CN106330364A - 一种基于秩和检验的d2d通信频谱共享方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法和装置，包括采样器、数值计算器和判决器，其中采样器用于对信号进行采样，并将采样点数值传输给数值计算器，数值计算器根据采样点信号计算检验统计量，将结果传输给判决器，判决器将收到的检验统计量与门限对比，确定频谱是否被占用。由于本发明计算检验统计量和理论判决门限时不需要预知主用户和噪声的先验信息，因此实现了频谱盲检测。对比传统的方法，本发明可以在信号相关性低的环境下工作，且结果不受噪声不确定度影响。另外，本发明当采样点数发生变化时不需要重新计算判决门限便可以达到恒虚警概率的要求，克服了已有算法需要重复计算门限的缺陷，降低了运算量。

Description

一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法和装置

技术领域

本发明涉及D2D通信领域，具体涉及一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法和装置。

背景技术

由于多媒体业务需求的急剧增长，频谱资源短缺成为移动通信面临的挑战。在传统蜂窝网络中，不允许用户之间直接通信。通信过程由基站转接分为2个阶段:发射机到基站，即上行链路；基站到接收机，即下行链路。这种集中式工作方式便于对资源和干扰的管理与控制，但资源利用效率低。为了提高频谱利用效率，2008年高通公司首次提出D2D通信技术。D2D通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端用户通过共享小区资源进行直接通信的新技术，参见图1。

D2D通信网络中的用户分为两类：1)传统蜂窝用户：他们通过基站进行通信；2)D2D用户：他们可以通过基站进行蜂窝通信，也可以不通过基站直接通信，并且能够实现2种通信模式的切换。如附图1所示，在使用D2D通信中的专用模式时，D2D用户检索蜂窝通信剩余的资源(频谱)，当存在空闲的频谱时，D2D用户占用一部分独立资源进行端到端的直接通信。由于各部分资源相互正交，D2D通信与蜂窝通信之间不会产生干扰。可见，频谱共享的前提条件和首要任务是检测空闲频谱。

现有的频谱检测方法主要有能量检测法、协方差检测法等。能量检测法需要知道噪声功率，当不知道噪声功率时，能量检测法的性能会严重下降。协方差检测法能够利用不同D2D用户接收信号之间的相关性来实现频谱检测，但是在实际应用中，接收信号之间的相关性较低甚至不相关，此时该频谱检测性能较差。

发明内容

本发明的目的是提供通过频谱检索，实现D2D通信频谱共享，可以在信号相关性低的环境下工作，且检测结果不受噪声不确定度影响。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案是：包括如下步骤：

S1：通过采样器对M个D2D用户N个时刻的接收信号进行采样，得到采样点数值，并将采样点数值传输给数值计算器；

S2：通过数值计算器处理采样点数值得到瞬时功率向量；

S3：计算秩R和统计量T，并利用秩R和统计量T的计算结果，与每个D2D用户接收信号的功率进行比较；

S4：通过设定的虚警概率P_f，计算判决门限η；

S5：根据上述门限进行判决，判断所检测频谱是否被占用，以决定是否允许D2D用户利用该频谱进行端到端的直接通信。

D2D频谱共享的关键是检索空闲频谱，本发明将该问题表述为如下二元假设检验问题：

$x_m\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{w}_m\left(n\right),& H_0\\ h_m{s}_m\left(n\right)+w_m\left(n\right),& H_1\end{array}\right.,n=1,2,...,N$

其中，x_m(n)表示第m(m＝1,…,M)个D2D用户在第n点采样所得的信号，w_m(n)表示均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声，h_m表示第m个D2D用户接收信道的信道增益，假设信道是一个瑞利慢衰落s_m(n)。H₀表示频谱空闲，H₁表示频谱被占用。

更进一步，根据接收信号采样值判断频谱是否被占用的具体步骤如下：

1：采样器对接收信号x(t)进行采样，得到采样点数值x_m(n)(m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N)，其中，x_m(n)表示第m个D2D用户第n时刻接收到信号的采样点数值；

2：重构采样点数值，得到接收信号向量X：

X＝[x₁(1) x₁(2) … x₁(N) … x_M(1) x_M(2) … x_M(N)]

计算接收信号瞬时功率向量：

P＝X*X＝[p₁(1) p₁(2) … p₁(N) … p_M(1) p_M(2) … p_M(N)]

3：通过排序将瞬时功率向量转化为秩的信息：

R＝[r₁(1) r₁(2) … r₁(N) … r_M(1) r_M(2) … r_M(N)]

其中，R中的元素的取值范围为1到MN之间的整数。例如若P中有p₁(1)<p1(2)<p1(3)<…，则秩向量R中的元素分别为r₁(1)＝1，r₁(2)＝2，r₁(3)＝3，…；

4：计算检验统计量，记为T，

$T=\frac{12}{{\mathrm{MN}}^2(MN+1)}\underset{m=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{r}_m^2-3(MN+1);$

由于H₀时(即频谱空闲时)T服从自由度为M-1的卡方分布，结合给定的虚警概率P_f计算判决门限η，η＝F^-1(1-P_f)；且0≤P_f≤1，F(·)表示自由度为M-1的卡方分布的累积分布函数；

5：判决器根据如下准则进行判决：当T>η时，判决频谱被占用，禁止D2D用户利用该频谱进行端到端的直接通信；当T≤η时，判决频谱空闲，允许D2D用户利用该频谱进行端到端的直接通信。

同时，本发明还提供了一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享装置，包括采样器、数值计算器和判决器，采样器用于对接收信号x(t)进行采样，并将采样点数值x_m(n)传输给数值计算器，数值计算器用于对采样点数值x_m(n)进行计算，得到瞬时功率向量P、秩R和统计量T，并根据设定的虚警概率P_f，计算判决门限η，并将计算结果传输给判决器，判决器用于接收数值计算器的计算结果并根据判决门限进行判决，决定是否允许D2D用户利用该频谱进行端到端的直接通信。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)由于本发明计算检验统计量和理论判决门限时，不需要预知主用户和噪声的先验信息，因此实现了频谱盲检测；

(2)本发明检验统计量与噪声方差无关，因而不受噪声不确定度影响，相比于能量检测法，提高了检测鲁棒性，即因为本发明不受噪声的影响，提高了精确度和稳健性；

(3)由于本发明比较的只是不同D2D用户的功率，相比于协方差检测法，本发明对相关性没有要求，因此该本发明可以用于D2D用户信号相关性低的场景；

(4)本发明当采样点数发生变化时不需要重新计算判决门限便可以达到恒虚警概率的要求，克服了现有技术需要重复计算门限的缺陷，降低了运算量。

附图说明

图1是D2D通信的布置图；

图2是本发明检测方法的流程示意图；

图3是本发明检测装置的结构示意图；

图4是本发明方法与协方差检测法在不同相关性相比的性能曲线对比图，场景：信道为高斯白噪声信道，M＝4，N＝400，虚警概率P_f为0.1；

图5是本发明方法与能量检测法在不同噪声不确定度相比的性能曲线对比图，场景：信道为高斯白噪声信道，M＝4，N＝400，虚警概率P_f为0.1；

图6是本发明方法与已有方法(能量检测法、协方差检测法)相比的性能曲线对比图，场景：信道为高斯白噪声信道，M＝4，N＝400，相关系数为0.3，噪声不确定度为2dB，信噪比为-6dB。

具体实施方式

下面结合附图表和具体实施方式对本发明做进一步说明。

为使本发明更加直观，结合附图2、附图3及实施例作进一步说明，本实施例的基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法，具体实施步骤表述如下：

1：通过采样器对接收信号进行采样，采样器对接收信号x(t)进行采样，得到采样点数值x_m(n)(m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N)，m为D2D用户序号，n为采样时刻；

2：数值计数器收集全部的采样点数值，并计算接收信号瞬时功率向量

P＝[p₁(1) p₁(2) … p₁(N) … p_M(1) p_M(2) … p_M(N)]；

计算接收信号瞬时功率向量向量P：

P＝X*X＝[p₁(1) p₁(2) … p₁(N) … p_M(1) p_M(2) … p_M(N)]

3：数值计算器通过排序得到秩向量：

R＝[r₁(1) r₁(2) … r₁(N) … r_M(1) r_M(2) … r_M(N)]

其中，R中的元素的取值范围为1到MN之间的整数。

4：计算判决门限η：

η＝F^-1(1-P_f)

其中，F(·)表示自由度为M-1的卡方分布的累积分布函数，P_f为虚警概率，且0≤P_f≤1；

5：判决器进行判决的准则为：若T>η，则判决频谱被占用，不允许D2D用户利用该频段进行端到端的直接通信；当T≤η时，判决频谱空闲，允许D2D用户利用该频段进行端到端的直接通信。

本实施例的基于秩和检验的D2D通信频谱共享装置，包括采样器、数值计算器和判决器，采样器用于对接收信号进行采样，并将采样点数值传输给数值计算器，数值计算器用于对采样点数值进行计算，并将计算结果传输给判决器，判决器用于接收数值计算器的计算结果并根据判决门限η进行判决，根据判决结果，决定是否允许D2D用户利用该频谱进行端到端的直接通信。

参见图4，场景：信道为高斯白噪声信道，M＝4，N＝400，虚警概率P_f为0.1；由图中性能曲线可知，当天线之间的相关性变低时，协方差检测法的性能明显下降，但本发明方法性能与D2D用户相关系数无关，仍然能保持较好的检测性能。

参见图5，场景：信道为高斯白噪声信道，M＝4，N＝400，虚警概率P_f为0.1；由图中性能曲线可知，能量检测法受噪声不确定度影响，当不确定度增加时，能量检测法的性能会大大下降。本发明算法由于不需要噪声功率的先验知识，因此对噪声不确定性稳健。

参见图6，场景：信道为高斯白噪声信道，M＝4，N＝400，相关系数为0.3，噪声不确定度为2dB，信噪比为-6dB；为了充分验证本发明算法的有效性，图6在实际的D2D检测场景中通过ROC性能曲线对比了本发明算法与协方差检测法和能量检测法的性能。由图可以看出，本发明克服了协方差检测法和能量检测法的缺陷，具有更好的检测性能。

Claims (8)

1.一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：通过采样器对M个D2D用户N个时刻的接收信号进行采样，得到采样点数值，并将采样点数值传输给数值计算器；

S2：通过数值计算器处理采样点数值得到瞬时功率向量P；

S3：计算秩R和统计量T，并利用秩R和统计量T的计算结果，与每个D2D用户接收信号的功率进行比较；

S4：通过设定的虚警概率P_f，计算判决门限η；

S5：根据上述门限进行判决，判断所检测频谱是否被占用，以决定是否允许D2D用户利用该频谱进行端到端的直接通信。

2.如权利要求1所述的一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：采样器对接收信号x(t)进行采样，得到采样点数值x_m(n)(m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N)，其中，x_m(n)表示第m个D2D用户第n时刻接收到信号的采样点数值。

3.如权利要求1或2所述的一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：重构采样点数值，得到接收信号向量X：

X＝[x₁(1) x₁(2) … x₁(N) … x_M(1) x_M(2) … x_M(N)]

计算接收信号瞬时功率向量向量P：

P＝X*X＝[p₁(1) p₁(2) … p₁(N) … p_M(1) p_M(2) … p_M(N)]

4.如权利要求3所述的一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法，其特征在于：所述步骤S3中秩R的计算方法具体为：通过排序将瞬时功率向量P转化为秩R的信息：

R＝[r₁(1) r₁(2) … r₁(N) … r_M(1) r_M(2) … r_M(N)]

其中，R中的元素的取值范围为1到MN之间的整数。

5.如权利要求4所述的一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法，其特征在于：所述步骤S3中统计量的计算方法为：记统计量为T，

$T=\frac{12}{{\mathrm{MN}}^2(MN+1)}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_m^2-3(MN+1)$

当所检测频谱未被占用时，T服从自由度为M-1的卡方分布。

6.如权利要求5所述的一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法，其特征在于：所述步骤S4中门限η的确定方法为:

η＝F^-1(1-P_f)；

上式中：η为判决门限，P_f为设定的虚警概率，且0≤P_f≤1，F(·)表示自由度为M-1的卡方分布的累积分布函数。

7.如权利要求6所述的一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享方法，其特征在于：所述步骤S5中判决所检测频谱是否被占用的判决准则为：

当T>η时，判决频谱被占用，不允许D2D用户利用该频谱进行端到端的直接通信；当T≤η时，判决频谱空闲，允许D2D用户利用该频谱进行端到端的直接通信。

8.一种基于秩和检验的D2D通信频谱共享装置，其特征在于：包括采样器、数值计算器和判决器，所述采样器用于对M个D2D用户N个时刻的接收信号进行采样，得到采样点数值，并将采样点数值传输给数值计算器；所述数值计算器用于对采样点数值进行计算，得到瞬时功率向量P、秩R和统计量T，并根据设定的虚警概率P_f，计算判决门限η，并将计算结果传输给所述判决器；所述判决器用于接收数值计算器的计算结果，并根据判决门限进行判决，判断所检测频谱是否被占用，并决定是否允许D2D用户利用该频谱进行端到端的直接通信。