CN101741484B - 一种多带鲁棒频谱感知方法及感知器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多带鲁棒频谱感知方法及感知器，属于无线通信技术领域。所述方法包括：步骤(1)：获取每段待检测频谱的功率；步骤(2)：将所获取的待检测频谱功率按升序或降序排列；步骤(3)：根据排列后待检测频谱功率中相邻两项待检测频谱功率之商的概率分布情况，确定出空闲频谱。与能量检测器相比，本发明具有鲁棒性能，频谱感知性能理想。

Description

一种多带鲁棒频谱感知方法及感知器

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种应用于认知无线电系统的多带鲁棒频谱感知方法及感知器。

背景技术

无线频谱资源是一种十分稀有的资源。在现有的无线频谱管理模式中，频谱被划分成很多小块，然后分配给不同的应用。随着无线应用的快速发展，未被分配的频谱段越来越少，这造成了无线频谱资源的紧张。然而，另一方面，已经分配出去的频谱并没有被充分利用，例如：无线电视使用的54MHz-862MHz频谱在大部分时候都是闲置的。如果能将这些闲置的频谱利用起来，则可以大大提高频谱的使用效率。

认知无线电系统是一种新兴的可以有效利用闲置授权频谱的无线电通信系统，它通过感知周围环境来找到空闲频谱并利用它们来传输数据。因为认知无线电使用的是授权用户的空闲频谱，它首先要考虑的是不能干扰授权用户的正常通信。一旦空闲频谱被授权用户重新利用起来，认知无线电用户必须迅速的腾出此频谱。通过这种方式，认知无线电系统可以在不干扰授权用户工作的前提下灵活的接入频谱，从而提高频谱的使用效率。

在现有认知无线电系统中，为了检测出空闲频谱，常采用能量检测器，通过检测各频谱段中的能量情况来确定出空闲频谱。但是，能量检测器的性能不理想。因此需要一种性能理想的多带鲁棒频谱感知方法及感知器来解决现有技术的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能解决上述问题的性能理想的多带鲁棒频谱感知方法及感知器。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多带鲁棒频谱感知方法，包括：

步骤(1)：获取每段待检测频谱的功率；

步骤(2)：将所获取的待检测频谱功率按升序或降序排列；

步骤(3)：根据排列后待检测频谱功率中相邻两项待检测频谱功率之商的概率分布情况，确定出空闲频谱。

作为对上述技术方案的优化，所述步骤(1)进一步包括：

步骤(11)：在每段待检测频谱f₁+(q-1)WHz到f₁+qWHz，q＝1，2，...，Q内，采集N个抽样信号y_q(n)，n＝1，2，...，N；

其中，认知无线电系统的工作频谱为f₁Hz到f₂Hz，频谱感知器的分辨度为WHz频谱，所述工作频谱分为 $Q=\frac{f_2-f_1}{W}$ 段待检测频谱；

步骤(12)：计算每段待检测频谱的功率 $P_q=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_q^2\left(n\right).$

作为对上述技术方案的优化，所述步骤(2)具体为：

步骤(21)：将Q段待检测频谱的功率进行升序排列 $P_{m_1}\≤P_{m_2}\≤...\≤P_{m_Q}.$

作为对上述技术方案的优化，所述步骤(3)进一步包括：

步骤(31)：初始化i＝1；

步骤(32)：计算检验统计量 $F_i=\frac{P_{m_i}}{P_{m_{i+1}}};$

步骤(33)：如果F_i＜_{F1-α，N，N}，则转向步骤(35)；其中，F_1-α，N，N为F分布的右尾概率，由下式计算得到：

${\∫}_{F_{1-\mathrm{\α},N,N}}^{\∞}p\left(x\right)\mathrm{dx}=1-\mathrm{\α}$

α为频谱感知器确定的虚警概率；

步骤(34)：如果F_i≥F_1-α，N，N并且i＜Q-1，令i＝i+1，转向步骤(32)，否则判定在所有待检测频谱段中非空闲频谱段的数目

为Q；

步骤(35)：如果i＝1，判定 $\hat{K}=0,$ 否则判定 $\hat{K}=1;$

步骤(36)：判定为非空闲频谱段的序号，其余频谱段序号对应的频谱为空闲频谱；其中当 $\hat{K}=0$ 时，所有频谱为空闲频谱。

本发明还提供一种多带鲁棒频谱感知器，包括：

获取单元：用于获取每段待检测频谱的功率；

排序单元：用于将所获取的待检测频谱功率按升序或降序排列；

确定单元：用于根据排列后待检测频谱功率中相邻两项待检测频谱功率之商的概率分布情况，确定出空闲频谱。

作为对上述技术方案的优化，所述获取单元进一步包括：

信号采集单元：用于在每段待检测频谱f₁+(q-1)WHz到f₁+qWHz，q＝1，2，...，Q内，采集N个抽样信号y_q(n)，n＝1，2，...，N；

其中，认知无线电系统的工作频谱为f₁Hz到f₂Hz，频谱感知器的分辨度为WHz频谱，所述工作频谱分为 $Q=\frac{f_2-f_1}{W}$ 段待检测频谱；

第一计算单元：用于计算每段待检测频谱的功率 $P_q=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_q^2\left(n\right).$

作为对上述技术方案的优化，所述排序单元具体为：

升序单元：用于将Q段待检测频谱的功率进行升序排列 $P_{m_1}\≤P_{m_2}\≤P_{m_Q}.$

作为对上述技术方案的优化，所述确定单元进一步包括：

初始化单元：用于初始化i＝1；

第二计算单元：用于计算检验统计量 $F_i=\frac{P_{m_i}}{P_{m_{i+1}}};$

第一判断单元：用于当F_i＜F_1-α，N，N时，转向第一判定单元；其中，F_1-α，N，N为F分布的右尾概率，由下式计算得到：

${F_{1-\mathrm{\α},N,N}}_{\∞}^{}p\left(x\right)\mathrm{dx}=1-\mathrm{\α}$

α为频谱感知器确定的虚警概率；

第二判断单元：用于当F_i≥F_1-α，N，N并且i＜Q-1时，令i＝i+1，转向第二计算单元，否则判定在所有待检测频谱段中非空闲频谱段的数目

为Q；

第一判定单元：用于当i＝1时，判定 $\hat{K}=0,$ 否则判定 $\hat{K}=i;$

第二判定单元：用于判定

为非空闲频谱段的序号，其余频谱段序号对应的频谱为空闲频谱；其中当 $\hat{K}=0$ 时，所有频谱为空闲频谱。

由上可知，本发明中对所获取的待检测频谱功率进行了升序或降序排列，然后根据排列后待检测频谱功率中相邻两项待检测频谱功率之商的概率分布情况，确定出空闲频谱，本发明的技术方案具有鲁棒性能，频谱感知效果理想。

附图说明

图1为本发明多带鲁棒频谱感知方法一个实施例的流程示意图；

图2为本发明多带鲁棒频谱感知方法另一实施例的流程示意图；

图3为本发明多带鲁棒频谱感知器一个实施例的结构示意图；

图4为本发明多带鲁棒频谱感知器另一实施例的结构示意图；

图5为抽样数N为1000时，本发明与现有技术中能量检测器的性能比较图；

图6为抽样数N为2000时，本发明与现有技术中能量检测器的性能比较图；

图7为抽样数N为5000时，本发明与现有技术中能量检测器的性能比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明提供一种多带鲁棒频谱感知方法，它包括：

步骤1：获取每段待检测频谱的功率；

步骤2：将所获取的待检测频谱功率按升序或降序排列；

步骤3：根据排列后待检测频谱功率中相邻两项待检测频谱功率之商的概率分布情况，确定出空闲频谱。

本发明中，对所获取的待检测频谱功率进行了升序或降序排列，然后根据排列后待检测频谱功率中相邻两项待检测频谱功率之商的概率分布情况，确定出空闲频谱，本发明的技术方案具有鲁棒性能，频谱感知效果理想。

如图2所示，上述步骤1可以进一步包括：

步骤11：在每段待检测频谱f₁+(q-1)WHz到f₁+qWHz，q＝1，2，...，Q内，采集N个抽样信号y_q(n)，n＝1，2，...，N；

其中，假定认知无线电系统的工作频谱是从f₁Hz到f₂Hz，频谱感知器要在这段频谱内确定哪段是空闲频谱，哪段是非空闲频谱。假定感知器的分辨度是WHz频谱，本发明中感知器将f₁Hz到f₂Hz的频谱分为 $Q=\frac{f_2-f_1}{W}$ 段来检测，每次检测的频谱从f₁+(q-1)WHz到f₁+qWHz，q＝1，2，...，Q。如果第q段频谱被确定为非空闲频谱，则说明这段频谱已经被授权用户所占用，不能为认知无线电系统所使用；如果第q段频谱被确定为空闲频谱，则这段频谱可以为认知无线电系统所使用。

步骤12：计算每段待检测频谱的功率 $P_q=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_q^2\left(n\right).$

再如图2所示，上述步骤2可以具体为：

步骤21：将Q段待检测频谱的功率进行升序排列 $P_{m_1}\≤P_{m_2}\≤...\≤P_{m_Q}.$

在图2所示实施例中，该步骤21是以升序排列为例，但是，以降序排列同样也是可行的。

进一步如图2所示，上述步骤3可以进一步包括：

步骤31：初始化i＝1；

步骤32：计算检验统计量 $F_i=\frac{P_{m_i}}{P_{m_{i+1}}};$

步骤33：如果F_i＜F_1-α，N，N，则转向步骤(35)；其中，F_1-α，N，N为F分布的右尾概率，可以由下式计算得到：

${\∫}_{F_{1-\mathrm{\α},N,N}}^{\∞}p\left(x\right)\mathrm{dx}=1-\mathrm{\α}$

α为频谱感知器确定的虚警概率。在实际系统中，F_1-α，N，N可以做成一个取不同α值和N值的表存储在接收机中。

步骤34：如果F_i≥F_1-α，N，N并且i＜Q-1，令i＝i+1，转向步骤32，否则判定在所有待检测频谱段中非空闲频谱段的数目

为Q；

步骤35：如果i＝1，判定 $\hat{K}=0,$ 否则判定 $\hat{K}=i;$

步骤36：判定

为非空闲频谱段的序号，其余频谱段序号对应的频谱为空闲频谱；其中当 $\hat{K}=0$ 时，所有频谱为空闲频谱。

经过上述步骤31-36后即可确定出哪些频谱为空闲频谱，可以为认知无线电系统所使用。可以看出，如果步骤21中采用降序排列，则对步骤31-36中涉及到的公式稍作调整，同样可以实现确定空闲频谱的目的。

本发明中，能够同时检测Q段频谱的占用情况。本发明首先确定非空闲频谱段在所有待检测频谱段中的数量，然后判断非空闲频谱段的位置。去除这些非空闲频谱段，其它频谱都可以被认知无线电系统所使用。

与上述多带鲁棒频谱感知方法相对应，本发明还提供一种多带鲁棒频谱感知器，如图3所示，它包括：

获取单元10：用于获取每段待检测频谱的功率；

排序单元20：用于将所获取的待检测频谱功率按升序或降序排列；

确定单元30：用于根据排列后待检测频谱功率中相邻两项待检测频谱功率之商的概率分布情况，确定出空闲频谱。

如图4所示，上述获取单元10可以进一步包括：

信号采集单元101：用于在每段待检测频谱f₁+(q-1)WHz到f₁+qWHz，q＝1，2，..，Q内，采集N个抽样信号y_q(n)，n＝1，2，...，N；

其中，认知无线电系统的工作频谱为f₁Hz到f₂Hz，频谱感知器的分辨度为WHz频谱，所述工作频谱分为 $Q=\frac{f_2-f_1}{W}$ 段待检测频谱；

第一计算单元102：用于计算每段待检测频谱的功率 $P_q=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_q^2\left(n\right).$

再如图4所示，上述排序单元20可以具体为：

升序单元201：用于将Q段待检测频谱的功率进行升序排列 $P_{m_1}\≤P_{m_2}\≤...\≤P_{m_Q}.$

进一步如图4所示，上述确定单元30可以进一步包括：

初始化单元301：用于初始化i＝1；

第二计算单元302：用于计算检验统计量 $F_i=\frac{P_{m_i}}{P_{m_{i+1}}};$

第一判断单元303：用于当F_i＜F_1-α，N，N时，转向第一判定单元305；其中，F_1-α，N，N为F分布的右尾概率，由下式计算得到：

${\∫}_{F_{1-\mathrm{\α},N,N}}^{\∞}p\left(x\right)\mathrm{dx}=1-\mathrm{\α}$

α为频谱感知器确定的虚警概率；

第二判断单元304：用于当F_i≥F_1-α，N，N并且i＜Q-1时，令i＝i+1，转向第二计算单元302，否则判定在所有待检测频谱段中非空闲频谱段的数目

为Q；

第一判定单元305：用于当i＝1时定 $\hat{K}=0,$ 否则判定 $\hat{K}=i;$

第二判定单元306：用于判定为非空闲频谱段的序号，其余频谱段序号对应的频谱为空闲频谱；其中当 $\hat{K}=0$ 时，所有频谱为空闲频谱。

下面通过仿真实验说明本发明的有益效果：

仿真假设一共有40段待检测频谱，其中10段频谱中有授权用户信号，为非空闲频谱段。这10段频谱随机分布在40段待检测频谱中。授权用户信号在这10段频谱的功率服从[P_S，P_S+6]的均匀分布。P_S与噪声方差σ2的比值设定为-10dB。噪声不确定性设为1dB。

图5、图6和图7分别示出了本发明频谱感知器与现有技术中能量检测器在抽样数N为1000、2000和5000的情况下的性能比较图。从仿真图中可以看出，本发明频谱感知器的性能优于能量检测器，而且随着抽样数的增加，优势越来越明显。

综上所述，本发明提供了一种鲁棒的频谱感知方法及感知器，它能更鲁棒地对抗噪声不确定性对实际认知无线电系统的影响，从而提高了频谱感知的性能并进而保护了授权系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (4)

1.一种多带鲁棒频谱感知方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：获取每段待检测频谱的功率；

步骤(2)：将所获取的待检测频谱功率按升序或降序排列；

步骤(3)：根据排列后待检测频谱功率中相邻两项待检测频谱功率之商的概率分布情况，确定出空闲频谱；

其中，所述步骤(1)包括：

步骤(11)：在每段待检测频谱f₁+(q-1)W Hz到f₁+qW Hz，q＝1，2，...，Q内，采集N个抽样信号y_q(n)，n＝1，2，...，N；

其中，认知无线电系统的工作频谱为f₁Hz到f₂Hz，频谱感知器的分辨度为W Hz频谱，所述工作频谱分为

段待检测频谱；

步骤(12)：计算每段待检测频谱的功率

所述步骤(3)包括：

步骤(31)：初始化i＝1；

步骤(32)：计算检验统计量

步骤(33)：如果F_i＜F_1-α，N，N，则转向步骤(35)；其中，F_1-α，N，N为F分布的右尾概率，由下式计算得到：

${\∫}_{F_{1-\mathrm{\α},N,N}}^{\∞}p\left(x\right)\mathrm{dx}=1-\mathrm{\α}$

α为频谱感知器确定的虚警概率；

步骤(34)：如果F_i≥F_1-α，N，N并且i＜Q-1，令i＝i+1，转向步骤(32)，否则判定在所有待检测频谱段中非空闲频谱段的数目

为Q；

步骤(35)：如果i＝1，判定

否则判定

步骤(36)：判定

为非空闲频谱段的序号，其余频谱段序号对应的频谱为空闲频谱；其中当

时，所有频谱为空闲频谱。

2.根据权利要求1所述的多带鲁棒频谱感知方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：

步骤(21)：将Q段待检测频谱的功率进行升序排列

3.一种多带鲁棒频谱感知器，其特征在于，包括：

获取单元：用于获取每段待检测频谱的功率；

排序单元：用于将所获取的待检测频谱功率按升序或降序排列；

确定单元：用于根据排列后待检测频谱功率中相邻两项待检测频谱功率之商的概率分布情况，确定出空闲频谱；

其中，所述获取单元包括：

信号采集单元：用于在每段待检测频谱f₁+(q-1)WHz到f₁+qWHz，q＝1，2，...，Q内，采集N个抽样信号y_q(n)，n＝1，2，...，N；

其中，认知无线电系统的工作频谱为f₁Hz到f₂Hz，频谱感知器的分辨度为W Hz频谱，所述工作频谱分为段待检测频谱；

第一计算单元：用于计算每段待检测频谱的功率

所述确定单元包括：

初始化单元：用于初始化i＝1；

第二计算单元：用于计算检验统计量

第一判断单元：用于当F_i＜F_1-α，N，N时，转向第一判定单元；其中，F_1-α，N，N为F分布的右尾概率，由下式计算得到：

${\∫}_{F_{1-\mathrm{\α},N,N}}^{\∞}p\left(x\right)\mathrm{dx}=1-\mathrm{\α}$

α为频谱感知器确定的虚警概率；

第二判断单元：用于当F_i≥F_1-α，N，N并且i＜Q-1时，令i＝i+1，转向第二计算单元，否则判定在所有待检测频谱段中非空闲频谱段的数目

为Q；

第一判定单元：用于当i＝1时，判定

否则判定

第二判定单元：用于判定

为非空闲频谱段的序号，其余频谱段序号对应的频谱为空闲频谱；其中当

时，所有频谱为空闲频谱。

4.根据权利要求3所述的多带鲁棒频谱感知器，其特征在于，所述排序单元具体为：

升序单元：用于将Q段待检测频谱的功率进行升序排列 $P_{m_1}\≤P_{m_2}\≤...\≤P_{m_Q}.$

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