CN102118200B - 一种基于协方差绝对值法的频谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域中的频谱检测方法，包括：系统检测门限值的设定，对空间电磁信号进行连续采样，对采样数据进行重叠分组，确定各分组的自相关值及相关值的合并处理，建立协方差矩阵，判定电磁频谱信号的有无。本发明由于直接对从射频前端接收的数据信号进行变频采样，并将采样得到的数据按设定的方式进行分组、同时将传统的串行数据处理方式改为并行数据处理方式，提高了运行处理速度。因而本发明可在保持系统原有检测性能的前提下，提高了系统对电磁频谱信号的检测速度、降低了系统对电磁频谱信号检测所需的时间，满足实时检测的要求，从而有利于系统对有限的无线频谱资源进行高效利用、实现无线用户之间频谱资源共享等特点。

Description

一种基于协方差绝对值法的频谱检测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域中的频谱检测方法，特别是一种涉及认知无线电系统中基于协方差绝对值法的电磁频谱信号的检测方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，无线用户的数量急剧增加，相同时段的通信量也极不平衡，频谱资源的利用忙、闲不均。当前绝大多数频谱资源都是采用固定分配的模式，由专门的频率管理部门分配特定的授权频段(Licensed Frequency Bands，LFB)以供不同的通信业务使用。但在实际中，部分授权频谱不够用或某时段不够用、而此时相当多的已授权的频谱却并没得到充分的使用。经测试指出，已经分配的3GHz以下的频谱资源中多达70％未被充分利用。因此，这种基于固定频谱分配的情况极大地浪费了频谱资源、降低了频谱利用的效率。因而，频谱资源采用固定分配的方式因其通用性差、使有限的可用频谱与低的频谱资源利用率存在无法调合的矛盾。

认知无线电(Cognitive Radio，CR)作为一种革命性智能频谱共享技术，可显著提高频谱的使用率，近年来受到了人们的广泛关注。在认知无线电网络中，次级用户(theSecondary User)通过频谱感知技术检测搜索空闲的授权频谱，在不干扰到授权用户(thePrimary User)通信的前提下，实现动态的频谱接入，以提高频谱利用率及通用性。由于次级用户在有授权用户接入的时候，必须马上退出该频谱的使用，以避免造成对授权用户的侵犯。因此，组建认知无线电网络需要解决的核心问题之一就是：网络如何准确地识别空闲频谱，并及时检测到授权用户的出现。而作为解决这一问题的频谱检测技术就成为决定认知无线电能否实际应用的关键技术之一。

在认知无线电网络中，传统的频谱检测方法有能量检测、匹配滤波器、周期特性检测等等。这些检测方法各自都存在着一些不足之处，比如能量检测虽然实现简单，但是却易受现实中噪声不确定度的影响；匹配滤波器检测则需要知道授权用户的先验信息；而周期特性检测则存在计算复杂度高、且需要授权用户的信号具有周期平稳特性等。在实际的通信环境中，由于无线信道的衰落、信道的噪声不确定度以及授权用户先验信息的缺乏，因而、上述感知方法都在一定程度上存在明显的缺陷、可靠性差，因而其适用性差。

发明内容

本发明的目的是在背景技术基础上，研究设计一种基于协方差绝对值法的频谱检测方法，以便针对无线电磁环境中电磁频谱信号的存在性进行检测，并将其结果作为认知无线通信系统对其通信频道进行调度的依据；以达到在保持系统原有检测性能前提下，提高系统对电磁频谱信号的检测速度、降低系统对电磁频谱信号检测的时间，更好满足认知无线通信系统对电磁频谱信号实时检测的要求，对有限的无线频谱资源进行高效地利用，有效实现无线用户之间频谱资源共享等目的。

本发明的解决方案是在信号检测链路中，处理单元对从射频前端接收的数据信号进行变频采样，并将采样得到的数据按预先设定的方式进行分组，以便将传统的串行数据处理方式改进为并行数据处理方式、以提高运行速度，在保持系统原有检测性能前提下，提高系统对电磁频谱信号的检测速度、减少系统对电磁频谱信号的检测时间及，从而实现其目的。因而，本发明方法包括：

步骤1.系统检测门限值的设定：首先根据下式：

$\mathrm{\γ}=\frac{1+(L-1)\sqrt{\frac{2}{\mathrm{N\π}}}}{1+Q^{-1}(1-P_0)\sqrt{\frac{2}{N}}}$

确定系统门限值并存储待用；其中N为采样次数，L为平滑因子，P₀为系统设定的虚警概率，Q^-1(.)为Macum函数的倒数，即：

$Q^{-1}\left(u\right)=\sqrt{2\mathrm{\π}}/\underset{u}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{-u^2/2}\mathrm{du};$

步骤2.对空间电磁信号进行连续采样：对接收到的数据信号经过下变频处理后得到模拟信号，通过模数转换电路(器)对该模拟信号按步骤1设定次数进行采样；所得采样数据表示为：

X＝[x(0)，x(1)，x(2)…x(N-1)]

其中：N为采样次数；

步骤3.重叠分组：对步骤2所得采样数据(X)按接收顺序并根据分组数(K)进行数据重叠分组、每组数据的个数(S)为所有采样数据次数(N)与组数(K)之比，各相邻两组之间重叠数据的个数则根据平滑因子值(L)确定；即：第一组数据为所有采样数据的前S个，第二组前L个数据为第一组数据最后L个数据的重复数据，第三组前L个数据为第二组最后L个数据的重复数据，依此类推、至最后一组；各组采样数据分别为：

X₀＝[x(0)，x(1)，x(2)…x((N+(K-1)L)/K-1)]；

X₁＝[x((N+(K-1)L)/K-L+1)，x((N+(K-1)L)/K-L+2)…x(2*(N+(K-1)L)/K-L)]；

X₂＝[x(2*(N+(K-1)L)/K-2*L+1)，x(2*(N+(K-1)L)/K-2*L+2)，…x(3*(N+(K-1)L)/K-2*L)]；

X_K-1＝[x((K-1)*(N+(K-1)L)/K-(K-1)*L+1)，x((K-1)*(N+(K-1)L)/K-(K-1)*L+2)，…x(N-1)]；

其中：N为采样次数，K为分组数，k代表组号，S为每组数据的个数，L为平滑因子值。

步骤4.确定各分组的自相关值：对步骤3所得分组数据，通过下式进行自相关处理，分别得到各组对应的自相关值：

${\mathrm{\λ}}_k\left(l\right)=\frac{K}{N+(K-1)L}\underset{m=0}{\overset{(N+(K-1)L)/K-1}{\mathrm{\Σ}}}\tilde{x}\left(m\right){\tilde{x}}^{*}(m-l)$

其中：k代表组号，K为分组数，l代表自相关距离，m为自变量，N为采样次数；取值范围分别为：l＝0，1，…，L-1；k＝0，1，…，K-1；m＝0，1，…，(N+(K-1)L)/K-1；

步骤5.相关值合并：对步骤4所得各对应组的自相关值按下式：

$\mathrm{\λ}\left(l\right)=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k\left(l\right)$

进行线性合并；式中，l＝0，1，…，L-1；

步骤6.建立协方差矩阵：利用步骤5所得合并后的自相关值、建立协方差矩阵R_x：

$R_x=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\λ}\left(0\right)& \mathrm{\λ}\left(1\right)& \·\·\·& \mathrm{\λ}(L-1)\\ {\mathrm{\λ}}^{*}\left(1\right)& \mathrm{\λ}\left(0\right)& \·\·\·& \mathrm{\λ}(L-2)\\ \·\·\·& \·\·\·& & \·\·\·\\ {\mathrm{\λ}}^{*}(L-1)& {\mathrm{\λ}}^{*}(L-2)& \·\·\·& \mathrm{\λ}\left(0\right)\end{array}\right]$

其中：L为平滑因子；

步骤7.判定电磁频谱信号的有无：电磁频谱信号根据获得的协方差矩阵R_x，按照以下两式：

$T_1=\frac{1}{L}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\left|r_{\mathrm{nm}}\left(N\right)\right|$

$T_2=\frac{1}{L}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\left|r_{\mathrm{nn}}\left(N\right)\right|$

分别确定所有元素均值T₁及对角元素均值T₂，并由此得到检验统计值η＝T₁/T₂，然后将该统计值与步骤1设定的门限值γ进行比较：若η＜γ、则为没有信号，若η≥γ、则为有信号；其中，r_nm(N)是指协方差矩阵R_x中的第n行m列的元素，r_nm(N)是指协方差矩阵R_x中的第n行n列的元素。

所述采样次数N为500-5000次，平滑因子L为5-15，设定的虚警概率P₀为0.1-0.0001。所述分组数(K)根据处理速度要求其分组数(K)为2-20组。

本发明由于直接对从射频前端接收变换下来的数据信号进行变频采样，并将采样得到的数据按设定的方式进行分组、将传统的串行数据处理方式改为并行数据处理方式，提高了运行速度。因而本发明在保持了系统原有检测性能的前提下，提高了系统对电磁频谱信号的检测速度、降低了系统对电磁频谱信号检测所需的时间，有利于对有限的无线频谱资源进行高效地利用，实现无线用户之间频谱资源共享、满足实时检测的要求等特点。

附图说明

图1为本实施例检测方法与背景技术检测方法的性能对比图(坐标图)。

具体实施方式

本实施例系统采用以下条件为例进行说明：系统输入端加载DVB-T数字电视信号，处理单元采样N＝1000个数据点，平滑因子L＝10，系统虚假概率设为P_f＝0.01；具体方法为：

步骤1.将上述参数值代入： $\mathrm{\γ}=\frac{1+(L-1)\sqrt{\frac{2}{\mathrm{N\π}}}}{1+Q^{-1}(1-P_0)\sqrt{\frac{2}{N}}}$

中，得到系统的门限值γ＝1.1827；

步骤2.对接收到的信号经过下变频处理后得到模拟信号、并对该模拟信号进行采样，得到1000个采样数据为：

X＝[-0.0160+0.4413i，0.7884-0.499i，……0.2593+0.5910i]；

步骤3.将步骤2所得采样数据分组，本实施方式根据系统处理要求分为11组，得：

X₀＝[0.0160+0.4413i，0.7884-0.4990i，…，-0.2664+0.2018i]

X₁＝[0.5303+0.2672i，0.8910-2.5513i，…，-0.9793+1.0921i]

X₂＝[0.4463+0.7417i，0.6908-0.2712i，…，0.7065+0.2153i]

X₉＝[-1.4881-1.5572i，0.4834+1.1608i，…，0.1863-0.2382i]

X₁₀＝[-0.1196+0.1980i，-0.0460+0.3004i，…，0.2593+0.5910i]

步骤4：确定各分组的自相关值：

${\mathrm{\λ}}_0\left(0\right)=\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}x\left(m\right)\×\tilde{x}\left(m\right)$

$=(0.0160+0.4413i)*(0.0160-0.4413i)+\·\·\·+(-0.2664+0.2018i)*(-0.2664-0.2018i)$

$=165.6845$

${\mathrm{\λ}}_0\left(1\right)=\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}x\left(m\right)\×\tilde{x}(m+1)$

$=(0.0160+0.4413i)*(0.7884+0.4990i)+\·\·\·+(-0.1531-0.2232i)*(-0.2664-0.2018i)$

$=2.0298+14.0057i$

${\mathrm{\λ}}_0\left(9\right)=\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}x\left(m\right)\×\tilde{x}(m+9)$

$=(0.0160+0.4413i)*(-0.7611-0.5621i)+\·\·\·+(-1.3328+0.2729i)*(-0.2664-0.2018i)$

$=-9.7339-15.0812i$

步骤5：将步骤4所得自相关值合并为：

λ(0)＝λ₀(0)+λ₁(0)+...+λ₁₀(0)＝1962.8

λ(1)＝λ₀(1)+λ₁(1)+...+λ₁₀(1)＝142+94.9i

λ(9)＝λ₀(9)+λ₁(9)+...+λ₁₀(9)＝111.6-97.4i

步骤6：利用由步骤5所得合并后的自相关值λ(0)，λ(1)，λ(2)……，建立协方差矩阵R_x：

$R_x=\left[\begin{array}{cccc}1962.8& 142+94.9i& \·\·\·& 111.6-97.4i\\ 142-94.9i& 1962.8& \·\·\·& 86.9-91.8i\\ \·\·\·& \·\·\·& & \·\·\·\\ 111.6+97.4i& 86.9+91.8i& \·\·\·& 1962.8\end{array}\right]$

步骤7：根据获得的协方差矩阵R_x，按照以下两式：

$T_1=\frac{1}{L}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\left|r_{\mathrm{nm}}\left(N\right)\right|=3457$

$T_2=\frac{1}{L}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\left|r_{\mathrm{nn}}\left(N\right)\right|=1959.6$

分别得所有元素均值T₁＝3457及对角元素均值T₂＝1959.6，进而得到检验统计值η＝T₁/T₂＝1.7641，该值与步骤1设定的门限值γ＝1.1827进行比较，因η≥γ、判定该频段有信号存在，系统根据此判决进行相应策略的频道调度处理，便可在确保授权用户的使用权益前提下，同时满足次级用户的通信要求。

Claims (3)

1.一种基于协方差绝对值法的频谱检测方法，包括： 

步骤1.系统检测门限值的设定：首先根据下式： 

确定系统检测门限值并存储待用；其中N为采样次数，L为平滑因子，P₀为系统设定的虚警概率，Q^-1(.)为Macum函数的倒数，即： 

步骤2.对空间电磁信号进行连续采样：对接收到的数据信号经过下变频处理后得到模拟信号，通过模数转换电路对该模拟信号按步骤1设定次数进行采样；所得采样数据表示为： 

X＝[x(0)，x(1)，x(2)…x(N-1)] 

其中：N为采样次数； 

步骤3.重叠分组：对步骤2所得采样数据X按接收顺序并根据分组数K进行数据重叠分组、每组数据的个数S为所有采样数据次数N与组数K之比，各相邻两组之间重叠数据的个数则根据平滑因子值L确定；即：第一组数据为所有采样数据的前S个，第二组前L个数据为第一组数据最后L个数据的重复数据，第三组前L个数据为第二组最后L个数据的重复数据，依此类推、至最后一组止；所得各组采样数据由下式表示： 

X₀＝[x(0)，x(1)，x(2)…x((N+(K-1)L)/K-1)]； 

X₁=[x((N+(K-1)L)／K-L+1)，x((N+(K-1)L)／K-L+2)…x(2*(N+(K-1)L)／K-L)]； 

X₂＝[x(2*(N+(K-1)L)/K-2*L+1)，x(2*(N+(K-1)L)/K-2*L+2)，…x(3*(N+(K-1)L)/K-2*L)]；………… 

X_K-1＝[x((K-1)*(N+(K-1)L)/K-(K-1)*L+1)，x((K-1)*(N+(K-1)L)/K-(K-1)*L+2)，…x(N-1)]； 

其中：K为分组数，k代表组号，S为每组数据的个数； 

步骤4.确定各分组的自相关值：对步骤2所得分组数据，通过下式进行自相关处理，分别得到各组对应的自相关值： 

其中：k代表组号，K为分组数，l代表自相关距离，m为自变量，N为采样次数；取值范围分别为：l＝0，1，…，L-1；k＝0，1，…，K-1；m＝0，1，…，(N+(K-1)L)/K-1； 

步骤5.相关值合并：对步骤4所得各对应组的自相关值按下式： 

进行线性合并；式中，l＝0，1，…，L-1； 

步骤6.建立协方差矩阵：利用步骤5所得合并后的自相关值、建立协方差矩阵R_x： 

其中：L为平滑因子； 

步骤7.判定电磁频谱信号的有无：电磁频谱信号根据获得的协方差矩阵R_x，按照以下两式： 

分别确定所有元素均值T₁及对角元素均值T₂，并由此得到检验统计值η＝T₁/T₂，然后将该统计值与步骤1设定的门限值γ进行比较：若η＜γ、则为没有信号，若η≥γ、则为有信号；其中，r_nm(N)为协方差矩阵R_x中的第n行m列的元素，r_nm(N)为协方差矩阵R_x中的第n行n列的元素。 

2.按权利要求1所述基于协方差绝对值法的频谱检测方法，其特征在于所述采样次数N为500-5000次，平滑因子L为5-15，设定的虚警概率P₀为0.1-0.0001。 

3.按权利要求1所述基于协方差绝对值法的频谱检测方法，其特征在于所述分组数K为2-20组。