CN104320206B - 一种基于多天线系统幅度谱相关系数的频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多天线系统幅度谱相关系数的频谱感知方法，其利用多个接收天线对监测信道的信号进行采样，得到采样信号，然后计算采样信号的幅度谱，接着计算幅度谱的相关系数，之后计算检验统计量，最后通过比较检验统计量与判决门限的大小，判定在该监测信道内有无授权用户信号，实现频谱感知；在不同接收天线上的噪声功率不相等时，仍然具有较高的频谱感知性能；在频率选择性衰落信道中具有更好的频谱感知性能。

Description

一种基于多天线系统幅度谱相关系数的频谱感知方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线电频谱感知技术，尤其是涉及一种基于多天线系统幅度谱相关系数的频谱感知方法。

背景技术

经过近几十年的无线通信快速发展，可供使用的频谱资源大部分已经被分配给了特定的授权用户。也就是说，即使这些频谱资源处于空闲状态，非授权用户也不能使用它，这导致大量的非授权用户在竞争着少量的非授权频段的资源。种种现象表明，现在的频谱资源越来越紧缺。然而研究发现，被分配给授权用户的频谱资源的利用率非常低。授权频段在空间和时间上的资源利用率在15％到85％之间，其利用率非常不平衡，如果在不干扰授权用户的前提下，能够允许非授权用户接入授权频段，那么就能够有效缓解频谱资源紧缺的问题。认知无线电的提出为提高频谱资源的利用率提供了一个可行的思路，其能够有效利用已被分配但是处于空闲状态的频谱资源。为了防止对授权用户产生不可接受的干扰，同时能够有效检测出处于空闲状态的频谱资源，频谱感知成了认知无线电中的关键技术之一。

常见的频谱感知方法有能量检测法、相关矩阵检测法、循环平稳特征检测法等。其中，能量检测法由Urkowitz等人在1967年发表的《EnergyDetectionofUnknownDeterministicSignals》(未知确定信号的能量检测法)中提出。Urkowitz等人提出的能量检测法具有实现简单、计算量小等特点，但是该方法在噪声功率未知情况下，频谱感知性能较差。最近，Tugnait在2014年发表的《Onmultipleantennaspectrumsensingundernoisevarianceuncertaintyandflatfading》(在噪声不确定性和平坦衰落信道中的多天线频谱感知方法)中提出了基于频域协方差矩阵的频谱感知方法，该方法在平坦衰落信道中具有较好的频谱感知性能，但是该方法在频率选择性衰落信道中的频谱感知性能较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在频率选择性衰落信道中具有较高频谱感知性能的基于多天线系统幅度谱相关系数的频谱感知方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于多天线系统幅度谱相关系数的频谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：

①认知无线电系统有K个接收天线，在频谱感知期间，每个接收天线对监测信道的信号进行N次采样，得到每个接收天线上的由N个采样值构成的采样信号，将第k个接收天线上的采样信号中的第n个采样值记为x_k(n)，其中，K≥2，N≥K，1≤k≤K，1≤n≤N；

②计算每个接收天线上的采样信号的幅度谱，将第k个接收天线上的采样信号的幅度谱中的第n'个值记为z_k(n')，其中，1≤n'≤N，符号“||”为取绝对值符号，e表示自然常数，j表示虚数单位；

③分别计算每个接收天线上的采样信号的幅度谱与除自身外的其余各个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数，将第u个接收天线上的采样信号的幅度谱与第v个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数记为ρ_uv， ${\mathrm{\ρ}}_{uv}=\frac{\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(z_u\right(n^{\′})\×z_v\left(n^{\′}\right))-\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_u\left(n^{\′}\right)\×\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_v\left(n^{\′}\right)}{\sqrt{(\frac{1}{n}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(z_u\right(n^{\′}\left)\right)}^2-{\left(\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_u\right(n^{\′}\left)\right)}^2)(\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(z_v\right(n^{\′}\left)\right)}^2-{\left(\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_v\right(n^{\′}\left)\right)}^2)}},$ 其中，1≤u≤K,1≤v≤K,且u≠v，z_u(n')表示第u个接收天线上的采样信号的幅度谱中的第n'个值，z_v(n')表示第v个接收天线上的采样信号的幅度谱中的第n'个值；

④根据每个接收天线上的采样信号的幅度谱与除自身外的其余各个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数，计算检验统计量，记为T，

⑤比较检验统计量T与判决门限λ的大小，如果T>λ，则判定在监测信道内有授权用户信号；如果T≤λ，则判定在监测信道内没有授权用户信号，其中，P_f表示虚警概率，0≤P_f≤1_，F^-1()为逆函数表示形式，F^-1(P_f)为的逆函数， $F\left(\frac{(\mathrm{\λ}-K)N}{2}\right)={\∫}_{\frac{(\mathrm{\λ}-K)N}{2}}^{+\mathrm{\∞}}f\left(z\right)dz,$ f(z)表示自由度为的卡方分布的概率密度函数，z为积分变量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)在不同接收天线上的噪声功率不相等时，本发明方法仍然能够计算每个接收天线上的采样信号的幅度谱与除自身外的其余各个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数，因此，本发明方法在不同接收天线上的噪声功率不相等时仍然具有较高的频谱感知性能。

2)在频率选择性衰落信道中，每个接收天线上的采样信号的幅度谱与除自身外的其余各个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数仍然较大，因此，本发明方法在频率选择性衰落信道中具有比Tugnait提出的方法更好的频谱感知性能。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为4个接收天线上的噪声功率都等于1时，本发明方法和Tugnait提出的频谱感知方法的检测概率的比较示意图；

图3为4个接收天线上的噪声功率分别等于0.8、1.0、1.3和0.9时，本发明方法和Tugnait提出的频谱感知方法的检测概率的比较示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种基于多天线系统幅度谱相关系数的频谱感知方法，其流程框图如图1所示，其包括以下步骤：

①认知无线电系统有K个接收天线，在频谱感知期间，每个接收天线对监测信道的信号进行N次采样，得到每个接收天线上的由N个采样值构成的采样信号，将第k个接收天线上的采样信号中的第n个采样值记为x_k(n)，其中，K≥2，如取K＝4，N≥K，如取N＝200，1≤k≤K，1≤n≤N。

②计算每个接收天线上的采样信号的幅度谱，将第k个接收天线上的采样信号的幅度谱中的第n'个值记为z_k(n')，其中，1≤n'≤N，符号“||”为取绝对值符号，e表示自然常数，e＝2.71828182845904523536…，j表示虚数单位。

③分别计算每个接收天线上的采样信号的幅度谱与除自身外的其余各个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数，将第u个接收天线上的采样信号的幅度谱与第v个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数记为ρ_uv， ${\mathrm{\ρ}}_{uv}=\frac{\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(z_u\right(n^{\′})\×z_v\left(n^{\′}\right))-\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_u\left(n^{\′}\right)\×\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_v\left(n^{\′}\right)}{\sqrt{(\frac{1}{n}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(z_u\right(n^{\′}\left)\right)}^2-{\left(\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_u\right(n^{\′}\left)\right)}^2)(\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(z_v\right(n^{\′}\left)\right)}^2-{\left(\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_v\right(n^{\′}\left)\right)}^2)}},$ 其中，1≤u≤K,1≤v≤K,且u≠v，z_u(n')表示第u个接收天线上的采样信号的幅度谱中的第n'个值，z_v(n')表示第v个接收天线上的采样信号的幅度谱中的第n'个值。

④根据每个接收天线上的采样信号的幅度谱与除自身外的其余各个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数，计算检验统计量，记为T，

⑤比较检验统计量T与判决门限λ的大小，如果T>λ，则判定在监测信道内有授权用户信号；如果T≤λ，则判定在监测信道内没有授权用户信号，其中，P_f表示虚警概率，0≤P_f≤1，F^-1()为逆函数表示形式，F^-1(P_f)为的逆函数， $F\left(\frac{(\mathrm{\λ}-K)N}{2}\right)={\∫}_{\frac{(\mathrm{\λ}-K)N}{2}}^{+\mathrm{\∞}}f\left(z\right)dz,$ f(z)表示自由度为的卡方分布的概率密度函数，z为积分变量。

通过以下仿真以进一步说明本发明方法的可行性和有效性。

假设认知无线电系统有K＝4个接收天线，在频谱感知期间，每个接收天线对监测信道的信号进行N＝200次采样，虚警概率P_f＝0.1，频率选择性衰落信道为长度为100次采样长度的瑞利衰落信道，4个接收天线上的噪声功率都为1，当信噪比在-10分贝到15分贝变化时，分别利用本发明方法和Tugnait提出的频谱感知方法进行频谱感知，检测概率如图2所示。从图2中可以看出，本发明方法的检测概率曲线高于Tugnait提出的频谱感知方法的检测概率曲线，这充分表明了当接收天线上的噪声功率相等时，本发明方法具有比Tugnait提出的频谱感知方法更好的频谱感知性能。当4个接收天线上的噪声功率分别为0.8、1.0、1.3和0.9，而其它参数保持不变时，分别利用本发明方法和Tugnait提出的频谱感知方法进行频谱感知，检测概率如图3所示。从图3中可以看出，本发明方法的检测概率曲线高于Tugnait提出的频谱感知方法的检测概率曲线，这充分表明了当接收天线上的噪声功率不相等时，本发明方法具有比Tugnait提出的频谱感知方法更好的频谱感知性能。

Claims (1)

1.一种基于多天线系统幅度谱相关系数的频谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：

①认知无线电系统有K个接收天线，在频谱感知期间，每个接收天线对监测信道的信号进行N次采样，得到每个接收天线上的由N个采样值构成的采样信号，将第k个接收天线上的采样信号中的第n个采样值记为x_k(n)，其中，K≥2，N≥K，1≤k≤K，1≤n≤N；

②计算每个接收天线上的采样信号的幅度谱，将第k个接收天线上的采样信号的幅度谱中的第n'个值记为z_k(n')，其中，1≤n'≤N，符号“||”为取绝对值符号，e表示自然常数，j表示虚数单位；

③分别计算每个接收天线上的采样信号的幅度谱与除自身外的其余各个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数，将第u个接收天线上的采样信号的幅度谱与第v个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数记为ρ_uv， ${\mathrm{\ρ}}_{uv}=\frac{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(z_u\right(n)\×z_v\left(n\right))-\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_u\left(n\right)\×\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_v\left(n^{\′}\right)}{\sqrt{(\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(z_u\left(n^{\′}\right)\right)}^2-{\left(\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_u\left(n^{\′}\right)\right)}^2)(\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(z_v\left(n^{\′}\right)\right)}^2-{\left(\frac{1}{N}\underset{n^{\′}=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_v\left(n^{\′}\right)\right)}^2)}},$ 其中，1≤u≤K,1≤v≤K,且u≠v，z_u(n')表示第u个接收天线上的采样信号的幅度谱中的第n'个值，z_v(n')表示第v个接收天线上的采样信号的幅度谱中的第n'个值；

④根据每个接收天线上的采样信号的幅度谱与除自身外的其余各个接收天线上的采样信号的幅度谱之间的相关系数，计算检验统计量，记为T，

⑤比较检验统计量T与判决门限λ的大小，如果T>λ，则判定在监测信道内有授权用户信号；如果T≤λ，则判定在监测信道内没有授权用户信号，其中，P_f表示虚警概率，0≤P_f≤1，F^-1()为逆函数表示形式，F^-1(P_f)为 $F\left(\frac{(\mathrm{\λ}-K)N}{2}\right)$ 的逆函数，f(z)表示自由度为的卡方分布的概率密度函数，z为积分变量。