CN101321002A - 信号感知方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种信号感知方法及装置，其主要包括：首先，测量接收到的信号的能量，所述信号的相邻符号对之间互补；之后，若测量确定接收信号的能量超过预定的门限值，则确定当前信道出现处于工作状态的授权用户，否则，表明未出现处于工作状态的授权用户。由于本发明实施例在实现过程中不需要设置相应的静默期，因此可以避免通信业务的中断；同时还由于无需预先进行信道估计，从而可以有效简化感知授权用户的处理过程。

Description

信号感知方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种信号感知方法及装置。

背景技术

认知无线电技术是通过对无线环境的感知，实现动态重用已经固定分配给授权用户的频段以及其他空闲频段。在认知无线电系统所构成的网络中，环境的感知操作可以由网络中独立的感知设备完成也可以由网络中的用户结点完成。对无线信道的感知可以分为带外感知和带内感知。其中，带内感知的目的主要是实现对当前工作频段内的无线信道进行感知，以实现对当前所占用信道内授权用户的检测，避免与信道内授权用户形成有害的干扰。

目前，在无线通信系统中通常采用的带内感知方式为：基于静默期的带内感知。该带内感知方式具体是通过抑制网络中所有用户在带内感知时期的发射活动来避免系统内部通信的干扰实现。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

由于静默期的存在将导致通信的短暂中断，这对于实时性要求较高的话音等通信业务将会造成较大的负面影响。

发明内容

本发明的实施例提供了一种信号感知方法及装置，以保证通信业务的连续性，有效提高无线通信系统的通信性能。

本发明实施例提供了一种信号感知方法，包括：

测量接收到的信号的能量，所述信号的相邻符号对之间互补；

若测量确定接收信号的能量超过预定的门限值，则确定当前信道出现处于工作状态的授权用户。

本发明实施例提供了一种信号感知装置，包括：

提取互补相邻符号对单元，用于提取具有互补特征的相邻符号对；

能量测量单元，用于测量所述提取互补相邻符号对单元提取的相邻符号对的能量；

授权用户感知单元，用于判断所述能量测量单元确定的能量是否超过预定的门限值，若超过，则确定当前信道出现处于工作状态的授权用户。

本发明实施例提供了一种信号发送装置，与信号感知装置通信，并用于向信号感知装置发送信号，该装置包括：

互补信号生成单元，用于生成具有相邻符号对之间互补特征的信号；

信号发送单元，用于向信号感知装置发送所述互补信号生成单元确定的具有相邻符号对之间互补特征的信号。

本发明实施例提供了一种信号发送方法，用于向信号感知装置发送信号，且该方法包括：

生成一组具有相邻符号对之间互补特征的信号，并向信号感知装置发送所述一组具有相邻符号对之间互补特征的信号。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，由于本发明实施例在实现过程中不需要通过设置的静默期感知信号，因此，其可以避免通信业务的中断；同时，还由于本发明实施例中无需预先进行信道估计，从而可以有效简化感知授权用户的处理过程。

附图说明

图1为本发明实施例提供的处理过程示意图；

图2为本发明实施例中信号传递过程示意图；

图3为本发明实施例提供的处理过程原理示意图一；

图4为本发明实施例提供的导频信号的示意图一；

图5为本发明实施例提供的导频信号的示意图二；

图6为本发明实施例提供的导频信号的示意图三；

图7为本发明实施例提供的导频信号的示意图四；

图8为本发明实施例提供的处理过程原理示意图一；

图9为本发明实施例提供的装置的具体实现结构示意图；

图10为本发明实施例的仿真示意图一；

图11为本发明实施例的仿真示意图二；

图12为本发明实施例的仿真示意图三；

图13为本发明实施例的仿真示意图四；

图14为本发明实施例的仿真示意图五；

图15为本发明实施例的仿真示意图六

图16为本发明实施例的仿真示意图七；

图17为本发明实施例的仿真示意图八；

图18为本发明实施例的仿真示意图九。

具体实施方式

本发明实施例是针对现有认知无线电技术中的带内感知方法存在的不足，提出了一种基于导频信号的无静默期的带内感知实现方案，从而可以实现连续的无开销的带内用户的检测。

即在信号发送端确定一组具有相邻符号对之间互补特征的信号，并发送所述一组具有相邻符号对之间互补特征的信号，从而使得在信号接收端，可以基于该具有相邻符号对之间互补特征的信号判断识别出信道中是否出现处于工作状态的授权用户。

具体一点讲，在本发明实施例中，无线电用户发射机发射具有相邻符号对互补特征的信号，即所述信号具有时域相邻的导频信号互补的特征；之后，无线电用户接收机根据接收到的信息计算相邻时刻的干扰及噪声能量之和，并基于能量的感知手段，根据给定的门限值对带内用户进行检测，以感知确定当前带内信道是否存在处于工作状态的授权用户。其中，所述的预定的门限值具体可以根据授权用户信号与噪声信号能量比、检测概率、错检概率和互补的相邻符号对的数目中的至少一项确定。

需要说明的是，本发明实施例中的相邻符号对之间互补可以为：相邻符号对中的作为导频子载波的一个或多个子载波向量互补；或者，相邻符号对中的作为前导码一个或多个子载波向量互补。而且，该相邻符号对可以为连续相邻符号对或离散相邻符号对。

本发明实施例是以无线通信中的导频为基础，其具体可以广泛应用于各种无线通信系统中，以实现对授权用户的感知。为便于对本发明实施例的理解，下面将以在SISO(单输入单输出)的OFDM(正交频分复用)系统中应用本发明实施例为例进行说明。对于本发明实施例在其他无线通信系统中的应用则与其类似，故不一一说明。

在OFDM系统中，具体可以利用互补的特征消除信道和发送信号的影响，即通过相邻的OFDM符号对应子载波上的数据相加实现。在OFDM中，一个OFDM符号中的所有导频子载波所构成的向量称为导频向量；在单载波系统中，时域上的一个Preamble(前导码)或Pilot(导频信号)称为导频向量。

在OFDM系统中，具体的感知是否出现处于工作状态的授权用户的实现过程如图1、图2和图3所示，包括以下步骤：

步骤1，认知无线电用户发射机发送具有相邻符号对之间互补的特征的信号，参照图2所示，假设该发射机发送的信号向量为X_n；

令K为OFDM系统的子载波数量，其中，导频子载波为M个，分布在序号为{p₁，p₂，...，p_M}个子载波上，令X_n为第n个OFDM符号的发送向量，该向量中导频向量可以表示为P_n＝{X_n(p₁)，X_n(p₂)，...，X_n(p_m)，...，X_n(p_M)}，其中，所述发送信号中的导频信号具有如下特征：

P_2n+P_2n+1＝[0]_1×M，n＝0，1，2，...，或者，P_2n+1+P_2n+2＝[0]_1×M，n＝0，1，2，...，即相邻的两个导频向量形成一个导频向量互补对，即两个导频向量之间互补，所述的互补是指两个导频向量的和为0；

下面列举几个可以作为导频信号的的例子：

例一，参照图4所示，图中的横坐标为OFDM符号，纵坐标为子载波。该实施例包含6个OFDM符号，分别为X₀，X₁，X₂，X₃，X₄，X₅，且导频子载波分别位于第0、4、8个子载波上；因此，各OFDM符号中导频子载波向量分别为P_i＝{X_i(0)，X_i(4)，X_i(8)}，该导频信号的特征为：

P₀+P₁＝[0 0 0]    P₂+P₃＝[0 0 0]    P₄+P₅＝[0 0 0]；

例二，参照图5所示，在该例子中，各OFDM符号中的导频向量可以为：P₀＝X₀  P₁＝X₁，则该导频信号的特征为：P₀+P₁＝[0]_1×9；

例二，对于非OFDM系统，若定义其Preamble(前导码)的多个时域符号向量表示为x_n，则其导频符号的特征为：x_2n+x_2n+1＝0；在该情况下，参照图6所示，对于ATSC(美国高级电视业务顾问委员会)标准的信号，存在连续的PN63序列，每个PN63序列可以认为是一个时域符号向量x_n，则相应导频信号的特征为：x₀+x₁＝0；

步骤2，认知无线电用户接收机接收信号，获得接收信号向量Y_n；

即如图2所示，认知无线电用户接收机接收来自授权用户发射机的信号、噪声信号，假设接收的信号向量为I_n，噪声向量为Z_n，且假设认知无线电用户发射机到认知无线电用户接收机之间的信道为H_n，则，

当授权用户未工作时：Y_n＝H_nX_n+Z_n     (1)

当授权用户工作时：Y_n＝H_nX_n+I_n+Z_n    (2)

其中，n＝1，2，3，...为第n个符号。

步骤3，根据帕斯瓦尔定理，计算单个OFDM符号上对应导频子载波上来自授权用户和噪声的能量；

具体可以为：将公式(1)和(2)写为：Y_n＝H_nX_n+Q_n  (3)

其中，若授权用户未工作，则Q_n＝Z_n，若授权用户工作，则Q_n＝I_n+Z_n，这样，

第2n个符号的接收向量可以写为：Y_2n＝H_2nX_2n+Q_2n  (4)

第2n+1个符号的接收向量可以写为：Y_2n+1＝H_2n+1X_2n+1+Q_2n+1(5)

将式(4)与(5)相加获得：Y_2n+Y_2n+1＝H_2nX_2n+H_2n+1X_2n+1+Q_2n+Q_2n+1，若假设信道在相邻符号对间变化很小，则该式可近似为：

Y_2n+Y_2n+1≈H_2n(X_2n+X_2n+1)+Q_2n+Q_2n+1    (6)

若定义P′_2n和P′_2n+1分别为对应接收向量中的导频向量，则从公式(6)中可得接收信号中的导频向量互补对和为：

P′_2n+P′_2n+1≈H′_2n(P_2n+P_2n+1)+Q′_2n+Q′_2n+1    (7)

由于步骤1中认知无线电用户发射机发送导频信号的特征(互补特性)可知，公式(7)可以转换为：

P′_2n+P′_2n+1≈Q′_2n+Q′_2n+1    (8)

基于以上计算，确定单个OFDM符号上对应导频子载波上来自授权用户和噪声的能量为：

$W_p=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{|{P^{\′}}_{2n}\left(m\right)+{P^{\′}}_{2n+1}\left(m\right)|}^2}{\mathrm{\αK}}---\left(9\right)$

其中α＝2～4，由连续的Q′_2n和Q′_2n+1的相关程度决定；

根据公式(9)换算单个OFDM符号上来自授权用户和噪声的能量，即确定一个导频向量互补对上来自授权用户和噪声的接收能量W为：

$W=\frac{K}{M}{W}_p---\left(10\right)$

考虑到信道的变化的瞬时特性和噪声的不确定性，可选地，还可以通过对连续的多次W计算取均值再进行检测，具体可以为：

利用公式(10)计算L个导频向量互补对上来自授权用户和噪声的接收能量{W₁，W₂，...，W_L}，则计算对应的均值为： $W=\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{W}_l;$

步骤4，判断单个OFDM符号上来自授权用户和噪声的能量是否大于预先设定的门限值，若大于，则执行步骤5，否则，执行步骤6；

假设，预先设定的检测门限值为W_t，则，如果根据公式(10)计算确定W＞W_t，则执行步骤5，否则，执行步骤6；

步骤5，确认当前感知的信道中出现处于工作状态的授权用户，即接收到的信号中包含来自于授权用户的信号；

步骤6，确认当前感知的信道中未出现处于工作状态的授权用户，即接收到的信号中无来自于授权用户的信号。

本发明实施例的实现，避免了对应的粗检测期间的静默期，从而可以有效提高系统的吞吐量，同时还具有实现结构简单、计算较少的优点。

本发明实施例中，还可以利用了Pilot(导频信号)的互补特性实现，相应的梳状导频结构如图7所示，其中，子载波-21，-7，7，21为导频子载波，各导频子载波上数据为长度127的PN序列的循环扩展；

PN_0..126＝{1，1，1，1，-1，-1，-1，1，-1，-1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，-1，1，1，-1，1，1，-1，1，1，1，1，1，1，-1，1，1，1，-1，1，1，-1，-1，1，1，1，-1，1，-1，-1，-1，1，-1，1，-1，-1，1，-1，-1，1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，-1，-1，1，-1，1，-1，1，1，-1，-1，-1，1，1，-1，-1，-1，-1，1，-1，-1，1，-1，1，1，1，1，-1，1，-1，1，-1，1，-1，-1，-1，-1，-1，1，-1，1，1，-1，1，-1，1，1，1，-1，-1，1，-1，-1，-1，1，1，1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1}

其中，导频子载波-21，-7，7上数据为PN，导频21上数据为-PN，通过观察上述导频子载波，可以确定序号为3、4的导频向量，即：

P₃＝{X₃(-21)，X₃(-7)，X₃(7)，X₃(21)}；

P₄＝{X₄(-21)，X₄(-7)，X₄(7)，X₄(21)}；

序号为3、4的导频向量构成导频向量互补对，同样序号为6、7的导频向量P₆与P₇，序号为11、12的导频向量P₁₁与P₁₂等也均为导频向量互补对。

这样，便可以利用上述导频信号存在的导频向量互补对的特性实现本发明实施例，此时，相应的系统的导频子载波上的数据可以为已知数据，因此相应的感知授权用户的处理过程如图8所示，具体可以为：

无线电认知系统接收机接收到信号后，根据本地序列确定导频信号是否存在互补特征，若存在，则执行上述步骤3以及其后的处理过程，否则，不执行上述步骤3所述处理。

本发明实施例还提供了一种信号感知装置，其实现结构如图9所示，具体可以包括以下处理单元：

(1)提取互补相邻符号对单元，用于提取接收到的信号中的具有互补特征的相邻符号对；

(2)能量测量单元，用于测量所述提取互补相邻符号对单元提取的相邻符号对的能量；

其中，所述能量测量单元具体可以包括：

单个信号能量测量单元，用于测量单个相邻符号对的信号能量；

综合能量测量单元，获取所述单个信号能量测量单元测量获得的接收到的多组相邻符号对的能量，并对测量获得的各组相邻信号的能量值进行累加平均，确定接收信号的能量。

(3)授权用户感知单元，用于判断所述能量测量单元确定的能量是否超过预定的门限值，若超过，则确定当前信道出现处于工作状态的授权用户。

为便于信号感知装置的相应功能的实现，本发明实施例还提供了一种信号发送装置，其具体实现结构仍如图9所示，该信号发送装置与信号感知装置通信，并用于向信号感知装置发送信号，且该装置具体可以包括：

互补信号生成单元，用于生成具有相邻符号对之间互补特征的信号；

信号发送单元，用于向信号感知装置发送所述互补信号生成单元确定的具有相邻符号对之间互补特征的信号。

为对本发明实施例的可行性有进一步了解，下面将结合相应的仿真模型对本发明实施例的应用性能进行说明。

在仿真过程中，假设每帧中存在导频向量互补对数量为4，且采用IEEE802.22无线广域网标准中的信道模型Profile A进行仿真，对应的采用的仿真参数如表1所示：

表1

下面将以上述信道模型及仿真参数测试本发明实施例的仿真性能。

(1)采用Preamble检测6MHz宽带信号的性能

在检测过程中所使用的帧数，即类型为Preamble的导频向量互补对数目分别为16，32，64。在接收授权用户信号与噪声信号能量比INR为-10dB和-15dB时，则在不同接收门限下的性能分别如图10和图11。可以看出，当门限选择为0.082时，可以满足IEEE802.22无线广域网标准中检测概率P_D＞0.9，错检概率P_FA＜0.1的要求。

若在上述仿真过程中考虑到噪声不确定性对检测性能的影响，则在接收授权用户信号与噪声信号能量比INR为-15dB，噪声不确定性为±1dB时，在不同接收门限下的性能如图12所示。可以看出，当门限选择为0.082时，通过增加导频向量互补对数目的方式可以基本满足IEEE802.22无线广域网标准中P_D＞0.9、P_FA＜0.1的要求。

(2)采用梳状Pilot检测6MHz宽带信号的性能

检测过程中所使用的帧数分别为16，32，64，则在接收授权用户信号与噪声信号能量比INR为-10dB和-15dB时，在不同接收门限下的性能如图13和图14所示。可以看出，当门限选择为0.082时，可以满足IEEE802.22无线广域网标准中检测概率P_D＞0.9，错检概率P_FA＜0.1的要求。

若在上述仿真过程中若考虑到噪声不确定性对检测性能的影响，则在接收授权用户信号与噪声信号能量比INR为-15dB，噪声不确定性为±1dB时，在不同接收门限下的性能如图15所示。可以看出，当门限选择为0.082时通过增加导频向量互补对数目的方式可以基本满足IEEE802.22无线广域网标准中P_D＞0.9、P_FA＜0.1的要求。

(3)采用梳状Pilot检测200kHz窄带信号的性能

假设200kHz带宽内存在6个导频子载波，检测过程中所使用的帧数分别为16，32，64。在接收授权用户信号与噪声信号能量比INR为-10dB和-15dB时，在不同接收门限下的性能如图16和图17所示，可见，在低INR的情况下，难以满足IEEE802.22无线广域网标准中检测概率P_D＞0.9，错检概率P_FA＜0.1的要求；但是，INR的增加，检测性能也将逐渐提高。

若在上述仿真过程中考虑到噪声不确定性对检测性能的影响，则在接收授权用户信号与噪声信号能量比INR为-15dB，噪声不确定性为±1dB时，在不同接收门限下的性能如图18所示，可见在低INR的情况下，难以满足IEEE802.22无线广域网标准中检测概率P_D＞0.9，错检概率P_FA＜0.1的要求。

通过上述仿真分析可知，在本发明实施例应用于IEEE802.22中时，可以考虑采用Preamble的情况；当IEEE802.22系统中采用梳状导频时，也可以考虑采用借助Pilot进行检测的实现方案。

而且，检测时间上考虑，假定可以在IEEE802.22的每一个Frame的长度约10ms，那么64个导频向量互补对需要320ms的时间，该时间长度小于标准中约束的2s的检测时间，故本发明实施例可以满足检测时间的要求。

综上所述，在本发明实施例中，不需要设置相应的静默期，因此可以避免不必要的开销和服务的中断；同时还可以降低协议实现的复杂度，以及实现针对当前工作频段的实时检测等功能。而且，本发明实施例中，无需预先进行信道估计，有效简化了感知授权用户的处理过程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1、一种信号感知方法，其特征在于，包括：

测量接收到的信号的能量，所述信号的相邻符号对之间互补；

若测量确定接收信号的能量超过预定的门限值，则确定当前信道出现处于工作状态的授权用户。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的相邻符号对之间互补包括：相邻符号对中的作为导频子载波的一个或多个子载波向量互补；或者，相邻符号对中的作为前导码一个或多个子载波向量互补。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的相邻符号对包括：连续相邻符号对或离散相邻符号对。

4、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述测量接收到的信号的能量的步骤包括：

测量接收到的多组相邻符号对的能量，对测量获得的各组相邻符号对的能量值进行累加平均，确定接收信号的能量。

5、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述的预定的门限值为根据授权用户信号与噪声信号能量比、检测概率、错检概率和互补的相邻符号对的数目中的至少一项确定。

6、一种信号感知装置，其特征在于，包括：

提取互补相邻符号对单元，用于提取具有互补特征的相邻符号对；

能量测量单元，用于测量所述提取互补相邻符号对单元提取的相邻符号对的能量；

授权用户感知单元，用于判断所述能量测量单元确定的能量是否超过预定的门限值，若超过，则确定当前信道出现处于工作状态的授权用户。

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述能量测量单元包括：

单个信号能量测量单元，用于测量单个相邻符号对的信号能量；

综合能量测量单元，获取所述单个信号能量测量单元测量获得的接收到的多组相邻符号对的能量，并对测量获得的各组相邻信号的能量值进行累加平均，确定接收信号的能量。

8、一种信号发送装置，其特征在于，与信号感知装置通信，并用于向信号感知装置发送信号，该装置包括：

互补信号生成单元，用于生成具有相邻符号对之间互补特征的信号；

信号发送单元，用于向信号感知装置发送所述互补信号生成单元确定的具有相邻符号对之间互补特征的信号。

9、一种信号发送方法，其特征在于，用于向信号感知装置发送信号，且该方法包括：

生成一组具有相邻符号对之间互补特征的信号，并向信号感知装置发送所述一组具有相邻符号对之间互补特征的信号。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，，所述的相邻符号对之间互补包括：相邻符号对中的作为导频子载波的一个或多个子载波向量互补；或者，相邻符号对中的作为前导码一个或多个子载波向量互补。

11、根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述的相邻符号对包括：连续相邻符号对或离散相邻符号对。

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