CN109639342A

CN109639342A - Geo卫星通信系统上行链路的频谱感知方法及装置

Info

Publication number: CN109639342A
Application number: CN201811654225.3A
Authority: CN
Inventors: 匡麟玲; 姜春晓; 张弛; 钟远智
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2018-12-30
Filing date: 2018-12-30
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2038-12-30
Also published as: CN109639342B

Abstract

本发明提供了一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法及装置，涉及卫星通信技术领域，包括：接收待检测对象；判断待检测对象的第一角度和第二角度所共同决定的功率处于模糊区域或峰值区域，其中，第一角度表示GEO卫星与干扰NGEO卫星之间的相对位置，第二角度表示GEO卫星与感知NGEO卫星之间的相对位置；在处于模糊区域的情况下，若待检测对象中存在信号，则确定不接入待检测对象的频段；在处于峰值区域的情况下，根据待检测对象中的信号存在情况，判断是否接入待检测对象的频段，得到判断结果，解决了现有技术中存在的卫星通信系统的频谱利用率较低的技术问题。

Description

GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是涉及一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法及装置。

背景技术

卫星通信系统凭借其覆盖范围广、通信容量大、组网灵活、可靠性高、不受地理环境和距离约束等优势广泛应用于军用、公共安全和商业领域。特别是近年来，随着对宽带多媒体业务需求的急速增长，各地开始意识到卫星轨位频率资源的宝贵性和抢占先机的急迫性，纷纷加快卫星通信网络的发展。

但随着这十几年的飞速发展，GEO卫星轨位资源趋于饱和，多星共轨情况普遍。为满足全球不断增长的卫星宽带接入需求，各地开始大力发展大容量、宽带化的NGEO(Non-geostationary orbit)卫星星座。统计近七年来在ITU申报的不同频段的NGEO卫星星座网络资料数，可以估计，到2030年，在轨的NGEO卫星星座可能达到20余个，在轨的NGEO卫星数量可能达到上万颗，非静止轨道卫星与静止轨道卫星呈现共存共用的趋势。

因此，对于现有技术而言，卫星轨位的频谱资源非常稀缺，目前卫星通信系统的频谱利用率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法及装置，以解决现有技术中存在的卫星通信系统的频谱利用率较低的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法，应用于感知NGEO卫星终端设备，包括：

接收待检测对象；

判断所述待检测对象的第一角度和第二角度所共同决定的功率处于模糊区域或峰值区域，其中，所述第一角度表示GEO卫星与干扰NGEO卫星之间的相对位置，所述第二角度表示所述GEO卫星与所述感知NGEO卫星之间的相对位置；

在所述第一角度和所述第二角度处于所述模糊区域的情况下，若所述待检测对象中存在信号，则确定不接入所述待检测对象的频段；

在所述第一角度和所述第二角度处于所述峰值区域的情况下，根据所述待检测对象中的信号存在情况，判断是否接入所述待检测对象的频段，得到判断结果。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括：

根据所述干扰NGEO卫星及所述感知NGEO卫星的移动位置，将所述第一角度及所述第二角度划分为模糊区域和峰值区域；

其中，所述峰值区域包括GEO峰值区域和NGEO峰值区域。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，根据所述待检测对象中的信号存在情况，判断是否接入所述待检测对象的频段，得到判断结果，包括：

判断所述待检测对象中是否存在信号；

若所述待检测对象中不存在信号，则确定接入所述待检测对象的频段；

若所述待检测对象中存在信号，则判断所述待检测对象中是否存在GEO信号；

若所述待检测对象中不存在所述GEO信号，则确定接入所述待检测对象的频段。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，根据所述待检测对象中的信号存在情况，判断是否接入所述待检测对象的频段，得到判断结果，还包括：

若所述待检测对象中存在GEO信号，则识别所述GEO信号的发射功率，并根据所述发射功率对所述感知NGEO卫星的信号发送功率进行调整。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，判断所述待检测对象中是否存在GEO信号，包括：

基于GEO系统的频谱占用状态通过构造高斯混合模型GMM，判断所述待检测对象中是否存在GEO信号。

第二方面，本发明实施例还提供一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知装置，应用于感知NGEO卫星终端设备，包括：

接收单元，用于接收待检测对象；

判断单元，用于判断所述待检测对象的第一角度和第二角度所共同决定的功率处于模糊区域或峰值区域，其中，所述第一角度表示GEO卫星与干扰NGEO卫星之间的相对位置，所述第二角度表示所述GEO卫星与所述感知NGEO卫星之间的相对位置；

第一确定单元，用于在所述第一角度和所述第二角度处于所述模糊区域的情况下，若所述待检测对象中存在信号，则确定不接入所述待检测对象的频段；

第二确定单元，用于在所述第一角度和所述第二角度处于所述峰值区域的情况下，根据所述待检测对象中的信号存在情况，判断是否接入所述待检测对象的频段，得到判断结果。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括：

划分单元，用于根据所述干扰NGEO卫星及所述感知NGEO卫星的移动位置，将所述第一角度及所述第二角度划分为模糊区域和峰值区域；

其中，所述峰值区域包括GEO峰值区域和NGEO峰值区域。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，还包括：

其中，所述峰值区域包括GEO峰值区域和NGEO峰值区域。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第二确定单元包括：

第一判断模块，用于判断所述待检测对象中是否存在信号；

确定模块，用于若所述待检测对象中不存在信号，则确定接入所述待检测对象的频段；

第二判断模块，用于若所述待检测对象中存在信号，则判断所述待检测对象中是否存在GEO信号；

确定模块还用于若所述待检测对象中不存在所述GEO信号，则确定接入所述待检测对象的频段；

调整模块，用于若所述待检测对象中存在GEO信号，则识别所述GEO信号的发射功率，并根据所述发射功率对所述感知NGEO卫星的信号发送功率进行调整。

第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述如第一方面所述的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行如第一方面所述的方法。

本发明实施例提供的技术方案带来了以下有益效果：本发明实施例提供的GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法及装置。首先，接收待检测对象，然后，判断待检测对象的第一角度和第二角度所共同决定的功率处于模糊区域或峰值区域，其中，第一角度表示GEO卫星与干扰NGEO卫星之间的相对位置，第二角度表示GEO卫星与感知NGEO卫星之间的相对位置，在第一角度和第二角度处于模糊区域的情况下，若待检测对象中存在信号，则确定不接入待检测对象的频段，在第一角度和第二角度处于峰值区域的情况下，根据待检测对象中的信号存在情况，判断是否接入待检测对象的频段从而得到判断结果，因此，通过将上行链路场景中感知NGEO卫星接收到的信号结合GEO卫星、干扰NGEO卫星及感知NGEO卫星之间的位置关系，设计针对不同区域的频谱感知策略，在保障GEO卫星通信系统正常工作的情况下实现了频谱共享，以此使频谱利用率得到提高，从而解决了现有技术中存在的卫星通信系统的频谱利用率较低的技术问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例一所提供的GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法的流程图；

图2示出了本发明实施例所提供的GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知场景图；

图3示出了本发明实施例二所提供的GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法的流程图；

图4示出了本发明实施例所提供的上行链路感知NGEO地球站接收到的信号功率随表示卫星位置的第一角度和第二角度而变化的曲线图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种GEO峰值区域内，不同信号长度下，检测概率随SNR变化曲线的结构示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的GEO峰值区域内，不同信号长度下，虚警概率随SNR变化曲线的结构示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的GEO峰值区域内，不同信号长度下，识别概率随SNR变化曲线的结构示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的GEO峰值区域内，不同信号长度下，错误概率随SNR变化曲线的结构示意图；

图9示出了本发明实施例所提供的NGEO峰值区域内，不同信号长度下，检测概率随SNR变化曲线的结构示意图；

图10示出了本发明实施例所提供的NGEO峰值区域内，不同信号长度下，虚警概率随SNR变化曲线的结构示意图；

图11示出了本发明实施例所提供的NGEO峰值区域内，不同信号长度下，识别概率随SNR变化曲线的结构示意图；

图12示出了本发明实施例所提供的NGEO峰值区域内，不同信号长度下，错误概率随SNR变化曲线的结构示意图；

图13示出了本发明实施例三所提供的一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知装置的结构示意图；

图14示出了本发明实施例四所提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，为了解决卫星轨位频谱资源稀缺的问题，基于认知无线电的频谱感知技术应运而生。该技术可以应用于GEO与NGEO卫星通信系统中，在保障GEO卫星通信系统(主用户)正常工作的情况下，让NGEO卫星通信系统(次用户)共享其频谱，提高频谱利用率。但完成频谱共享的关键是保证NGEO系统能够感知GEO系统在共享频段中是否存在。针对上行链路而言，现有文献的研究主要集中在干扰分析、基于角度隔离的频谱共享方法以及功率自适应技术，对于频谱感知算法的研究几乎没有。并且，随着空间中的NGEO卫星星座的不断增加，当某个NGEO系统感知GEO信号时，有可能会受到其他NGEO系统的干扰。因此，感知用户(NGEO系统)不仅要从噪声中识别出GEO信号，还要有效地区分其他NGEO信号和GEO信号。目前，大多数的频谱感知算法都是基于主用户的发射功率恒定，只判断主用户是处于空闲状态还是工作状态，这是个二元假设检验问题，而在卫星通信场景中，随着卫星系统间的干扰越来越严重。因此，对于现有技术而言，卫星轨位的频谱资源非常稀缺，目前卫星通信系统的频谱利用率较低。

基于此，本发明实施例提供的一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法及装置，可以解决现有技术中存在的卫星通信系统的频谱利用率较低的技术问题。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法及装置进行详细介绍。

实施例一：

本发明实施例提供的一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法，应用于感知NGEO卫星终端设备，如图1所示，包括：

S11：接收待检测对象。

本实施例中，待检测对象包括待检测信号及待检测频段。在GEO系统会被NGEO系统干扰的区域内采用频谱感知技术，为了最大限度地保护GEO系统，在感知时间内，感知NGEO系统不发送信号。

如图2所示，上行链路，GEO地球站发送信号给GEO卫星，感知NGEO卫星检测GEO地球站信号，同时感知NGEO卫星有可能接收到来自干扰NGEO地球站的信号。同样，检测过程中，感知NGEO卫星的天线指向GEO地球站。图2中，θ₄是GEO地球站在感知NGEO卫星方向的离轴角，θ₅是感知NGEO卫星在干扰NGEO地球站方向的离轴角，θ₆是干扰NGEO地球站在感知NGEO卫星方向的离轴角，第一角度β表示GEO卫星和干扰NGEO卫星之间的地心角，第二角度γ表示GEO卫星和感知NGEO卫星间的地心角。显然，γ随着感知NGEO卫星移动而变化。

S12：判断待检测信号的第一角度和第二角度所共同决定的功率处于模糊区域或峰值区域，其中，第一角度表示GEO卫星与干扰NGEO卫星之间的相对位置，第二角度表示GEO卫星与感知NGEO卫星之间的相对位置。若处于模糊区域，则进行步骤S13；若处于峰值区域，则进行步骤S15。

需要说明的是，第一角度(即步骤S11中的β)为GEO卫星与干扰NGEO卫星之间的地心角，第二角度(即步骤S11中的γ)为GEO卫星与感知NGEO卫星之间的地心角。

S13：判断待检测信号中是否存在信号。若是，则进行步骤S14。

S14：确定不接入待检测信号的频段。

本步骤中，如果为模糊区域，则很难区分GEO和NGEO信号，因此只要存在信号，感知NGEO系统便不能使用该频段。

S15：根据待检测信号中的信号存在情况，判断是否接入待检测信号的频段，得到判断结果。

如果为GEO峰值区域和NGEO峰值区域，则根据待检测信号中的信号存在情况，例如GEO信号存在情况等，判断是否接入待检测信号的频段从而得到判断结果。

本实施例提供的GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法，可以作为一种作为基于空间角度的GEO卫星通信系统上行链路频谱感知方法，通过将上行链路场景中感知NGEO卫星接收到的信号功率特征进行多重假设检验建模，结合GEO卫星与干扰NGEO卫星、感知NGEO卫星之间的地心角，设计针对不同区域的频谱感知策略，在保障GEO卫星通信系统正常工作的情况下实现频谱共享，提高频谱利用率。

本实施例中，从空间角度方面考虑GEO和NGEO卫星通信系统在上行链路场景下的信号与干扰的建模分析，以保障在保护GEO系统通信质量的前提下，以空间角度和接收信号功率划分区域，设计针对不同区域的频谱感知策略，以尽可能地提高频谱利用率。

因此，通过从空间角度的方向考虑GEO卫星通信系统上行链路频谱感知，从分析上行链路场景下的GEO信号和干扰信号出发，利用空间角度和接收信号功率分区域进行频谱感知，为NGEO与GEO卫星通信系统在上行链路的频谱共享提出了较为完备的频谱感知策略，提高了频谱利用率。

实施例二：

本发明实施例提供的一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法，应用于感知NGEO卫星终端设备，如图3所示，包括：

S21：根据干扰NGEO卫星及感知NGEO卫星的移动位置，将第一角度及第二角度划分为模糊区域和峰值区域，其中，峰值区域包括GEO峰值区域和NGEO峰值区域。

在实际应用中，为了方便得出GEO信号模型，本方法中假设GEO地球站要么不发送信号，要么从一个预定的发射功率集合{P_ge1,P_ge2,...,P_geN}中选择发射功率为P_gei的信号，其中i＝{1,2,...,N}。不失一般性，假设0<P_gei<P_ge(i+1)。上行链路，感知NGEO卫星接收到的GEO地球站信号的表达式为：

其中，

其中，G_get(θ₄)是GEO地球站发射天线在θ₄方向的增益，G_nsr,max是感知NGEO卫星接收天线的最大增益，c为光速，f表示中心频率，d_ge→ns是GEO地球站和感知NGEO卫星之间的距离。此外，代表GEO信号不存在的假设；代表GEO系统存在并且发射功率为P_gei的假设；s_gek表示GEO地球站发送的第k个符号，服从均值为0、方差为1的循环对称复高斯分布(CSCG)；φ是信道相位；n_k是均值为0、方差为的加性高斯白噪声(AWGN)。通过干扰建模，可以推导出，θ₄和d_ge→ns是γ、和d_gn的函数，其中，表示感知NGEO卫星的高度，d_gn表示GEO卫星和干扰NGEO地球站之间的距离。在d_gn和已知的前提下，h_ge可以表示为γ的函数：

因此，x_gek同样服从CSCG分布：

从上式可以看出，x_gek的方差为感知系统接收到的GEO地球站的功率，是γ的函数，也就是说，接收到的GEO地球站的信号功率随感知NGEO卫星移动而变化。

对于干扰信号分析方面，如图2所示，在检测过程中，感知NGEO卫星可能会接收到干扰NGEO地球站信号。假定干扰地球站要么不发送信号，要么从一个预先设定的发射功率集合{P_ne1,P_ne2,...,P_neM}中选择发射功率为P_nej的信号，其中，j＝1,2,...,M。仍然假设0<P_nej<P_ne(j+1)。感知NGEO卫星接收到干扰NGEO地球站的信号可表示为：

其中，

需要说明的是，G_net(θ₆)是干扰NGEO地球站发射天线在θ₆方向上的增益，G_nsr(θ₅)是感知NGEO卫星接收天线在θ₅方向上的增益，并且，d_ne→ns是干扰NGEO地球站和感知NGEO卫星之间的距离。h_ngeo和d_gn可以事先知道或者通过计算获得，最终通过几何关系可以推导出θ₅和d_ne→ns是γ的函数，θ₆是β和γ的函数。因此，h_ne可以表示为β和γ的函数：

其中，表示干扰NGEO系统不存在的假设；表示干扰NGEO系统存在并且使用的发射功率为P_nej的假设；s_gek表示GEO地球站发送的第k个符号，服从均值为0、方差为1的CSCG分布；n_k是均值为0、方差为的加性高斯白噪声。因此，x_nek同样服从CSCG分布，并且可以表示为：

x_nek的方差随着角度β和γ变化。这也就意味着，接收到的干扰NGEO地球站的信号功率与感知NGEO卫星以及干扰NGEO卫星的位置相关。

同时给定以下假设，以便后续制定感知策略：

i.由于发射功率集合是预先设定的，可以通过ITU数据库或者历史信息获得，因此可以假设感知NGEO系统预先知道GEO系统和干扰NGEO系统的发射功率集合。

ii.表示GEO系统的频谱状态为的先验概率，其中，i＝0,1,2,...,N；表示干扰NGEO系统频谱状态为的先验概率，其中，j＝0,1,2,...,M。假设这些先验信息对于感知NGEO系统而言是已知的，可以从GEO系统和干扰NGEO系统的历史发送信息的统计变量中估计出来。

iii.GEO和NGEO系统地球站以及卫星的天线类型服从ITU-R建议书。NGEO卫星的位置可以通过电子篱笆系统获得，因此可以获取角度β和γ的实时值。

此外，对于角度区域划分方面，根据上述角度β(即第一角度)和γ(即第二角度)的值，分为三种情况讨论：模糊区域、GEO峰值区域以及NGEO峰值区域。

由前面的分析可知，接收到的GEO卫星信号是角度γ的函数，接收到的NGEO卫星信号是角度β和γ的函数，如图4所示，上行链路感知NGEO地球站接收到的信号功率随表示卫星位置的第一角度和第二角度而变化的曲线。为方便描述，根据角度β和γ的变化，通过划分得到以下区域：

i.GEO峰值区域，是指在该区域内，接收到的干扰NGEO信号功率远远小于接收到的GEO信号功率；

ii.NGEO峰值区域，是指在该区域内，接收到的GEO信号功率远远小于接收到的干扰NGEO信号功率；

iii.模糊区域，是指在该区域内，接收到的干扰NGEO信号功率与接收到的GEO信号功率接近。

以上区域的划分受GEO信号和干扰NGEO信号功率影响，由于假设感知NGEO系统已知GEO信号和干扰NGEO信号功率集合，这些区域所对应的β和γ的范围可以预先计算出来。当然，不同的GEO信号功率和NGEO信号功率相组合得出的GEO峰值区域和NGEO峰值的区域范围可能不同，我们求其交集，其余部分划分到模糊区域内。

S22：接收待检测信号。

本实施例中，正式进行的上行链路频谱感知策略包括以下步骤S23至步骤S29。

S23：判断待检测信号的第一角度和第二角度所共同决定的功率处于模糊区域或峰值区域，其中，第一角度表示GEO卫星与干扰NGEO卫星之间的相对位置，第二角度表示GEO卫星与感知NGEO卫星之间的相对位置。若处于模糊区域，则进行步骤S24；若处于峰值区域，则进行步骤S26。

在实际应用中，第一角度(即步骤S21中的β)为GEO卫星与干扰NGEO卫星之间的地心角，第二角度(即步骤S21中的γ)为GEO卫星与感知NGEO卫星之间的地心角。

S24：判断待检测信号中是否存在信号。若是，则进行步骤S25。

S25：确定不接入该频段。

如果最终感知NGEO系统接收到的信号(即待检测信号)被划分为模糊区域，则很难区分GEO和NGEO信号，因此只要存在信号，感知NGEO系统便不能使用该频段。

S26：判断待检测信号中是否存在信号。若否，则进行步骤S28；若是，则进行步骤S27。

如果待检测信号为GEO峰值区域和NGEO峰值区域，则判断待检测信号中是否存在信号，也就是区分信号和噪声。

具体的，将感知NGEO系统接收到的所有信号功率P_all与噪声功率N比较，如果则信号存在；反之则不存在。其中，C_th为门限值。本实施例中，如果待检测频段中不存在信号，则感知NGEO系统可以使用该待检测信号的频段。

S27：判断待检测信号中是否存在GEO信号。若是，则进行步骤S29；若否，则判断NGEO信号的干扰程度是否大于或等于预设值，若否，则进行步骤S28。

基于GEO系统的频谱占用状态通过构造高斯混合模型GMM，判断待检测信号中是否存在GEO信号。

本步骤中，判断GEO系统是否在占用频谱，即判断GEO信号是否存在。

具体的，假设感知NGEO系统在检测时间内，接收到L个采样信号：x＝[x₁,x₂,...,x_L]。定义表示GEO信号存在的假设，表示GEO信号不存在的假设，即干扰NGEO信号存在或者只有噪声存在，其中，表示只有噪声存在。这是假设检验问题，采用后验概率比较两种假设，并利用贝叶斯公式展开，可得：

上式直接求解相当复杂，分子分母同时构造高斯混合模型(GMM)。为方便表述，令这样，式(9)可以转换为：

令可以看出，f(x)和g(x)均为GMM。因此，可推导出f(x)的均值E[f(x)]和方差D[f(x)]的表达式如下：

同样，g(x)的均值E[g(x)]和方差D[g(x)]的表达式为：

那么，f(x)和g(x)的分布可以表示为：

将式(13)和式(14)代入(10)，化简可得：

其中，可以看出，A和B分别是f(x)和g(x)的方差D[f(x)]和D[g(x)]。

令即为接收到的信号能量，我们用ν(y)替代ν(x)，可得：

显然，判决准则与值A、B、T和Z有关，下面具体分情况讨论。

当A≥B时：

i.如果ZB^L≥TA^L，由于y>0，那么，总存在：ν(y)≥1。此时，GEO信号存在。

ii.如果ZB^L<TA^L，本章采用最大后验概率准则(MAP)求解检测门限，也就是令ν(y)＝1。由式(16)可以看出，当A≥B，ν(y)是y的严格增函数。注意到，当ZB^L<TA^L时，ν(0)<1，那么，有且只有一个y(y>0)满足ν(y)＝1。通过推导，检测门限值En_th可以表示为：

判决准则为：

当A<B时：

i.如果ZB^L<TA^L，显然，无论y(y>0)取何值，ν(y)<1。此时，GEO信号不存在。

ii.如果ZB^L≥TA^L，同样采用MAP准则求解检测门限En_th，其表达式同式(17)。当A<B，ν(y)是y的减函数，并且，当ZB^L>TA^L时，ν(0)>1，那么，有且仅有一个y(y>0)满足ν(y)＝1。

判决准则为：

综上，在上行链路中，判断GEO信号是否存在的判决准则总结如下：

S28：确定接入该频段。

如果待检测信号中不存在GEO信号，则感知NGEO系统可以使用该待检测信号的频段，即确定可以接入待检测信号的频段。

S29：识别GEO信号的发射功率，并根据发射功率相应的调整发射策略。

如果待检测信号中存在GEO信号，进一步识别所使用的发射功率。以下步骤为发射功率的具体识别过程：

利用多种假设检测问题(multiple hypotheses testing)，比较每组假设

其中，表示已经检测出GEO信号存在的前提。可以证明该式等价于：

也就是找出最大的所对应的p值，即：

GEO信号的分布如式(4)所示，定义ε(x)：

显然，ε(x)是由接收到的信号能量决定。为了方便表述，将ε(x)替换为ε(y)。如果P_gep>P_geq，那么，ε(y)是y的增函数，反之亦然。令ε(y)＝1，得到检测门限

值得注意的是，识别GEO信号具体发射功率的前提是GEO信号存在。那么，y的值必然满足式(20)，结合式(20)和式(25)，通过推导可得到，假设成立的判决区域的具体解析式为：

如果A≥B，

如果A<B，

因此，感知NGEO系统便能够通过功率控制技术，根据不同的信道状态、相邻卫星角度间隔、地球站分布情况、用户服务质量要求等等，对发射功率进行调整。当卫星系统使用多个发射功率等级时，如果NGEO系统能够在感知GEO系统频谱占用状态的同时，识别出所使用的发射功率，NGEO系统就可以根据GEO系统的功率调整自身的发射功率，当GEO系统存在时采用underlay频谱接入模式，这样可以获得更高的系统吞吐量。

本实施例提供的方法实现了将多功率的GEO信号检测应用于实际卫星通信系统中，具体的，本实施例提供的方法考虑以空间角度对GEO和NGEO共存的系统进行划分，同时采用混合高斯模型等方法简化检测过程，提供行之有效的频谱共享策略。

再者，通过构造高斯混合模型将求解过程简化，采用最大后验准则将假设检验问题转换为能量检测，从而能够推导出所有的检测门限以及判决区域的解析表达式。

为便于性能分析和比较，以下给出算法感知GEO信号状态有无的检测概率P_d和虚警概率P_f的表达式为：

引入识别概率P_rec和错误概率P_err来描述算法识别GEO系统发射功率的性能，具体表达式分别为：

本实施例以感知NGEO卫星和干扰NGEO卫星系统分别参照O3b和One Web卫星系统为仿真例进行说明：

假设GEO地球站有三个可用发射功率等级：P_gs1＝6dBW，P_gs2＝12dBW和P_gs3＝17dBW。相对应的先验概率分别为：和其中表示GEO地球站不工作的概率。此外，假设干扰NGEO地球站的非零发射功率有：P_ns1＝5dBW，P_ns2＝10dBW和P_ns3＝15dBW，其对应的先验概率为：和其中表示NGEO地球站不发射信号的概率。在本场景下，可计算出GEO卫星被感知NGEO地球站干扰的区域为γ∈[-2°,2°]，因此频谱感知技术应用在这个区域。GEO峰值区域所对应的γ和β值为：γ∈[-2°,0.625°]和β∈[-2°,-0.275°]，NGEO峰值区域所对应的γ和β值为：γ∈[1.25°,1.75°]以及β∈[0.25°,1°]，其余为模糊区域。

首先分析频谱感知算法在GEO峰值区域的性能。不同信号长度下，感知GEO频谱占用状态的检测概率和虚警概率随信噪比变化曲线分别如图5和图6所示。从图中可以看出，当信号长度达到7000时检测性能较好，SNR＝-10dB时检测概率超过90％，虚警概率接近0.5％。如图7和图8所示，识别GEO信号发射功率对信噪比要求更高，信号长度为7000时，当SNR达到-7dB时，识别概率高于率90％，错误概率接近1％。如果需要在更低的信噪比下识别出信号及其发射功率，则需要更长的采样时间。

在NGEO峰值区域，感知GEO信号频谱占用状态的检测概率和虚警概率如图9和图10所示，频谱感知算法在低信噪比下性能良好。图11和图12描述了区别GEO信号功率的识别概率和错误概率曲线，信号长度为7000，识别概率超过90％时所需SNR为-9dB时；错误概率低于1％所需SNR为-6dB。

对比GEO峰值区域和NGEO峰值区域的仿真结果，显然NGEO峰值区域的检测性能更好。由前面的分析可知，上行链路，算法的性能与感知NGEO卫星和干扰NGEO卫星的位置有关，位置不同其性能有差异。在实际检测中，当β和γ的值对应NGEO峰值区域时，信号的采样时间可以较短，为感知NGEO系统争取更长的传输时间；当β和γ的值对应GEO峰值区域时，为保证算法的检测性能，感知NGEO系统的检测时间要相应增加。

实施例三：

本发明实施例提供的一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知装置，应用于感知NGEO卫星终端设备，如图13所示，GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知装置3包括：接收单元31、判断单元32、第一确定单元33以及第二确定单元34。

对于接收单元，用于接收待检测对象；判断单元用于判断待检测对象的第一角度和第二角度所共同决定的功率处于模糊区域或峰值区域，其中，第一角度表示GEO卫星与干扰NGEO卫星之间的相对位置，第二角度表示GEO卫星与感知NGEO卫星之间的相对位置。

作为一个优选方案，第一确定单元用于在第一角度和第二角度处于模糊区域的情况下，若待检测对象中存在信号，则确定不接入待检测对象的频段。第二确定单元用于在第一角度和第二角度处于峰值区域的情况下，根据待检测对象中的信号存在情况，判断是否接入待检测对象的频段，得到判断结果。

作为本实施例的优选实施方式，GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知装置还包括：划分单元，用于根据干扰NGEO卫星及感知NGEO卫星的移动位置，将第一角度及第二角度划分为模糊区域和峰值区域。其中，峰值区域包括GEO峰值区域和NGEO峰值区域。

进一步的是，第二确定单元包括：第一判断模块、确定模块、调整模块以及第二判断模块。其中，第一判断模块用于判断待检测对象中是否存在信号。确定模块用于若待检测频段中不存在信号，则确定接入待检测对象的频段。第二判断模块用于若待检测对象中存在信号，则判断待检测对象中是否存在GEO信号。确定模块还用于若待检测对象中不存在GEO信号，则确定接入待检测对象的频段。调整模块用于若待检测对象中存在GEO信号，则识别GEO信号的发射功率，并根据发射功率对感知NGEO卫星的信号发送功率进行调整。

本发明实施例提供的GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知装置，与上述实施例提供的GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法及具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

实施例四：

本发明实施例提供的一种电子设备，如图14所示，电子设备4包括存储器41、处理器42，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例一或实施例二提供的方法的步骤。

参见图14，电子设备还包括：总线43和通信接口44，处理器42、通信接口44和存储器41通过总线43连接；处理器42用于执行存储器41中存储的可执行模块，例如计算机程序。

其中，存储器41可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口44(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。

总线43可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图14中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器41用于存储程序，所述处理器42在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器42中，或者由处理器42实现。

处理器42可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器42中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器42可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器41，处理器42读取存储器41中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知方法，应用于感知NGEO卫星终端设备，其特征在于，包括：

接收待检测对象；

在处于所述模糊区域的情况下，若所述待检测对象中存在信号，则确定不接入所述待检测对象的频段；

在处于所述峰值区域的情况下，根据所述待检测对象中的信号存在情况，判断是否接入所述待检测对象的频段，得到判断结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

其中，所述峰值区域包括GEO峰值区域和NGEO峰值区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述待检测对象中的信号存在情况，判断是否接入所述待检测对象的频段，得到判断结果，包括：

判断所述待检测对象中是否存在信号；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述待检测对象中的信号存在情况，判断是否接入所述待检测对象的频段，得到判断结果，还包括：

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，判断所述待检测对象中是否存在GEO信号，包括：

6.一种GEO卫星通信系统上行链路的频谱感知装置，应用于感知NGEO卫星终端设备，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收待检测对象；

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

其中，所述峰值区域包括GEO峰值区域和NGEO峰值区域。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二确定单元包括：

第一判断模块，用于判断所述待检测对象中是否存在信号；

9.一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至5任一项所述的方法的步骤。

10.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行所述权利要求1至5任一所述方法。