CN102223195B - 一种频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于认知无线电技术领域，公开了一种频谱感知方法。针对现有的固定参数SR系统在频谱感知过程中存在的问题，本发明的频谱感知方法首先固定SR系统的参数a，利用接收信号r(t)获得噪声方差

最后由a和

的值确定SR系统的另一个参数b。本发明的感知方法通过调整SR系统参数从而使得随机共振系统与接收信号特性相匹配，具有自适应的特点，更容易产生共振，明显提高了输出信号的SNR，提高了检测概率，更容易感知授权用户是否存在，由此提高了频谱感知的性能。

Description

一种频谱感知方法

技术领域

本发明属于认知无线电技术领域，具体涉及一种频谱感知方法。

背景技术

认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术是为了解决目前面临的频谱资源稀缺提出来的，而频谱感知算法是认知无线电的关键技术之一。为了避免认知无线电系统对授权用户产生有害的干扰，要求频谱感知方法能够在低信噪比下可靠地检测出授权用户信号来。能量检测是常用的一种频谱感知方法，但是在低信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）下检测概率较低，不满足认知无线电技术的要求。

研究发现把要感知的接收信号通过参数匹配的随机共振（Stochastic Resonance，SR）系统能够明显的提高其输出的SNR，于是把SR理论应用于能量检测（Energy Detection,ED）方法中能够提高检测概率，从而提高了认知无线电频谱感知的性能，具体如下：

频谱感知以二元假设检验为模型： $\left\{\begin{array}{c}{H}_1:r\left(t\right)=s\left(t\right)+n\left(t\right)\\ H_0:r\left(t\right)=n\left(t\right)\end{array}\right.,$ 其中，假设H₁表示存在授权用户信号，H₀则表示不存在授权用户信号；r(t)表示要感知的接收信号，s(t)表示授权用户信号，n(t)表示零均值、方差为

的加性白高斯噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）。

在认知无线电的频谱感知中通常采用如下的非线性langevin方程描述双稳态SR系统：

其中，V(x)是双稳态SR系统的势函数，其表达式为：

其中，a,b为SR系统参数，把要感知的接收信号r(t)＝s(t)+n(t)代入langevin方程中求解得到x(t)，x(t)通过能量检测，判断授权用户是否信号存在，即通过

计算得到检验统计量T(r)，把T(r)与门限r进行比较，判断授权用户信号是否存在。这里，N表示每次频谱感知累积样本数，也即是对r(t)采样的采样点数，从采样序列中取N个采样点用来计算统计量T(r)，l是计算T(r)的开始的采样序列序号。

随机共振系统的参数要求与接受信号匹配才能较好的提高输出SNR，但是由于外界的干扰使得接收信号r(t)不断变化，所以固定参数的SR系统很难与接收信号良好匹配，从而使得SR系统输出SNR的提高不能达到期望的效果，并且很多时候检测性能不能满足频谱感知的实际需要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的固定参数SR系统在频谱感知过程中存在的问题，提出了一种频谱感知方法。

本发明的技术方案是：一种频谱感知方法，包括如下步骤：

S1.通过接收设备接受要感知的接收信号r(t)，其中，r(t)＝s(t)+n(t)，s(t)为授权用户信号；n(t)是均值为零方差为

的高斯白噪声；

S2.确定SR系统参数b：所述SR系统通过langevin方程进行描述，其中，

固定参数a，使参数a满足绝热近似条件，然后根据接收信号r(t)获得噪声方差

由a和

的值确定参数b；

S3.接收信号r(t)通过langevin方程求得x(t)，x(t)通过能量检测，判断授权用户信号是否存在。

本发明的有益效果：本发明的频谱感知方法通过把随机共振理论应用到能量检测中，首先固定SR系统的参数a，利用接收信号r(t)获得噪声方差

最后由a和

的值确定SR系统的另一个参数b。本发明的感知方法通过调整SR系统参数从而使得随机共振系统与接收信号特性相匹配，具有自适应的特点，所以更容易产生共振，可以明显提高输出信号的SNR，提高了检测概率，更容易感知授权用户是否存在，由此提高了频谱感知的性能。

附图说明

图1为本发明的频谱感知方法示意图。

图2为本发明的频谱感知方法流程示意图。

图3为三种基于能量检测的频谱感知方法性能仿真比较示意图。

具体实施方式

下面结合图1和图2对本发明的频谱感知方法进行阐述，具体包括以下步骤：

S1.通过接收设备接受要感知的接收信号r(t)，其中，r(t)＝s(t)+n(t)，s(t)为授权用户信号；n(t)是均值为零方差为

的高斯白噪声；

S2.确定SR系统参数b：所述SR系统通过langevin方程

进行描述，其中，

固定参数a，使参数a满足绝热近似条件，然后根据接收信号r(t)获得噪声方差

由a和

的值确定参数b。参数b的具体确定过程如下：

利用绝热近似（Adiabatic Approximation）理论，当信号r(t)＝s(t)+n(t)通过langevin方程定义的双稳态SR系统时，输出信号x(t)的SNR为：

${\mathrm{SNR}}_o=\left(\frac{\sqrt{2}a{A}_m^2{c}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^4}{e}^{-2U_0/{\mathrm{\σ}}_n^2}\right){(1-\frac{\frac{{4a}^2{A}_m^2{c}^2}{{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\σ}}_n^2}{e}^{-4U_0/{\mathrm{\σ}}_n^2}}{\frac{{2a}^2}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-4U_0/{\mathrm{\σ}}_n^2}+{\left(2\mathrm{\π}{f}_s\right)}^2})}^{-1}\≈\frac{\sqrt{2}a{A}_m^2{c}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^4}{e}^{-2U_0/{\mathrm{\σ}}_n^2}$

其中，a是SR系统参数，A_m是授权用户信号s(t)的幅度，c是双稳态SR系统的势阱点，

是高噪声的方差，U₀＝a²/(4b)是当A_m＝0时的双稳态SR系统的势垒高度。具体可参考文献：McNamara B,Wiesenfeld K.Theory of stochastic resonance,Physical Review A,1989,39(9):4854-4869。

为了满足绝热近似理论，要求a?πf_s，其中f_s为授权用户信号s(t)的频率。

由于输入信号的平均信噪比为：

因此，当发生随机共振时，接收信号r(t)经过双稳态SR系统后的输出信噪比增益为：

令k＝a²/b，显然有k＞0，则即给定噪声方差，输出信号SNR增益η_SNR是系统参数k的非线性函数。

η_SNR对k的二阶导数为：因此，为了使η_SNR是关于k的下凹函数，以便取得唯一的极大值，要求：

于是，最大化SNR增益的最优k的取值满足： $\left\{\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{op}}=\underset{k}{\arg \max }{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{SNR}}\\ s.t.,0<k<{4\mathrm{\&sigma;}}_n^2\end{array}\right.,$ 求解上式可得：

于是最大化SNR增益的双稳态SR系统的参数需满足 $\left\{\begin{array}{c}b=a^2/\left(2{\mathrm{\&sigma;}}_n^2\right)\\ a?\mathrm{\&pi;}{f}_s\end{array}\right..$

在本发明中，对于上式得到的a和b的关系可以通过一个调节系数h进行调整，即 $b={\mathrm{ha}}^2/\left(2{\mathrm{\&sigma;}}_n^2\right).$

这里只是给出了一种确立a和b关系的技术手段，本领域的普通技术人员应该意识到还可以通过其它方法来确定a和b关系。

S3.接收信号r(t)通过langevin方程求得x(t)，x(t)通过能量检测，判断授权用户信号是否存在：具体如下：计算得到检验统计量T(r)，把T(r)与门限r比较，如果T(r)＞r则认为授权用户信号存在，即授权用户正在使用这一频段；如果T(r)＜r则认为授权用户信号不存在，即授权用户没有使用这一频段。

下面对本发明方法进行仿真测试。仿真的参数为：输入正弦信号幅度A_m＝1，频率设为f_s＝0.01Hz，采样周期设为Δt＝0.02s进行离散化，每次频谱感知累积样本数为N＝1000；双稳态系统参数

在仿真中假设噪声方差

已知。

仿真表明：当调节系数h在区间[0.8,1.2]进行变动时，检测性能有很好的提高，在h＝1时，性能得到最大的提高。

关于绝热近似条件，a?πf_s，其中，在

时检测性能得到很好的提高，

时提高的性能略次于

时的性能的提高，但也得到了明显的检测性能的提高，但是当

是检测性能会明显下降。本领域的普通技术人员可以根据实际需要进行具体选择。

与固定参数的SR ED频谱感知方法以及传统ED频谱感知方法比较的结果如图3所示，这里固定参数的SR ED频谱感知方法选取a＝2,b＝1。从图3可以看出，当取虚警概率P_f＝0.05时，本发明的频谱感知方法（选取h＝1）、固定参数SR ED频谱感知方法和传统ED频谱感知方法的检测概率进行比较得出，当检测概率P_d＝0.9时，本发明的方法相对于传统ED频谱感知方法有约10dB的性能增益，而基于固定参数SR的ED方法检测概率没有达到0.9。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于可读存储介质中，例如只读存储器、随机存取存储器、磁盘、光盘等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种频谱感知方法，包括如下步骤：

S1.通过接收设备接受要感知的接收信号r(t)，其中，r(t)＝s(t)+n(t)，s(t)为授权用户信号；n(t)是均值为零方差为

的高斯白噪声；

S2.确定SR系统参数b：所述SR系统通过langevin方程

进行描述，其中，

固定参数a，使参数a满足绝热近似条件，然后根据接收信号r(t)获得噪声方差

由a和的值确定参数b；

S3.接收信号r(t)通过langevin方程求得x(t)，x(t)通过能量检测，判断授权用户信号是否存在。

2.根据权利要求1所述的频谱感知方法，其特征在于，步骤S2所述的由a和

的值确定参数b具体为：

其中，h为调节系数，范围为：[0.8,1.2]。

3.根据权利要求2所述的频谱感知方法，其特征在于，所述的调节系数h为1。

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