CN102412911B - 两极频谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信技术领域的两级频谱检测的方法，方法首先利用双门限的能量检测对频谱进行一级检测，若能量落在两门限之外，则直接进行判断；若能量落在两门限之间，则将频谱进行分割，利用多子带联合检测方法对频谱进行二级检测，其中，一级检测中的双门限是以系统吞吐量最大化为目标设定的。该方法在提高检测准确度的同时，尽量减少检测时间，从而最大化系统的吞吐量。

Description

两极频谱检测方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的频谱检测方法，具体地说，涉及一种针对部分频带使用的基于能量检测的两级频谱检测方法。

背景技术

认知无线电是一种新型的动态频谱分配技术，它通过提高频谱利用率，从而解决目前频谱资源短缺的问题。在认知无线电系统中，当首要用户未使用授权频段时，次要用户可以临时地使用该频段(即频谱空洞)进行通信，从而大大提高频谱利用率。所以，对于次要用户来说，需要及时准确地检测出频谱的使用状态，在不影响首要用户正常通信的前提下，有效地利用频谱空洞，增加认知无线电网络的有效通信带宽。

根据频谱的使用状态，可以将其分为三类：(1)整个频段都被首要用户使用的频谱，称为黑色频谱；(2)部分频段被首要用户使用的频谱，称为灰色频谱；(3)整个频段都没有被使用的频谱，称为白色频谱。传统的频谱检测方法都是针对白色频谱的，例如能量检测和循环平稳特征检测，都是将整个频段作为一个目标，进行能量求和或者计算特征频率的循环谱值，再与门限比较，从而得到非0(频谱未被使用)即1(频谱被占用)的结果。但是，这种检测方法是无法准确地检测出灰色频谱的使用状态的。在现实系统中，灰色频谱也是很大的一部分资源，如何准确的检测出灰色频谱并加以利用，成为了人们研究的一个热点。在美国，有人针对宽带频谱提出了多子带联合检测方法(Optimal Multiband JointDetection)，也就是将频谱分割成几个正交的子带，然后分别对每个子带进行检测，从而得到各个子带的检测结果。将此方法用于灰色频谱的检测中，只要频谱分割的足够细，就可以检测出未被使用的部分频段。但是，这种方法的复杂度远远大于传统的检测方法，所以需要的检测时间也较长。当空闲频段只占整个灰色频谱的10％左右，甚至更少时，采用多子带联合检测方法带来的频谱增益，相比检测时间上的消耗，是否依然有价值，这是一个值得探索的问题。及时性和准确性是评价检测系统的重要标准，所以，人们现在更倾向于使用吞吐量(即单位时间系统有效传输的数据量)作为选取参数和衡量系统的指标。而传统的检测方法只是一味的追求检测的准确度，不考虑在时间和运算复杂度上所付出的代价，导致很多检测方法虽然在检测性能上满足系统的实际要求，但实际吞吐量却无法满足正常的通信需要。

此外，传统检测方法常常依据一个门限，该门限是根据系统预先设定的虚警概率(P_f)和噪声方差选取的。但是，虚警概率在一定程度上只能反映系统对空闲频谱的利用率，而在认知无线电系统中，不干扰首要用户的正常通信是系统工作的前提，所以漏检概率(P_md)，作为一个衡量系统干扰程度的因子，也是系统设计时应该考虑的重要指标。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述不足，提出一种针对部分频段使用的两级频谱检测方法，该方法以系统吞吐量最大化为目标，利用传统能量检测的时效性和多子带联合检测的准确性，基于双门限实现了认知无线电系统的频谱联合检测。

本发明是通过以下技术方案实现的，首先利用双门限的能量检测对频谱进行一级检测，若能量落在两门限之外，则直接进行判断；若能量落在两门限之间，则将频谱进行分割，利用多子带联合检测方法对频谱进行二级检测。其中，一级检测中的双门限是以系统吞吐量最大化为目标设定的。当一级检测中的能量(E)落在双门限(λ_L，λ_H)之外时，可以认为频谱并不是只有部分频段被使用(E＜λ_L)，或是频谱只有很少的部分未被使用(E＞λ_H)，不值得花费更多的时间来检测。只有当落在双门限之间时，才认为该频谱只有部分频段被使用，并且值得通过更多的检测时间来获取那些空闲的频谱，因此，才启动多子带联合检测方法对频谱进行二级检测。

在本方法中，系统的吞吐量可以定义为：

$\mathrm{th}\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{P_i+P_b\×{\∫}_0^{\mathrm{\β}}\left(f\left(\mathrm{\α}\right)(1-\mathrm{\α})\right)\mathrm{d\α}}{T+T_1+T_2\×{\∫}_0^{\mathrm{\β}}f\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{d\α}}\×W\×T\×{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_t)$

式中，P_i和P_b分别是频谱处于空闲和被使用状态的统计概率，α是被使用的频段占整个频谱的百分比，从统计意义上讲，认为α是服从概率密度为f(α)的随机分布，W是频谱的总带宽，T、T₁和T₂分别为数据传输时间，一级能量检测时间和二级多子带联合检测时间。β是一级检测中的百分比门限，表示当使用的频段占整个频谱的β以上时，由于空闲频谱太少而不启动二级检测。当其他参数都设定时，系统吞吐量th(β)就是β的函数，通过求th(β)的最大值，就可以得到最优的β^*。

本发明包括以下步骤：

步骤一：系统启动，在检测设备上设定需要检测的目标频谱的总带宽W，模/数采样设备的采样频率f_s，能量检测所需的数据长度N和多子带联合检测中频谱划分的频段数K，这样就可以确定一级检测时间T₁和二级检测时间T₂。除此之外，还要根据系统的总体性能要求，设定一级检测的虚警概率和漏检概率二级检测的虚警概率因为一级检测是粗检，二级检测是细检，所以通常

步骤二：系统对待检测的频谱进行学习，得到频谱处于空闲和被使用状态的概率P_i和P_b，以及频谱使用率α的概率密度分布函数f(α)，次要用户通过信道估计得到信道的噪声方差δ_w ²和信噪比SNR，并确定传输的SNR_t；

步骤三：根据步骤一和步骤二中确定的参数，得到在数据传输时间T内，系统的吞吐量；通过求吞吐量的最大值，得到启动二级检测的最优门限β^*。

步骤四：确定检测门限：

在一级能量检测中，信号能量的计算为：

$E=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y_i}^2$

其中，y_i是接收到的信号。

E服从卡方分布。根据中心极限定理，当N远远大于1时，E可以近似为高斯随机过程，即：

基于上述近似，虚警概率P_f和漏检概率P_md的计算公式为：

$P_{f_1}=Q\left(\frac{\mathrm{\λ}-N{{\mathrm{\δ}}_w}^2}{\sqrt{2N{{\mathrm{\δ}}_w}^4}}\right)$

$P_{{\mathrm{md}}_1}=1-Q\left(\frac{\mathrm{\λ}-N{{\mathrm{\δ}}_w}^2(1+\mathrm{\αSNR})}{\sqrt{2N{{\mathrm{\δ}}_w}^4(1+2\mathrm{\αSNR})}}\right)$

所以一级检测的下门限由信道的噪声功率和虚警概率确定，而上门限由信道噪声、信噪比，漏检概率以及使吞吐量最大的β^*确定：

${\mathrm{\λ}}_L=\sqrt{2N{{\mathrm{\δ}}_w}^4}{Q}^{-1}\left(P_{f_1}\right)+N{{\mathrm{\δ}}_w}^2$

${\mathrm{\λ}}_H=\sqrt{2N{{\mathrm{\δ}}_w}^4(1+2{\mathrm{\β}}^{*}\mathrm{SNR})}{Q}^{-1}(1-P_{{\mathrm{md}}_1})+N{{\mathrm{\δ}}_w}^2(1+{\mathrm{\β}}^{*}\mathrm{SNR})$

在二级多子带联合检测中，频谱被分割成了K个正交子带。对每一个子带分别进行能量检测：

$E_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y_{\mathrm{ji}}}^2,j=\mathrm{1,2},...,K$

同一级能量检测类似，可以得到二级检测的门限为：

$\mathrm{\λ}=\sqrt{2N{{\mathrm{\δ}}_w}^4}{Q}^{-1}\left(P_{f_2}\right)+N{{\mathrm{\δ}}_w}^2$

步骤五：一级能量检测：

计算接收到的待检测信号的能量E。将该能量值与一级检测的双门限进行比较，若E＜λ_L，则直接判断该频谱空闲，即首要用户信号不存在；若E＞λ_H，则直接判断该频谱全部被占用。这两种情况下，均跳过步骤六，检测结束。若λ_L≤E≤λ_H，则判断该频谱只有部分频段被使用，启动二级多子带联合检测。

步骤六：二级多子带联合检测：

当一级检测中λ_L≤E≤λ_H，启动二级检测。把频谱分割成K个正交的子带，分别对每个子带进行能量检测，并将每个子带的能量值E_k与二级检测的门限λ比较。若E_k＞λ，则判断该子带被占用；若E_k≤λ，则判断该子带空闲。

本发明根据系统对虚警概率和漏检概率的要求，同时以系统吞吐量最大化为目标，设定两级检测中的各个门限，将频谱的能量值首先与一级检测中的双门限比较，判断是否需要启动二级检测；如果一级检测判断频谱只有部分频段被使用，并且空闲的频谱值得花费更多的时间，则启动二级多子带联合检测。该方法在提高检测准确度的同时，尽量减少检测时间，从而最大化系统的吞吐量。

附图说明

图1为本发明两级检测流程图；

图2为系统在二级检测、传统一级能量检测和多子带联合检测下的吞吐量随传输时间的变化曲线；

图3为系统吞吐量与传输时间T的关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实例采用OFDM调制信号，假设频谱使用率α服从[0，1]的均匀分布，并且频谱使用率为0.5，即P_i＝P_b＝0.5。具体参数如下，参数设定不影响一般性。

步骤一：系统启动，设定系统各参数的值。

步骤二：次要用户通过信道估计得到信道的噪声方差δ_w ²＝1和信噪比SNR＝0dB，并确定传输的SNR_t＝5dB；

步骤三：当频谱使用率α服从[0，1]的均匀分布时，系统吞吐量的表达式可以简化为：

$\mathrm{th}\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{P_i+P_b(\mathrm{\β}-\frac{{\mathrm{\β}}^2}{2})}{T_1+{\mathrm{\βT}}_2+T}\×W\×T\×{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_t)$

将系统各参数代入该公式中，通过求数学方法求最大值，得到启动二级检测的最优门限β^*＝0.797。

步骤四：确定检测门限：

根据求得的最优门限β^*＝0.797，计算得到一级检测的上下门限分别为：

${\mathrm{\λ}}_L=\sqrt{2N{{\mathrm{\δ}}_w}^4}{Q}^{-1}\left(P_{f_1}\right)+N{{\mathrm{\δ}}_w}^2=2130$

${\mathrm{\λ}}_H=\sqrt{2N{{\mathrm{\δ}}_w}^4(1+2{\mathrm{\β}}^{*}\mathrm{SNR})}{Q}^{-1}(1-P_{{\mathrm{md}}_1})+N{{\mathrm{\δ}}_w}^2(1+{\mathrm{\β}}^{*}\mathrm{SNR})=3819$

二级检测的门限为：

$\mathrm{\λ}=\sqrt{2N{{\mathrm{\δ}}_w}^4}{Q}^{-1}\left(P_{f_2}\right)+N{{\mathrm{\δ}}_w}^2=2153$

计算接收到的待检测信号的能量E。将该能量值与一级检测的双门限进行比较，若E＜λ_L，则直接判断该频谱空闲，即首要用户信号不存在；若E＞λ_H，则直接判断该频谱全部被占用。这两种情况下，均跳过步骤六，检测结束。若λ_L≤E≤λ_H，则判断该频谱只有部分频段被使用，启动二级多子带联合检测。

步骤六：二级多子带联合检测：

当一级检测中λ_L≤E≤λ_H，启动二级检测。把频谱分割成K个正交的子带，分别对每个子带进行能量检测，并将每个子带的能量值E_k与二级检测的门限λ比较。若E_k＞λ，则判断该子带被占用；若E_k≤λ，则判断该子带空闲。

具体检测流程图如图1。

通过改变传输时间T，重复上述步骤，得到一簇系统吞吐量与传输时间T的关系曲线。在图2中，也给出了传统一级能量检测和多子带联合检测方法得到的吞吐量曲线。通过对比可知，本方案提出的两级检测方法具有较大的吞吐量。

通过改变K的值，可以改变二级检测的时间T₂。在不同的T₂/T₁下，再改变传输时间T，重复上述步骤，得到几簇系统吞吐量与传输时间T的关系，如图3所示，系统吞吐量随着T的增加而增加，尤其是当T很大时，不同T₂/T₁情况下的系统吞吐量曲线也趋于一致。那是因为当T比较大时，检测所消耗的时间就可以忽略。而传统的能量检测，因为只需要一级检测，因此与T₂无关。同时从图中可以看到，本方法提出的两级检测在稳态情况下，是传统能量检测吞吐量的1.5倍，这一性能的改进是十分明显的。

Claims (2)

1.一种两极频谱检测方法，其特征在于：首先利用双门限的能量检测对频谱进行一级检测，若能量落在两门限之外，则直接进行判断；若能量落在两门限之间，则将频谱进行分割，利用多子带联合检测方法对频谱进行二级检测，其中，一级检测中的双门限是以系统的吞吐量最大化为目标设定的；

该方法具体步骤如下：

步骤一：系统启动，在检测设备上设定需要检测的目标频谱的总带宽W，模/数采样设备的采样频率f_s，能量检测所需的数据长度N和多子带联合检测中频谱划分的频段数K，这样就能确定一级检测时间T₁和二级检测时间T₂，除此之外，还要根据系统的总体性能要求，设定一级检测虚警概率P_f1和一级检测漏检概率以及二级检测虚警概率P_f2，P_f2＜P_f1；

步骤二：系统对待检测的频谱进行学习，得到频谱处于空闲和被使用状态的概率P_i和P_b，以及频谱使用率α的概率密度分布函数f(α)，次要用户通过信道估计得到信道的噪声方差δ_w ²和信噪比SNR，并确定传输的SNR_t；

步骤三：根据步骤一和步骤二中确定的参数，得到在数据传输时间T内，系统的吞吐量；通过求吞吐量的最大值，得到启动二级检测的最优门限β^*；

步骤四：确定检测门限：根据系统预先设定的一级检测虚警概率P_f1和一级检测漏检概率以及求出的最优门限β^*，计算得到一级检测的下门限λ_L和上门限λ_H；根据系统预先设定的二级检测虚警概率P_f2，计算得到二级检测门限λ；

步骤五：一级能量检测：一级检测利用能量检测进行粗检，计算待检测信号的能量E，若E＞λ_H，则首要用户信号存在，该频谱不可使用；若E＜λ_L，则认为首要用户信号不存在，该频谱可使用；若λ_L≤E≤λ_H，则认为频谱只有部分频段被首要用户使用，启动二级多子带联合检测，对该频谱进行细检；

步骤六：二级多子带联合检测：二级检测利用多子带联合检测进行细检，将频谱在频域分割成正交的K个子带，再分别对每个子带进行能量检测，将计算得到的能量值E_k与二级门限λ进行比较，若E_k＞λ，则认为该子带被首要用户使用；若E_k≤λ，则认为该子带空闲；

所述系统的吞吐量定义为：

$\mathrm{th}\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{P_i+P_b\×{\∫}_0^{\mathrm{\β}}\left(f\left(\mathrm{\α}\right)(1-\mathrm{\α})\right)\mathrm{d\α}}{T+T_1+T_2\×{\∫}_0^{\mathrm{\β}}f\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{d\α}}\×W\×T\×{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_t)$

式中，P_i和P_b分别是频谱处于空闲和被使用状态的统计概率，α是被使用的频段占整个频谱的百分比，从统计意义上讲，认为α是服从概率密度为f(α)的随机分布，W是频谱的总带宽，T、T₁和T₂分别为数据传输时间，一级能量检测时间和二级多子带联合检测时间，β是一级检测中的百分比门限，表示当使用的频段占整个频谱的β以上时，由于空闲频谱太少而不启动二级检测，当其他参数都设定时，系统吞吐量th(β)就是β的函数，通过求th(β)的最大值，就得到最优的β^*。

2.根据权利要求1所述的两极频谱检测方法，其特征在于：所述一级能量检测中，信号能量的计算为：

$E=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y_i}^2$

其中，y_i是接收到的信号；

E服从卡方分布，根据中心极限定理，当N远远大于1时，E近似为高斯随机过程，即：

$E~\left\{\begin{array}{c}N({{\mathrm{N\δ}}_W}^2,2N{{\mathrm{\δ}}_w}^4)\\ N(N{{\mathrm{\δ}}_w}^2(1+\mathrm{\αSNR}),{{2\mathrm{N\δ}}_w}^2(1+2\mathrm{\αSNR}))\end{array}\right..$