CN101982945B - 一种基于混沌理论的频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于混沌理论的频谱感知方法，适用于认知无线电网络。所述方法包括：认知无线电发射端用户采用混沌信号进行自身数据的发送，认知无线电接收端用户同时进行频谱感知和混沌信号的解调。通过该方法认知无线电用户在进行频谱感知时无需使用静默期，从而增加了认知无线电用户进行自身数据传输的时间，保证了数据传输的连续性，提高了认知无线电用户的通信QoS(Quality of Service)。

Description

一种基于混沌理论的频谱感知方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及认知无线电的频谱感知方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，人们对无线频谱资源的需求越来越大。然而，无线频谱是稀缺、有限的资源。如何充分利用频谱资源，提高频谱利用率，成为了一个亟待解决的问题。认知无线电(CR，Cognitiveradio)技术为解决这个问题提供了一种可行的方案。在CR系统中，具有认知功能的用户(CR用户)需要对授权用户频谱进行感知，在不影响授权用户正常通信的前提下利用频谱空穴，所述频谱空穴为已分配给授权用户但未被其使用的空闲频谱。

在目前的认知无线电网络中，如IEEE802.22无线区域网络，为了抑制认知无线电信号对频谱感知的干扰，现有的频谱感知技术需要使用静默期，在静默期内CR用户中断自身的数据传输，这样不但减少了CR用户进行自身数据传输的时间，而且破坏了数据传输的连续性，严重损害了CR用户的通信服务质量(QoS，Quality of Service)。

发明内容

为了解决频谱感知给CR用户通信QoS带来的损害，本发明实例提供了一种基于混沌理论的频谱感知方法，应用于认知无线电网络，所述技术方案如下：

一种基于混沌理论的频谱感知方法，包括：

认知无线电发射端用户采用混沌信号发射信息；

认知无线电接收端用户对接收到的信号同时进行频谱感知和混沌信号的解调，在完成自身数据传输的同时实现频谱感知。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过基于混沌理论的频谱感知方法，一方面CR用户可以在进行自身数据传输的同时进行不间断的频谱感知，提高了检测的及时性和准确性；另一方面CR用户可以在进行频谱感知的同时无需中断自身数据传输，保证了自身数据传输的连续性，提高了频谱利用率，提高了CR用户的通信QoS。

附图说明

图1：本发明实施例的认知无线电系统拓扑图；

图2：本发明实施例提供的基于混沌的无静默期频谱感知流程图；

图3：本发明实施例提供的混沌信号产生流程图；

图4：本发明实施例提供的频谱感知流程图；

图5：处于混沌临界状态的杜芬混沌振子吸引子相轨迹图；

图6：处于大尺度周期状态的杜芬混沌振子吸引子相轨迹图；

图7：本发明实施例提供的混沌信号解调流程图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作一步地详细描述。

本发明实施例的认知无线电系统拓扑如图1所示，一对CR用户，包括CR发射端用户和CR接收端用户和一对授权用户，包括授权发射端用户和授权接收端用户。授权用户使用已分配的授权频谱资源，该授权频谱资源为可用信道，而CR用户在授权用户不工作的时候利用该段已经授权的频谱资源，但是授权用户随时可能开始工作，认知用户需要通过频谱感知快速准确地检测出该段频谱资源上随时出现的授权用户信号并及时退出该信道。

实施例

参见图2，本发明实施例提供了一种基于混沌理论的频谱感知方法，包括：

产生认知无线电发射信息000：CR发射端用户对需要发送的信息进行编码，使其转化为二进制的认知无线电发射信息；

调制成混沌信号100：CR发射端用户将认知无线电发射信息调制成混沌信号；

接收信号并将信号分为两路200：CR接收端用户接收该频谱空穴上的信号，并将其分为两路，第一路信号为从CR接收端上任一根天线上接收到的信号，用于频谱感知；第二路信号为从CR用户接收端上三根天线上接收到的三个相互独立的信号，用于混沌信号的解调；

假设授权用户信号存在300：先作出假设：授权用户信号存在；

频谱感知验证假设400：对接收到的第一路信号进行频谱感知，以验证“授权用户信号存在”的假设是否成立；

判断假设是否成立500：根据频谱感知的结果对假设做出判决；

继续使用该频谱空穴600：若判断“授权用户信号存在”的假设不成立，则CR用户继续使用该段频谱空穴，在该段频谱空穴上传输信息并进行频谱感知。

退避该频谱空穴700：若判断“授权用户信号存在”的假设成立，则CR用户立刻退出该频谱空穴。

混沌信号解调800：对接收到的第二路信号进行混沌信号的解调；

恢复认知无线电发射信息900：将解调的信息转化为认知无线电发射信息。

在本发明实施例中，如图3，调制成混沌信号100包括：

产生混沌信号101：用户产生混沌信号；

混沌信号的产生可以根据一定的混沌模型利用由电容、电阻、电感等元件组成的模拟混沌电路产生，如蔡氏模拟混沌电路、变型蔡氏模拟混沌电路、杜芬模拟混沌电路等；也可以根据一定的混沌模型利用数字合成技术产生。在本发明实施例中仅以蔡氏模拟混沌电路来产生混沌信号，在保证CR用户通信QoS的前提下，也可采用上述其他方法来产生混沌信号。

自适应调整混沌信号频谱102：根据频谱空穴的频谱特征调整混沌信号的频谱，以避免对相临信道的通信造成干扰；

将产生的混沌信号通过通带自适应可调的滤波器，滤波器的通带范围根据频谱空穴的频谱特征来设置，从而混沌信号的频谱能够自适应的根据频谱空穴来调整。

差分混沌键控调制103：用经过自适应调制的混沌信号对认知无线电发射信息进行差分混沌键控调制；

差分混沌键控调制基函数的前半段称为参考段，后半段称为信息承载段。根据认知无线电发射信息为“0”和“1”的不同，信息承载段分别为参考段的同相或反相副本。当发射信息为“1”时，发送g₁(t)；当发射信息为“0”时，发送g₂(t)。g₁(t)和g₂(t)分别为

$g_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}+\frac{1}{\sqrt{E_b}}c\left(t\right),& 0\&le;t<T/2\\ +\frac{1}{\sqrt{E_b}}c(t-T/2),& T/2\&le;t<T\end{array}\right.$

$g_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}+\frac{1}{\sqrt{E_b}}c\left(t\right),& 0\&le;t<T/2\\ -\frac{1}{\sqrt{E_b}}c(t-T/2),& T/2\&le;t<T\end{array}\right.$

T为CR用户发射信息的符号周期，E_b为发射信号的能量，c(t)为混沌序列。需要说明的是，在本发明实施例中，仅以选择差分混沌调制为例，在保证CR认知用户通信QoS的前提下，当然可以选择其他数字混沌调制方式，如混沌键控、混沌开关键控、调频差分混沌键控等。

在本发明实施例中，接收信号并将信号分为两路200包括：

A：接收信号，采用三根天线从频谱空穴上接收信号，并保证接收到的信号相互独立；

由于接收到的信号由混沌信号s(t)、随时可能出现的授权信号i(t)及噪声n(t)三种相互独立的信号组成，为了实现对接收信号中的混沌信号的准确解调，接收端可以利用从多条天线数接收到的多个相互独立的信号中提取出混沌信号s(t)，消除授权信号i(t)及噪声n(t)的干扰。本实施例仅以采用三根天线为例，也可以采用多于三根的天线。

B：分成两路，将三根天线接收到的信号(用x_i(t)(i＝1，2，3)表示)分成两路，第一路包含任一根天线接收到的信号即可，用于频谱感知，将该路信号记为r(t)；第二路包含三根天线接收到的信号x_i(t)(i＝1，2，3)，用于混沌信号的解调。

在本发明实施例中，如图4，频谱感知验证假设400包括：

接收到的信号401：接收到的第一路信号r(t)由噪声信号n(t)、混沌信号s(t)及假设出现的授权信号i(t)组成。

待检信号自相关402：将接收到的第一路信号r(t)进行自相关，得到信号c(t)；

若假设授权用户信号存在300成立，即r(t)包含授权信号i(t)，由于授权信号i(t)由于经过调制、编码等处理，信号中存在一定的冗余信息其自相关函数会呈现出循环周期性，而噪声和混沌信号不具有这种特性，则信号c(t)具有循环周期性。若假设授权用户信号存在300不成立，即r(t)不包含授权信号i(t)，则信号c(t)不具有循环周期性。

估计循环频率403：将自相关信号c(t)导入杜芬混沌振子中，估计其中授权信号i(t)的循环频率；

调节杜芬混沌振子并导入待检信号404：调节混沌振子的角频率等于估计的循环频率，并调节杜芬混沌振子的策动力幅值使振子处于临界混沌状态，然后将自相关信号c(t)导入其中；

杜芬混沌振子的动力学方程表示为：x″(t)+kx′(t)-x³(t)+x⁵(t)＝a_ccosω_ct

其中，k为阻尼比；a_c为振子周期策动力幅值；ω_c为振子角频率。调节a_c值的大小可以改变杜芬混沌振子的状态，当该混沌振子处于混沌状态时，增大a_c值到一临界值，若a_c值若再增大，该混沌振子便会由混沌状态跃迁到周期状态。

观测杜芬混沌振子状态405：观测导入自相关信号c(t)之后杜芬混沌振子的状态。

处于临界混沌状态的杜芬混沌振子对导入其中的同频率循环周期信号敏感，所述同频率是指杜芬混沌振子的角频率与导入循环周期信号的循环频率相同，表现为杜芬混沌振子会由混沌状态变为大尺度周期状态，其相位轨迹会由复杂的运动状态(如图5)变为环状的运动状态(如图6)。据此，通过观察杜芬混沌振子的相位轨迹可判断导入杜芬混沌振子的信号是否具有循环周期特性，即是否存在授权信号。

需要说明的是，在本发明实施例中，仅以观察杜芬混沌振子的相位轨迹为例来判断振子是否仍处于混沌状态，在保证判断准确的前提下，当然也可以选择其他方法来判断杜芬混沌振子是否仍处于混沌状态，如计算此时杜芬混沌振子输出信号的熵值。

估计循环频率403包括：

A：导入待检信号，将信号c(t)导入杜芬混沌振子中；

B：采用基于授权用户使用频段历史统计信息的杜芬混沌振子角频率调节机制对杜芬混沌振子角频率进行调节，在频谱空穴的频率范围内，遍历杜芬混沌振子的角频率并记录混沌振子每个角频率值对应的输出信号；角频率调节机制的设计基于授权用户使用频段的历史统计信息。若根据历史统计信息，授权用户在该频谱空穴内使用的频段比较分散且多变，则采用两步调节机制：第一步以较大的间隔值对杜芬混沌振子的角频率进行粗调节；第二步根据C的计算结果，选定方差值较大的角频率区间，并在该区间以较小的间隔值对杜芬混沌振子的角频率进行细调节。若根据历史统计信息授权用户在该频谱空穴内使用的频段比较集中且固定，则采用自适应调节机制，在使用集中的频段采用小间隔值对杜芬混沌振子的角频率进行细调节，在其他频段采用大间隔值对其进行粗调节。

C：计算输出信号的方差值，分别求出每个角频率对应杜芬混沌振子输出信号的方差值；

D：依据方差值确定待检信号的循环频率，选取最大输出信号方差值对应的角频率，即为信号c(t)中假设存在授权信号自相关的循环频率。

在本发明实施例中，如图7，混沌信号解调800包括：

接收到的信号801：接收到的信号为三个相互独立的信号x_i(t)(i＝1，2，3)，每一个都是由噪声信号n(t)、混沌信号s(t)及随时可能出现的授权信号i(t)组成；

提取混沌信号802：根据蔡氏模拟混沌电路的动力学方程，从x_i(t)(i＝1，2，3)中提取出混沌信号；

对提取问题进行数学建模，x_i(t)(i＝1，2，3)可用矩阵表示为

X＝AS

X＝[x₁(t)，x₂(t)，x₃(t)]^T

S＝[s(t)，i(t)，n(t)]^T

其中，A为混合矩阵，由X和S都为满秩矩阵可知，A也是满秩的。因此A必定存在伪逆矩阵A^#，根据A^#A＝E，则存在提取矩阵W，可表示为

W＝A^#(1，：)

根据WA＝[1，0，0]，混沌信号可由下式得到

y(t)＝WX＝WAS

＝[1，0，0]*[s(t)，i(t)，n(t)]^T

＝s(t)

因此，混沌信号提取的关键就是寻找到提取矩阵W，使y(t)逼近s(t)。为此，定义误差函数

ε(W)＝∑(y(t)-s(t))²

其中f(·)为蔡氏模拟混沌电路的动力学方程，对于CR用户为已知信息，y(t)为s(t)的估计值，则混沌信号s(t)可表示为

s(t)＝f(y(t-1))将其带入上式得

ε(W)＝∑(y(t)-f(y(t-1)))²

因此，混沌信号的提取问题可转化为最优化问颗，即

$W=\arg \underset{W}{\min }\mathrm{\&epsiv;}\left(W\right)$

寻找最优的提取矩阵W，使误差函数ε(W)最小。

利用参数估计法，搜寻提取矩阵W，选取使误差函数ε(W)达到全局最小对应的W即为提取矩阵。将其带入下式

y(t)＝WX＝WAS＝s(t)

即可得到混沌信号。

延迟相关解调803：对提取出的混沌信号进行延迟相关解调。

利用混沌信号类似于脉冲函数的自相关特性和非常低的互相关特性，将混沌信号延迟时间τ(τ＝T/2)并进行自相关，将自相关的结果与判决门限进行比较，大于门限值判为“1”，小于门限值则判为“0”。

Claims (5)

1.一种基于混沌理论的频谱感知方法，其特征在于，包括：

认知无线电(CR，Cognitive radio)发射端用户采用混沌信号发射信息；

CR接收端用户接收信号并将接收到的信号分为两路，第一路信号为从CR接收端用户上任一根天线上接收到的信号，依据以下四步骤进行频谱感知验证假设：

待检信号自相关，将接收到的第一路信号进行自相关；

估计循环频率，将自相关信号导入杜芬混沌振子中，估计其中授权信号的循环频率；

调节混沌振子的角频率为估计的循环频率，并调节杜芬混沌振子的策动力幅值使振子处于临界混沌状态，并将自相关信号导入其中；

观测杜芬混沌振子状态，观测将自相关信号导入杜芬混沌振子之后杜芬混沌振子的状态，若其由混沌状态变为周期状态，则授权用户信号出现，否则授权用户信号没有出现；

第二路信号为从CR接收端用户上三根天线上接收到的三个相互独立的信号，用于混沌信号的解调；若判断授权用户信号没有出现，则继续使用属于此授权用户的频谱空穴，在频谱空穴上传输信息并依据上述频谱感知验证假设方法进行频谱感知；若判断授权用户信号出现，则退避频谱空穴；

根据混沌信号解调的结果恢复出认知无线电发射信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CR发射端用户采用混沌信号发射信息，包括：

产生认知无线电发射信息，CR发射端用户对CR用户需要发送的信息进行编码，使其转化为二进制的认知无线电发射信息；

调制成混沌信号，CR发射端用户将认知无线电发射信息调制成混沌信号；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调制成混沌信号，CR发射端用户将认知无线电发射信息调制成混沌信号，包括：

产生混沌信号，利用蔡氏模拟混沌电路来产生混沌信号；

自适应调整混沌信号频谱，根据频谱空穴的频谱特征调整混沌信号的频谱，以避免对相邻信道的通信造成干扰。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述自适应调整混沌信号频谱，根据频谱空穴的频谱特征调整混沌信号的频谱，以避免对相邻信道的通信造成干扰，包括：

将混沌信号通过通带自适应可调的滤波器，滤波器的通带范围根据频谱空穴的频谱特征来设置，从而混沌信号的频谱能够根据频谱空穴的频谱特征自适应地调整，以避免对相邻信道的通信造成干扰。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二路信号为从CR接收端用户上三根天线上接收到的三个相互独立的信号，用于混沌信号的解调，包括以下步骤：

第一步，将接收到的三个相互独立的信号表示为x_i(t)(i＝1，2，3)，其中每一个都是由噪声信号n(t)、混沌信号s(t)及随时可能出现的授权信号i(t)组成；

第二步，提取混沌信号：根据蔡氏模拟混沌电路的动力学方程，将提取问题建模为：

X＝AS

其中，X＝[x₁(t)，x₂(t)，x₃(t)]^T，S＝[s(t)，i(t)，n(t)]^T，A为混合矩阵，由X和S都为满秩矩阵可知，A也是满秩的；

根据A^#A＝E，其中E为单位矩阵，A ^# 为A的伪逆矩阵，将提取矩阵W表示为：W＝A^#(1，:)；

根据WA＝[1，0，0]，将混沌信号的提取转化为求解提取矩阵W的问题：

y(t)＝WX＝WAS

＝[1，0，0]*[s(t)，i(t)，n(t)]^T；

＝s(t)

将寻找到提取矩阵W的问题建立成最优化问题：

$W=\arg \underset{W}{\min }\mathrm{\&epsiv;}\left(W\right)$

其中，ε(W)＝∑(y(t)-f(y(t-1)))²为定义的误差函数，其中y(t)为s(t)的估计值，f(·)为蔡氏模拟混沌电路的动力学方程，对于CR用户为已知信息；

利用参数估计法，搜寻提取矩阵W，选取使误差函数ε(W)达到全局最小对应的W即为提取矩阵，将其带入下式：

y(t)＝WX＝WAS＝s(t)

即可得到混沌信号；

第三步，延迟相关解调：对提取出的混沌信号进行延迟相关解调。

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