CN107171750A - 一种根据信道变化速率的自适应频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，包括以下步骤：根据信道变化速率将感知周期划分成子周期；对每个所述子周期内的接收信号进行相关处理；将每个所述子周期的相关处理结果进行合并；将所述合并结果与检测阈值进行比较判断当前主用户是否在进行传输。本发明通过根据信道变化速率将感知周期划分成子周期，对每个子周期内的信号进行相关处理后再合并，并将处理结果与检测阈值进行比较，显著提高了FD的检测概率；本发明针对快速时变信道造成感知周期内的主用户统计特征失真的问题，有效地克服了快速时变信道对FD检测性能的影响。

Description

一种根据信道变化速率的自适应频谱感知方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种根据信道变化速率的自适应频谱感知方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的发展和智能终端的普及，移动用户对于数据通信的需求大幅度地增长，这给有限的频谱资源带来了巨大的压力。为了更有效地利用频谱资源，认知无线电(cognitive radio,CR)技术得到了学术界和工业界广泛关注。CR网络是由主用户和认知用户构成的。认知用户可以通过频谱感知技术识别当前没有被主用户使用的空白频段，并利用这些频谱资源进行临时的数据传输。因此，在CR网络中，认知用户的频谱感知准确度是影响其性能的主要因素。

在现有的频谱感知技术中，能量检测(energy detection，ED)和特征检测(feature detection，FD)都吸引了大量的研究力量。ED技术目前被使用得较为广泛，它通过比较接收信号的能量是否大于阈值来判断是否有主用户在传输，具有实现简单、感知速度快、无需主用户信号的先验信息等优势。但在低信噪比场景中，ED的检测性能会大大降低。不同于ED技术，FD利用了接收信号的统计特征，能够将主用户信号的特征从噪声中分离出来。因此在低信噪比环境下，FD具有更高的检测概率，并且FD能够通过不同的统计特征区分出不同的用户，这些优势使FD在未来更复杂的应用场景中具有不可替代的作用。

虽然FD技术在低信噪比环境具有更好的检测性能，但为了从接收信号中准确地识别出主用户特征，FD技术不可避免地需要使用较长的感知周期，这使得FD技术更容易受到快速时变信道的影响。由于未来网络的异构性、密集性和高速移动性将会进一步增加，无线信道的变化速率也会加快，在一个感知周期中信道状态可能会发生巨大的改变，这将使感知周期内的主用户统计特征发生失真，造成FD的检测性能下降。现有的基于FD的频谱感知方法大多假设在一个感知周期内信道状态是不变的，因此这些方案不能很好地适用于快速时变信道。如何设计一种应对快速时变信道的FD频谱感知方法成为目前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，该方法适用于各种变化速率的时变信道，克服了快速时变信道对基于特征检测的频谱感知的影响，显著提高检测概率，并且能够带来额外的分集增益，在各种变化速率的时变信道下都能获得良好的检测性能。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，包括以下步骤：S1，根据信道变化速率将感知周期划分成子周期；S2，对每个所述子周期内的接收信号进行相关处理，得到所述子周期的相关处理结果；S3，将每个所述子周期的相关处理结果进行合并，得到合并结果；S4，将所述合并结果与检测阈值进行比较判断当前主用户是否在进行传输。

于本发明的一实施方式中，所述步骤S1中根据信道变化速率将感知周期L划分成K个子周期即每个所述子周期长度均小于或等于所述信道相干时间T_c。

于本发明的一实施方式中，所述步骤S2将一个所述子周期内的接收信号r(n)与r(n)循环移位Δ后的信号r(n+Δ)进行相关操作，得到相关处理结果。

于本发明的一实施方式中，所述步骤S2中子周期k的相关处理结果计算公式为其中，L为感知周期，M为子载波总数与循环前缀长度之和，A、B表示子周期的采样点。

于本发明的一实施方式中，所述步骤S2中子周期1的起始采样点；A＝0，子周期k>1的起始采样点子周期k的最终采样点

于本发明的一实施方式中，所述步骤S3将每个子周期的相关处理结果合并相加，合并结果计算公式为

于本发明的一实施方式中，所述步骤S3将进行额外处理后的结果进行合并，合并结果计算公式为

于本发明的一实施方式中，所述为所述的加权运算函数。

于本发明的一实施方式中，所述步骤S4中判断方式为：当时，则判断当前主用户没有进行传输；当时，则判断当前主用户正在进行传输，其中，表示检测阈值。

于本发明的一实施方式中，所述自适应频谱感知方法适用于快速时变信道的特征检测。

如上所述，本发明的一种根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，具有以下有益效果：本发明根据信道变化速率将感知周期划分成子周期，对每个子周期内的信号进行相关处理后再合并，并将处理结果与检测阈值进行比较，显著提高了FD的检测概率；

进一步，本发明针对快速时变信道造成感知周期内的主用户统计特征失真的问题，将感知周期划分成子周期，分别对子周期进行处理后再将结果合并，有效地克服了快速时变信道对FD检测性能的影响；

进一步，本发明提出根据信道变化速率将感知周期划分成子周期，能够在各种变化速率的时变信道下获得良好的检测性能，应用场景广泛；

进一步，信道的变化速率越快，在一个感知周期内不同的信道状态数量就越多，划分的感知子周期的数量也越多，通过本发明提出的处理方法能够带来额外的分集增益，显著提高频谱感知的检测概率。

附图说明

图1显示为本发明根据信道变化速率自适应的频谱感知方法于现有技术的CR网络中主用户发射机结构框图。

图2显示为本发明根据信道变化速率自适应的频谱感知方法于一实施例中流程示意图。

图3显示为本发明根据信道变化速率自适应的频谱感知方法于一实施例中自适应的频谱感知方法与传统方法的检测概率比较结果示意图。

元件标号说明

S1～S4 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

考虑由主用户和认知用户构成的CR网络。请参阅图1，图1显示为主用户发射机结构框图，如图所示，假设主用户配置了两根天线，使用正交频分复用(orthogonalfrequency division multiplexing，OFDM)技术发送信号，并使用循环延时分集(cyclicdelaydiversity，CDD)技术将主用户特征Δ嵌入在发送的OFDM信号流中。图1显示为主用户的发射机结构框图，如图所示，主用户在第一根天线上发送信号s₁(n)，而在第二根天线上将s₁(n)循环移位Δ后进行发送，即第二根天线上的发送信号s₂(n)＝s₁(n)e^-j2πΔ/N，其中N表示子载波总数。认知用户接收信号可以表示为r(n)＝hs(n)+v(n)，其中h＝[h₁,h₂]是主用户的两根发射天线与认知用户的接收天线之间的信道状态，s(n)＝[s₁(n),s₂(n)]^T，v(n)表示加性高斯白噪声。

在传统的FD频谱感知方法中，认知用户为了判断当前主用户是否在传输，将一个感知周期内的接收信号r(n)与r(n)循环移位Δ后的信号r(n+Δ)进行相关操作，即

其中，L为感知周期，M为N与循环前缀长度之和。认知用户将|F|与检测阈值Γ进行比较，如果|F|＜Γ，则判断当前主用户没有进行传输，如果|F|≥Γ，则判断当前主用户正在进行传输。

在快速时变信道下，一个感知周期中的信道状态h可能会发生巨大的改变，使感知周期内的主用户统计特征发生失真。

其中，OFDM技术中为了最大限度地消除符号间干扰(ISI)，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔(Guard Interval,GI)而且该保护间隔的长度一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况下，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰(ICI)，即子载波间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径传播所造成的ICI，将原来宽度为T的OFDM符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔。将保护间隔内(持续时间用Tg表示)的信号称为循环前缀(CyclicPrefix,CP)。

本发明提供了一种根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，该方法适用于CR网络的快速时变信道的特征检测，CR网络是一种智能无线通信系统，它能感知周围环境，运用理解-构建的方法学从周围环境中获取信息，并通过实时改变诸如传输功率、载频、调制方式等传输参数来适应运行环境的变化，CR的两个最主要目标是高度可靠的通信方式以及高效的频谱利用效率。请参阅图2，图2显示为自适应频谱感知方法的流程示意图，如图所示，该方法包括以下步骤：

S1，根据信道变化速率将感知周期划分成子周期；于实施例中，将信道变化速率用信道相干时间T_c表示，基于所述信道相干时间T_c将感知周期L划分成K个子周期每个所述子周期长度均不大于所述信道相干时间T_c，且

S2，对每个所述子周期内的接收信号进行相关处理，得到所述子周期的相关处理结果；于本实施例中，所述步骤S2将一个所述子周期内的接收信号r(n)与r(n)循环移位Δ后的信号r(n+Δ)进行操作，所述子周期k的所述相关处理结果为其中，L为感知周期，M为子载波总数与循环前缀长度之和，A、B表示子周期的采样点，子周期1的起始采样点；A＝0，子周期k>1的起始采样点子周期k的最终采样点

S3，将每个所述子周期的相关处理结果进行合并，得到合并结果；于实施例中，每个子周期的处理结果合并包括但不限于将每个子周期的相关处理结果相加，或对进行额外处理后的结果进行相加，即或

S4，将所述合并结果与检测阈值进行比较判断当前主用户是否在进行传输；于实施例中，表示检测阈值，当时，则判断当前主用户没有进行传输，当时，则判断当前主用户正在进行传输。

下面对根据信道变化速率的自适应频谱感知方法的各个步骤进行具体说明。

步骤S1：根据信道相干时间将感知周期划分成子周期。

信道相干时间可以根据用户的移动速率V计算得到，假设载波频率为f_c，则多普勒频移保守信道相干时间

基于信道相干时间T_c将感知周期L划分成子周期其中每个子周期长度应小于等于信道相干时间T_c，并且假设感知周期L＝12τ，其中τ表示一个OFDM符号的时长，T_c＝4τ，则将感知周期L划分成子周期

步骤S2：对每个子周期内的接收信号进行相关处理。

分别将每一个子周期内的接收信号r(n)与r(n)循环移位Δ后的信号r(n+Δ)进行相关操作，相关操作是通过相关函数描述信号在任意两个不同时刻的取值之间的相关程度。

子周期k的相关处理结果为：其中，子周期1的起始采样点A＝0，子周期k>1的起始采样点子周期k的最终采样点r*(n+Δ)表示r(n+Δ)共轭运算。

步骤S3：将每个子周期的处理结果合并。

将每个子周期的相关处理结果相加，即也可以通过进行额外处理后的结果进行相加，即方程表示加权运算，在实际应用中，可以根据实际情况灵活地调整。

步骤S4：将合并结果与检测阈值进行比较。

假设表示检测阈值，当时，则判断当前主用户没有进行传输；当时，则判断当前主用户正在进行传输。

下面请参阅图3，图3显示为自适应的频谱感知方法与传统方法的检测概率比较结果示意图，图中给出了在虚警概率一致的情况下，自适应频谱感知方法与传统频谱感知方法(即不进行分片式处理)的检测概率结果，其中，Pd为检测概率(probability ofdetection)，SNR为信噪比(signal-to-noise ratio)，感知周期L＝10τ。从图中可看出，自适应频谱感知方法的检测概率显著高于传统的频谱感知方法；自适应频谱感知方法在各种变化速率的时变信道下都能获得良好的检测性能，并且信道的变化速率越高，检测性能越好。

从图3还可以看出，在SNR相同的条件下，传统的方法检测结果为T_C越大，Pd越大，而本实施例中的方法得到检测结果为T_C越大，Pd越小。其中，T_C越小，表示信道变化频率越块，单个观察周期内包含不同信道状态的子周期就越多。对于传统方法，由于无法有效识别、区分每个子周期，对全观察周期进行统一的信号相关计算累加，导致感知周期内的主用户统计特征发生失真，所以Pd越小；对于本实施例的方法，由于能识别并有效提取各个子周期的内容并加以合并，一方面避免了失真，另一方面获得了分集增益效应，因此Pd越大。

综上所述，本发明根据信道变化速率将感知周期划分成子周期，对每个子周期内的信号进行相关处理后再合并，并将处理结果与检测阈值进行比较，显著提高了FD的检测概率；针对快速时变信道造成感知周期内的主用户统计特征失真的问题，有效地克服了快速时变信道对FD检测性能的影响。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据信道变化速率将感知周期划分成子周期；

S2，对每个所述子周期内的接收信号进行相关处理，得到所述子周期的相关处理结果；

S3，将每个所述子周期的相关处理结果进行合并，得到合并结果；

S4，将所述合并结果与检测阈值进行比较判断当前主用户是否在进行传输。

2.根据权利要求1所述的根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，其特征在于，所述步骤S1中根据信道变化速率将感知周期L划分成K个子周期即每个所述子周期长度均小于或等于所述信道相干时间T_c。

3.根据权利要求2所述的根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，其特征在于：所述步骤S2将一个所述子周期内的接收信号r(n)与r(n)循环移位Δ后的信号r(n+Δ)进行相关操作，得到相关处理结果。

4.根据权利要求3所述的根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，其特征在于：所述步骤S2中子周期k的相关处理结果计算公式为其中，L为感知周期，M为子载波总数与循环前缀长度之和，A、B表示子周期的采样点。

5.根据权利要求4所述的根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，其特征在于，所述步骤S2中子周期1的起始采样点；A＝0，子周期k>1的起始采样点子周期k的最终采样点

6.根据权利要求4所述的根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，其特征在于，所述步骤S3将每个子周期的相关处理结果合并相加，合并结果计算公式为

7.根据权利要求4所述的根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，其特征在于，所述步骤S3将进行额外处理后的结果进行合并，合并结果计算公式为

8.根据权利要求7所述的根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，其特征在于，所述为所述的加权运算函数。

9.根据权利要求7任一所述的根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，其特征在于：所述步骤S4中判断方式为：当时，则判断当前主用户没有进行传输；当时，则判断当前主用户正在进行传输，其中，表示检测阈值。

10.根据权利要求1至9任一所述的根据信道变化速率的自适应频谱感知方法，其特征在于：所述自适应频谱感知方法适用于快速时变信道的特征检测。