CN109889288B - 一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法，属于无线通信领域。该方法包括：S1：获得一个噪声样本集合；S2：将滑动窗口内观测到的K个时隙所对应的平均功率值组成一个观测集合，并将噪声集合与其合并为一个待处理集合，对其进行升序排序；S3：通过集合平均值迭代检测对大集合的元素进行逐个检测处理，得到PU信号占用的时隙子集；S4：利用集合映射关系得到所有PU占用时隙的时标信息；S5：得到当前观测窗口内各个时隙所对应的PU信号占用状态，SU接入授权频段进行无线传输或者保持静默等待状态；S6：滑动窗口向前滑动一个时隙，进行下一次频谱感知过程。本发明提高了SU对PU状态变化的察觉能力及响应速度。

Description

一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及认知无线电中的频谱感知(Spectrum Sensing)技术。

背景技术

随着移动通信的快速发展，用户业务对于移动网络的要求将越来越高。为了应对移动数据流量爆炸式增长、海量的设备连接及新的业务和应用场景，第五代移动通信系统(5G)应运而生。与4G相比，5G将支持更多样化的场景，融入多种无线接入方式，并充分利用从低频到高频的频谱资源，大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率。为了满足频谱的巨大需求，除了授权频段之外，共享使用频谱的方式将会是一个主要手段。其中，认知无线电(cognitive radio，CR)被认为是共享使用频谱的关键技术。

认知无线电允许次级用户(secondary user，SU)感知外部环境中授权用户或主用户(primary user，PU)使用的授权频段使用状态，并由此机会性地接入该频段。若SU感知到该授权频段未被使用，则可以在不影响PU的前提下使用该授权频段进行无线传输。认知无线电技术包括频谱感知、动态频谱管理、动态频谱接入和功率控制等，其中，频谱感知是认知无线电最基本的技术环节之一，是实现认知过程的基础。广义上来说，频谱感知仅仅限于利用目标频段的频率信息，还可以通过对时间、空间、频谱和编码等特性多维度地得到目标频段的状态信息。

从工作机制来看，目前绝大多数频谱感知算法都基于传统的LBT(Listen-before-Talk)方案，即SU一般采取固定循环方式的、间断式的检测机制。在间断式频谱感知框架下，SU系统的物理层数据帧一般分为两部分：频谱感知子帧和数据传输子帧。在感知时间段内，SU执行频谱感知动作；在接下来的数据传输时间段，SU根据频谱感知结果确定自己是否可以利用授权频谱。在大多数的频谱感知方案中，SU一般都以固定的频谱感知时间τ来实现检测数据的获取。传统LBT方案如图1所示。

传统的间断式检测机制存在以下缺陷：

(1)传统的间断式检测机制总是假设在前后两次频谱感知时间间隔内，PU的状态保持不变。然而，这个假设在实际中难以实现，原因如下：首先，为了达到预期的检测性能，在实际中检测窗口(检测时间间隔)一般设置为相对较长。相对于SU，作为异构异步系统的PU可能在任何时刻开始和停止信号发射，有可能导致频谱判决结果不准确；其次，SU不可能将频谱感知时间与PU信号达到和离开时序准确对齐。因此，实际的频谱感知性能也要低于对应的理论预期值。第三，两次频谱感知之间的时间间隔一般也不会设置得太短，否则将使得SU的检测时间开销占比过大，导致SU接入授权频段的时间过于碎片化，对授权频段的机会性接入利用效率不高。

(2)若设计较长的前后两次检测时间间隔，则会使得SU对PU活动变化的监测变得迟钝。如果PU在SU的传输窗口时间内从空闲变为收发状态，那么必然与正在工作的SU碰撞，发生干扰；而如果PU在SU的传输窗口内从发送变为空闲状态，那么之前处于等待状况下的SU也不能在该时间段内及时响应，因而丧失了频谱接入机会。即LBT机制下的SU在传输窗口内完全丧失了对PU状态变化所应具有的检测能力及响应能力。

综上，传统的LBT机制可能会导致SU与PU之间产生互干扰，并使得SU对于空白频谱机会的捕捉效率低下，导致SU接入授权频段的质量下降的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法，实现快速频谱感知，即实现最小的频谱检测时间，对PU信号状态变化快速反应。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法，具体包括以下步骤：

S1：初始化或者通过某种方式获得一个噪声样本集合，用于计算初始的噪声平均功率值；

S2：设置一个宽度为K个观测时隙的滑动窗口，将滑动窗口内观测到的K个时隙所对应的平均功率值组成一个观测集合，并将噪声集合与观测集合合并为一个整体的待处理集合，对其进行升序排序操作；

S3：通过集合平均值迭代检测对大集合的元素进行逐个检测处理，从而得到PU信号占用的时隙子集；

S4：利用集合映射关系得到滑动窗口中所有PU占用时隙的时标信息；

S5：得到当前观测窗口内各个时隙所对应的PU信号占用状态，SU接入授权频段进行无线传输或者保持静默等待状态；

S6：滑动窗口向前滑动一个时隙，在新的K个时隙范围内继续进行下一次频谱感知过程。

进一步，所述步骤S2具体包括：假设当前时刻t＝ωT，宽度为K个时隙的滑动窗口滑动到当前位置，其中T为每个时隙宽度，ω为整数；该滑动窗口包含K个时隙的频谱观测信号，根据初始条件得到K个时隙内对应的平均功率矢量y＝[y₁,y₂,…,y_K]^T，其中y_k表示第k时隙内，次级用户(secondary user，SU)接收信号的平均功率；

对接收信号的平均功率矢量y进行处理，将其所有元素组成集合

与噪声集合

合并组成一个元素个数为(L+K)的集合

对

集合中的元素进行从小到大排序，得到新集合

进一步，所述初始条件具体包括：将检测问题视为二元假设检验问题，即存在两种假设H₀和H₁：在假设H₀下，PU信号不存在，此时SU可以使用PU所在频段；在假设H₁下，PU信号存在，SU必保持静默状态；假设在目标授权频段中，SU通过滑动窗口来获取频谱观测数据，该滑动窗口每次滑动一个时隙且滑动窗口宽度固定为K个时隙；假设SU能通过某种SIC方法将目标频段上来自其它SU的同频干扰信号消除或者抑制到某一较低的水平；假设在第k时隙内，SU观测到N个数据，即：

其中，s(n)是包括了多径传输和阴影效应的PU信号成分，w(n)是包含了圆对称复合高斯噪声和可能存在的SU经过自干扰消除之后残余信号的圆对称复合高斯信号，

第k时隙内的接收信号的平均功率为：

最后，滑动窗口内所有K个时隙对应的接收信号平均功率矢量为y＝[y₁，y₂，…，y_K]^T。

进一步，初始化一个L×1的噪声功率向量ω_noise＝[w₁，w₂，…，w_L]^T，并将其所有元素组成一个元素个数为L的噪声集合所述噪声集合

SU将该噪声集合预先存储，为基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知提供初筛数据。

进一步，所述步骤S3具体包括：取集合

里的前M个元素按大小顺序组成初始子集

剩余的元素按顺序组成子集

对

中所有元素进行集合平均值计算，并将其与

中第1个元素比较大小：

其中，λ为集合平均值计算的控制调整系数；

若式(1)成立，则将

中的第一个元素放入

即令M＝M+1之后，继续执行式(1)；若式(1)不成立，则停止迭代，得到滑动窗口内PU占用时隙的个数为(M-L)，及PU信号存在的时隙集合

和PU信号不存在的时隙集合

或者M达到最大值(L+K-1)时停止迭代。

进一步，所述步骤S4具体包括：根据集合间映射关系，通过集合

得到集合

中对应元素的位置，再得到集合

中对应元素的位置，以及集合

中对应元素的位置，最后获得PU信号在当前滑动窗口中所存在的时隙位置。

进一步，所述步骤S5具体包括：根据滑动窗口中最近η个时隙对应的PU状态判决结果，利用AND/OR/Majority准则对该η个时隙的PU状态进行联合判决，得到当前时刻目标频段中的PU状态判决，并定位到最早发生PU状态变化的时隙，以便SU在下一个时隙采取频谱接入或保持静默等待状态。

本发明的有益效果在于：本发明解决了LBT机制所带来的频谱捕捉效率低下及SU与PU容易产生互干扰的问题，提高了SU对PU状态变化的察觉能力及响应速度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为传统LBT频谱感知机制示意图；

图2为本发明所述连续频谱感知与LBT频谱感知机制对比示意图；

图3为滑动窗口初始位置示意图；

图4为迭代后集合中的PU信号状态示意图；

图5为滑动窗口内PU信号状态示意图；

图6为基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知流程图。

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，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。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明提出了一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法，该方法与LBT机制将物理层数据帧分为感知时隙(或称感知窗口)和数据传输时隙(或称数据传输窗口)不同，其以较短的时间间隔连续不断地进行频谱感知，无论该时间内CR网络内是否有用户在该授权频段上进行传输，其示意图如图2所示。

如图6所示，所述的基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法实施过程包括以下三个初始条件和八个主要步骤：

初始条件1：

检测问题可视为二元假设检验问题，即存在两种假设H₀和H₁：在假设H₀下，PU信号不存在，此时SU可以使用PU所在频段；在假设H₁下，PU信号存在，SU必保持静默状态；假设在目标授权频段中，SU通过滑动窗口来获取频谱观测数据，该滑动窗口每次滑动一个时隙且滑动窗口宽度固定为K个时隙；SU能通过某种自干扰消除(Self-InterferenceCancellation，SIC)方法将目标频段上来自于其它SU的同频干扰信号消除或抑制到某一较低的水平；假设在第k时隙内，SU观测到N个数据，即：

其中，s(n)是包括了多径传输和阴影效应的PU信号成分，w(n)是包含了圆对称复合高斯噪声和可能存在的SU经过自干扰消除之后残余信号的圆对称复合高斯信号，

第k时隙内的接收信号的平均功率为：

因此，滑动窗口内所有K个时隙对应的接收信号平均功率矢量为y＝[y₁，y₂，…，y_K]^T。

初始条件2：

初始化一个L×1的噪声功率向量ω_noise＝[w₁，w₂，…，w_L]^T，并将其所有元素组成一个元素个数为L的噪声集合所述噪声集合

SU将该噪声集合预先存储，为基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知提供初筛数据。

初始条件3：

在SU获取频谱观测数据时，假设SU对于CR网络内部的通信情况具有足够的先验知识，使得SU可以将其频谱观测数据(即SU在授权频段内的接收信号)中包含的其他SU发送信号进行足够的自干扰消除，即从SU的接收信号中通过射频干扰消除或者基带干扰消除的方式抑制CR网络内部自身的干扰。

在以上初始条件的基础上，基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法以如下步骤实施：

步骤一：假设当前时刻t＝ωT，宽度为K个时隙的滑动窗口滑动到当前位置，如图3所示，其中T为每个时隙宽度，ω为整数。该滑动窗口包含K个时隙的频谱观测信号，根据初始条件得到K个时隙内对应的平均功率矢量y＝[y₁，y₂，…，y_K]^T，其中y_k表示第k时隙内，SU接收信号的平均功率。

步骤二：对接收信号的平均功率矢量y进行处理，将其所有元素组成集合

与噪声集合

合并组成一个元素个数为(L+K)的集合

对

集合中的元素进行从小到大排序，得到新集合

步骤三：取集合

里的前M个元素按大小顺序组成初始子集

剩余的元素按顺序组成子集

对

中所有元素进行集合平均值计算，并将其与

中第1个元素比较大小：

其中，λ为集合平均值计算的控制调整系数；

步骤四：若步骤三中式(1)成立，则将S₁中的第一个元素放入

即令M＝M+1之后，继续执行式(1)；若式(1)不成立，滑动窗口内PU占用时隙的个数(M-L)；或者若M达到最大值(L+K-1)，则进入步骤五；

步骤五：至此，可以得到PU信号存在的时隙集合

和PU信号不存在的时隙集合

如图4所示。

步骤六：根据集合间映射关系，通过集合

得到集合

中对应元素的位置，再得到集合

中对应元素的位置，以及集合

中对应元素的位置，最后获得PU信号在当前滑动窗口中所存在的时隙位置，如图5所示。

步骤七：根据滑动窗口中最近η个时隙对应的PU状态判决结果，利用AND/OR/Majority准则对该η个时隙的PU状态进行联合判决，得到当前时刻目标频段中的PU状态判决，并定位到最早发生PU状态变化的时隙，以便SU在下一个时隙采取频谱接入或保持静默等待状态。

步骤八：滑动窗口向前滑动一个时隙，在新的K个时隙范围内继续进行下一次频谱感知过程。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：初始化或者通过某种方式获得一个噪声样本集合，用于计算初始的噪声平均功率值；

S2：设置一个宽度为K个观测时隙的滑动窗口，将滑动窗口内观测到的K个时隙所对应的平均功率值组成一个观测集合，并将噪声集合与观测集合合并为一个整体的待处理集合，对其进行升序排序操作；具体包括：假设当前时刻t＝ωT，宽度为K个时隙的滑动窗口滑动到当前位置，其中T为每个时隙宽度，ω为整数；该滑动窗口包含K个时隙的频谱观测信号，根据初始条件得到K个时隙内对应的平均功率矢量y＝[y₁,y₂,…,y_K]^T，其中y_k表示第k时隙内，次级用户接收信号的平均功率；

对接收信号的平均功率矢量y进行处理，将其所有元素组成集合

与噪声集合

合并组成一个元素个数为(L+K)的集合

对

集合中的元素进行从小到大排序，得到新集合

S3：通过集合平均值迭代检测对大集合的元素进行逐个检测处理，从而得到主用户信号占用的时隙子集；具体包括：取集合

里的前M个元素按大小顺序组成初始子集

剩余的元素按顺序组成子集

对

中所有元素进行集合平均值计算，并将其与

中第1个元素比较大小：

其中，λ为集合平均值计算的控制调整系数；

若式(1)成立，则将

中的第一个元素放入

即令M＝M+1之后，继续执行式(1)；若式(1)不成立，则停止迭代，得到滑动窗口内主用户占用时隙的个数为(M-L)，及主用户信号存在的时隙集合

和主用户信号不存在的时隙集合

或者M达到最大值(L+K-1)时停止迭代；

S4：利用集合映射关系得到滑动窗口中所有主用户占用时隙的时标信息；

S5：得到当前观测窗口内各个时隙所对应的主用户信号占用状态，次级用户接入授权频段进行无线传输或者保持静默等待状态；

S6：滑动窗口向前滑动一个时隙，在新的K个时隙范围内继续进行下一次频谱感知过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法，其特征在于，所述初始条件具体包括：将检测问题视为二元假设检验问题，即存在两种假设H₀和H₁：在假设H₀下，主用户信号不存在，此时次级用户可以使用主用户所在频段；在假设H₁下，主用户信号存在，次级用户必保持静默状态；在目标频段上，次级用户通过滑动窗口来获取频谱观测数据，该滑动窗口每次滑动一个时隙且滑动窗口宽度固定为K个时隙；假设次级用户能通过某种自干扰消除方法将目标频段上可能来自于其它次级用户的干扰信号消除或者抑制到某一较低的水平；假设在第k时隙内，次级用户观测到N个数据，即：

其中，s(n)是包括了多径传输和阴影效应的主用户信号成分，w(n)是包含了圆对称复合高斯噪声和可能存在的次级用户经过自干扰消除之后残余信号的圆对称复合高斯信号，

第k时隙内的接收信号的平均功率为：

最后，滑动窗口内所有K个时隙对应的接收信号平均功率矢量为y＝[y₁,y₂,…,y_K]^T。

3.根据权利要求1所述的一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法，其特征在于，初始化一个L×1的噪声功率向量ω_noise＝[w₁,w₂,…,w_L]^T，并将其所有元素组成一个元素个数为L的噪声集合所述噪声集合

次级用户将该噪声集合预先存储，为基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知提供初筛数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：根据集合间映射关系，通过集合

得到集合

中对应元素的位置，再得到集合

中对应元素的位置，以及集合

中对应元素的位置，最后获得主用户信号在当前滑动窗口中所存在的时隙位置。

5.根据权利要求4所述的一种基于集合平均值迭代检测的连续频谱感知方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：根据滑动窗口中最近η个时隙对应的主用户状态判决结果，利用AND/OR/Majority准则对该η个时隙的主用户状态进行联合判决，得到当前时刻目标频段中的主用户状态判决，并定位到最早发生主用户状态变化的时隙，以便次级用户在下一个时隙采取频谱接入或保持静默等待状态。

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