CN105119668A

CN105119668A - 一种采用双重判决的迭代频谱感知方法

Info

Publication number: CN105119668A
Application number: CN201510435244.7A
Authority: CN
Inventors: 张登银; 黄伟兰; 杜星
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: CN105119668B

Abstract

本发明公开了一种采用双重判决的迭代频谱感知方法，该方法是通过将恒虚警概率准则和恒检测概率准则联合起来，组成迭代系统，进行能量检测的门限估计，使得在低信噪比时，频谱感知结果能保持较高的性能。包括：对信号进行检测，计算初始门限，进行初始判决，估计噪声功率、信号功率、信噪比的值，利用恒虚警概率准则对判决门限进行估计，当两次判决门限的差值满足迭代终止条件时，输出判决结果；若不满足，再利用恒检测概率准则对判决门限进行二次估计，再次判断是否满足迭代终止条件，若满足，输出结果；否则，再次对信号进行检测，估计噪声功率、信号功率、信噪比的值，进入下一次迭代循环。直到满足迭代终止条件，终止本次迭代，输出结果。

Description

一种采用双重判决的迭代频谱感知方法

技术领域

本发明涉及一种采用双重判决的迭代频谱感知方法，属于通信技术领域。

背景技术

随着无线通信技术地飞速发展，新的可用频谱资源将变得日益紧张，加上在频谱使用效率低下的情况下，一种新的频谱共享技术被提出，即：认知无线电。认知无线电(CognitiveRadio，简称CR)概念是由JosephMitola博士提出，其基本思想是：通过使次级用户主动的检测空白频谱，在不影响主用户正常通信的前提下，有效地接入该空白频谱进行通信，从而提高无线频谱资源的利用率。

频谱感知技术作为一种检测空白频谱的方法得到了广泛的关注。频谱感知是认知无线电的前提和基础，目前，认知无线电系统频谱检测主要有三种实现方法，即：能量检测方法、匹配滤波检测方法和循环平稳特征检测方法。能量检测方法因其具有简单、较好的适用性而得到了很好的应用。信号的能量检测方法是一种有效的信号检测方法，早在1967年，H.Urkowitz研究了未知确定信号的能量检测方法.所谓能量检测方法，是指计算信号在特定时间内的能量，与预先设定的门限值进行比较，作出判决，获得检测结果。但是能量检测方法易受噪声的影响，特别是在低信噪比下，能量检测方法的检测性能急剧下降，这使能量检测方法的使用受到了很大的限制。

在能量检测方法中，判决门限设置的高低，将会影响检测的结果，合理的设置判决门限对能量检测具有很大的价值。在能量检测门限的设计中，有多种判决准则，常用的有恒虚警概率准则(即：CFAR)、恒检测概率准则(即：CDR)和最小错判概率准则等。在恒虚警概率准则(即：CFAR)下，利用只有噪声存在时检测统计量的分布特性及期望的虚警概率值，计算所得的判决门限；在恒检测概率准则(即：CDR)下，利用主用户信号存在时检测统计量的分布特性和期望的检测概率值计算所得的判决门限。采用这两种方法进行判决门限的估计，在理论值上，满足要求，但是，在实际的频谱感知中，特别是在低信噪比条件下，检测结果往往不能达到期望的虚警概率和检测概率。

频谱感知中能量检测的性能主要是由虚警概率和检测概率两个参数来衡量，为了提高频谱感知的虚警概率，优化对有用频谱的利用率，我们需要适当的降低判决门限；但是为了不对有用信号造成干扰，减小对认知用户的影响，我们需要有效地提高判决门限；虚警概率和检测概率成为了制约频谱感知检测性能的两个重要条件，为了达到一定的检测性能，我们需要综合考虑虚警概率和检测概率，合理的设置判决门限，使感知结果不仅能有效利用空闲频谱，又能最大限度地减少对主用户的干扰。在目前的能量检测方法中，大多数是分别对虚警概率和检测概率单独来研究，而将虚警概率和检测概率联合起来研究的却很少。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于提供了一种采用二重判决的迭代频谱感知方法，该方法解决了在低信噪比的情况下，单纯采用传统的恒虚警概率准则和恒检测概率准则进行判决门限的估计，不能达到很好检测性能的问题。该方法是一种动态的感知方法，在设定一定虚警概率和检测概率的条件下，能够使得在低信噪比时频谱感知结果保持较高的性能。该方法应用在认知无线电频谱感知中，将恒虚警概率准则和恒检测概率准则联合迭代进行门限估计，适用于低信噪比环境。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明是一种二重判决的迭代方法，在设定一定的虚警概率和检测概率的条件下，频谱感知系统先利用恒虚警概率判决门限进行第一次判决，当满足迭代终止条件时，输出判决结果；当不满足迭代条件时，再利用恒检测概率准则对判决门限进行二次估计，若不满足条件，进入迭代循环估计，从而实时估计判决门限的值，使得在低信噪比条件下，频谱感知结果保持较高的性能。

方法流程：

步骤1：初始化，计算初始门限，进行初始判决；

步骤2：估计噪声功率、信号功率和信噪比的值；

步骤3：采用恒虚警概率准则(即：CFAR)对判决门限进行估计，若满足条件，输出，否则，转向步骤4；

步骤4：采用恒检测概率准则(即：CDR)对判决门限进行二重估计，若满足条件，输出；否则，对信号进行检测，返回步骤2进入下一次迭代循环。

本发明的步骤2、步骤3和步骤4组成二重判决迭代系统，包括：

初始化，计算初始门限，进行初始判决，估计噪声功率、信号功率、信噪比等参数，利用恒虚警概率准则对判决门限进行估计，判断两次门限的差值是否满足迭代收敛条件，若满足，输出结果；否则，利用恒检测概率准则对判决门限进行二重估计，再次判断两次判决门限的差值是否满足迭代终止条件，若满足，终止迭代，输出判决结果；否则，对信号进行检测，估计噪声功率、信号功率、信噪比的值，进入下一次迭代循环，直至所估计的判决门限满足迭代终止条件，停止本次迭代，输出结果。

本发明是将恒虚警概率准则和恒检测概率准则联合起来，进行门限估计，并组成一个迭代系统，实时对判决门限进行估计，使得检测结果在接近一定虚警概率时达到一定的检测概率，比单独采用恒虚警概率准则和恒检测概率准则进行门限估计所得的感知结果，其性能有较大地提高。

有益效果：

1、本发明在认知无线电中，将恒虚警概率准则和恒检测概率准则联合迭代进行门限估计，应用于频谱感知，适用于低信噪比环境。

2、本发明是一种动态的感知方法，在设定一定虚警概率和检测概率的条件下，能够使得在低信噪比时频谱感知结果保持较高的性能。

3、通过本发明提出的方法，有效地解决了低信噪比时频谱感知单独采用恒虚警概率准则和恒检测概率准则进行判决门限估计性能恶化的问题，提高了频谱感知的性能。

附图说明

图1为本发明所基于的能量检测迭代算法流程框图。

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1和2所示，本发明提供了一种采用双重判决的迭代频谱感知方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：对原始输入信号进行符合奈奎斯特速率的N点采样，对N点采样数据进行FFT变换，在时域上共进行N_t次，计算N_t次频谱值的平方和，求统计平均值，即：

步骤2：初始化，令V_th,0＝0，K＝1，并根据式设定初始判决门限，进行初始判决。由式(3)，式(4)，式(5)得到初始参量估计值，即：

步骤3：采用恒虚警概率判决门限式对判决门限进行估计，其中，

步骤4：判断两次判决门限的差值是否满足迭代停止条件|V_th,k-V_th,k-1|≤C_a·V_th,k(7)，其中C_a＝10^-3为收敛精度。如果条件成立停止迭代，则此时的V_th,k即为所得的判决门限值，当所求得的统计平均值大于判决门限时，判决为存在主用户信号存在，当所求得的统计平均值小于判决门限时，则判决为噪声，输出判决结果；若判决门限不符合迭代停止条件，转向步骤5。

步骤5：采用恒检测概率判决门限式对判决门限进行二次估计，其中再次判断两次判决门限的差值是否满足迭代终止条件|V_th,k-V_th,k-1|≤C_a·V_th,k；若满足输出结果，否则，再次对信号进行检测，分别利用式(3)、式(4)和式(5)估计噪声功率、信号功率、信噪比的值，返回到步骤(3)，进入下一次迭代。

图1为本发明所基于的能量检测算法迭代流程图，图2为本发明所采用的二重判决迭代流程图，在低信噪比条件下，本发明的频谱感知方法包括：

(1)初始化，计算初始门限，进行初始判决。

初始化，令V_th,0＝0，K＝1，并利用式设定初始判决门限，进行初始判决，当所求得的统计平均值大于判决门限时，判决为存在主用户信号存在，当所求得的统计平均值小于判决门限时，则判决为噪声。

(2)估计噪声功率、信号功率、信噪比的值

分别采用下式对噪声功率、信号功率、信噪比进行估计。

(3)将恒虚警概率准则和恒检测概率准则联合迭代进行门限估计。

利用恒虚警概率准则(即：CFAR)对判决门限进行估计，即令判决门限为式判断两次判决门限的差值是否满足迭代终止条件|V_th,k-V_th,k-1|≤C_a·V_th,k，其中C_a＝10^-3为收敛精度，若满足，则利用此估计值作为此次判决门限的值，进行判决。当统计平均值大于此门限值时，判决为主用户信号存在；若小于此门限值，则判决为噪声信号。若不满足迭代终止条件，则利用恒检测概率准则(即：CDR)判决门限式进行二重门限估计，若满足迭代条件，输出判决结果，否则对信号进行检测，估计噪声功率、信号功率、信噪比的值，进入下一次迭代。直到所得的门限值满足迭代终止条件，停止本次迭代，输出结果。

Claims

1.一种采用双重判决的迭代频谱感知方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

步骤1：初始化，计算初始门限，进行初始判决；

步骤2：估计噪声功率、信号功率和信噪比的值；

步骤3：采用恒虚警概率准则对判决门限进行估计，若满足条件，输出，否则，转向步骤4；

步骤4：采用恒检测概率准则对判决门限进行二重估计，若满足条件，输出；否则，对信号进行检测，返回步骤2进入下一次迭代循环。

2.根据权利要求1所述的一种采用双重判决的迭代频谱感知方法，其特征在于，所述方法的步骤2、步骤3和步骤4组成二重判决迭代系统，包括：初始化，计算初始门限，进行初始判决，估计噪声功率、信号功率、信噪比的参数，利用恒虚警概率准则对判决门限进行估计，判断两次门限的差值是否满足迭代收敛条件，若满足，输出结果；否则，利用恒检测概率准则对判决门限进行二重估计，再次判断两次判决门限的差值是否满足迭代终止条件，若满足，终止迭代，输出判决结果；否则，对信号进行检测，估计噪声功率、信号功率、信噪比的值，进入下一次迭代循环，直至所估计的判决门限满足迭代终止条件，停止本次迭代，输出结果。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用双重判决的迭代频谱感知方法，其特征在于，所述方法是将恒虚警概率准则和恒检测概率准则联合起来，进行门限估计，并组成一个迭代系统，实时对判决门限进行估计。

4.根据权利要求3所述的一种采用双重判决的迭代频谱感知方法，其特征在于：利用恒虚警概率准则对判决门限进行估计，即：令判决门限为式其中η＝Q^-1(P_F)，判断两次判决门限的差值是否满足迭代终止条件|V_th,k-V_th,k-1|≤C_a·V_th,k，其中C_a＝10^-3为收敛精度，若满足，则利用此估计值作为此次判决门限的值，进行判决；当统计平均值大于此门限值时，判决为主用户信号存在；若小于此门限值，则判决为噪声信号；若不满足迭代终止条件，则利用恒检测概率准则(即：CDR)判决门限式其中，η＝Q^-1(P_D)进行二重门限估计，若满足迭代条件，输出判决结果，否则对信号进行检测，估计噪声功率、信号功率、信噪比的值，进入下一次迭代，直到所得的门限值满足迭代终止条件，停止本次迭代，输出结果。

5.根据权利要求1或2所述的一种采用双重判决的迭代频谱感知方法，其特征在于，所述方法的步骤2采用下式对噪声功率、信号功率、信噪比进行估计，包括：

6.根据权利要求1所述的一种采用双重判决的迭代频谱感知方法，其特征在于，所述方法应用于频谱感知中。