CN102983923B - 一种基于极化距离方差的频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于极化距离方差的频谱感知方法，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，通过快速傅里叶变换得到频域信号样本，利用信号频域信号样本得到信号频域Stokes矢量，基于相邻频点间的极化距离得到接收信号的极化距离方差，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；基于接收信号估计信号极化距离方差，无需信号、信道或噪声的先验知识进行检测；可克服无线信道中的偏振模色散现象，有利于对信号极化状态的高效利用。

Description

一种基于极化距离方差的频谱感知方法

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空闲的授权用户频段，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，一方面，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，相位或频率信息等标量信息进行分析，但是同样能反映信号本质属性的矢量信息-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；另一方面，利用极化信息进行检测需充分考虑无线信道去极化效应、信道极化敏感损失、偏振模色散(Polarization Mode Dispersion，PMD)等现象对信号极化状态的影响。这将加大频谱感知技术对信号极化信息有效利用的难度。

发明内容

为了解决极化信息在频谱感知技术中的应用现状，本发明实例提供了一种基于极化距离方差(VoPD，Variance of Polarization Distance)的频谱感知方法，应用于认知无线电网络。

该方法充分考虑无线信道偏振模色散现象对信号极化状态的影响，并利用信号频域极化信息进行信号检测，提高了频谱检测性能。

为了达到上述技术效果，本发明实施例的一种基于极化距离方差的频谱感知方法，包括：

CR用户首先根据系统判决门限公式，设定基于信号极化信息的系统检测门限值γ_VoPD。

然后，CR用户利用接收端正交双极化天线接收信号，并根据正交极化分解原理，得到接收信号的正交极化分量。基于奈奎斯特准则分别对正交极化分量进行连续采样，得到N个矢量信号样本x(n)，n＝1…N。

CR用户利用K点快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)将时域信号样本x(n)转换到频域信号样本

CR用户利用频域信号样本分别得到接收信号Jones矢量为E_p(k)，Stokes矢量为J(k)。

CR用户基于极化距离公式，计算相邻频点频域Stokes矢量J(k)和J(k+Δ)间极化距离L_k，k+Δ。k与k+Δ为相邻频点，k＝1…K。

CR用户利用所述K个极化距离L_k，k+Δ估计接收信号极化距离方差V_D，V_D包含信号频域极化信息。

CR用户利用接收信号的极化距离方差V_D和门限值γ_VoPD进行判断授权用户信号是否存在。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过基于极化距离方差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；基于接收信号估计得到极化距离方差，无需信号、信道及噪声的先验知识进行检测：可克服无线信道中的偏振模色散现象，有利于对信号极化状态的高效利用。

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距离方差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距离方差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)、极化度检测(DoP)在虚警概率P_fa＝0.1，样本数K＝2048，N＝2048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距离方差的频谱感知方法，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：对接收到信号进行基于极化距离方差的频谱感知，以验证授权用户信号是否存在；

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；

对于信号检测，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在频域可建模为：

$H_0:\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)=\mathrm{\η}\left(k\right),k=0,...,K-1$

$H_1:\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)=\mathrm{Hs}\left(k\right)+\mathrm{\η}\left(k\right),k=0,...,K-1$

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(k)为授权用户矢量信号，η(k)为噪声，为到达接收端矢量信号的频域信号。H为授权用户与CR用户之间的信道。

设γ_VoPD为极化距离方差检测的判决门限，有

若判决统计量V_D小于γ_VoPD，则判断授权用户信号出现；若判决统计量V_D大于γ_VoPD，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：利用接收端正交双极化天线接收信号，并根据正交极化分解原理，得到接收信号的正交极化分量。

假设授权用户到达矢量信号表示为x(t)，其到达极化状态记为E_p(t)，接收端极化状态随时间t改变。根据极化分解原理，经正交极化天线接收后，x(t)在正交极化基上被分解两路矢量信号，采用正交的水平/垂直极化基(h，v)将x(t)表示为

$x\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}^h\left(t\right)\\ x^v\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_h^i\left(t\right)+j{x}_h^q\left(t\right)\\ x_v^i\left(t\right)+j{x}_v^q\left(t\right)\end{array}\right]$

其中，x^h(t)和x^v(t)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信号x(t)。

在本发明实施例中，如图3，频谱感知300包括：

301对到达时域信号进行采样：假设我们感兴趣的频带的中心频率为f_s且带宽为W。通过模数转换器以f_s的抽样速率对时域信号x(t)进行采样，抽样时间为接收到的离散信号为：

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

302得到考虑偏振模色散现象影响的频域信号样本：受无线信道偏振模色散现象影响，信号极化状态随频率不同而发生改变。通过K点快速傅里叶变换，得到频域信号样本

$\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}F\left[x\left(n\right)\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}^h\left(k\right)\\ {\stackrel{\‾}{x}}^v\left(k\right)\end{array}\right]=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}_h^i\left(k\right)+j{\stackrel{\‾}{x}}_h^q\left(k\right)\\ {\stackrel{\‾}{x}}_v^i\left(k\right)+j{\stackrel{\‾}{x}}_v^q\left(k\right)\end{array}\right)$

F(·)为快速傅里叶变换运算。

303获得接收信号的频域Stokes矢量：接收信号频域极化状态为E_p(k)

$E_p\left(k\right)=\left(\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\α}}_p\left(k\right)\\ \sin {\mathrm{\α}}_p\left(k\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_p\left(k\right)}\end{array}\right)$

其中， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_p\left(k\right)=\arctan \left(\right|{\stackrel{\‾}{x}}^h\left(k\right)|/|{\stackrel{\‾}{x}}^v\left(k\right)\left|\right)\\ {\mathrm{\φ}}_p\left(k\right)=\arctan \left(\right|{\stackrel{\‾}{x}}_h^q\left(k\right)|/|{\stackrel{\‾}{x}}_h^i\left(k\right)\left|\right)-\arctan \left(\right|{\stackrel{\‾}{x}}_v^q\left(k\right)|/|{\stackrel{\‾}{x}}_v^i\left(k\right)\left|\right).\end{array}\right.$

则接收信号频域Stokes矢量为J(k)，

$J\left(k\right)=R[E_p\left(k\right)\⊗E_p^{*}\left(k\right)]$

其中， $R=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& -1\\ 0& 1& 1& 0\\ 0& -j& -j& 0\end{array}\right],$ 是克罗内克乘积运算。

304获得相邻频点极化距离：相邻频点频域Stokes矢量J(k)和J(k+Δ)之间的极化距离，

L_k，k+Δ＝J^T(k)J(k+Δ)

其中(·)^T表示共轭转置。

305获得极化距离方差：接收信号的极化距离方差V_D为

V_D＝var(L)

L＝{L_l，l+Δ…L_k，k+Δ…L_K，K+Δ}

306基于信号频域极化信息，计算检测门限值：根据此式计算检测门限值

γ_VoPD＝I^-1(P_fa；p，q)

其中，I^-1(·)为归一化不完全beta函数的反函数，P_fa为系统设定的虚警概率，p，q为beta参数，

$\left\{\begin{array}{c}p=\frac{<V_D>[<V_D>-<V_D^2>]}{<V_D^2>-{<V_D>}^2}\\ q=\frac{[1-<V_D>][<V_D>-<V_D^2>]}{<V_D^2>-{<V_D>}^2}\end{array}\right.$

且 $<V_D>=-0.9798\frac{1}{K}+0.3332,<V_D^2>=-5.3728\frac{1}{K^3}+1.7433\frac{1}{K^2}-0.5101\frac{1}{K}+0.1112,$ <·>为期望函数，V_D为接收信号的极化距离方差，K为频域样本数。

综上所述，本发明实例提供了一种基于极化距离方差的频谱感知方法，应用于认知无线电网络。该方法充分考虑无线信道偏振模色散现象对信号极化状态的影响，并利用信号频域极化信息进行信号检测，提高了频谱检测性能。

需要说明的是，本发明实施例所提出的技术方案对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。

Claims (6)

1.一种基于极化距离方差的频谱感知方法，其特征在于：

认知无线电用户根据接收信号的相邻频点极化距离的方差作为判决统计量；

认知无线电用户首先基于信号频域极化信息，计算并设定检测门限值γ_VoPD，检测门限公式为，

γ_VoPD＝I^-1(P_fa；p，q)

其中，I^-1(·)为归一化不完全beta函数的反函数，p，q为beta函数参数，P_fa为系统设定的虚警概率，且p，q为，

$\left\{\begin{array}{c}p=\frac{<V_D>[<V_D>-<V_D^2>]}{<V_D^2>-{<V_D>}^2}\\ q=\frac{[1-<V_D>][<V_D>-<V_D^2>]}{<V_D^2>-{<V_D>}^2}\end{array}\right.$

且 $<V_D>=-0.9798\frac{1}{K}+0.3332,<V_D^2>=-5.3728\frac{1}{K^3}+1.7433\frac{1}{K^2}-0.5101\frac{1}{K}+0.1112,$ <·>为期望函数，V_D为接收信号的极化距离方差，K为频域样本数；

然后，认知无线电用户利用接收端正交双极化天线接收信号，并根据正交极化分解原理，得到接收信号的正交极化分量，以频带中心频率f_s的抽样速率对时域接收信号x(t)进行采样，得到N个时域信号样本x(n)，n＝1…N；

认知无线电用户利用K点快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)将时域信号样本x(n)转换到频域信号样本

认知无线电用户利用频域信号样本分别得到接收信号频域Jones矢量为E_p(k)，频域Stokes矢量为J(k)；

认知无线电用户基于极化距离公式，计算相邻频点频域Stokes矢量J(k)和J(k+Δ)间极化距离L_k，k+Δ，k与k+Δ为相邻频点，k＝1…K；

认知无线电用户利用所述极化距离L_k，k+Δ估计接收信号极化距离方差V_D，V_D包含信号频域极化信息；

认知无线电用户利用接收信号的极化距离方差V_D和检测门限值γ_VoPD进行判断授权用户信号是否存在，如果V_D大于检测门限值γ_VoPD，则授权用户信号不存在；如果V_D小于检测门限值γ_VoPD，则授权用户信号存在。

2.按权利要求1所述基于极化距离方差的频谱感知方法，其特征在于，所述接收信号的正交极化分量，是根据信号正交分解原理对接收信号进行分解得到，正交极化分量构成可表征信号极化的矢量信号x(t)，采用正交的水平/垂直极化基(h，v)将x(t)表示为

$x\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}^h\left(t\right)\\ x^v\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_h^i\left(t\right)+j{x}_h^q\left(t\right)\\ x_v^i\left(t\right)+j{x}_v^q\left(t\right)\end{array}\right]$

其中，x^h(t)和x^v(t)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。

3.按权利要求1所述基于极化距离方差的频谱感知方法，其特征在于，认知无线电用户对时域接收信号进行采样：通过模数转换器对x(t)以频带中心频率f_s的抽样速率进行采样，得到采样数据表示为：

$x\left(n\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}x\left(n{T}_s\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_x^i\left(n{T}_s\right)+j{x}_x^q\left(n{T}_s\right)\\ x_y^i\left(n{T}_s\right)+j{x}_y^q\left(n{T}_s\right)\end{array}\right),n=1...N.$

4.按权利要求1所述基于极化距离方差的频谱感知方法，其特征在于，认知无线电用户利用频域信号样本

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(k\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}F\left[x\left(n\right)\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^h\left(k\right)\\ {\stackrel{\&OverBar;}{x}}^v\left(k\right)\end{array}\right]=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_h^i\left(k\right)+j{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_h^q\left(k\right)\\ {\stackrel{\&OverBar;}{x}}_v^i\left(k\right)+j{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_v^q\left(k\right)\end{array}\right)$

其中，F(·)为快速傅里叶变换运算，得到接收信号频域极化状态为E_p(k)

$E_p\left(k\right)=\left(\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\&alpha;}}_p\left(k\right)\\ \sin {\mathrm{\&alpha;}}_p\left(k\right)e^{j{\mathrm{\&phi;}}_p\left(k\right)}\end{array}\right)$

其中， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_p\left(k\right)=\arctan \left(\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^h\left(k\right)|/|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^v\left(k\right)\left|\right)\\ {\mathrm{\&phi;}}_p\left(k\right)=\arctan \left(\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_h^q\left(k\right)|/|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_h^i\left(k\right)\left|\right)-\arctan \left(\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_v^q\left(k\right)|/|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_v^i\left(k\right)\left|\right),\end{array}\right.k=1...K,$ 利用频域极化状态E_p(k)得到接收信号的频域Stokes矢量J(k)，

$J\left(k\right)=R[E_p\left(k\right)\&CircleTimes;E_p^{*}\left(k\right)]$

其中， $R=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& -1\\ 0& 1& 1& 0\\ 0& -j& -j& 0\end{array}\right],$ 是克罗内克乘积运算。

5.按权利要求1所述基于极化距离方差的频谱感知方法，其特征在于，所述相邻频点频域Stokes矢量J(k)和J(k+Δ)之间的极化距离，基于极化距离公式确定：

L_k，k+Δ＝J^T(k)J(k+Δ)

其中(·)^T表示共轭转置，k＝1…K。

6.按权利要求1所述基于极化距离方差的频谱感知方法，其特征在于，认知无线电用户估计接收信号极化距离方差V_D为

V_D＝var(L)

L＝{L_l，l+Δ…L_k，k+Δ…L_K，K+Δ}。