CN102013928B - 一种认知无线电系统中的快速频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知无线电系统中的快速频谱感知方法，其根据给定的恒虚警概率和采样点数计算判决门限，然后根据目标频段的信号的N个采样点的采样值计算相邻采样点之间的相关系数，并将该相关系数作为检验统计量，再比较检验统计量与判决门限，当检验统计量大于判决门限时表示目标频段正在被主用户使用，反之表示目标频段未被主用户使用，优点在于其能够在任意给定的恒虚警概率和采样点数条件下计算判决门限，即不管采样点数多少，本方法均能快速获得满足恒虚警概率要求的判决门限，因此在采样点数较小时可以在缩短感知时间的条件下获得判决门限，不仅实现了快速频谱感知，而且有效降低了虚警概率误差。

Description

一种认知无线电系统中的快速频谱感知方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线电技术，尤其是涉及一种认知无线电系统中的快速频谱感知方法。

背景技术

随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的快速发展，无线通信得到了迅猛的发展和应用，并渗透到了社会各个领域。无线通信提供的业务也由单一的对带宽要求不高的话音业务向需要较宽频谱的宽带多媒体业务发展。随着对频谱资源需求的不断增长，无线通信的频谱资源变得越来越紧张，成为了制约无线通信发展的瓶颈。无线通信的频谱资源的紧张主要表现在以下两个方面：第一，无线局域网（WLAN）、无线个人局域网（WPAN）等业务接入的非授权频段已经趋于饱和；第二，随着越来越多的授权频段频谱被分配利用，可以提供给新业务使用的空闲频段出现短缺。然而，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）频谱政策任务组的调查表明，由频率管理部门分配的授权频段在不同的时间段、不同的地理区域里的使用率在15%到85%之间，这些授权频段大部分时间里未被占用，还有一些只是被部分占用，频谱的利用情况极不平衡。可见，当前无线通信的频谱资源短缺现状并不是由于频谱资源物理上的不足，而主要是由于现有的固定频谱分配管理机制导致频谱利用率低造成的。

认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术的提出，为无线通信的频谱资源紧张提供了一种新的解决思路。认知无线电技术的核心思想就是认知无线电设备能感知周围的无线环境特征，在不妨碍主用户正常传输的前提下，通过自适应调整其传输参数，达到合理利用无线频谱资源的目的。为了保证授权用户的正常通信不受干扰并且提高授权频段的利用效率，必须要求认知无线电设备具有快速可靠的频谱感知功能。因此，频谱感知成为了认知无线电技术中极为关键的一部分。

认知无线电系统中的频谱感知方法分为协作频谱感知方法和单点频谱感知方法两大类。其中，协作频谱感知方法配置多个认知用户，多个认知用户把各自的感知结果进行融合。单点频谱感知方法利用一个认知用户对频谱进行感知，图1给出了使用单点频谱感知方法的认知无线电系统的示意图，图1中单个认知用户接收空中的电磁波信号；认知用户然后从接收到的电磁波信号中用滤波器把感兴趣频段（或者称为目标频段）的信号滤出来，这通过滤波器的目标频段的信号中可能含有主用户基站发射的电磁波信号（也就是说主用户正在使用这个频段），也可能没有主用户基站发射的电磁波信号（也就是说主用户没有使用这个频段）；认知用户再利用通过滤波器的目标频段的信号来判断目标频段有没有被主用户使用，当目标频段没有被主用户使用时即主用户基站没有发射电磁波信号时，认知无线电系统开始正常通信，从而达到频谱感知的目的。

现有的单点频谱感知方法主要有匹配滤波器检测、能量检测和循环特征检测等方法。其中能量检测方法被广泛研究，其具有实现简单、复杂度低且不需要授权用户先验知识等优点，但是其存在一个较为严重的缺点，就是该方法对噪声不确定性非常敏感，且在低信噪比时性能较差。针对能量检测方法对噪声不确定性敏感的问题，Naraghi-Pour等人在2010年发表的《Autocorrelation-Based Spectrum Sensing for CognitiveRadios》（认知无线电中基于自相关的频谱感知方法）中提出了一种基于自相关的频谱感知方法，该方法对噪声不确定性不敏感，但是该方法在推导检验统计量的概率密度函数时假设对认知用户接收到的电磁波信号进行采样的采样点数足够多，然后在推导恒虚警概率判决门限计算方法的过程中利用了中心极限定理。利用该方法时，如果要进一步提高认知无线电系统的频谱利用率，也就是说要对频谱进行快速感知，势必要减少感知时间，感知时间的减少必会引起采样点数的减少，然而，当采样点数较少时，在恒虚警概率判决门限计算过程中就不能利用中心极限定理，此时通过上述基于自相关的恒虚警概率判决门限计算方法得到的判决门限会产生很大的虚警概率误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在采样点数较大和较小时均能获得准确的判决门限，能够有效降低虚警概率误差的快速频谱感知方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种认知无线电系统中的快速频谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：

①给定恒虚警概率和对认知用户接收到的电磁波信号进行采样的采样点数，记恒虚警概率为P_f，记采样点数为N；

②根据恒虚警概率P_f和采样点数N计算判决门限，记为γ，γ=f^-1(P_f)，其中， $P_f=\frac{1}{\mathrm{\α}}{\∫}_{\mathrm{\γ}}^1{(1-x^2)}^{\frac{1}{2}(N-4)}\mathrm{dx},$ α表示归一化常数， $\mathrm{\α}={\∫}_0^1{(1-x^2)}^{\frac{1}{2}(N-4)}\mathrm{dx},$ x为变量；

③认知用户接收空中的电磁波信号，然后利用滤波器对接收到的电磁波信号进行滤波处理，得到目标频段的信号，再利用数字采样技术对目标频段的信号的N个采样点进行采样，得到目标频段的信号的N个采样点对应的N个采样值；

④根据目标频段的信号的N个采样点的采样值计算相邻采样点之间的相关系数，记为β， $\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_0},$ 其中， ${\mathrm{\β}}_1=\frac{1}{N-1}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(y\left(k\right)\×y(k+1)),$ ${\mathrm{\β}}_0=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}y{\left(k\right)}^2,$ y(k)表示第k个采样点的采样值，y(k+1)表示第k+1个采样点的采样值；

⑤将相邻采样点之间的相关系数β作为检验统计量，然后判断检验统计量β是否大于判决门限γ，如果是，则确定目标频段正在被主用户使用，否则，确定目标频段未被主用户使用，认知无线电系统开始正常通信。

与现有技术相比，本发明的优点在于其能够在任意给定的恒虚警概率和采样点数条件下计算判决门限，即不管采样点数多少，本方法均能快速获得满足恒虚警概率要求的判决门限，因此在采样点数较小时可以在缩短感知时间的条件下获得判决门限，不仅实现了快速频谱感知，而且有效降低了虚警概率误差。

附图说明

图1为使用现有的单点频谱感知方法的认知无线电系统的示意图；

图2为本发明的快速频谱感知方法的流程框图；

图3为在采样点数较小时理论恒虚警概率和蒙特卡洛虚警概率之差的结果示意图；

图4为在采样点数较大时理论恒虚警概率和蒙特卡洛虚警概率之差的结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种快速频谱感知方法所应用的认知无线电系统如图1所示，该认知无线电系统中采用单个认知用户对目标频段内主用户基站发射的电磁波信号进行快速感知，认知用户根据感知结果判断所检测的目标频段当前是否被主用户使用。

本发明的快速频谱感知方法的流程如图2所示，其主要包括以下步骤：

①任意给定恒虚警概率和对认知用户接收到的电磁波信号进行采样的采样点数，记恒虚警概率为P_f，记采样点数为N。

②根据任意给定的恒虚警概率P_f和采样点数N计算判决门限，记为γ，γ=f^-1(P_f)，其中，函数γ=f^-1(P_f)为函数P_f=f(γ)的反函数，

α表示归一化常数，

x为变量。

③认知用户接收空中的电磁波信号，然后利用现有的带通滤波器对接收到的电磁波信号进行滤波处理，得到目标频段的信号，再利用现有的数字采样技术对目标频段的信号的N个采样点进行采样，得到目标频段的信号的N个采样点对应的N个采样值。

④根据目标频段的信号的N个采样点的采样值计算相邻采样点之间的相关系数，记为β， $\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_0},$ 其中， ${\mathrm{\β}}_1=\frac{1}{N-1}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(y\left(k\right)\×y(k+1)),$ ${\mathrm{\β}}_0=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}y{\left(k\right)}^2,$ y(k)表示第k个采样点的采样值，y(k+1)表示第k+1个采样点的采样值。

⑤将相邻采样点之间的相关系数β作为检验统计量，然后认知用户判断检验统计量β是否大于判决门限γ，如果是，则确定目标频段正在被主用户使用，否则，确定目标频段未被主用户使用，认知无线电系统开始正常通信。认知用户通过判断目标频段有没有被主用户使用，达到频谱感知的目的。

本发明的快速频谱感知方法的可行性和有效性可以通过以下仿真结果进一步说明。

仿真条件：给定采样点数为N，首先根据给定的不同的理论恒虚警概率和给定的采样点数N计算判决门限，然后在认知用户接收到的电磁波信号只有白噪声（没有主用户信号）条件下通过100000次蒙特卡洛仿真获得虚警概率（在此称为蒙特卡洛虚警概率），再比较理论恒虚警概率和蒙特卡洛虚警概率。分别对虚警概率为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9共9个理论恒虚警概率进行仿真。

图3给出了在采样点数N＝50时的理论恒虚警概率和蒙特卡洛虚警概率之差的结果示意图，从图3中可以看出理论恒虚警概率与蒙特卡洛虚警概率相符。该仿真结果表明本发明方法在采样点数较少的情况下得到的判决门限能够实现恒虚警概率的要求。

图4给出了在采样点数N＝1000时的理论恒虚警概率和蒙特卡洛虚警概率之差的结果示意图，从图4中可以看出理论恒虚警概率与蒙特卡洛虚警概率相符。该仿真结果表明本发明方法在采样点数较多的情况下得到的判决门限也能够实现恒虚警概率的要求。

由仿真结果可以看出，本发明的快速频谱感知方法在采样点数较大和采样点数较小条件下均可以有效达到预设的理论恒虚警概率。对于感知时间缩短（也就是说采样点数较少）的情况下，本发明设计的判决门限能够实现恒虚警概率的要求，因此能够实现快速频谱感知。

Claims (1)

1.一种认知无线电系统中的快速频谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：

①给定恒虚警概率和对认知用户接收到的电磁波信号进行采样的采样点数，记恒虚警概率为P_f，记采样点数为N；

②根据恒虚警概率P_f和采样点数N计算判决门限，记为γ，γ=f^-1(P_f)，其中， $P_f=\frac{1}{\mathrm{\α}}{\∫}_{\mathrm{\γ}}^1{(1-x^2)}^{\frac{1}{2}(N-4)}\mathrm{dx},$ α表示归一化常数， $\mathrm{\α}={\∫}_0^1{(1-x^2)}^{\frac{1}{2}(N-4)}\mathrm{dx},$ x为变量；

③认知用户接收空中的电磁波信号，然后利用滤波器对接收到的电磁波信号进行滤波处理，得到目标频段的信号，再利用数字采样技术对目标频段的信号的N个采样点进行采样，得到目标频段的信号的N个采样点对应的N个采样值；

④根据目标频段的信号的N个采样点的采样值计算相邻采样点之间的相关系数，记为β， $\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_0},$ 其中， ${\mathrm{\β}}_1=\frac{1}{N-1}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(y\left(k\right)\×y(k+1)),$ ${\mathrm{\β}}_0=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}y{\left(k\right)}^2,$ y(k)表示第k个采样点的采样值，y(k+1)表示第k+1个采样点的采样值；

⑤将相邻采样点之间的相关系数β作为检验统计量，然后判断检验统计量β是否大于判决门限γ，如果是，则确定目标频段正在被主用户使用，否则，确定目标频段未被主用户使用，认知无线电系统开始正常通信。

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