專利名稱：一種認知無線電中檢測授權(quán)用戶到達角的頻譜感知方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種認知無線電系統(tǒng)中頻譜感知方法，更具體的涉及一種能夠檢測授 權(quán)用戶信號及到達角的方法。
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展及無線業(yè)務(wù)的極大豐富，日益增加的無線電用戶使 頻譜資源越來越緊張，而目前所用到的頻譜只占所有可用頻譜的2%到6%。能夠動態(tài)的管 理頻譜資源的認知無線電技術(shù)正成為解決這個問題的熱點。認知無線電作為一種智能的頻譜共享技術(shù)，能夠依靠人工智能的支持，感知無線 通信環(huán)境，根據(jù)一定的學習和決策算法，實時自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動態(tài)地檢測和有 效地利用空閑頻譜，理論上允許在時間、頻率以及空間上進行多維的頻譜復用。而頻譜感知技術(shù)是認知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，頻譜感知的目的是監(jiān)視和檢 測特定頻段上授權(quán)用戶信號的活動情況，當檢測到該頻段空閑時，認知用戶可以使用該頻 段；當授權(quán)用戶信號再次出現(xiàn)時，認知用戶必須在規(guī)定時間內(nèi)退出該頻段。為了不對授權(quán)用 戶造成有害干擾，這就要求認知用戶能夠?qū)崟r地連續(xù)偵聽頻譜，以提高檢測的可靠性。一般來說，頻譜感知技術(shù)可以分為發(fā)射源檢測、合作檢測和干擾檢測。但是目前的 方法不能檢測授權(quán)用戶的多維信息，而且方法的本身也有一定的限制。目前研究人員正在 積極探索新的更加可靠的頻譜感知技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種能夠檢測授權(quán)用戶存在，并且可以獲得授權(quán)用戶的到達角信息 的多維頻譜感知算法。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的(1)由M個陣元組成線性陣列天線接收信號，在某時間段內(nèi)，第1個陣元接收的信 號為 X1U) (1 = 1，2，...M)。(2)把M個信號排列成一個列向量，矢量形式表示為X (t) = AS(t)+N(t)。(3)將X(t)的每個信號進行采樣數(shù)為L的采樣，然后通過一個待檢測頻段的帶通 濾波器。可得接收信號的抽樣陣列數(shù)據(jù)X1 (t)。(4)求抽樣陣列數(shù)據(jù)X1 (t)的協(xié)方差矩陣，》= + 不岑"。 (5)對左進行特征分解有，》=UsZsU/ + UnWh，式中，Us是大特征值對應(yīng)的特 征矢量張成的信號子空間，Un是小特征值對應(yīng)的特征矢量張成的噪聲子空間。 (6)由導向矢量和噪聲子空間可得譜估計公式為，= 二 二)"、，以
α (β、υNUΝ α(θ)
空間譜Pmusk的統(tǒng)計平均值作為判斷參量，因為線性陣列的信號參數(shù)搜索范圍為[-90°，
_ ι 90°
90° ]，所以I = ; Σ 4默砂
i OU ^=-90°
(7)通過試驗求得滿足虛警概率Pf門限值Y。(8)將T與門限值Y進行比較，如果T大于門限值Y，說明主用戶信號存在；反 之，授權(quán)用戶信號不存在。(9)當授權(quán)用戶信號存在時，授權(quán)用戶的到達角以最小優(yōu)化搜索實現(xiàn)，即θ SIC = argeminaH(0)UNUNHa(0)o本發(fā)明的優(yōu)點是，提出了一種能夠檢測授權(quán)用戶多維信息的頻譜感知技術(shù)。典型 的頻譜感知技術(shù)只能檢測授權(quán)用戶是否存在，而本發(fā)明在檢測到授權(quán)用戶的信號時，可以 獲得授權(quán)用戶的到達角。而且本方法以空間譜的統(tǒng)計平均值作為判斷參量，不依賴較高的 信噪比，比傳統(tǒng)的能量檢測有更好的檢測性能。


圖1是本方法的流程圖。圖2分別顯示了在不同天線個數(shù)的情況下，信噪比對到達角估計的均方誤差的影 響。圖3是本發(fā)明在信噪比SNR = -5的條件下，不同天線陣元數(shù)時的ROC曲線與能量 算法的ROC曲線對比。圖4是信噪比對檢測概率的影響。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及具體實例來對本發(fā)明做進一步的詳細說明。(1)如圖1所示，首先由M陣元線性多天線系統(tǒng)接收某一時間段內(nèi)的窄帶遠場信 號，由于各陣元接收到的信號相位不同，經(jīng)過合理的組合處理可以達到性能優(yōu)化的目的。假 設(shè)第1個陣元接收的信號為
Nχ； (0 = X gA (t -τ}[) + Yil (t)l = 1,2,...M
/=1式中，gli為第1個陣元對第i個信號的增益，ni(t)表示第1個陣元在t時刻的噪 聲，假設(shè)環(huán)境內(nèi)噪聲為高斯噪聲，均值為零，方差為σ2。τ u表示第1個陣元相對于參考陣 元的時延。(2)將M個陣元在特定時刻接收到的信號排列成一個列矢量，可得
"^,(Ο “響…gllVe—州、’"|ρ々η 「",(ο—V)=私W22 ... g2Ne-Ja^ s2(t) + n2(t)
gw'—1 ... “f vJk(oJ式中，(Oci為接收信號的頻率，假設(shè)陣列中各陣元是各向同性的且不存在通道不一 致，互耦等因素的影響，則上式中的增益可以省略(即歸一化為1)，這樣，上式可以簡化為
^xi(01 「e—yiVl1 e^J0Va ···
X2 (0 ΓΛ e'J6hT22 ■■■ e'J0Vlx s Jt) n7(t). = . . . . 2. + .
._χ3 (0 J [e-.帥Μ e~mT"·2 ··· e~JCV"x [ ⑴」(t)
寫成矢量形式為，X(t) =AS(t)+N(t)。式中，X(t)為陣列的MXl維采樣數(shù)據(jù)矢 量，N(t)為陣列的MXl維噪聲數(shù)據(jù)矢量，S(t)為信號的NXl維矢量，A為空間陣列的MXN 維導向矢量陣，且
A= [B1(Co0)a2(COc^HaN(CO0)LqO0)= (3)將X(t)的每個信號進行采樣數(shù)為L的采樣，然后通過一個待檢測頻段的帶通 濾波器?？傻媒邮招盘柕某闃雨嚵袛?shù)據(jù)X1 (t)。(4)求抽樣陣列數(shù)據(jù)X1 (t)的協(xié)方差矩陣，力=不I廣。(5)對》進行特征分解有，》=仏工々/ +υΝΣΑ,υΝΗ，式中，Us是大特征值對應(yīng)的特 征矢量張成的信號子空間，Un是小特征值對應(yīng)的特征矢量張成的噪聲子空間。(6)計算判斷參量I，山導向矢量和噪聲子空間可得譜估計公式為，
P畫C = HiaJeIari^ ，我們以空間譜的統(tǒng)計平均值作為判斷參量，又因為線陣的信號 a (O)UnUn α{θ)
— 1 90°
參數(shù)搜索范圍為[-90°，90° ]，所以Ι = ‘ X Pmusic(O) °(7)通過試驗求得滿足虛警概率Pf的門限值Y。在不同環(huán)境下，門限值是不同的。 不同的時間，頻段或地理位置都會對門限值造成影響。所以某一環(huán)境下門限值的確定，需要 在沒有授權(quán)用戶而只有高斯白噪聲的情況下，通過大量的對觀測數(shù)據(jù)的計算來獲得。具體 的實施方法為，重復使用(1) (6)的步驟，求出對應(yīng)的噪聲空間譜的統(tǒng)計平均值的集合 Iy1, Y2- Υν}，利用統(tǒng)計學中的重采樣自舉法得到滿足虛警概率Pf的門限值Y。(8)將T與門限值Y進行比較，如果T大于門限值Y，說明接收信號的觀測值 在顯著性水平(即虛警概率)之上，則授權(quán)用戶信號存在；反之，當T小于門限值Y時，授 權(quán)用戶信號不存在。(9)當由(8)確定授權(quán)用戶存在時，即可求授權(quán)用戶的到達角，授權(quán)用戶的到達角 以最小優(yōu)化搜索實現(xiàn)，即θ MISic = argeminaH( θ )UNUNHa( θ )。下述實例仿真了正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制下的隨機信號在高斯噪聲(均值為0， 方差為1)環(huán)境下，算法的檢測性能和到達角估計精度。仿真過程中假設(shè)信源數(shù)小于天線陣 元數(shù)。圖2分別顯示了在不同天線個數(shù)的情況下，信噪比對到達角估計的均方誤差的影 響。從圖中可以看出，隨著信噪比的增大，到達角估計精度越高。而且，天線陣元個數(shù)的增 大也會提高到達角估計的精度。圖3是本發(fā)明在信噪比SNR = -5的條件下，不同天線陣元數(shù)時的ROC曲線。圖中 添加了能量檢測的ROC曲線以作對比。在相同信噪比的條件下，本發(fā)明的檢測性能明顯優(yōu) 于能量檢測，而且在不同天線陣元數(shù)的情況下，ROC曲線無明顯變化，所以在保證到達角估 計的精度的前提下，天線陣元數(shù)可以盡量減少。 圖4是信噪比對檢測概率的影響。
權(quán)利要求
一種認知無線電中檢測授權(quán)用戶到達角的頻譜感知方法，其特征在于所述方法的具體實現(xiàn)步驟如下(1)由M個陣元組成線性陣列天線接收信號，在某時間段內(nèi)，第l個陣元接收的信號為xl(t)(l＝1，2，...M)。(2)把M個信號排列成一個列向量，矢量形式表示為X(t)＝AS(t)+N(t)。(3)將X(t)的每個信號進行采樣數(shù)為L的采樣，然后通過一個待檢測頻段的帶通濾波器?？傻媒邮招盘柕某闃雨嚵袛?shù)據(jù)X1(t)。(4)求抽樣陣列數(shù)據(jù)X1(t)的協(xié)方差矩陣， <mrow><mover> <mi>R</mi> <mo>^</mo></mover><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>L</mi></mfrac><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi></munderover><msub> <mi>X</mi> <mn>1</mn></msub><msup> <msub><mi>X</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>H</mi></msup><mo>.</mo> </mrow>(5)對進行特征分解有，式中，US是大特征值對應(yīng)的特征矢量張成的信號子空間，UN是小特征值對應(yīng)的特征矢量張成的噪聲子空間。(6)由導向矢量和噪聲子空間可得譜估計公式為，以空間譜PMUSIC的統(tǒng)計平均值作為判斷參量，因為線性陣列的信號參數(shù)搜索范圍為[-90°，90°]，所以(7)通過試驗求得滿足虛警概率Pf門限值γ。(8)將λ與門限值γ進行比較，如果λ大于門限值γ，說明主用戶信號存在；反之，授權(quán)用戶信號不存在。(9)當授權(quán)用戶信號存在時，授權(quán)用戶的到達角以最小優(yōu)化搜索實現(xiàn)，即θMUSIC＝argθminaH(θ)UNUNHa(θ)。FSA00000047394200012.tif,FSA00000047394200013.tif,FSA00000047394200014.tif,FSA00000047394200015.tif
全文摘要
本發(fā)明一種認知無線電中檢測授權(quán)用戶到達角的頻譜感知方法，涉及一種認知無線電系統(tǒng)中頻譜感知方法，更具體的涉及一種能夠檢測授權(quán)用戶信號及到達角的方法。該方法的步驟為由線性陣列天線系統(tǒng)接收信號；以多重信號分類算法求得信號的空間譜；以空間譜的統(tǒng)計平均值λ作為判斷參量；通過試驗求得滿足虛警概率Pf門限值γ；將λ與門限值γ進行比較以判斷授權(quán)用戶是否存在；如果授權(quán)用戶存在，用最小優(yōu)化搜索求得授權(quán)用戶到達角。這種可以檢測授權(quán)用戶多維信息的方法為進一步靈活運用授權(quán)用戶頻段提供了條件。
文檔編號H04W16/14GK101808334SQ201010126350
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月15日
發(fā)明者呂瑩, 周賢偉, 李苗, 杜利平, 郭志立, 門玉蘋, 雷雨 申請人:北京科技大學