CN105429717B - 一种卫星通信感知频谱技术中的能量检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卫星通信感知频谱技术中的能量检测方法，C谱未授权的通信卫星首先根据接收天线的极化状态，获得星地通信使用的C波段下，接收信号对干扰加噪声功率比(SINR)，然后根据频谱能量检测法，次用户得到接收信号能量的决策统计数值分布，最后结合接收信号对干扰加噪声功率比的最大值，输入到接收信号的决策统计数值分布参数中，在一定时间T内和带宽B，通过决策统计数值大于事先确定的某个阈值概率，确定频谱授权用户信号是否存在。利用这种技术，次用户不仅可以提高接收到的信号对干扰和噪声的信噪比，与现有技术比，还可以提高了信号检测概率，进而改善了频谱感知的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星通信感知频谱技术中的能量检测方法，属于卫星通信技术领域。
背景技术
未来通信卫星网络和地面网络聚合在一个标准的平台上，共同提供移动性、固定性和广播服务的可能性已经成为了一个重要的研究热点，这也要求通信卫星和地面网络使用相同的频段。高速宽带和多媒体无线服务的迅速发展，导致宽带无线频谱需求增加，同时由于当前频段分割和静态分配的策略，可用的频段资源变得越来越稀少。
在这种背景下，认知无线电通信技术是一种在共存的异构无线网络里高效地使用频谱效率的技术。使用相同频段的无线网络有多种表现形式，如两种地面网络组合，两种卫星网络组合，卫星和地面的异构网络组合等。这种技术允许主用户和次用户系统共同使用相同的频段，从而不用阻碍授权给主用户系统频段的正常工作。
在卫星通信领域，固定通信卫星服务通常使用C波段和K波段；移动通信卫星服务更多使用L和S波段，原因在于可以用板上天线，更好的穿透力和更小的大气影响。地面服务(如3G、LTE、WiMax和WiFi服务)的发展对通信卫星的L和C波段造成了持续的压力。宽带服务的高需求和L、S波段频率资源的限制使用，使得固定卫星服务已经开始使用更多频率的Ku和Ka波段。因此，探索高效的频率共享技术提高频谱效率，同时保证服务质量是重要的具有挑战的研究问题。这种技术也催生了认知卫星通信的概念，用于在两种通信卫星网络系统或者卫星和地面网络系统中开发频谱共享技术。
频谱感知是认知无线通信中的重要手段，通过多种维度(时间、空间、频率和码)用来获得频段使用特征，决定哪种类型的信号占用频段，以及包括不同的特征，如调制方式、波形、带宽、载波频率等。现有的频谱感知研究主要考虑信号的幅度特征、频率特征或者相位特征，可以认为是标量信号处理过程。在可用的频谱感知技术中，能量检测技术是最常用的技术，原因在于计算和实现复杂度低。空间传播的电磁信号可以被某种极化状态所极化，一种信号的极化状态，也是一种电磁信号向量特征，是电场向量在振荡期间在空间某一点的方向。由于传统的能量检测技术只考虑到信号的幅度部分信息，排斥其正交部分的信息，电磁信号向量正交特征的这部分信息没有充分得到开发。研究信号极化状态特征方面，也就是研究信号极化域，可看作探索频谱共享的一个额外的自由度和认知卫星通信的一种传输机制。通过正交极化，2个独立信号在相同的频带上可以进行传输，使得频段使用效率翻倍，2个正交极化信号传输可认为是2个不同的数据流。从认知的角度讲，如果主用户系统被设计为以一种极化状态传输，那么次用户可被设计为以另外一种极化状态传输。此外，使用极化域可以减少干扰。
异构卫星和地面网络系统，如图1所示，系统由卫星、卫星终端和地面基站组成。在场景中，地面网络使用WiMax技术，其使用C波段并作为主系统；卫星网络使用C波段，并作为次系统。在地面WiMax系统中，把基站之间的信号回传链路作为主链路，卫星终端到卫星之间的上行链路作为次链路。这种实际场景有助于卫星操作者利用地面授权的C波段作为次要的选择。在卫星传输和地面传输中，发射和接收均使用双极化天线。由于相距距离远，地面WiMax基站对卫星的干扰可忽略，但是卫星终端对地面接收机基站的干扰是强的，需要考虑并满足地面主用户的干扰约束。
如何实现卫星与地面网络的频段共用，且克服卫星终端对地面接收机基站的干扰是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于最优极化接收机制的通信卫星感知频谱的能量检测技术，未授权的通信卫星利用这种技术，不仅可以提高接收到的信号对干扰和噪声的信噪比，还可以利用最优信噪比，通过频谱能量检测法，确定授权用户信号是否存在。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种基于最优化极化接收机制的频谱感知能量检测方法，包括下列步骤：
(1)地面基站为某波段的授权主用户，卫星为所述波段的非授权用户，为次用户，卫星、卫星用户终端、地面基站的发送和接收均采用极化天线；次用户根据接收天线的极化状态，计算次用户的信噪比SINR，其中，S为次用户接收功率，P为主用户接收功率，N0为噪声平均功率，得出SINR的最大值maxSINR；
(2)推导得出主用户信号存在时，主用户发射信号的平均检测概率关于信噪比SINR的公式；
(3)使用步骤(1)计算的maxSINR代替SINR，通过主用户发射信号的平均检测概率与第一阈值比较，确定主用户信号是否存在。
优选的，得出SINR的最大值maxSINR的具体方法为：次用户调整接收极化天线与接收的信号角度αs，使得θp＝θs+αs，其中θs为分别代表极化状态sr和ss的在极化球上的两个点的圆弧的对向角，θp为分别代表极化状态sr和sp的在极化球上的两个点的圆弧的对向角，sr为次用户接收机的极化状态，ss表示次用户发射信号的极化状态，sp表示主用户极化状态；
在所述波段干扰对噪声比INR确定情况下，利用如下公式得到信噪比SINR的最大值maxSINR；
其中，SNR为信噪比Ps/N0，Ps是次用户信号的功率，INR为干扰噪声比Pp/N0，Pp是主用户信号的功率，αs,αp分别为接收极化天线与水平极化信号的角度和发射极化天线与水平极化信号的角度。
优选的，步骤(2)中计算主用户发射信号的平均检测概率关于信噪比γ的公式如下：
其中λth为决策阈值，γ表示信噪比SINR，为平均信噪比，u为时间T秒和带宽B的乘积，u＝TB，n表示第一形式修改贝叶斯函数的阶数。
优选的，第一阈值选择90％，当时，表示主用户存在，停止卫星与卫星用户终端通讯；如果表示主用户不存在，卫星与卫星用户终端能够使用该频段通讯。
优选的，步骤(2)还包括计算，主用户没有发射信号时，次用户探测到发射信号的概率Pf，公式如下：
其中t为积分参数；
步骤(3)中通过主用户发射信号的平均检测概率与第一阈值比较的同时，还比较次用户探测到发射信号的概率Pf与第二阈值，比较方法如下：
如果Pf≥40％，则表示的可信度较低，卫星不使用该频段，停止卫星与卫星用户终端通讯；如果表示主用户存在，停止卫星与卫星用户终端通讯；如果表示主用户不存在，卫星与卫星用户终端能够使用该频段通讯。
优选的，步骤(2)中推导得出主用户信号存在时，主用户发射信号的平均检测概率关于信噪比SINR的公式的方法为，采用信号能量检测法。
优选的，所述波段为C波段、L波段或K波段。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明次用户利用最优极化接收的机制，可提高次用户的接收信号对干扰加噪声功率比SINR约为30dB；
(2)本发明次用户采用最优信噪比，进行能量检测，与现有技术比，提高了信号检测概率，进而改善了频谱感知的效率；
(3)本发明实现了卫星与地面基站通讯频率的共用，提高了频谱使用效率，频段资源有限的情况下，检测成功的概率高达90％。
附图说明
图1为异构卫星和地面网络系统结构示意图；
图2为Poincare极化球结构示意图；
图3为本发明的双极化天线下极化接收机制的能量检测方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
基于最优极化接收机制次用户感知频谱的能量检测技术，包括下列步骤：
步骤1：卫星通信采用发射接收极化天线，根据接收天线的极化状态，频谱非授权用户，即次用户卫星，获得星地通信使用的C波段下，接收信号对干扰加噪声功率比(SINR)，得出最大值。
基于认知通信技术异构的星地场景中包含主用户链路和次用户链路，主用户发射的信号和次用户发射的信号均为全极化后的信号，分别用和表达，用JONES向量，以次用户发射的信号为例，可具体表示如下：
其中Ex,Ey是互为正交信号，分别为水平极化信号和垂直极化信号。
是极化相位描述符，每个极化状态描述符对应Poincare极化球的一个点，Poincare极化球如图2所示。其中弧PH是球上点P到点H的圆弧，弧度为2αs，点H是弧PH与极化球赤道的交叉点，极化球赤道表示水平极化状态，弧PH与赤道的夹角为φs。
可用ss:(αs,φs)表示次用户发射信号的极化状态，该状态已知，主用户极化状态用sp:(αp,φp)表示，该状态未知。次用户接收机的极化状态表示为sr:(αr,φr)。
次用户接收信号的接收功率S：
其中Ps是次用户信号的功率，mp(sr,ss)(∈[0,1])为次用户接的信号与次用户接收机极化不匹配引起的功率损失，可表示为：
其中θs为分别代表极化状态sr和ss的在极化球上的两个点的圆弧的对向角。当θs＝0时，mp(sr,ss)＝1，表示次用户接收机和次用户接收的信号为共轭状态，信号极化匹配；θs＝π时，mp(sr,ss)＝0，表示次用户接收机和次用户接收的信号为正交状态，信号极化不匹配；
同样地，主用户接收到的信号的接收功率：
其中Pp是主用户信号的功率，θp为分别代表极化状态sr和sp的在极化球上的两个点的圆弧的对向角。当θp＝0时，mp(sr,sp)＝1，表示次用户接收机和主用户接收的信号为共轭状态，信号极化匹配；θp＝π时，mp(sr,ss)＝0，表示次用户接收机和主用户接收的信号为正交状态，信号极化不匹配；
次用户的信号与干扰加噪声比SINR：
其中N0是噪声功率谱密度，SNR为信噪比Ps/N0，INR为干扰噪声比Pp/N0。
为了得到最优的SINR，问题可表示为：
次用户通过调整接收天线与接收的信号角度αs，获得最大的信号对干扰加噪声功率比(SINR)。也就是当θp＝θs+αs，此时：
上面公式(8)转换，推导过程如下：
定义：
步骤2：通过信号能量检测法，得到能量检测决策统计数值Y1服从自由度为2TB的卡方分布χ2
双极化天线下极化接收机制的能量检测方法如图3所示：
通过双极化天线接收的水平和垂直极化信号，首先进入带通滤波器BPF，调整接收天线的极化状态，得到接收信号的最优信噪比，然后通过频谱能量法，得到决策统计数值的分布，通过事先规定的决策值，确定主用户信号是否存在。
sp为主用户发射信号向量；
yps为次用户在双极化天线下接收的信号向量；
发射的信号向量sp由正交的水平极化部分spH和垂直极化部分spV组成，以Jones向量表示如下：
其中i和q是同相和正交相位部分。
定义如下符号：Xt为主用户发射天线的极化状态；Xr为主用户接收天线的极化状态；Ct为次用户发射天线的极化状态；Cr为次用户接收天线的极化状态，则发射天线的极化状态向量表示为：
其中，φp∈(0,2π)，并可通过下列公式计算：
在观测时间间隔t的情况下，检测问题可归为有2种假设如下：
H0:y0(t)＝n(t) (21)
H1:y1(t)＝sp(t)+n(t)
其中，H0为假设主用户不存在，H1为假设主用户存在。n(t)为带通下高斯噪声向量信号，可以表示为：
n(t)＝ni(t)cos2πfct-nq(t)sin2πfct (22)
其中，fc为参考频率，ni(t)为信号同相部分，nq(t)为信号正交相位部分。
假设通频带宽为B，那么ni(t)和nq(t)均占B/2，在一定时间T内，噪声信号能量可以表示如下：
其中，aim和aqm分别代表1/B下的ni(t)和nq(t)的m次采样，bqm＝aqm/σi 2，σi 2＝var(aim)＝var(aqm)＝2N0B，N0是噪声功率谱密度。能量检测决策统计数值Y0表示如下：
从上面公式(24)，可得到噪声下，信号决策统计值Y0服从自由度为2TB的中心卡方分布χ2。同理经公式(23)和(24)计算可得
在主信号和噪声都存在下，决策统计值Y1服从自由度为2TB的非中心参数为2γ的卡方分布χ2。
Y0和Y1服从卡方分布χ2如下所示
其中，2u为自由度，γ为次用户接收信号信噪比。
进一步，Y0和Y1的概率密度函数如下：
其中，Γ(.)为伽马函数，In(.)为n阶第一形式修改贝叶斯函数(Modified Bessel Function of the First Kind)，其中y0表示y0(t)，其中y1表示y1(t)，
H0假设下，主用户没有发射信号时，次用户探测到发射信号的概率(误警率)Pf表示如下：
其中
H1假设下，主用户发射信号时，次用户检测概率Pd表示如下：
Qu(.,.)为广义Marcum Q函数，λth为决策阈值，为0到1之间的常数。
对小规模衰减，接收的信号服从瑞利分布，信噪比γ的指数概率密度函数表示如下：
其中，为次用户接收信号的平均信噪比。
H1假设下，主用户发射信号的平均检测概率表示如下：
设上面公式可换为：
则
步骤3：结合接收信号对干扰加噪声功率比的最大值，输入到接收信号的决策统计数值分布参数中，在一定时间T内和带宽B，通过决策统计数值大于事先确定的某个阈值概率(Pd≥90％)，即可确定授权用户(主用户)信号是否存在。
次用户接收天线极化状态Cr表示如下：
在最优极化接收状态下，能量检测决策统计数值Y1:
其中，M为采样数，为复杂共轭转置。λth为决策阈值。
次用户采用最优极化接收信号最优信噪比为maxSINR＝γ，γ即为信噪比SINR，将其带入到步骤2的决策统计数值分布参数，公式(32)中得到主用户发射信号的检测概率：
其中，u为每个T秒和带宽B的乘积，u＝TB。
如果Pf≥40％，则表示的可信度较低，卫星不使用该频段，停止卫星与卫星终端的通讯；如果表示主用户存在，停止卫星与卫星终端的通讯；如果表示主用户不存在，卫星与卫星终端的可以使用该频段通讯。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.基于最优化极化接收机制的频谱感知能量检测方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)地面基站为某波段的授权主用户，卫星为所述波段的非授权用户，为次用户，卫星、卫星用户终端、地面基站的发送和接收均采用极化天线；次用户根据接收天线的极化状态，计算次用户的信噪比SINR，其中，S为次用户接收功率，P为主用户接收功率，N0为噪声平均功率，得出SINR的最大值maxSINR；
(2)在一定时间T内和带宽B下，推导得出主用户信号存在时，主用户发射信号的平均检测概率关于信噪比SINR的公式；
(3)使用步骤(1)计算的maxSINR代替公式中的SINR，通过主用户发射信号的平均检测概率与第一阈值比较，确定主用户信号是否存在；
得出SINR的最大值maxSINR的具体方法为：次用户调整接收极化天线与接收的信号角度αs，使得θp＝θs+αs，其中θs为分别代表极化状态sr和ss的在极化球上的两个点的圆弧的对向角，θp为分别代表极化状态sr和sp的在极化球上的两个点的圆弧的对向角，sr为次用户接收机的极化状态，ss表示次用户发射信号的极化状态，sp表示主用户极化状态；
在所述波段干扰对噪声比INR确定情况下，利用如下公式得到信噪比SINR的最大值maxSINR；
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其中，SNR为信噪比Ps/N0，Ps是次用户信号的功率，INR为干扰噪声比Pp/N0，Pp是主用户信号的功率；
步骤(2)中推导得出主用户发射信号的平均检测概率关于信噪比SINR的公式如下：
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其中λth为决策阈值，γ表示信噪比SINR，为平均信噪比，u为时间T秒和带宽B的乘积，u＝TB，n表示第一形式修改贝叶斯函数的阶数。
2.根据权利要求1所述的基于最优化极化接收机制的频谱感知能量检测方法，其特征在于，第一阈值选择90％，当时，表示主用户存在，停止卫星与卫星用户终端通讯；如果表示主用户不存在，卫星与卫星用户终端能够使用所述波段通讯。
3.根据权利要求1所述的基于最优化极化接收机制的频谱感知能量检测方法，其特征在于，步骤(2)还包括计算，主用户没有发射信号时，次用户探测到发射信号的概率Pf，公式如下：
<mrow>
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</mrow>
其中t为积分参数；
步骤(3)中通过主用户发射信号的平均检测概率与第一阈值比较的同时，还比较次用户探测到发射信号的概率Pf与第二阈值，比较方法如下：
如果Pf≥40％，则表示的可信度较低，卫星不使用该波段，停止卫星与卫星用户终端通讯；如果Pf<40％,表示主用户存在，停止卫星与卫星用户终端通讯；如果Pf<40％,表示主用户不存在，卫星与卫星用户终端能够使用所述波段通讯。
4.根据权利要求1所述的基于最优化极化接收机制的频谱感知能量检测方法，其特征在于，步骤(2)中推导得出主用户信号存在时，主用户发射信号的平均检测概率关于信噪比SINR的公式的方法为，采用信号能量检测法。
5.根据权利要求1所述的基于最优化极化接收机制的频谱感知能量检测方法，其特征在于，所述波段为C波段、L波段或K波段。
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| CN102983923A (zh) * | 2012-12-05 | 2013-03-20 | 北京邮电大学 | 一种基于极化距离方差的频谱感知方法 |
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2015
- 2015-10-30 CN CN201510726961.5A patent/CN105429717B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
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