CN102497239A - 一种基于极化度的频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于极化度的频谱感知方法，适用于认知无线电网络。所述方法包括：系统检测门限的设定，对空间电磁信号进行连续采样，估计接收信号协方差矩阵，基于协方差矩阵特征值得到接收信号的极化度，进而根据信号、噪声极化度的差异，判定电磁信号的有无。该发明可实现对授权用户电磁信号极化信息的应用，有效克服实际中存在的噪声不确定度问题；基于接收信号抽样协方差矩阵得到极化度，无需信号、信道或噪声的先验知识进行检测；适用于小样本检测，降低计算复杂度，提高系统对电磁信号的检测速度，降低系统对电磁信号检测所需的时间。从而可满足实时检测的要求，有利于系统对有限的无线频谱资源进行高效利用。

Description

一种基于极化度的频谱感知方法

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日趋增长。然而，无线频谱是不可再生的宝贵资源。充分利用频谱资源，提高频谱利用率以满足日益增长的无线通信业务是无线通信领域亟待解决的问题。认知无线电(CR，Cognitive radio)技术作为一种智能的频谱共享技术，可以有效地解决频谱资源匮乏与业务量不断增长的矛盾。在CR系统中，具有认知功能的未授权用户(CR用户)需要快速而准确地感知未被占用的授权用户频段，在不影响授权用户正常通信的前提下实现动态的频谱接入，从而使未授权用户能利用其进行通信，提高频谱利用率。 

传统频谱感知方法有匹配率滤波器检测、能量检测、循环平稳特征检测和最大最小特征值检测等。这些检测方法各自存在不足之处，例如能量检测虽然实现简单但不能克服实际中的噪声不确定度问题；匹配滤波器需要知道授权用户的先验信息；循环平稳特征检测需要授权用户信号具有周期平稳特性；而最大最小特征值检测存在计算复杂度高等问题。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问题以及授权用户先验信息的匮乏等原因，使得上述频谱感知方法在实际系统中存在明显缺陷，不具有普遍适用性。 

另外，随着双极化天线在无线通信中的普遍应用，对信号极化信息的识别及利用已变得可能。然而，传统频谱感知方法都是基于对接收信号的幅度，相位或频率信息进行分析，但是同样能反映信号本质属性的极化信息却未被应用，这造成了对信号固有信息利用的极大损失。 

发明内容

为了解决极化信息未被应用于频谱检测的现状，本发明实例提供了一种基于极化度(DoP，Degree of Polarization)的频谱感知方法，应用于认知无线电网络。极化度为电磁波的完全极化分量能量在总能量中所占的比例。在无线通信中，信号与噪声以电磁波形式进行传输，但其完全极化分量所占比例存在差异。因此，利用双极化接收天线获取信号全部极化信息，根据接收信号极化度的不同，即可实现在电磁领域对信号和噪声进行区分。所述极化度技术方案如下： 

一种基于极化度的频谱感知方法，包括： 

步骤1.CR用户接收端系统检测门限值的设定：首先根据下式， 

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{DoP}}=\frac{({(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2+\frac{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^{-2/3}}{{\left(2N\right)}^{1/6}}{F}_1^{-1}(1-P_{\mathrm{fa}}))-\frac{{(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2}{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^2}}{({(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2+\frac{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^{-2/3}}{{\left(2N\right)}^{1/6}}{F}_1^{-1}(1-P_{\mathrm{fa}}))+\frac{{(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2}{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^2}}$

确定门限值并存储待用。其中N为采样数，F₁(t)为Tracy-Widom分布函数，P_fa为系统设定的虚警概率。 

步骤2.CR用户端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，通过模数转换器对该模拟信号按照步骤1中设定的采样次数N进行采样，得到采样数据表示为： 

x(n)＝[x(0)x(1)x(2)…x(N-1)] 

步骤3.CR用户接收端估计接收信号协方差矩阵：根据步骤2得到的采样数据，估计得到接收信号的样本协方差矩阵 

${\hat{R}}_x\left(N\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)x^H\left(n\right)$

其中(·)^H表示共轭转置。 

步骤4.CR用户接收端估计接收信号极化度： 分别为 

的最大，最小特征值。根据极化度定义，极化度可用 

进行表征。接收信号的极化度 

为 

其中P_完全极化代表完全极化分量能量，P_总能量代表电磁波总能量。 

步骤5.CR用户接收端判定电磁信号的有无：利用接收信号的极化度 

和门限值γ_DoP进行判断授权用户信号是否存在。如果 

则信号存在；否则该频谱没有被占用，则授权用户信号不存在。 

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是： 

通过基于极化度的频谱感知方法可实现对授权用户电磁信号极化信息的应用，有效克服实际中存在的噪声不确定度问题；基于接收抽样协方差矩阵得到极化度，无需信号、信道及 噪声的先验知识进行检测；适用于小样本检测，降低计算复杂度，提高系统对电磁信号的检测速度，降低系统对电磁信号检测所需的时间。从而可满足实时检测的要求，有利于系统对有限的无线频谱资源进行高效利用。 

附图说明

图1：本发明实施例的认知无线电网络拓扑图； 

图2：本发明实施例提供的基于极化度的频谱感知方法流程图； 

图3：本发明实施例提供的CR用户接收端基于极化度检测授权用户信号流程图； 

图4：本发明与背景技术检测方法，包括能量检测(ED_B，Energy Detector，B为噪声不确定因子)、最大最小特征值检测(MME，Maximum-to-Minimum ratio Eigenvalue Detector)在虚警概率P_fa＝0.01，样本数N＝5的性能对比图(坐标图)。 

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网络拓扑如图1所示，一对CR用户，包括CR用户发射端和CR用户接收端和一对授权用户，包括授权用户发射端和授权用户接收端，每个授权用户发射端采用固定的极化方式发射信号；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，CR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，在进行频谱感知时，该频段上的所有CR用户停止传输数据。 

实施例 

参见图2，本发明实施例提供了一种基于极化度的频谱感知方法，包括： 

到达信号100：到达CR接收端模拟信号表示为x(t)。 

正交双极化天线接收信号200：CR用户接收端采用正交双极化天线，获得到达信号的全部极化信息(x_H，x_V)； 

频谱感知300：对接收到信号进行频谱感知，以验证授权用户信号是否存在； 

需要说明的是，本发明实施例所提出的技术方案对各种本地物理层检测算法、合作频谱感知算法及跨层频谱感知算法均适用；特别适用于双极化天线接收场景。 

判断授权用户信号是否出现400：根据频谱感知的结果对授权用户信号是否出现做出判 决；设γ_DoP为极化度检测的判决门限，有 

$\begin{array}{ccc}& H_1& \\ & >& \\ \hat{p}& & {\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DoP}}\\ & <& \\ & H_0& \end{array}$

若判决统计量 

大于γ_DoP，则判断授权用户信号出现；若判决统计量 

小于γ_DoP，则判断授权用户信号没有出现； 

继续使用该频谱空穴500：若判断授权用户信号没有出现，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600：若判断授权用户信号出现，则CR用户立刻退出该频谱空穴。 

在本发明实施例中，正交双极化天线接收信号200包括： 

假设授权用户到达矢量信号表示为x，其到达极化状态记为E_p。根据极化分解原理，经正交极化天线接收后，E_p在正交极化基上被分解两路矢量信号，不妨采用正交的水平/垂直极化基(H，V)将其表示为 

$x=\left[\begin{array}{c}{x}_H\\ x_V\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_H^i+j{X}_H^q\\ x_V^i+j{x}_V^q\end{array}\right]$

其中，x_H和x_V分别代表水平极化基和垂直极化基上的信号分量，i和q分别表示同相分量和正交分量。CR用户采用一对正交双极化接收天线，可获得到达信号正交两路极化信息(x_H，x_V)。 

在本发明实施例中，如图3，频谱感知300包括： 

301对到达信号进行采样：假设我们感兴趣的频带的中心频率为f_s且带宽为W。以f_s的抽样速率对x(t)进行采样，抽样时间为 接收到的离散信号为： 

$x\left(n\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}x\left(n{T}_s\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_x^i(n{T}_s+j{x}_x^q\left(n{T}_s\right))\\ (x_y^i\left(x{T}_s\right)+j{x}_y^q\left(n{T}_s\right))\end{array}\right]$

对于特定的频段，如果接收信号检测后只含有噪声，则授权用户不存在；反之，授权用户存在，则此二元信号检测问题可建模为： 

H₀：x(n)＝η(n)，n＝0，...，N-1 

H₁：x(n)＝Hs(n)+η(n)，n＝0，...，N-1 

其中，H₀与H₁分别表示授权信号不存在和存在的两种假设，s(n)为授权用户矢量信号，η(n)为噪声，x(n)为到达接收端矢量信号。H为授权用户与CR用户之间的信道。 

302获得抽样协方差矩阵： 

${\hat{R}}_x\left(N\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)x^H\left(n\right)$

303计算门限值：根据此式计算系统的门限值 

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DoP}}=\frac{({(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2+\frac{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^{-2/3}}{{\left(2N\right)}^{1/6}}{F}_1^{-1}(1-P_{\mathrm{fa}}))-\frac{{(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2}{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^2}}{({(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2+\frac{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^{-2/3}}{{\left(2N\right)}^{1/6}}{F}_1^{-1}(1-P_{\mathrm{fa}}))+\frac{{(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2}{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^2}}$

304对协方差矩阵进行特征值分解，得到极化度： 

如果 和 是 

的最大、最小特征值，到达信号的极化度 可表示为 

$\hat{p}=\frac{{\widehat{\mathrm{\&lambda;}}}_{\max }-{\widehat{\mathrm{\&lambda;}}}_{\min }}{{\widehat{\mathrm{\&lambda;}}}_{\max }+{\widehat{\mathrm{\&lambda;}}}_{\min }}$ 。

Claims (3)

1.一种基于极化度的频谱感知方法，其特征在于根据接收信号的抽样协方差矩阵的特征值得到极化度

作为判决统计量，与系统预先设定的判决门限γ_DoP进行比较，以此判断频谱是否被占用，即主用户信号是否存在。该方法分为5部分实现，设定系统门限、对空间电磁信号进行连续采样、估计接收信号样本协方差矩阵、估计接收信号极化度、判断电磁信号有无即主用户信号是否存在。具体的方法为：

步骤1.CR用户接收端系统检测门限值的设定：首先根据下式：

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DoP}}=\frac{({(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2+\frac{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^{-2/3}}{{\left(2N\right)}^{1/6}}{F}_1^{-1}(1-P_{\mathrm{fa}}))-\frac{{(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2}{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^2}}{({(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2+\frac{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^{-2/3}}{{\left(2N\right)}^{1/6}}{F}_1^{-1}(1-P_{\mathrm{fa}}))+\frac{{(\sqrt{N}-\sqrt{2})}^2}{{(\sqrt{N}+\sqrt{2})}^2}}$

确定门限值并存储待用。其中N为采样数，F₁(t)为Tracy-Widom分布函数，P_fa为系统设定的虚警概率。

步骤2.CR用户端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，通过模数转换器对该模拟信号按照步骤1中设定的采样次数N进行采样，得到采样数据表示为：

x(n)＝[x(0)x(1)x(2)…x(N-1)]

步骤3.CR用户接收端估计接收信号协方差矩阵：根据步骤2得到的采样数据，估计得到接收信号的协方差矩阵

${\hat{R}}_x\left(N\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)x^H\left(n\right)$

其中(·)^H表示共轭转置。

步骤4.CR用户接收端估计接收信号极化度：

分别为

的最大，最小特征值。则接收信号的极化度

为

步骤5.CR用户接收端判定电磁信号的有无：利用接收信号的极化度

和门限值γ_DoP进行判断授权用户信号是否存在。

$\begin{array}{ccc}& H_1& \\ & >& \\ \hat{p}& & {\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DoP}}\\ & <& \\ & H_0& \end{array}$

如果

则信号存在，CR用户立刻退出该频谱空穴；否则该频谱没有被占用，则授权用户信号不存在，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。

2.按权利要求1所述基于极化度的频谱感知方法，其特征在于，所述CR用户接收装置通过一对相互正交的双极化天线接收信号，包括：

CR用户接收端具有一对相互正交的双极化天线，该天线为两条极化方式相互正交的天线组成，通常为水平极化天线和垂直极化天线或为左旋圆极化天线和右旋圆极化天线。

3.按权利要求1所述基于极化度的频谱感知方法，其特征在于，实现对授权用户电磁信号极化信息(x_H，x_V)的应用，适用于小样本检测，且可克服实际中存在的噪声不确定度问题。

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