專利名稱：基于并行壓縮感知的寬帶認(rèn)知無線電頻譜檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種認(rèn)知無線電中頻譜檢測方法，可用于寬帶認(rèn)知 無線電條件下，進(jìn)行寬帶認(rèn)知的頻譜檢測。
背景技術(shù)：
無線電通信頻譜是一種寶貴的，有限的資源，由國家統(tǒng)一分配授權(quán)使用。 一個頻段 一般只供一個無線通信系統(tǒng)長期獨(dú)立使用，不同的無線通信系統(tǒng)使用不同的頻段，互不 干擾。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是近年來基于頻譜的服務(wù) 和設(shè)備顯著增加，人們對頻譜資源的需求也越來越大，頻譜資源也變得越來越稀缺。傳 統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)中采用固定的頻譜分配策略，即前面所提到的預(yù)先分配，長期授權(quán)使用的 靜態(tài)頻譜管理方式。這樣管理方式能夠給各個用戶分配足夠的保護(hù)頻帶，從而避免用戶 之間的干擾，但是當(dāng)用戶無數(shù)據(jù)傳輸時就會造成頻譜資源的浪費(fèi)。研究表明在一定地點(diǎn) 的某一時刻大量授權(quán)頻段是沒有被利用的，這樣就導(dǎo)致頻譜利用率很低的問題，造成頻 譜資源稀缺。
為了解決頻譜資源稀缺的問題，通常采用的方案可以有兩種 一是動態(tài)的頻譜接入 策略，即在頻率域，時間域和空間域動態(tài)的利用射頻資源；二是物理層采用智能的無線 電技術(shù)。
其中在物理層采用智能的無線電技術(shù)中，現(xiàn)有方案是在軟件無線電基礎(chǔ)上，2000年，
Mitola在其博士論文中給出了認(rèn)知無線電(Cognitive Radio: CR)的定義認(rèn)知無線電 是一種基于模型推理在無線電相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)特定能力水平的無線電。認(rèn)知無線電的基本
出發(fā)點(diǎn)是為了提高頻譜利用率，具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種"伺機(jī)
(Opportunistic Way)"的方式工作在已授權(quán)的頻段內(nèi)。這種在空域，時域和頻域中出現(xiàn) 的可以被利用的頻譜資源被稱為"頻譜空洞"。認(rèn)知無線電的核心思想就是使無線通信設(shè) 備具有發(fā)現(xiàn)"頻譜空洞"并合理利用的能力。認(rèn)知無線電是一個"可以感知無線環(huán)境并 相應(yīng)改變其頻譜使用方式的系統(tǒng)"。在這樣一個系統(tǒng)中次要用戶借助認(rèn)知無線電技術(shù)主 動搜索頻譜以尋找可用的頻譜空洞，然后利用這些頻譜空洞進(jìn)行有效地通信，在通信過 程中實(shí)時動態(tài)的進(jìn)行參數(shù)控制，避免對主用戶產(chǎn)生干擾?；谶@一特點(diǎn)認(rèn)知無線電的首 要任務(wù)就是進(jìn)行頻譜檢測，查找能夠用來進(jìn)行新業(yè)務(wù)通信的頻譜空洞。
4頻前端使用一系列可調(diào)諧的窄帶帶通濾波器 且每一次只對整個寬帶中的一個子帶進(jìn)行檢測。這種方法有一定的局限性，因?yàn)樗?需要大量的射頻參數(shù)，而且每個濾波器的調(diào)諧范圍必須預(yù)先設(shè)定。另外一種方法是采用 單一的射頻鏈路， 一次對整個寬帶進(jìn)行探測，但是這種情況下，又對數(shù)字信號處理器DSP， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC等硬件設(shè)備的處理速率有很高的要求，在實(shí)^L上有一定的困難。
由此可見，寬帶CR頻譜探測仍然是一件具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。近年來對壓縮感知 (Compressive Sensing: CS)技術(shù)的研究為我們進(jìn)行寬帶CR的頻譜探測提出了另一種可 行的途徑。大部分自然界的信號和人造信號都是可壓縮的，即存在著一個基矩陣甲，使 得信號投影到該矩陣后得到的系數(shù)S只有一小部分的值是很大的，而其它的都很小。信號 的這一特性使得我們可以對信號進(jìn)行欠采樣并采用一定的信號重構(gòu)算法恢復(fù)原始信號。 這樣能夠降低采樣速率，同時也降低了計(jì)算復(fù)雜度。在《Compressed sensing for wideband cognitiveradio》中，美國學(xué)者田智第一次將CS用于寬帶認(rèn)知無線電頻譜的檢測中。該方 法利用CR信號在頻域的稀疏性，先利用感知矩陣對信號進(jìn)行欠采樣，再利用已有的恢 復(fù)算法重構(gòu)出相應(yīng)的頻域信號，最后利用小波邊緣探測器確定各個子帶的位置，這樣在 得到了重構(gòu)的頻域信號和各個子帶的具體位置之后，也就完成了頻譜檢測的任務(wù)。此方 法采用欠采樣，雖然能夠降低對整個寬帶進(jìn)行檢測時對硬件的要求，同時也能以一定的 準(zhǔn)確性探測到可用的頻譜資源，但是這種方法仍然有一些缺陷，由于噪聲、信號隨機(jī)性， 及欠采樣得到采樣點(diǎn)的隨機(jī)性等因素的影響，使得檢測性能并不是很好，尤其在信噪比 較低時，正確檢測概率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于并行壓縮感知的寬帶 認(rèn)知無線電頻譜檢測方法，以減小噪聲、信號及采樣點(diǎn)隨機(jī)性的影響，提高頻譜的正確 檢測概率。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)關(guān)鍵在于利用多條并行支路同時檢測，對各個支路的結(jié)果進(jìn) 行合并以得到最終檢測結(jié)果的方法，以較高的概率檢測頻譜以及各個子帶的位置。具體 實(shí)現(xiàn)步驟包括如下
(1) 利用頻譜檢測器的各個并行支路對接收信號進(jìn)行獨(dú)立的壓縮感知，得到每條支 路的一組隨機(jī)采樣點(diǎn)；
(2) 利用信號恢復(fù)算法從得到的采樣點(diǎn)中重構(gòu)原始信號及其頻域信號；(3) 將重構(gòu)的頻域信號經(jīng)過小波變換，獲得一組小波變換的系數(shù)，表示為
&(/)=附；"/，(/)
其中*表示巻積運(yùn)算，f/是第y條支路在步驟(2)中重構(gòu)的頻域信號，^(/)是小波基
函數(shù)，它定義為^(/) = ^0， p(/)是小波平滑函數(shù)，應(yīng)用較為廣泛的有高斯函數(shù)，最
佳重構(gòu)濾波器組等。若定義尺度擴(kuò)展的平滑函數(shù)為
%(/)=丄^)
其中s是尺度擴(kuò)展因子，對于二進(jìn)制尺度變換，s通常取的值是2的冪次，即
S = 24,_/ = 1,2,..X .這樣上面小波變換系數(shù)的表達(dá)式可以進(jìn)一步寫成l:
(4) 計(jì)算步驟(2)中得到的各個支路重構(gòu)的原始信號與接收信號之間的均方誤差；
(5) 對均方誤差最小的兩個支路的檢測結(jié)果利用如下公式進(jìn)行合并，得到各個子帶 的位置
/ = {(/) x g油2 (/)} ， " = 0， 1".I 其中mini和min2分別對應(yīng)均方誤差最小的兩個支路的標(biāo)號，max(，)表示對(，)取
最大值的操作；取均方誤差最小的那條支路的重構(gòu)頻域信號作為最終輸出的重構(gòu)頻域信
: 二minl
5: r/=1V °
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的主要優(yōu)點(diǎn)
(1) 本發(fā)明由于采用了壓縮感知，與傳統(tǒng)的帶寬CR頻譜檢測方法相比大大降低了 采樣速率，降低了復(fù)雜度和對硬件的要求。
(2) 本發(fā)明由于采用多條支路并行獨(dú)立檢測最后合并輸出檢測結(jié)果的方法，這與采 用基于CS的單支路檢測方法相比能夠減小噪聲，信號隨機(jī)性以及欠采樣點(diǎn)隨機(jī)性的影 響，大大提高正確檢測概率；同時由于是并行處理，也沒有增加計(jì)算量和處理復(fù)雜度。
(3) 本發(fā)明能夠?qū)Ω信d趣的CR帶寬進(jìn)行整體的檢測，與采用窄帶濾波器組對寬帶 CR進(jìn)行頻譜檢測的方法相比不需要太多的先驗(yàn)信息。


6圖l是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖2是本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中使用的寬帶CR信號頻域響應(yīng)示意圖3是本發(fā)明與傳統(tǒng)單支路方法在不同信噪比條件下的性能比較圖
圖4是本發(fā)明在不同采樣點(diǎn)數(shù)目的條件下的檢測性能圖。
具體實(shí)施例方式
以下對本發(fā)明的原理以及技術(shù)方案做進(jìn)一步的描述
參照圖l，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖包括如下
過程l，對接收信號進(jìn)行壓縮感知，得到隨機(jī)采樣點(diǎn)。
在寬帶CR中，待探測的是頻率范圍為[/。 ，A]，總帶寬為BHz的一段頻譜。假設(shè)r(Z) 為接收到的信號，它占用M個互不重疊的子帶，其頻譜圖如圖2。接收到的信號r(O先 經(jīng)過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)殚L度為W的時域離散信號r,，根據(jù)Nyquist準(zhǔn)則，iV非常大，這 樣對硬件的要求很高，同時計(jì)算量也很大。從圖2可以看出r,在頻域具有稀疏性，即只
有一部分頻域信號不為零，其他都為零，這樣就可以利用壓縮感知技術(shù)。在本發(fā)明中， 采用一個基于壓縮感知的并行檢測結(jié)構(gòu)，其中每一條支路都采用壓縮感知的方法，對接 收到的信號KO進(jìn)行欠釆樣，得到離散時間序列x/eC、可以表示為
x/ =必,，J = 〈1>
其中6"是支路的數(shù)目，^是"W的投影矩陣，x;'是信號進(jìn)行欠采樣得到的L個隨機(jī)采樣點(diǎn)。
根據(jù)式〈l〉中的時域離散信號r,與其對應(yīng)的頻域信號iy的關(guān)系式r,=F^r/ ， 其中FM是WxiV的傅里葉變換矩陣，將其關(guān)系式代入〈1〉得隨機(jī)采樣點(diǎn)進(jìn)一步表示為
<formula>formula see original document page 7</formula>
過程2，重構(gòu)原始信號及其頻域信號。
對于第y條支路在已知x/， Aj的情況下，利用信號重構(gòu)算法，如Regularized
Orthogonal Matching Pursuit算法，得到頻域重構(gòu)信號f/以及時域重構(gòu)信號f/ 。 過程3，對重構(gòu)的頻域信號進(jìn)行小波變換，獲得小波變換系數(shù)。選取^/(/) = ^/1作為小波變換基函數(shù)，對過程2得到的頻域信號進(jìn)行小波變換，
其中p(/)是小波平滑函數(shù)，應(yīng)用較為廣泛的有高斯函數(shù)，最佳重構(gòu)濾波器組等，這樣得 到的小波變換系數(shù)表示為
g,(/) = ^*^(/) <3〉 其中*表示巻積運(yùn)算，f/是第y條支路重構(gòu)的頻域信號。若定義尺度擴(kuò)展的平滑函數(shù)
為^(/):丄^;Z)，其中s是尺度擴(kuò)展因子，對于二進(jìn)制尺度變換，s通常取的值是2的 冪次，艮卩5 = 2*，& = 1，2，...《.這樣上面小波變換系數(shù)的表達(dá)式可以進(jìn)一步寫成|:
g,(/) = S，(/) = f/*Cy^"X/)"^:(S*%)(/) 。 〈4> 過程4，利用如下公式計(jì)算各個支路時域重構(gòu)信號與接收到得信號之間的均方誤差
'1， _/ = 1,2，..力"。 〈5〉
llr'l
過程5,根據(jù)均方誤差的大小對各個支路的輸出進(jìn)行合并，并通過取峰值運(yùn)算最終 確定各個子帶的具體位置。
選擇在條支路中均方誤差最小的兩條支路標(biāo)記為mini和min2,將這兩條支路
在過程3中得到的小波變換系數(shù)記為g^(/)和g^(/)，將g^(/)與g^(/)相乘并 取最大值，得到各個子帶的位置
/,1^X^^(/)Xg曲2(/》，"-O，l,..JlZ 〈6〉
其中，/ 為檢測得到的各個子帶邊緣點(diǎn)對應(yīng)的頻率值，該頻率值反映了子帶的位置， max(，)表示對( )取最大值的操作；
取均方誤差最小的那條支路的重構(gòu)頻域信號作為最終輸出的重構(gòu)頻域信號
r.二f產(chǎn)1 ，完成對寬帶認(rèn)知無線電頻譜的檢
以下通過一個仿真實(shí)驗(yàn)對本發(fā)明的技術(shù)效果做詳細(xì)描述
1)仿真的系統(tǒng)參數(shù)探測的整個寬帶頻域范圍是[50,150]A/fe，其中A表示頻率分 辨率，接收信號占用子帶數(shù)目是M=5，各個子帶的具體位置是[50，61,69,119,124，150]A/fe，如圖2所示。仿真中采用的并行分支數(shù)目是6"=3。 2)仿真過程與結(jié)果
首先，固定欠采樣的采樣點(diǎn)數(shù)目Z為O.諷信噪比的變化范圍是OdB-10dB，進(jìn)行1000
次蒙特卡洛仿真試驗(yàn)，定義iooo次試驗(yàn)中準(zhǔn)確找到各個子帶具體位置的次數(shù)所占的比例
為正確檢測概率，采用本發(fā)明的方法和傳統(tǒng)的基于CS的單支路CR頻譜檢測方法得到的 正確檢測概率曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，本發(fā)明^f提供頻譜檢測方法能獲得 更高的正確檢測概率，尤其在低信噪比情況下，性能改善較為明顯。這是由于采用多條 并行支路同時檢測，相當(dāng)于進(jìn)行了多次獨(dú)立檢測，能夠有效地抑制噪聲信號隨機(jī)性以及 采樣點(diǎn)隨機(jī)性的影響，獲得更高的檢測概率。
接著，將信噪比固定為10dB，采樣點(diǎn)數(shù)目Z分別是0.67V， 0.75iV, 采用本發(fā) 明的方法進(jìn)行1000次蒙特卡洛仿真試驗(yàn)。得到在采樣點(diǎn)數(shù)目不同的條件下正確檢測概率， 如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著采樣點(diǎn)數(shù)目￡的增加，所得的正確檢測概率增加， 這是由于釆樣點(diǎn)數(shù)越多，包含原始信號的信息越全面，正確恢復(fù)原始信號的概率越大。
權(quán)利要求
1.一種基于并行壓縮感知的寬帶認(rèn)知無線電頻譜檢測的方法，包括如下步驟(1)利用頻譜檢測器的各個并行支路對接收信號進(jìn)行獨(dú)立的壓縮感知，得到每條支路的一組隨機(jī)采樣點(diǎn)；(2)利用信號恢復(fù)算法從得到的采樣點(diǎn)中重構(gòu)原始信號及其頻域信號；(3)將重構(gòu)的頻域信號進(jìn)行小波變換，獲得一組小波變換系數(shù)其中*表示卷積運(yùn)算， id="icf0002" file="A2009100236390002C2.tif" wi="3" he="5" top= "83" left = "74" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>是第j條支路重構(gòu)的頻域信號， id="icf0003" file="A2009100236390002C3.tif" wi="9" he="4" top= "83" left = "140" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>是尺度擴(kuò)展的平滑函數(shù)，表示為 id="icf0004" file="A2009100236390002C4.tif" wi="29" he="9" top= "93" left = "55" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>其中 id="icf0005" file="A2009100236390002C5.tif" wi="8" he="4" top= "95" left = "97" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>是小波平滑函數(shù)，s是尺度擴(kuò)展因子，s＝2k，j＝1，2，...K；(4)計(jì)算各個支路重構(gòu)的原始信號與接收信號之間的均方誤差；(5)對均方誤差最小的兩個支路的小波變換系數(shù)進(jìn)行相乘并取最大值，得到各個子帶的位置<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mover><mi>f</mi><mo>~</mo> </mover> <mi>n</mi></msub><mo>=</mo><munder> <mi>max</mi> <mi>f</mi></munder><mo>{</mo><msub> <mi>g</mi> <mrow><mi>min</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&times;</mo><msub> <mi>g</mi> <mrow><mi>min</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>}</mo><mo>,</mo><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0,1</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mi>M</mi> </mrow>]]></math></maths>其中 id="icf0007" file="A2009100236390002C7.tif" wi="3" he="5" top= "151" left = "41" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為檢測得到的各個子帶邊緣點(diǎn)對應(yīng)的頻率值，該頻率值反映了子帶的位置，min1和min2分別是均方誤差最小的兩個支路的標(biāo)號，max(·)表示對(·)取最大值的操作；取均方誤差最小的那條支路的重構(gòu)頻域信號作為最終輸出的重構(gòu)頻域信號<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mover><mi>r</mi><mo>~</mo> </mover> <mi>f</mi></msub><mo>=</mo><msubsup> <mover><mi>r</mi><mo>^</mo> </mover> <mi>f</mi> <mrow><mi>min</mi><mn>1</mn> </mrow></msubsup><mo>.</mo> </mrow>]]></math></maths>
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶認(rèn)知無線電頻譜檢測的方法，其中步驟(1)所述的壓縮感知，按如下過程進(jìn)行設(shè)KO為接收到的信號，它占用M個互不重疊的子帶，將KO先經(jīng)過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)殚L度為7V的時域離散信號i;;再對接收到的信號r(/)進(jìn)行欠采樣得到離散時間序列x/eC1，表示為x丫 =0,, ，j' = l,2,...,Zw其中6"是支路的數(shù)目，(^是丄x7V的投影矩陣，x/是信號進(jìn)行欠采樣得到的丄個隨機(jī)采樣點(diǎn)；根據(jù)時域離散信號r,與其對應(yīng)的頻域信號r,的關(guān)系式r,=F^r/ ，進(jìn)一步得到欠采樣的隨機(jī)采樣點(diǎn)為x/ =0/,= WA,, ，)-l,2，…，6"式中，F(xiàn)M是WxW的傅里葉變換矩陣A,，.F"， 6"是并行支路的數(shù)目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶認(rèn)知無線電頻譜檢測的方法，其中步驟(4)所述的計(jì)算各個支路重構(gòu)的原始信號與接收信號之間的均方誤差，通過如下公式計(jì)算-/ = 1,2,..力/7其中f/是重構(gòu)的原始信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于并行壓縮感知的寬帶認(rèn)知無線電頻譜檢測方法。其實(shí)現(xiàn)過程是利用頻譜檢測器的各個并行支路對接收信號進(jìn)行獨(dú)立的壓縮感知，得到每條支路的一組隨機(jī)采樣點(diǎn)；利用信號恢復(fù)算法從得到的采樣點(diǎn)中重構(gòu)原始信號及其頻域信號；將重構(gòu)的頻域信號進(jìn)行小波變換，獲得一組小波變換系數(shù)；計(jì)算各個支路重構(gòu)的原始信號與接收信號之間的均方誤差；對均方誤差最小的兩個支路的小波變換系數(shù)進(jìn)行相乘并取最大值，得到各個子帶的位置，取均方誤差最小的那條支路的重構(gòu)頻域信號作為最終輸出的重構(gòu)頻域信號，完成認(rèn)知無線電頻譜的檢測。本發(fā)明能降低噪聲和采樣點(diǎn)隨機(jī)性影響，提高正確檢測概率。
文檔編號H04B17/00GK101630982SQ200910023639
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月19日
發(fā)明者勤 劉, 夏玉潔, 李建東, 王瑩瑩, 趙林靖, 閆繼壘, 曦 陳 申請人:西安電子科技大學(xué)