(wú)線頻譜的測(cè)量數(shù)
據(jù)報(bào)告,大部分無(wú)線頻段的頻譜使用率僅在10%左右。如何有效解決頻譜資源稀
缺與頻譜使用率低之間的矛盾成為無(wú)線通信中的關(guān)鍵技術(shù)。賦予認(rèn)知功能的無(wú)
線電(CR)被公認(rèn)為高效利用無(wú)線頻譜的有效技術(shù)手段。
CR技術(shù)的核心則是通過(guò)動(dòng)態(tài)頻譜感知來(lái)探測(cè)"頻譜空洞",合理占用臨時(shí)可 用頻段,并根據(jù)感知信息自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)地改變自身信號(hào)發(fā)射功率、發(fā)射頻率、 調(diào)制方式等傳輸參數(shù)以規(guī)避正在通信的主用戶(授權(quán)用戶)。它要求次用戶(CR 用戶)通過(guò)感知周圍無(wú)線環(huán)境、改變自身傳輸參數(shù)以保證不對(duì)現(xiàn)存的主用戶產(chǎn) 生任何干擾。正是這種能迅速改變自身傳輸參數(shù)的特征使得CR技術(shù)被認(rèn)為是未 來(lái)通信的"下一次革命"。在頻譜兼容性和互操作性變得越來(lái)越困難的今天,兼 有物理層(PHY)和網(wǎng)絡(luò)層(MAC)感知功能的CR技術(shù)被寄予了厚望。
正確感知和檢測(cè)周圍無(wú)線環(huán)境是CR工作的前提。目前認(rèn)知無(wú)線信號(hào)感知與 檢測(cè)的方法可分為三大類能量檢測(cè)、匹配濾波器檢測(cè)和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)。不管采用那一種檢測(cè)方法,都需要一個(gè)合適的判決門限。判決門限的設(shè)定一直 是圍困信號(hào)感知和檢測(cè)的難題,它直接影響到信號(hào)感知和檢測(cè)的準(zhǔn)確率。目前 的判決門限設(shè)定主要是根據(jù)接收到的信號(hào)功率和信道先驗(yàn)知識(shí)設(shè)定,不能自適 應(yīng)信道中的噪聲變化,嚴(yán)重影響了信號(hào)感知和檢測(cè)的準(zhǔn)確率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,解決頻譜檢測(cè)方法中判決門 限難以適應(yīng)信道噪聲變化的難題,實(shí)現(xiàn)無(wú)線環(huán)境下快速、準(zhǔn)確、有效的信號(hào)頻 譜感知與檢測(cè),而設(shè)計(jì)的一種基于判決門限自適應(yīng)的信號(hào)頻譜感知與檢測(cè)方法。
上述目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)-
對(duì)周圍環(huán)境存在著的無(wú)線頻譜信號(hào)進(jìn)行兩種假設(shè)不存在無(wú)線頻譜信號(hào)仏;
存在無(wú)線頻譜信號(hào)//,
仏
if,:少(O = x(f) + w(O
"W表示加性高斯噪聲,x(O表示已授權(quán)的無(wú)線頻譜信號(hào),接收到的信號(hào)為 少(O, 0^^T,對(duì)信號(hào)乂f)中是否存在信號(hào)xO)進(jìn)行檢測(cè),包括下列步驟
1) 信號(hào)分離,將接收到的寬頻信號(hào)MO進(jìn)行正交基空間變換,從被檢信號(hào) XO中有效分離出有用信號(hào)A(/)和信道噪聲信號(hào)^W;
2) 門限形成,由分離岀的信道噪聲信號(hào)&(0估計(jì)信道噪聲能量或功率,由 此設(shè)定判決器所需的判決門限,并提供給判決器進(jìn)行判決;
3) 對(duì)頻譜檢測(cè),分離出來(lái)的有用信號(hào)&(f)進(jìn)行頻譜檢測(cè),頻譜檢測(cè)結(jié)果作 為判決的依據(jù);
4) 判決,判決器根據(jù)設(shè)定的所述判決門限對(duì)所述頻譜檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷, 判定是否存在信號(hào)x(O。進(jìn)一步的設(shè)計(jì)在于,所述步驟l)中的正交基空間變換是-
1)對(duì)接收到的信號(hào);^)通過(guò)小波變換器進(jìn)行小波變換,小波變換為 其中,HO為選取的基本小波,"*"表示函數(shù)的復(fù)共軛,a為尺度參數(shù),6為平移
2) 對(duì)接收到的信號(hào)乂O通過(guò)快速傅里葉變換器進(jìn)行時(shí)頻變換
并對(duì)時(shí)頻變換后的F(/)取模(絕對(duì)值),據(jù)此求出最大絕對(duì)值所對(duì)應(yīng)的頻率/o、 系統(tǒng)帶寬B和3dB帶寬仏;
3) 根據(jù)上述所得的頻率/Q、系統(tǒng)帶寬B和3dB帶寬A求出小波變換分解的 次數(shù)《、尺度參數(shù)"和平移參數(shù)^
4) 將最后一次分解的小波變換在頻域中對(duì)半分成兩個(gè)信號(hào),并根據(jù)頻率/o
確定有用信號(hào)小波變換『:no》)和噪聲信號(hào)小波變換『r2(a》);
5) 在相應(yīng)的尺度函數(shù)下對(duì)上述小波變換進(jìn)行重構(gòu),分別產(chǎn)生有用信號(hào)A(O
信道噪聲信號(hào)&W
1產(chǎn)《^, ,、 l j一6、
"o=r與r盯i("》)如(^)必
& (0=丄廠與廠盯2 (一^(i^)必
6)所述的正交基空間變換包括分形和小波變換。
進(jìn)一步的設(shè)計(jì)在于,所述步驟2)中,所述分離出的信道噪聲信號(hào)&(0經(jīng)噪 聲功率器進(jìn)行如下的能量估計(jì)或功率估計(jì)并根據(jù)已估計(jì)的能量五n或功率A作為先驗(yàn)知識(shí),設(shè)定判決門限。如果頻譜檢測(cè)器 采用能量檢測(cè)和匹配檢測(cè),則判決門限設(shè)定為
如果頻譜檢測(cè)器采用特征檢測(cè),則判決門限為
其中系數(shù)"將根據(jù)系統(tǒng)要求的虛警率和漏警率設(shè)定。
進(jìn)一步的設(shè)計(jì)在于,所述步驟4)中的判決器根據(jù)上述判決門限^對(duì)頻譜檢 測(cè)器感知的結(jié)果進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn),如果z/。成立,接收信號(hào);^)= (0,其中不含有 有用信號(hào)x(O,可以使用XO對(duì)應(yīng)頻段進(jìn)行通信;如果A成立,y(/)對(duì)應(yīng)頻段中含 有信號(hào)x(/),因此不可以使用乂f)對(duì)應(yīng)的頻段進(jìn)行通信。
本發(fā)明方法將分形技術(shù)和小波分析應(yīng)用于頻譜檢測(cè)中,通過(guò)分形或小波對(duì) 被檢信號(hào)進(jìn)行快速變換,將被檢信號(hào)中的有用信號(hào)和噪聲進(jìn)行有效分離,實(shí)現(xiàn) 信號(hào)的快速、準(zhǔn)確感知與檢測(cè)。具體來(lái)說(shuō)就是信號(hào)分離與頻譜檢測(cè)相結(jié)合,信 號(hào)分離快速估計(jì)信道中的噪聲功率,并估計(jì)出相應(yīng)的判決門限,頻譜檢測(cè)準(zhǔn)確 感知有用信號(hào)頻譜,解決了頻譜檢測(cè)方法中判決門限難以適應(yīng)信道噪聲變化的 難題。利用信號(hào)分離提取的信道噪聲信號(hào),實(shí)現(xiàn)判決門限的自適應(yīng),達(dá)到信號(hào) 的快速、準(zhǔn)確感知與檢測(cè)。由此可產(chǎn)生這樣的有益效果
(1) 通過(guò)正交基空間變換,實(shí)現(xiàn)被檢信號(hào)的有用信號(hào)和信道噪聲的有效分
離;
(2) 根據(jù)信道噪聲設(shè)定判決門限,并賦予自適應(yīng)功能,能適應(yīng)信道噪聲的 動(dòng)態(tài)變化,提高信號(hào)感知與檢測(cè)準(zhǔn)確率;
(3) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算復(fù)雜度低、檢測(cè)時(shí)間短、應(yīng)用范圍廣。
圖1是本發(fā)明方法的流程框圖。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的信號(hào)處理控制操作的流程框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
對(duì)周圍環(huán)境存在著的無(wú)線頻譜信號(hào)給定兩種假設(shè)仏一周圍環(huán)境中只存在
加性高斯噪聲"(0; //,—周圍環(huán)境中存在已分配(授權(quán))的無(wú)線頻譜信號(hào)x(/)與
加性高斯噪聲w(O,即
仏_y(0 = "W
A : y(O = jc(O + "0)
設(shè)接收到的信號(hào)為;</), 0S/^T。
現(xiàn)對(duì)接受的信號(hào):KO中是否存在信號(hào)xW進(jìn)行估計(jì)與檢測(cè),實(shí)施的主要步驟
如圖l所示的流程框圖,具體信號(hào)的處理控制流程請(qǐng)參見圖2,具體過(guò)程如下
首先對(duì)接收到的信號(hào)xo進(jìn)行正交基空間變換
其中,^)為選取的基本小波,"*"表示函數(shù)的復(fù)共軛,"為尺度參數(shù),6為平移
參數(shù);
同時(shí)對(duì)接收到的信號(hào)少G)通過(guò)快速傅里葉變換器進(jìn)行時(shí)頻變換
并對(duì)時(shí)頻變換后的r(/)取模(即取絕對(duì)值),由此求出最大絕對(duì)值所對(duì)應(yīng)的
頻率/q、系統(tǒng)帶寬萬(wàn)和3dB帶寬^,進(jìn)而得出小波變換分解的次數(shù)"、尺度參 數(shù)a和平移參數(shù)6。其次將最后一次分解的小波變換在頻域中對(duì)半分成兩份,并根據(jù)頻率/o確定
有用信號(hào)小波變換環(huán)7Ka,6)和噪聲信號(hào)小波變換『r2("》)。在相應(yīng)的尺度函數(shù)下 對(duì)上述小波變換進(jìn)行重構(gòu),分別產(chǎn)生有用信號(hào)s々)信道噪聲信號(hào)和細(xì)節(jié)信號(hào)&(0
再次,對(duì)從信號(hào):KO中分離出的信道噪聲信號(hào)&(f)通過(guò)噪聲功率器進(jìn)行如下 的能量估計(jì)和功率估計(jì)
并根據(jù)己估計(jì)的能量&和功率尸n作為先驗(yàn)知識(shí),設(shè)定判決門限。如果頻譜檢
測(cè)器采用能量檢測(cè)和匹配檢測(cè),則判決門限設(shè)定為
其中系數(shù)a將根據(jù)系統(tǒng)要求的虛警率和漏警率設(shè)定。
最后,采用能量估計(jì)或功率估計(jì)的檢測(cè)方法對(duì)從信號(hào)MO中分離出來(lái)的近似 信號(hào)s"o進(jìn)行頻譜檢測(cè),并將頻譜檢測(cè)結(jié)果提供給判決器,作為判決的依據(jù), 以便作出進(jìn)一步判斷。頻譜檢測(cè)的方法可以根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需要選用能量檢測(cè)、 匹配濾波器檢測(cè)和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)。
判決器根據(jù)上述判決門限w對(duì)頻譜檢測(cè)器感知的結(jié)果進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn),如果
仏成立,接收信號(hào);<0= w(f),其中不含有信號(hào)x(f),可以使用乂f)對(duì)應(yīng)頻段進(jìn) 行通信;如果i/,成立,j(0對(duì)應(yīng)頻段中含有信號(hào)<0,因此不可以使用XO對(duì)
如果頻譜檢測(cè)器采用特征檢測(cè),則判決門限為應(yīng)的頻段進(jìn)行通'
曰c
權(quán)利要求
1.基于判決門限自適應(yīng)的信號(hào)頻譜感知與檢測(cè)方法,對(duì)周圍環(huán)境存在著的無(wú)線頻譜信號(hào)進(jìn)行兩種假設(shè)不存在無(wú)線頻譜信號(hào)H0;存在無(wú)線頻譜信號(hào)H1H0y(t)=n(t)H1y(t)=x(t)+n(t)n(t)表示加性高斯噪聲,x(t)表示已授權(quán)的無(wú)線頻譜信號(hào),接收到的信號(hào)為y(t),0≤t≤T,對(duì)信號(hào)y(t)中是否存在信號(hào)x(t)進(jìn)行檢測(cè),其特征在于包括下列步驟1)信號(hào)分離,將接收到的寬頻信號(hào)y(t)進(jìn)行正交基空間變換,從被檢信號(hào)y(t)中有效分離出有用信號(hào)s1(t)和信道噪聲信號(hào)s2(t);2)門限形成,由分離出的信道噪聲信號(hào)s2(t)估計(jì)信道噪聲能量或功率,由此設(shè)定判決器所需的判決門限,并提供給判決器進(jìn)行判決;3)頻譜檢測(cè),對(duì)分離出來(lái)的有用信號(hào)s1(t)進(jìn)行頻譜檢測(cè),頻譜檢測(cè)結(jié)果作為判決的依據(jù);4)判決,判決器根據(jù)設(shè)定的所述判決門限對(duì)所述頻譜檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷,判定是否存在信號(hào)x(t)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于判決門限自適應(yīng)的信號(hào)頻譜感知與檢測(cè)方法, 其特征在于所述步驟l)中的正交基空間變換過(guò)程是1)對(duì)接收到的信號(hào)乂O通過(guò)小波變換器進(jìn)行小波變換,小波變換為其中,KO為選取的基本小波,"*"表示函數(shù)的復(fù)共軛,"為尺度參數(shù),6為平移 參數(shù);2) 對(duì)接收到的信號(hào)乂0通過(guò)快速傅里葉變換器進(jìn)行時(shí)頻變換<formula>formula see original document page 3</formula>并對(duì)時(shí)頻變換后的F(/)取模,據(jù)此求出最大值所對(duì)應(yīng)的頻率/Q、系統(tǒng)帶寬S和 3dB帶寬^;3) 根據(jù)上述所得的頻率/Q、系統(tǒng)帶寬S和3dB帶寬&求出小波變換分解的 次數(shù)"、尺度參數(shù)a和平移參數(shù)6;4) 將最后一次分解的小波變換在頻域中對(duì)半分成兩個(gè)信號(hào),并根據(jù)頻率A確定有用信號(hào)小波變換『:^o,。和噪聲信號(hào)小波變換『r2(a,zo;5) 在相應(yīng)的尺度函數(shù)下對(duì)上述小波變換進(jìn)行重構(gòu),分別產(chǎn)生有用信號(hào)^ 和信道噪聲信號(hào)&(f)<formula>formula see original document page 3</formula>6)所述的正交基空間變換包括分形和小波變換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于判決門限自適應(yīng)的信號(hào)頻譜感知與檢測(cè)方法, 其特征在于所述步驟2)中,所述分離出的信道噪聲信號(hào)S2(f)經(jīng)噪聲功率器進(jìn)行 如下的能量估計(jì)或功率估計(jì)<formula>formula see original document page 3</formula>并根據(jù)已估計(jì)的能量五n或功率尸n作為先驗(yàn)知識(shí),設(shè)定判決門限 如果頻譜檢測(cè)器采用能量檢測(cè)和匹配檢測(cè),則判決門限設(shè)定為<formula>formula see original document page 3</formula>如果頻譜檢測(cè)器采用特征檢測(cè),則判決門限為<formula>formula see original document page 3</formula>其中系數(shù)"將根據(jù)系統(tǒng)要求的虛警率和漏警率設(shè)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于判決門限自適應(yīng)的信號(hào)頻譜感知與檢測(cè)方法,其特征在于所述步驟4)中的判決器根據(jù)上述判決門限;/對(duì)頻譜檢測(cè)器感知的結(jié) 果進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn),如果仏成立,接收信號(hào)7(0="0),其中不含有信號(hào)x(/),可以 使用KO對(duì)應(yīng)頻段進(jìn)行通信;如果A成立,乂0對(duì)應(yīng)頻段中含有信號(hào)40,因此不 可以使用少W對(duì)應(yīng)的頻段進(jìn)行通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于判決門限自適應(yīng)的信號(hào)頻譜感知與檢測(cè)技術(shù)。給出兩種假設(shè)不存在無(wú)線頻譜信號(hào)H<sub>0</sub>y(t)=n(t)和存在無(wú)線頻譜信號(hào)H<sub>1</sub>y(t)=x(t)+n(t)。對(duì)接收到的信號(hào)y(t)中是否存在信號(hào)x(t)進(jìn)行檢測(cè),包括下列步驟1)信號(hào)分離,將接收到的寬頻信號(hào)y(t)進(jìn)行正交基空間變換,從被檢信號(hào)y(t)中有效分離出有用信號(hào)s<sub>1</sub>(t)和信道噪聲信號(hào)s<sub>2</sub>(t);2)門限形成,由分離出的信道噪聲信號(hào)s<sub>2</sub>(t)估計(jì)信道噪聲能量或功率,由此設(shè)定判決器所需的判決門限,并提供給判決器進(jìn)行判決;3)對(duì)頻譜檢測(cè),分離出來(lái)的有用信號(hào)s<sub>1</sub>(t)進(jìn)行頻譜檢測(cè),頻譜檢測(cè)結(jié)果作為判決的依據(jù);4)判決,判決器根據(jù)設(shè)定的所述判決門限對(duì)所述頻譜檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷,判定是否存在信號(hào)x(t)。優(yōu)點(diǎn)是判決門限能適應(yīng)信道噪聲的動(dòng)態(tài)變化,信號(hào)感知與檢測(cè)準(zhǔn)確率高,檢測(cè)時(shí)間短。
文檔編號(hào)H04L25/03GK101577564SQ20091003287
公開日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者包志華, 張士兵, 張昊曄 申請(qǐng)人:南通大學(xué)