CN103780324A - 动态频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动态频谱接入方法，认知用户连续感知周围环境中的频谱信号，从中获得并接入空闲的授权用户频谱，在接入所述授权用户频谱的同时继续感知周围信号频谱。本发明利用认知用户自身射频信号对频谱检测中的干扰信号进行估计，消除了认知用户自身传输信号对频谱检测的影响，实现了认知用户频谱检测与频谱接入的同时进行。具体来说就是对认知用户自身的射频信号提取特征，估计频谱检测信号中的干扰信号，去除认知用户自身传输信号对频谱检测的影响，同时实现了认知用户的频谱感知与频谱接入的同时性，解决了困扰当前认知动态频谱接入的难题。

Description

动态频谱接入方法

技术领域

本发明涉及认知网络动态频谱接入与管理技术，更具体地说涉及一种频谱感知与频谱接入同时进行的一种动态频谱接入技术。

背景技术

大部分无线频段的频谱使用率仅在10%左右，使得原已十分稀缺频谱资源大量闲置，不能适应无线通信业务的高速发展。

赋予认知功能的认知无线电（CR）的动态频谱接入技术被公认为高效利用无线频谱资源的有效技术手段，已成为业界关注的热点。实现动态频谱接入有两个核心问题：机会发现和信道接入。准确发现频谱“空洞”是实现频谱高效复用的基础，有效接入空闲信道是提高频谱利用率的关键。有关频谱机会发现和信道有效接入，人们进行了大量研究。到目前为止，所有的动态频谱接入技术其空闲频谱发现和信道资源接入在时域上是分开进行的。

在认知网络中，为了避免对授权用户的干扰，认知（非授权）用户必须周期性地对一些频段进行频谱检测。如果检测到频谱是忙的（授权用户在使用），认知用户将放弃该段频谱；如果检测到频谱是空闲的（授权用户不在使用），认知用户将择机接入该频段进行通信业务。但认知用户在频谱接入进行通信业务过程中不再检测（感知）授权用户频谱接入的动态变化。因此，很有可能在认知用户的频谱接入过程中（即在认知用户两个频谱感知周期之间），由于授权用户频谱的再接入导致认知用户与授权用户之间发生碰撞冲突引起相互干扰，如图2所示。为了降低认知用户和授权用户发生碰撞的概率，可以增加认知用户的频谱感知时间(T_s)，减少认知用户的频谱接入时间（T_p-T_s）。频谱感知周期越长，频谱检测的可靠性就越高，认知用户对授权用户干扰的可能性就越小。但认知用户获得的网络吞吐量就越低，网络频谱资源使用的效率就越低，难以解决当前通信业务不断增加与频谱资源日益稀缺的矛盾。为了增加认知用户获得的网络吞吐量，提高频谱资源使用率，则可以减少认知用户的频谱感知时间，增加认知用户的频谱接入时间。频谱感知周期越短，频谱检测的可靠性就越低。此时认知用户虽然提高了其获得的网络吞吐量，提高了频谱资源使用率，但认知用户和授权用户发生碰撞的概率也就增加了，也就是说认知用户对授权用户干扰的可能性也增加了，无法同时实现认知用户的频谱感知与频谱接入。因此，认知用户的频谱感知时间与频谱接入时间之间的折中是一个困扰当前认知动态频谱接入的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，解决认知用户频谱感知与频谱接入不能同时进行的难题，提供一种动态频谱接入方法，频谱感知与频谱接入可以同时实现，既可以降低认知用户和授权用户碰撞概率，又可以提高频谱资源使用率。其技术方案如下：

所述动态频谱接入方法，认知用户连续感知周围环境中的频谱信号，从中获得并接入空闲的授权用户频谱，在接入所述授权用户频谱的同时继续感知周围信号频谱。

所述动态频谱接入方法进一步设计在于，所述认知用户周围环境中存在的频谱信号包括信道噪声频谱信号n(t)、认知用户自身干扰频谱信号s(t)和授权用户频谱信号x(t)，认知用户感知接收到的信号r(t)包括不存在授权用户信号频谱的情形H₀和存在授权用户信号频谱的情形H₁

H₀：r(t)=n(t)+s(t)H₁：r(t)=n(t)+z(t)+x(t)

其中：0≤t≤T_s，T_s为认知用户频谱检测时间。

所述动态频谱接入方法进一步设计在于，所述认知用户连续感知周围环境中频谱信号的步骤包括

1）干扰信号估计，认知用户通过传输的自身样本信号sT(t)对接收信号r(t)中的干扰信号s(t)大小进行估计，并构建一个与干扰信号s(t)完全相同的估计信号s’(t)；

2）干扰信号消除，从认知用户接收到的信号r(t)中减去估计信号s’(t)，从而得到提供给频谱检测器检测的新检测信号y(t)，y(t)=r(t)－s’(t)，所述新检测信号y(t)与所述样本信号sT(t)的互相关系数ρ应小于一个给定的正数ε，否则重新构建估计信号s’(t)；

3）频谱检测，对所述新检测信号y(t)进行频谱检测，判定是否存在授权用户信号x(t)。

所述动态频谱接入方法进一步设计在于，所述重新构建估计信号s’(t)是在由所述干扰信号估计步骤和干扰信号消除步骤所形成的一个闭环自适应控制过程中进行，直到互相关系数ρ小于一个给定的正数ε，该闭环控制过程完成。

所述动态频谱接入方法进一步设计在于，所述新检测信号y(t)是通过变衰减器从认知用户接收到的信号r(t)中减去估计信号s’(t)，估计信号s'(t)＝k·sT(t)，k为可变衰减器的衰减系数，所述新检测信号y(t)=r(t)－k.sT(t)。

所述动态频谱接入方法进一步设计在于，所述新检测信号y(t)与所述样本信号sT(t)的互相关系数ρ为

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\∫}_0^{T_s}y\left(t\right)s_T\left(t\right)\mathrm{dt}}{\sqrt{\left[{\∫}_0^{T_s}{y}^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right]\left[{\∫}_0^{T_s}{s}_T^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right]}}$

或为

$\mathrm{\ρ}=R_{\mathrm{ys}}\left(0\right)={\∫}_0^{T_s}y\left(t\right).s_T\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中Rys为互相关函数。

所述动态频谱接入方法进一步设计在于，所述可变系数衰减器衰减系数k的更新受互相关系数ρ控制，两者存在如下关系

k(i+1)＝k(i)+β·ρ

其中，β为更新步长。

所述动态频谱接入方法进一步设计在于，所述样本信号sT(t)是认知用户发射机中任何一处的等价射频信号。

所述动态频谱接入方法进一步设计在于，所述频谱检测包括能量检测，或匹配滤波器检测，或循环平稳特征检测，或特征值检测，或上述检测的任意组合。

本发明方法利用认知用户自身射频信号对频谱检测中的干扰信号进行估计，消除了认知用户自身传输信号对频谱检测的影响，实现了认知用户频谱检测与频谱接入的同时进行。具体来说就是对认知用户自身的射频信号提取特征，估计频谱检测信号中的干扰信号，去除认知用户自身传输信号对频谱检测的影响，实现了认知用户的频谱感知与频谱接入的同时性，解决了困扰当前认知动态频谱接入的难题。由此产生以下有益效果：

（1）认知用户的频谱感知与频谱接入同时进行，避免了认知用户和授权用户之间的传输碰撞，消除了认知用户传输对授权用户的干扰；

（2）认知用户的频谱连续接入，可充分利用空闲的频谱资源，使网络系统吞吐量最大化，从而提高了频谱效率；

（3）空闲频谱一旦出现，认知用户立即接入，大大降低了认知用户数据传输的等待时间，提高了认知系统服务质量（QoS）；

（4）认知用户的频谱检测是连续进行的，由此可以充分利用前期接收到的频谱信息，随时作出频谱判决，实现了频谱检测的实时性。

（5）认知用户的频谱感知与频谱接入是同时进行的，在时间上不存在相互约束关系。频谱感知时间和频谱接入时间可以分别根据频谱检测的方法和认知用户传输数据的要求单独设计，使认知系统设计更灵活。

附图说明

图1本发明动态频谱接入方法流程示意框图。

图2是现有的频谱感知与接入示意图。

具体实施方式

本发明的动态频谱接入方法如图1，在认知网络中，认知用户连续不断地感知周围环境中的频谱信号，因此认知用户周围环境中的频谱信号包括信道噪声频谱信号n(t)、授权用户频谱信号x(t)和认知用户自身干扰频谱信号s(t)。由于授权用户频谱经常被闲置，因此认知用户感知到的信号r(t)中包括不存在授权用户信号频谱的情形H₀和存在授权用户信号频谱的情形H₁，即：

H₀：r(t)=n(t)+s(t)，   (1)

H₁：r（t）=n(t)+s(t)+x(t)  (2)

其中感知的时间t应小于认知用户频谱检测时间，即有0≤t≤T_s，也就是说认知用户在0≤t≤T_s时间段接收到信号r(t)。

在认知用户对接收到的信号r(t)中是否存在授权用户信号x(t)进行检测的过程中，首先进行干扰信号估计，估计是利用认知用户自身样本信号sT(t)对接收到的信号r(t)中干扰信号s(t)的大小进行估计，具体来说就是对认知用户自身的射频信号提取特征，估计频谱检测信号中的干扰信号，并构建得到一个与干扰信号s(t)完全相同的估计信号s’(t)，即：s'(t)＝k·s_T(t)，其中，k为可变衰减器的衰减系数。

接着消除接收到的信号r(t)中干扰信号，通过可变衰减器从认知用户接收到的信号r(t)中减去估计信号s’(t)，去除认知用户自身传输信号对频谱检测的影响，从而得到提供给频谱检测器检测的新检测信号y(t)，即：y(t)＝r(t)-s'(t)＝r(t)-k·s_T(t)，其中k为可变衰减器的衰减系数。将新的检测信号y(t)和认知用户传输的样本信号sT(t)送入相关器，求两者的互相关系数ρ

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\∫}_0^{T_s}y\left(t\right)s_T\left(t\right)\mathrm{dt}}{\sqrt{\left[{\∫}_0^{T_s}{y}^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right]\left[{\∫}_0^{T_s}{s}_T^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right]}}---\left(3\right)$

同时根据所得的互相关系数ρ大小更新可变衰减器系数k的大小

k(i+1)＝k(i)+β·ρ（4）

其中β为更新步长，互相关系数ρ应小于一个给定的正数ε。重新构建估计信号s’(t)是在由上述干扰信号估计和干扰信号消除步骤所形成的一个闭环自适应控制过程中进行，直到互相关系数ρ小于一个给定的正数ε，该闭环控制过程完成。每次估计是通过上述计算公式（3）、（4）重新计算估计信号s’(t)、检测信号y(t)和互相关系数ρ，直至互相关系数ρ小于一个给定的正数ε，得到最终的新检测信号y(t)。

最后进行频谱检测，最终的新检测信号y(t)送入频谱检测器，根据能量检测算法，建立能量检测统计量

$E={\∫}_0^{T_s}{y}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$

及其判决门限

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\σ}}_n^2(N+\sqrt{2N}{Q}^{-1}\left(P_{\mathrm{fa}}\right))$

其中，

是噪声n(t)的功率，N是检测信号y(t)的采样点数，P_fa是给的频谱检测虚警率，表示高斯曲线尾部下的面积函数。

频谱检测器根据上述检测统计量E和判决门限γ对频谱检测器感知的结果进行假设检验判决。如果E<γ，H₀成立，接收信号r(t)中不含有授权信号x(t)，可以使用相应的频段进行业务通信；如果E>γ，H₁成立，对应的频段中含有授权信号x(t)，因此不可以使用相应的频段进行业务通信。

本发明不局限于上述的实施例，根据上述第一个实施例，对其中的一些技术特征做等同替换可形成更多的实施例。例如在干扰信号消除步骤中，所涉及的相关器可采用在“0”点的互相关函数代替，即用R_ys(0)代替ρ

$R_{\mathrm{ys}}\left(0\right)={\&Integral;}_0^{T_s}y\left(t\right).s_T\left(t\right)\mathrm{dt}$

其它方法与第一个实施例相同，不再赘述，就形成第二个实施例。

再例如在频谱检测步骤中，所涉及的频谱检测可采用匹配滤波器检测，或循环平稳特征检测，或特征值检测，或本发明所述述检测的任意组合，可形成更多的实施例。

Claims (9)

1.动态频谱接入方法，其特征在于认知用户连续感知周围环境中的频谱信号，从中获得并接入空闲的授权用户频谱，在接入所述授权用户频谱的同时继续感知周围信号频谱。

2.根据权利要求1所述的动态频谱接入方法，其特征在于所述认知用户周围环境中存在的频谱信号包括信道噪声频谱信号n(t)、认知用户自身干扰频谱信号s(t)和授权用户频谱信号x(t)，认知用户感知接收到的信号r(t)包括不存在授权用户信号频谱的情形H₀和存在授权用户信号频谱的情形H₁

H₀：r(t)=n(t)+s(t)

H₁：r(t)=n(t)+s(t)+x(t)

其中：0≤t≤T_s，T_s为认知用户频谱检测时间。

3.根据权利要求2所述的动态频谱接入方法，其特征在于所述认知用户连续感知周围环境中频谱信号的步骤包括

1）干扰信号估计，认知用户通过传输的自身样本信号sT(t)对接收信号r(t)中的干扰信号s(t)大小进行估计，并构建一个与干扰信号s(t)完全相同的估计信号s’(t)；

2）干扰信号消除，从认知用户接收到的信号r(t)中减去估计信号s’(t)，从而得到提供给频谱检测器检测的新检测信号y(t)，y(t)=r(t)－s’(t)，所述新检测信号y(t)与所述样本信号sT(t)的互相关系数ρ应小于一个给定的正数ε，否则重新构建估计信号s’(t)；

3）频谱检测，对所述新检测信号y(t)进行频谱检测，判定是否存在授权用户信号x(t)。

4.根据权利要求3所述的动态频谱接入方法，其特征在于所述重新构建估计信号s’(t)是在由所述干扰信号估计步骤和干扰信号消除步骤所形成的一个闭环自适应控制过程中进行，直到互相关系数ρ小于一个给定的正数ε，该控制过程完成。

5.根据权利要求4所述的动态频谱接入方法，其特征在于，所述新检测信号y(t)是通过变衰减器从认知用户接收到的信号r(t)中减去估计信号s’(t)，估计信号s'(t)＝k·s_T(t)，k为可变衰减器的衰减系数，所述新检测信号y(t)=r(t)－k.s_T(t)。

6.根据权利要求3-5任一项所述的动态频谱接入方法，其特征在所述新检测信号y(t)与所述样本信号sT(t)的互相关系数ρ为

$\mathrm{\&rho;}=\frac{{\&Integral;}_0^{T_s}y\left(t\right)s_T\left(t\right)\mathrm{dt}}{\sqrt{\left[{\&Integral;}_0^{T_s}{y}^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right]\left[{\&Integral;}_0^{T_s}{s}_T^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right]}}$

或为

$\mathrm{\&rho;}=R_{\mathrm{ys}}\left(0\right)={\&Integral;}_0^{T_s}y\left(t\right).s_T\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中Rys为互相关函数。

7.根据权利要求3-5任一项所述的动态频谱接入方法，其特征在于所述可变系数衰减器衰减系数k的更新受互相关系数ρ控制，两者存在如下关系

k(i+1)＝k(i)+β·ρ

其中，β为更新步长。

8.根据权利要求3-5任一项所述的动态频谱接入方法，其特征在于所述样本信号sT(t)是认知用户发射机中任何一处的等价射频信号。

9.根据权利要求3-5任一项所述的动态频谱接入方法，其特征在于所述频谱检测包括能量检测，或匹配滤波器检测，或循环平稳特征检测，或特征值检测，或上述检测的任意组合。

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