CN101944930B - 一种能量检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能量检测的方法和装置，通过将检测过程分为两部分，一部分计算待测频段范围内的能量值，另一部分计算校正频段内的能量值，后者对原有固定门限值进行修正，并将修正后的新门限值作为前者的判决条件。同时，由于校正频段带宽远大于待测频段带宽，故受扰用户(主用户)在校正频段内的能量对噪声估计值产生的影响可忽略不计，从而达到门限值随噪声干扰同步变化的效果，实现了抑制虚警概率的目的。

Description

一种能量检测的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及认知无线电频谱感知技术中一种能量检测的方法和装置。

背景技术

认知无线电是一种通过与其运行环境交互改变自身发射参数，以提高频谱利用率的通信技术。其工作过程需要可靠地感知通信环境，寻找可用的空闲频谱资源。能量检测是认知无线电技术物理层中一种有效的检测方法，通过计算信号在特定频段内的能量值，与预先设定的门限值进行比较，做出判决，获得检测结果。随着认知无线电技术的发展，能量检测逐渐成为物理层频谱感知的关键技术。

能量检测法具有简单易行、检测速度快、无需与主用户信号同步、无需预先知道主用户信号结构等特点。但是，其不具有相干信号处理功能，对带内干扰和噪声敏感。

现有方法在门限值设定过程中均假设噪声服从标准正态分布，然而在实际工作环境中，能量检测器常受到其它电子设备干扰。然而，在办公室环境下显示器、计算机主机和打印机共同工作时产生的噪声，对固定门限判决的能量检测法，会造成虚警概率的急剧上升(检测概率恒定)。

当前，通常采用合作检测弥补能量检测法的不足。合作检测技术中，信息融合中心处理本地频谱检测的方式主要包括“与”“或”“加权序贯”等算法，但各算法均要求感知用户间的相关度较低。但是，在办公室环境下，由多台计算机及显示器构成的复杂电磁环境中，全部感知节点可能均被背景噪声所淹没，显然会造成能量检测的不准确，使其可信度降低。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种有效的能量检测措施，以解决现有技术中存在的不足，有效降低背景噪声干扰情况下的虚警概率，并且确保实际应用中主用户检测性能不受影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能量检测的方法和装置，用以有效降低背景噪声干扰情况下的虚警概率，同时确保实际应用中受扰用户也即主用户检测性能不受影响。

为了解决上述问题，本发明公开了一种能量检测的方法，所述方法包括：

A1：按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/n为待测频段带宽；

A2：根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所述校正频段带宽以受扰用户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽；

A3：计算校正频段带宽内的能量值；

A4：对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的门限；其中，m为校正门限权系数，

A5：计算待测频段带宽内的能量值；

A6：判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限：

若是，则表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；

若否，则表明受扰用户存在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作；

A7：按照次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的下个1/n为待测频段带宽，重复进行A5-A7，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止。

优选的，所述校正频段带宽内的能量值采用经典周期图法进行计算。

优选的，所述待测频段带宽内的能量值采用Welch法进行计算。

优选的，所述计算校正频段带宽内的能量值和计算待测频段带宽内的能量值同步进行。

本发明还公布了一种能量检测的装置，所述装置包括：

待测频段带宽选取模块，用于按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/n为待测频段带宽，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止；

校正频段带宽选取模块，用于根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所述校正频段带宽以受扰用户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽；

第一计算模块，用于计算校正频段带宽内的能量值；

修正后门限值获取模块，用于对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的门限；其中，m为校正门限权系数，

第二计算模块，用于计算待测频段带宽内的能量值；

判断模块，用于判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限：

第一状态显示模块，当判断模块判断为是时，用于表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；

第二状态显示模块，当判断模块判断为否时，用于表明受扰用户存在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作。

优选的，所述第一计算模块采用经典周期图法计算校正频段带宽内的能量值。

优选的，所述第二计算模块采用Welch法计算待测频段带宽内的能量值。

优选的，所述第一计算模块和第二计算模块同步进行计算。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过依次按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/n为待测频段带宽，并根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽，所述校正频段带宽以受扰用户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽，计算校正频段带宽内的能量值，对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的门限，计算待测频段带宽内的能量值，判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限：若是，则表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；若否，则表明受扰用户存在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作，实质上通过将检测过程分为两部分，一部分计算待测频段范围内的能量值，另一部分计算校正频段内的能量值，后者对原有固定门限值进行修正，并将修正后的新门限值作为前者的判决条件。同时，由于校正频段带宽远大于待测频段带宽，故受扰用户(主用户)在校正频段内的能量对噪声估计值产生的影响可忽略不计，从而达到门限值随噪声干扰同步变化的效果，实现了抑制虚警概率的目的。

附图说明

图1是本发明实施例一所述的一种能量检测的方法流程图；

图2是本发明实施例一所述的噪声能量波动下现有方法和本发明的虚警概率示意图；

图3是本发明实施例一所述的噪声方差波动下现有方法和本发明的虚警概率示意图；

图4是本发明实施例一所述的现有方法和本发明对测试概率仿真的示意图；

图5是本发明实施例二所述的一种能量检测的装置结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图1，示出了本发明所述的一种能量检测的方法流程图，所述方法具体包括：

S101，按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/n为待测频段带宽；

所述的某种次序是为了有序的完成所需测试频段的测试而设定的，具体可根据实际需求进行设定。

S102，根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所述校正频段带宽以受扰用户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽；

S103，计算校正频段带宽内的能量值；

优选的，所述校正频段带宽内的能量值采用经典周期图法进行计算。

其中，所述的周期图法是一种经典的信号功率谱密度估计方法，人们也将其称为经典周期图法。

S104，对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的门限；其中，m为校正门限权系数，

S105，计算待测频段带宽内的能量值；

优选的，所述待测频段带宽内的能量值采用Welch法进行计算。

其中，所述的Welch法是对Bartlett法的改进，旨在保持Bartlett法方差性能的同时，改善其分辨率，又称加权交叠平均法，其基本原理是：对数据分段时，使每一段有部分重叠，然后对每一段数据用一个合适的窗函数进行平滑处理，最后对各段谱求平均。

S106，判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限：

若是，则为S107；

若否，则为S108；

S107，表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；

S108，表明受扰用户存在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作。

S109，按照次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的下个1/n为待测频段带宽，重复进行S105-S109，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止。

下面将进一步说明所述能量测试的方法，具体说明各个步骤的实现和原理，将施扰用户引发的背景噪声能量升高分解为噪声均值μ和方差σ的增加两个独立事件，并分别进行研究。

具体的，对于校正门限值的计算原理如下。当背景噪声分布σ＝1且μ≠0时，经前置滤波器滤波后的噪声为

$n\left(t\right)=\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\sin c(2W_{1}t-i)---\left(1\right)$

其中a_i表示服从标准正态分布的随机向量，W₁表示校正频段带宽。

$a_i=n_1\left(\frac{1}{{2W}_1}\right)---\left(2\right)$

则噪声能量可表示为

$\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{n}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=(1/2W_1)\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2---\left(3\right)$

对于实际的检测，在校正频段内的噪声能量可记为V₁，采用经典周期图法进行计算为：

$V_1=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{n}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=(1/2W_1)\underset{i=0}{\overset{{2W}_{1}T}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2---\left(4\right)$

V₂表示无受扰用户(主用户)存在时，且检测带宽为W₂时待测频段范围内的能量值采用Welch法进行计算为：

$V_2=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{n}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=(1/2W_2)\underset{i=0}{\overset{{2W}_{2}T}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2---\left(5\right)$

为分析检测性能，需要对其概率密度函数进行推导：

当噪声服从标准正态分布时，其概率密度函数f₁(x)为

$f_1\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-x^2/2}---\left(6\right)$

经能量检测系统后的检测统计量概率密度函数f₂(x)为

$f_2\left(x\right)=\frac{1}{2\sqrt{x}}[f_1(\sqrt{x)}+f_1(-\sqrt{x)}]=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{x}^{-1/2}{e}^{-x/2}=\mathrm{\Γ}(\frac{1}{2},2),x>0---\left(7\right)$

由伽马函数可加性可得噪声分布服从σ＝1且μ≠0时的概率密度函数

$f\left(v_2\right)=\frac{1}{2^{{\mathrm{TW}}_2}\mathrm{\Γ}\left({\mathrm{TW}}_2\right)}{e}^{-v_2/2}{v_2}^{{\mathrm{TW}}_2-1},v_2>0---\left(8\right)$

下面对分布为σ≠1且μ＝0时的情况进行分析，即分析多组服从不同分布噪声的叠加情况。n_k(t)表示2WT组服从独立同分布的噪声叠加之和，其能量可表示为

$\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{n}_k^2\left(t\right)\mathrm{dt}=(1/2W)\underset{i=1}{\overset{2\mathrm{WT}}{\mathrm{\Σ}}}{a_{\mathrm{ik}}}^2---\left(9\right)$

当噪声存在n种不同方差分布时，校正频段内总能量记为V′₁

$V_1^{\′}=(1/2W_1)\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{2W_{1}T}{\mathrm{\Σ}}}{a_{\mathrm{ik}}}^2---\left(10\right)$

待测频段内总能量记为V′₂

$V_2^{\′}=(1/2W_2)\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{2W_{2}T}{\mathrm{\Σ}}}{a_{\mathrm{ik}}}^2---\left(11\right)$

同理可得噪声分布服从σ≠1且μ＝0时的概率密度函数

$f\left(v_2^{\′}\right)=\frac{1}{C^{{\mathrm{TW}}_2}\mathrm{\Γ}\left({\mathrm{TW}}_2\right)}{e}^{-v_2^{\′}/C}{v_2^{\′}}^{{\mathrm{TW}}_2-1},v_2^{\′}>0---\left(12\right)$

若固定门限值为V_T，将V_T+V₁记作λ_N，对于服从σ＝1且μ≠0的噪声环境，虚警概率可表示为

$P_f=\mathrm{Prob}\{V_2>{\mathrm{\λ}}_N|H_0\}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_N}^{\∞}f\left(v_2\right)d{v}_2---\left(13\right)$

对于服从σ≠1且μ＝0分布的噪声环境，将V_T+V′₁记作λ′_N，则虚警概率可表示为

$P_f=\mathrm{Prob}\{V_2^{\′}>{\mathrm{\λ}}_N^{\′}|H_0\}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_N^{\′}}^{\∞}f\left(v_2^{\′}\right){\mathrm{dv}}_2^{\′}---\left(14\right)$

其中Γ(.，.)表示不完整的Gamma函数；Q()为一般的Marcum Q函数。

本发明由于采用自适应门限技术，检测概率会随门限值的增高发生变化，下面以σ＝1且μ≠0为例研究新方法对系统检测概率产生的影响。

主用户信号可表示为

$S\left(t\right)=\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\sin c({2W}_{2}t-i)---\left(15\right)$

主用户信号与噪声共存时待测频段内能量值V_h可表示为

$V_h=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}y\left(t\right)\mathrm{dt}=(1/{2W}_2)\underset{i=0}{\overset{{2W}_{2}T}{\mathrm{\Σ}}}(a_i^2+{\mathrm{\α}}_i^2)---\left(16\right)$

其中y(t)表示主用户信号与噪声叠加后的表达式。同虚警概率推导方法，检测概率表达式为

$P_d=\mathrm{Prob}\{V_h>{\mathrm{\λ}}_N|H_1\}=Q_{\mathrm{TW}}(\sqrt{R},\sqrt{{\mathrm{\λ}}_N})---\left(17\right)$

其中修正后的门限值λ_N＝V_T+m*V₁，Q()为一般的Marcum Q函数，R表示主用户信号能量与该频段内背景噪声能量的比值。

由式(17)可知，检测概率受R与λ_N共同影响。λ_N随背景噪声能量的增加而升高，对检测概率有一定负面影响。但是，对于一般窄带无线通信系统，为保证通信系统正常工作，待测频段内的信号能量通常远大于噪声能量，相对于R，λ_N产生的影响可被近似忽略。当处于特殊情况下(R较小)λ_N的升高造成检测概率下降时，可采用引入校正门限权系数m，其中以控制V₁对λ_N产生的影响，进而防止检测概率下降。

优选的，所述计算校正频段带宽内的能量值和计算待测频段带宽内的能量值同步进行。

由于经典周期图法计算速度高于Welch法，计算校正频段带宽内的能量值和计算待测频段带宽内的能量值同步进行，可最大限度节约检测时间。

进一步的，以全球微波互联接入即WiMax(Worldwide Interoperability forMicrowave Access)系统处于背景噪声干扰环境下为例进行仿真：无干扰时的初始环境下，取100000组服从标准正态分布的随机向量作为初始噪声，其功率谱密度为-90dBm/MHz。初始环境下噪声检测统计量服从中心卡方分布，取恒定虚警概率为1.53％，可计算出此时的固定门限值为1.144×10^-12w。但是，上述条件下得出的固定门限值，极易被存在干扰环境下的背景噪声所淹没。设此时背景噪声为n_e(t)，则

$\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{n}_e^2\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{\β}*(1/2W)\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2---\left(18\right)$

其中β＝N_b/N₀，N₀为初始环境下噪声功率谱密度，N_b为存在干扰环境下背景噪声功率谱密度。

参照图2所示，随背景噪声功率逐渐增加，现有能量检测方法虚警概率急剧上升，而新方法(m＝1)在噪声功率谱密度上升至-67dBm/MHz后虚警概率才出现明显上升，具体到图中，m＝1的曲线是由“+”所代表的数据采用正交多项式拟合获得的；当m＝0.7时，噪声功率谱密度达到-80dBm/MHz时虚警概率仅为0.5％，可见本发明显著地提高了抗噪声干扰性能。附图中的新方法/新方案代表本实施所述的方法，现有方法/原方案代表现有的方法。

当噪声功率趋向无穷大时，尽管门限值的增量与卡方分布均值的增量相等，但由于卡方分布概率密度函数图形展宽，导致越过门限值的面积逐渐增大(即虚警概率逐渐增大)，故新能量检测法虚警概率最终趋向并收敛于50％，即式(19)。如图3所示，对新方法虚警概率进行正交多项式拟合，拟合结果与理论分析相互印证。

$P_{f,\max }=\underset{E\left(n_e\left(t\right)\right)\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\mathrm{Prob}\{E\left(n_e\left(t\right)\right)>{\mathrm{\&lambda;}}_N\}<50\%---\left(19\right)$

对检测概率的仿真参数如下：WIMAX系统采用卷积码，16QPSK-3/4调制，背景噪声功率谱密度-72dBm/MHz。对客户端上行信号进行检测。经仿真可知，当γ≥2.5dB时，即不会对检测概率产生影响。如图4所示，当m＝1时，所需的γ值较现有方案增加约2dB，而当m＝0.7时，仅比现有方案增加约1.5dB。在实际应用过程中，由于检测器与主用户的间隔距离通常较近，故到达检测器的主用户上行信号通常衰减较小，对于典型WIMAX系统γ_min＞2.5dB。即使主用户选用发射功率最小的客户端，也可通过调节参数m的方法减轻对检测概率的影响。综上所述，本发明在实际应用中对主用户信号检测概率基本没有影响。

实施例中利用背景噪声的频谱宽度远大于窄带无线通信系统的特点，首先将一段较大频段(即校正频段，记作F)内的能量值与原固定门限值求和(记作λ_N)，再与一段较小频段(即待测频段，记作f)内的能量值进行比较，以判断f频段内能量值的上升是否是由于背景噪声变化所引起。这里所述的F频段与f频段范围关系具体为：F＞＞f，目的是使主用户信号对校正频段内能量谱密度的影响可被近似忽略，f取值由施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分决定。

本实施例中所述的方法将检测过程分为两部分，一部分计算待测频段范围内的能量值，另一部分计算校正频段内的噪声值，后者对原有固定门限值进行修正，并将修正后的新门限值作为前者的判决条件。同时，由于校正频段带宽远大于待测频段带宽，故受扰用户(主用户)在校正频段内的能量对噪声估计值产生的影响可忽略不计，从而达到门限值随噪声干扰同步变化的效果，实现抑制虚警概率上升的目的。

实施例二：

参照图5，示出了本发明所述的一种能量检测的装置结构图，所述装置具体包括：

待测频段带宽选取模块501，用于按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/n为待测频段带宽，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止；

校正频段带宽选取模块502，用于根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所述校正频段带宽以受扰用户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽；

第一计算模块503，用于计算校正频段带宽内的能量值；

修正后门限值获取模块504，用于对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的门限；其中，m为校正门限权系数，

第二计算模块505，用于计算待测频段带宽内的能量值；

判断模块506，用于判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限：

第一状态显示模块507，当判断模块506判断为是时，用于表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；

第二状态显示模块508，当判断模块506判断为否时，用于表明受扰用户存在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作。

优选的，所述第一计算模块503采用经典周期图法计算校正频段带宽内的能量值。

优选的，所述第二计算模块505采用Welch法计算待测频段带宽内的能量值。

优选的，所述第一计算模块503和第二计算模块505同步进行计算。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种能量检测的方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种能量检测的方法，其特征在于，所述方法包括：

A1：按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/n为待测频段带宽；

A2：根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所述校正频段带宽以受扰用户中心频点展开且大于主用户带宽和待测频段带宽；

A3：计算校正频段带宽内的能量值；

A4：对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的门限；其中，m为校正门限权系数，

A5：计算待测频段带宽内的能量值；

A6：判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限：

若是，则表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；

若否，则表明受扰用户存在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作；

A7：按照次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的下个1/n为待测频段带宽，重复进行A5-A7，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止；

其中，所述计算校正频段带宽内的能量值和计算待测频段带宽内的能量值同步进行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述校正频段带宽内的能量值采用经典周期图法进行计算。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述待测频段带宽内的能量值采用Welch法进行计算。

4.一种能量检测的装置，其特征在于，所述装置包括：

待测频段带宽选取模块，用于按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/n为待测频段带宽，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止；

校正频段带宽选取模块，用于根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所述校正频段带宽以受扰用户中心频点展开且大于主用户带宽和待测频段带宽；

第一计算模块，用于计算校正频段带宽内的能量值；

修正后门限值获取模块，用于对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的门限；其中，m为校正门限权系数，

第二计算模块，用于计算待测频段带宽内的能量值；

判断模块，用于判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限：

第一状态显示模块，当判断模块判断为是时，用于表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；

第二状态显示模块，当判断模块判断为否时，用于表明受扰用户存在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作；

其中，所述第一计算模块和第二计算模块同步进行计算。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述第一计算模块采用经典周期图法计算校正频段带宽内的能量值。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述第二计算模块采用Welch法计算待测频段带宽内的能量值。

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