基于能量與協(xié)方差檢測的分步頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及認(rèn)知無線電的頻譜感知領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對頻帶資源的需求也隨之急劇增長。然而頻 譜資源的利用在很多方面尚處在一個比較低的水平：現(xiàn)有的無線通信技術(shù)占據(jù)了大量的頻 譜資源，新業(yè)務(wù)發(fā)展能夠利用的頻譜越來越少，同時已授權(quán)頻段的頻譜利用存在大量閑置 現(xiàn)象。對當(dāng)前頻譜資源使用情況的監(jiān)測和研究結(jié)果表明，已授權(quán)頻譜的閑置比率隨著時間 和地域的差異從15%到85%不等。
[0003] 為解決頻譜資源的稀缺和其分配矛盾，提出了認(rèn)知無線電技術(shù)（Cognitive Radio,CR)，該技術(shù)被視為解決目前頻譜資源緊張的最具應(yīng)用前景的技術(shù)，也是公認(rèn)的解決 該問題的最佳方案。
[0004] 頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，它使得非授權(quán)用戶能在一定條 件下智能的獲取和使用未被占用的頻段，從而提高頻譜利用率。在近幾年的研究中，頻譜感 知技術(shù)形成了較為成熟的理論基礎(chǔ)，但是為了更好地實(shí)現(xiàn)在允許非授權(quán)系統(tǒng)使用的同時保 護(hù)授權(quán)用戶，對頻譜感知技術(shù)的算法要求越來越高。
[0005] 在復(fù)雜電磁環(huán)境或弱信噪比情況下，能量檢測算法具有檢測能力急劇降低的缺 點(diǎn)，其對噪聲不確定性等路徑傳輸問題具有較低的檢測可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的能量檢測方法的檢測準(zhǔn)確性低的問題，從而提供一種基 于能量與協(xié)方差檢測的分步頻譜感知方法。
[0007] 基于能量與協(xié)方差檢測的分步頻譜感知方法，在認(rèn)知無線電系統(tǒng)，它由以下步驟 實(shí)現(xiàn)：
[0008] 步驟一、將認(rèn)知無線電系統(tǒng)的頻譜感知等效為二元假設(shè)模型：
[0010] 式中m= 1，2,…，N;N為檢測時信號的采樣數(shù)；x(n)和w(n)分別是信號與噪聲 的抽樣值，且彼此獨(dú)立；h表示主用戶與認(rèn)知用戶之間的信道增益；H。表示只有噪聲存在， 不存在授權(quán)用戶表示授權(quán)用戶存在；
[0011] 對認(rèn)知用戶在n時刻收到的實(shí)際信號r(n)進(jìn)行能量檢測，獲得能量檢測統(tǒng)計(jì)量 Y：
[0013] 將能量檢測統(tǒng)計(jì)量Y與預(yù)設(shè)的判決門限A進(jìn)行比較，若Y>A，則判決主用戶存在， 即H1狀態(tài)，則認(rèn)知用戶選擇緘默或另尋其他頻道，頻譜感知結(jié)束；
[0014] 若Y彡A，則判決授權(quán)用戶不存在，即H。狀態(tài)，則執(zhí)行步驟二；
[0015] 步驟二、若認(rèn)知用戶端接收1個連續(xù)的信號采樣數(shù)據(jù)，1為正整數(shù)，則能量檢測統(tǒng) 計(jì)量Y(k)、發(fā)射信號X(k)和噪聲N(k)的矢量表示為：
[0016] Y(k) = [y(k),y(k-l), ???,y(k-l+l)]
[0017] X(k) =[x(k)，x(k_l)，…，x(k-1+1)]
[0018] N(k) =[n(k)，n(k_l)，...，n(k-1+1)]
[0019] 則能量檢測統(tǒng)計(jì)量Y(k)、發(fā)射信號X(k)和噪聲N(k)的統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣分別為：
[0020] Ry=E[YT(k)Y(k)]
[0021] Rx=E[XT (k)X(k)]
[0022] Rn=E[NT(k)N(k)] = 〇 w2 ?I1
[0023] 式中山為1階單位矩陣；〇 ?為噪聲的方差；
[0024] 且有：
[0025] Ry=RX+RN=Rx+ 〇 w2 ?I1
[0026] 艮P:
[0027]
[0028] 以樣本協(xié)方差矩陣S來代替接收端信號的統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣RY，并用樣本自相關(guān)函 數(shù)Ul)近似替代統(tǒng)計(jì)自相關(guān)函數(shù)，其表達(dá)式為：
[0031] 式中：S為對稱矩陣；
[0032] 通過比較樣本協(xié)方差矩陣對角線上自相關(guān)函數(shù)IU0)I與S中所有數(shù)值絕對值 和的平均值，即可判決主用戶信號是否存在；
[0033] 設(shè)定檢測門限為爐，檢測統(tǒng)計(jì)量為樣本協(xié)方差矩陣對角線上自相關(guān)函數(shù) IU〇)丨與S中所有數(shù)值絕對值和的平均值的比值，用〇表示，則有
[0034]
[0035] 式中：
[0038] 當(dāng)認(rèn)知用戶端的檢測統(tǒng)計(jì)量大于門限時判定主用戶正在占用信道，否則判定為頻 譜空穴狀態(tài)，認(rèn)知用戶可使用；完成基于能量與協(xié)方差檢測的分步頻譜感知。
[0039] 檢測門限f的設(shè)定方法為：
[0040] 由樣本協(xié)方差矩陣S是對稱矩陣，有：
[0047] 式中：Q(X)為標(biāo)準(zhǔn)高斯互補(bǔ)⑶F函數(shù)；
[0048] 貝Ij檢測門限r(nóng)為：
[0049]
[0050] 本發(fā)明獲得的有益效果：由于能量檢測在低信噪比環(huán)境下檢測性能急劇下降，且 實(shí)際情況中背景噪聲的波動也勢必引起接收端信噪比的變化，因此根據(jù)主用戶發(fā)射信號與 噪聲之間相對獨(dú)立的特點(diǎn)，采用協(xié)方差算法對低信噪比進(jìn)行性能平衡。
[0051] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，認(rèn)知用戶端首先采用基于時域的能量檢測進(jìn)判決，在信道情 況較好時第一步檢測能夠較為準(zhǔn)確地判定頻譜使用情況，如果判決為頻譜空穴則還有協(xié)方 差檢測進(jìn)行二次判決，從而在降低了誤檢率，同時降低了認(rèn)知用戶對主用戶造成干擾的可 能性。如果第一步能量檢測中采用自適應(yīng)門限調(diào)整算法，則檢測性能將有更大程度的提高。
【附圖說明】
[0052] 圖1是本發(fā)明的能量檢測原理示意圖；
[0053]圖2是本發(fā)明的能量與協(xié)方差分步檢測方法流程示意圖；
[0054] 圖3是三種檢測算法的檢測概率對比仿真示意圖；其中曲線31是Cov方法的檢測 概率曲線；曲線32是Energy方法的檢測概率曲線；曲線33是Energy-Cov方法的檢測概率 曲線；
[0055] 圖4是三種檢測算法的誤檢概率對比仿真示意圖；其中曲線41是Cov方法的誤檢 概率曲線；曲線42是Energy方法的誤檢概率曲線；曲線43是Energy-Cov方法的誤檢概率 曲線；
[0056] 圖5是三種檢測方式的乘法復(fù)雜度比較仿真示意圖；其中曲線51是Energy-Cov 方法的乘法計(jì)算量曲線；曲線52是Energy方法的乘法計(jì)算量曲線；曲線53是Cov方法的 乘法計(jì)算量曲線；
[0057] 圖6是三種檢測方式的加法復(fù)雜度比較仿真示意圖；其中曲線61是Energy-Cov 方法的加法計(jì)算量曲線；曲線62是Energy方法的加法計(jì)算量曲線；曲線63是Cov方法的 加法計(jì)算量曲線；
[0058] 圖7是本發(fā)明的方法需要進(jìn)行第二步檢測的概率的仿真示意圖；
[0059]圖8是本發(fā)明的方法隨平滑因子1的乘法計(jì)算量（次）仿真示意圖；其中曲線81 是Energy-Cov方法的乘法計(jì)算量曲線；曲線82是Energy方法的乘法計(jì)算量曲線；曲線83 是Cov方法的乘法計(jì)算量曲線；
[0060]圖9是本發(fā)明的方法隨平滑因子1的加法計(jì)算量（次）仿真示意圖；其中曲線91 是Energy-Cov方法的加法計(jì)算量曲線；曲線92是Energy方法的加法計(jì)算量曲線；曲線93 是Cov方法的加法計(jì)算量曲線；
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0061] 一、基于能量與協(xié)方差檢測的分步頻譜感知方法，它由以下步驟實(shí) 現(xiàn)：
[0062] 步驟一、在認(rèn)知端首先進(jìn)行能量檢測，所述檢測方法如圖1所示：
[0063] 圖1中，r(n)為認(rèn)知用戶在n時刻收到的實(shí)際信號；x(n)為主用戶發(fā)射的信號； w(n)為高斯噪聲（AWGN信道），且其均值為0,方差為定值。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的頻譜感知問 題可等效為一個二元假設(shè)模型：
[0065] 其中，n= 1，2,…，N。N為檢測時信號的采樣數(shù)（檢測時長）；x(n)和w(n)分別 是信號與噪聲的抽樣值，并且它們彼此之間相互獨(dú)立；h表示主用戶與認(rèn)知用戶之間的信 道增益；H。表示只有噪聲存在，不存在授權(quán)用戶；H1表示授權(quán)用戶存在。
[0066] 能量檢測系統(tǒng)的檢測統(tǒng)計(jì)量Y表示為：
[0068] 將統(tǒng)計(jì)量Y與判決門限A進(jìn)行比較，若Y>A，則判決主用戶存在，即Hl狀態(tài)；若 Y彡A，則判決授權(quán)用戶不存在（頻譜空穴），即H。狀態(tài)。
[0069] 在信號采樣數(shù)N-定時，如果噪聲的平均功率保持恒定，根據(jù)中心極限定理，統(tǒng)計(jì) 量Y近似符合高斯分布，即：
[0071] 式中〇 /為主用戶發(fā)射信號的平均功率，〇w2為噪聲的方差（平均功率）。
[0072] 衡量能量檢測的性能指標(biāo)一般是檢測概率Pd和虛警概率Pf。認(rèn)知無線電技術(shù)要 求盡可能地保護(hù)主用戶不受到干擾，也就是對于主用戶的檢測概率越大越好。檢測系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)通常也是在保證檢測概率盡可能高的情況下，虛警概率盡可能小，即系統(tǒng)性能最優(yōu)化。 本文采用Neyman-Pearson(NP)檢測，令虛警概率Pf是某一可以容忍的值a，且檢測概率Pd 取最大值時能夠保證Pf<a。NP標(biāo)準(zhǔn)使得檢測概率和虛警概率能夠達(dá)到理想取值，但由 于判決門限A是取決于虛警概率Pf的，因此Pf的取值受限。
[0073] 根據(jù)中心極限定理，在認(rèn)知用戶端接收到的信號可認(rèn)為是零均值高斯過程，同時 接收端信號被零均值的高斯白噪聲所干擾（理想加性高斯白噪聲信道）。再根據(jù)信號檢測 與估計(jì)的定義，可得能量檢測的檢測概率和虛警概率為：

[0079] 由⑷和（5)可抵消A，從而得到N與y的關(guān)系：
[0080] N= 2[Q1 (Pf)-Q1 (Pd) ? (1+y)]2 ?T2 (7)
[0081] 除了檢測概率和虛警概率的平衡，根據(jù)IEEE802. 22標(biāo)準(zhǔn)，用于頻譜感知的檢測 時間不得超過2sec。
[0082] 盡管能量檢測是一種傳統(tǒng)的檢測方法，它無需知道信號的先驗(yàn)信息且實(shí)現(xiàn)簡單， 具有一定的優(yōu)越性，但是能量檢測只能作為預(yù)先的粗檢測方法。如果想要使能量檢測的性 能有進(jìn)一步的提升，還需考慮算法對抗噪聲的魯棒性能（能量檢測對噪聲平均功率波動敏 感）以及信道衰落所帶來的影響。
[0083] 步驟二、如果能量檢測的結(jié)果是主用戶正在占用信道，則認(rèn)知用戶可以選擇緘默 或另尋其他頻道。如果能量檢測的結(jié)果是頻譜空穴，則進(jìn)行第二步協(xié)方差檢測。
[0084] 主用戶信號在通信系統(tǒng)中的傳播往往經(jīng)過采樣、調(diào)制、加密等過程，在無線信道中 還會受到各種衰落和延時，因而主用戶信號與噪聲的統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣或自相關(guān)函數(shù)往往是 不同的，利用這一特性的協(xié)方差檢測算法通過信號和噪聲的統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣的不同，構(gòu)建 新的檢測統(tǒng)計(jì)量，并與門限進(jìn)行比較，判斷出主用戶是否正在使用頻譜資源。
[0085] 若認(rèn)知用戶端接收1個連續(xù)的信號采樣數(shù)據(jù)，則統(tǒng)計(jì)量Y(k)、發(fā)射信號X(k)和噪 聲N(k)的矢量表示如式⑶所示。
[0086] Y(k) = [y(k),y(k-l), ???,y(k-l+l)]
[0087] X(k) =[x(k)，x(k_l)，…，x(k-1+1) ] (8)
[0088]N(k) =[n(k)，n(k_l)，...，n(k-1+1)]
[0089] 則Y(k)、X(k)和N(k)的統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣分別為：
[0090]Ry=E[YT(k)Y(k)]
[0091] Rx=E[XT (k)X(k)] (9)
[0092]Rn=E[NT(k)N(k)]= 〇 w2 ?I1
[0093] 式（9)中I# 1階單位矩陣。通常情況下主用戶信號和噪聲