CN110138478B - 一种用于非圆信号的多天线频谱感知方法 - Google Patents

一种用于非圆信号的多天线频谱感知方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于认知无线电技术领域，涉及一种非圆信号的多天线频谱感知方法。针对现有的多天线频谱感知方法不能充分利用非圆信号的二阶统计特性问题，提出一种适用于非圆信号的多天线频谱感知方法，具体为非圆的局部平均方差方法(noncircular local average variance，NC‑LAV)，仿真结果表明本发明方法能显著提高检测概率。

Description

一种用于非圆信号的多天线频谱感知方法
技术领域
本发明属于认知无线电技术领域，涉及一种非圆信号的多天线频谱感知方法。
背景技术
认知无线电(Cognitive Radio,CR)技术允许未授权次用户(secondary users,SU)使用授权主用户(primary users,PU)的空闲频谱资源，能有效解决目前频谱利用率低的问题。而频谱感知是实现认知无线电技术的前提，其主要思想是在不干扰主用户正常通信前提下，检测可利用的授权用户频谱空洞信息。传统的频谱感知方法大多数是在主用户信号为圆情况下设计的，仅利用了圆信号的标准统计协方差信息，如方差绝对值(covariance absolute value,CAV)、标度最大特征值(scaled largest eigenvalue,SLE)、基于体积的检测(volume-based detection,VD)、特征值矩比(eigenvalue momentratio，EMR)、局部平均分差(local average variance,LAV)。而当主用户信号为非圆时，上述的频谱感知方法不是最优的，因为非圆信号的二阶统计特性不仅包含标准协方差(standard covariance matrix)信息，而且包含互补协方差(complementary covariancematrix)信息。
发明内容
本发明针对现有的多天线频谱感知方法不能充分利用非圆信号的二阶统计特性问题，提出一种适用于非圆信号的多天线频谱感知方法，具体为非圆的局部平均方差方法(noncircular local average variance，NC-LAV)。
本发明的非圆信号多天线频谱感知方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.次用户利用M根天线接收待感知的复时域信号
Figure BDA0002078270230000011
频谱感知问题可以用以下二元假设模型表示：
Figure BDA0002078270230000012
其中H0表示没有主用户不存在；H1表示至少有一个主用户存在，
Figure BDA0002078270230000013
表示d个主用户到次用户之间的信道增益系数矩阵，
Figure BDA0002078270230000014
为d个主用户发射非圆信号矢量，其中si(n)为第i个主用户发射的零均值非圆信号，其满足γi＝E[|si(n)|2]和E[si(n)si(n)]≠0，γi为第i个主用户发射的信号功率，
Figure BDA0002078270230000021
为零均值方差为
Figure BDA0002078270230000022
的复高斯循环对称噪声矢量，
Figure BDA0002078270230000023
和IM分布为每根天线的噪声方差和M×M单位阵。
b.计算样本的标准协方差矩阵
Figure BDA0002078270230000024
和互补协方差矩阵
Figure BDA0002078270230000025
Figure BDA0002078270230000026
Figure BDA0002078270230000027
其中N为次用户接收的总样本数，符号H和T分别表示共轭转置和转置.
c.计算NC-LAV方法的检验统计量TN；
Figure BDA0002078270230000028
其中
Figure BDA0002078270230000029
和
Figure BDA00020782702300000210
和
Figure BDA00020782702300000211
d.根据给定的虚警概率pf，确定判决门限λN：
Figure BDA00020782702300000212
其中L＝2M2+M-7，
Figure BDA0002078270230000031
的反函数，
Figure BDA0002078270230000032
其中
Figure BDA0002078270230000033
可由软件Matlab自带的函数chi2inv产生。
e.将统计量TN与判决门限λN进行比较：
若检验统计量TN大于判决门限λN，则主用户存在，结束检测；
若检验统计量TN小于判决门限λN，则主用户不存在，结束检测。
本发明的有益效果为，在主用户信号为非圆情况下，能显著提高检测概率。
附图说明
图1为本发明的NC-LAV方法流程示意图；
图2和图3为检测概率VS信噪比示意图；
具体实施方式
发明内容部分已经对本发明的技术方案做了详细描述，下面结合附图，描述本发明技术方案的效果。
在仿真图中，主用户信号
Figure BDA0002078270230000034
为BPSK信号矢量，其中γi＝E[|si(n)|2]和E[si(n)si(n)]≠0，信道矩阵
Figure BDA0002078270230000035
的每个元素服从零均值方差为1的独立循环对称复高斯分布，此外信道矩阵的每列被归一化成1。因此信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)定义为
Figure BDA0002078270230000036
图.2和图.3的仿真曲线在虚警概率为Pf＝0.05情况下由蒙特卡洛次数为100000描绘出。
(1)图.2在系统参数为天线数M＝4，样本数N＝100，d＝1，下的本发明方法、方差绝对值、标度最大特征值、基于体积检测、特征值矩比、局部平均方差方法检测性能比较；
(2)图.3在系统参数为天线数M＝8，样本数N＝200，d＝3，[γ1,γ2,γ3]＝[3,1,0]dB，下的本发明方法、方差绝对值、标度最大特征值、基于体积检测、特征值矩比、局部平均方差方法检测性能比较。

Claims (1)

1.一种用于非圆信号的多天线频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.次用户利用M根天线接收待感知的复时域信号
Figure FDA0002895480940000011
频谱感知问题用以下二元假设模型表示：
Figure FDA0002895480940000012
其中H0表示没有主用户存在；H1表示至少有一个主用户存在，
Figure FDA0002895480940000013
表示d个主用户到次用户之间的信道增益系数矩阵，
Figure FDA0002895480940000014
为d个主用户发射非圆信号矢量，令si(n)表示第i个主用户发射的零均值非圆信号，其满足γi＝E[|si(n)|2]和E[si(n)si(n)]≠0，γi为第i个主用户发射的信号功率，
Figure FDA0002895480940000015
为零均值方差为
Figure FDA0002895480940000016
的复高斯循环对称噪声矢量，
Figure FDA0002895480940000017
和IM分别为每根天线的噪声方差和M×M单位阵；
b.根据次用户接收的总样本数N，计算样本的标准协方差矩阵
Figure FDA0002895480940000018
和互补协方差矩阵
Figure FDA0002895480940000019
Figure FDA00028954809400000110
Figure FDA00028954809400000111
其中符号H和T分别表示共轭转置和转置；
c.获取检验统计量TN；
Figure FDA00028954809400000112
其中
Figure FDA00028954809400000113
和
Figure FDA00028954809400000114
和
Figure FDA0002895480940000021
d.根据给定的虚警概率pf，确定判决门限λN：
Figure FDA0002895480940000022
其中L＝2M2+M-7，
Figure FDA0002895480940000023
为
Figure FDA0002895480940000024
的反函数，
Figure FDA0002895480940000025
e.将统计量TN与判决门限λN进行比较：
若检验统计量TN大于判决门限λN，则主用户存在，结束检测；
若检验统计量TN小于判决门限λN，则主用户不存在，结束检测。
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