一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算法，具體步驟為：a.預(yù)設(shè)一個(gè)固定的虛警概率，建立一個(gè)使檢測概率最大化的優(yōu)化模型，得到兩個(gè)最佳判決門限值。b.將傳統(tǒng)能量檢測算法中的總采樣點(diǎn)平均分成兩部分，先進(jìn)行第一步能量檢測。c.將第一步能量檢測獲得的能量值與第一個(gè)門限值進(jìn)行比較。d.若能量值不小于第一個(gè)門限值，則直接得出主用戶信號(hào)存在的判決，跳至g。否則進(jìn)行下一步。e.對(duì)余下的采樣點(diǎn)進(jìn)行第二步能量檢測。f.將第二步能量檢測得到的能量值和第一步檢測的能量值求平均值后與第二個(gè)門限值進(jìn)行比較，得出主用戶信號(hào)是否存在的判決。g.次級(jí)用戶判斷檢測是否停止，是則終止，否則返回到b進(jìn)行下一次的檢測。
【專利說明】
一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)中認(rèn)知無線電領(lǐng)域，涉及認(rèn)知無線電中基于減少采樣點(diǎn)數(shù)來 提高頻譜檢測速度的快速兩步能量檢測算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，各種無線電業(yè)務(wù)蓬勃涌現(xiàn)，人們對(duì)無線頻譜資源的需 求不斷擴(kuò)大。根據(jù)現(xiàn)有的頻譜分配方式，大部分的頻段已經(jīng)授權(quán)給固定用戶使用，僅僅保留 了小部分免費(fèi)的公共頻段。近年來，隨著無線通信用戶和無線通信設(shè)備數(shù)的日益增長，直接 導(dǎo)致有限的無線頻譜資源越來越緊張。然而，研究表明，主用戶在獨(dú)享授權(quán)頻段的同時(shí)，卻 沒有充分利用該頻段。很多授權(quán)頻段在不同的時(shí)間段內(nèi)、不同的地理區(qū)域里都未被利用，形 成了大量的頻譜空洞。在頻譜需求日益增大的今天，合理回收利用這些頻譜空洞，可以極大 地緩解當(dāng)前頻譜資源緊張的問題。
[0003] 認(rèn)知無線電是一種有效利用頻譜空洞的新技術(shù)。這一技術(shù)允許次級(jí)用戶在主用戶 未使用授權(quán)頻段(頻譜空洞存在）的前提下使用該頻段;一旦主用戶重新使用授權(quán)頻段(頻 譜空洞消失），次級(jí)用戶必須馬上停止使用。因此，頻譜檢測的基本任務(wù)是準(zhǔn)確而快速地檢 測出主用戶信號(hào)，從而使對(duì)主用戶的干擾降到最小。
[0004] 常用的頻譜檢測方法有能量檢測、匹配濾波、循環(huán)特征檢測等。其中，能量檢測法 雖然不是一種最優(yōu)的算法，但是由于它結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算量小，因此得到了更為廣泛的應(yīng)用。 在目前能量檢測的研究中，檢測時(shí)間的長短主要取決于采樣過程和計(jì)算過程，但隨著硬件 運(yùn)算速度的提升，計(jì)算時(shí)間可以忽略不計(jì)，故采樣點(diǎn)數(shù)的多少直接決定了檢測時(shí)間和檢測 速度。因此，如果能夠減少能量檢測中的采樣點(diǎn)數(shù)，就可以明顯提升能量檢測的檢測速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的能量檢測算法，該算法可以自適應(yīng)地選擇進(jìn)行一 步或者兩步檢測。這一算法在保證檢測精度指標(biāo)的前提下，通過減少采樣點(diǎn)數(shù)來縮短檢測 時(shí)間，達(dá)到快速檢測的目的。
[0006] 為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量 檢測算法，包括如下依序步驟：
[0007] a.首先設(shè)定能量檢測的虛警概率為固定值β，通過最大化檢測概率，得到第一門限 值入1和第二門限值人2，且λι^λ2 ;
[0008] b.設(shè)傳統(tǒng)的能量檢測算法總采樣點(diǎn)數(shù)為2Ν，改進(jìn)算法中將傳統(tǒng)檢測算法分為兩步 進(jìn)行，先對(duì)前N個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行第一步能量檢測，得到第一次采樣的能量值h;
[0009] N個(gè)采樣點(diǎn)的能量計(jì)算公式的定義為：
[0010]
[0011]其中，y(k)表示次級(jí)用戶接收到的信號(hào)；
[0012] c.將第一次獲得的能量值化與第一門限值h進(jìn)行比較。
[0013] d.若Vi ，則直接做出主用戶信號(hào)存在的判斷，跳轉(zhuǎn)至步驟g;如果νκλ:，系統(tǒng)繼 續(xù)進(jìn)行第二步檢測；
[0014] e.進(jìn)行第二步能量檢測，根據(jù)能量計(jì)算公式計(jì)算出余下Ν個(gè)點(diǎn)第二次采樣的能量 值V2;
[0015] f.將第一步與第二步檢測得到的能量值…與％的平均值^^與第二門限值λ2? 2 行比較，如果，那么認(rèn)為主用戶信號(hào)存在，否則認(rèn)為主用戶信號(hào)不存在； 2
[0016] g.判斷檢測是否停止，是則終止，否則返回b進(jìn)行下一次檢測。
[0017] 在一較佳實(shí)施例中：最佳門限值是根據(jù)檢測過程中虛警概率和檢測概率的約束關(guān) 系推導(dǎo)得出：
[0018] 首先建立一個(gè)以所述固定虛警概率β為約束，最大化檢測概率為目標(biāo)的優(yōu)化模型， 如下所示：
[0021 ]其中，γ為接收信噪比;通過拉格朗日乘數(shù)法可求得第一門限值h和第二門限值λ2 的關(guān)系式：
[0019]
[0020]
[0022]
[0023]所述第二門限值、的取值范圍滿足：
[0024]
[0025] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所提出的一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算 法具有以下有益效果：
[0026] (1)實(shí)現(xiàn)簡單。能量檢測算法較其他檢測算法而言結(jié)構(gòu)簡單，改進(jìn)的算法可以根據(jù) 第一次采樣獲得的能量值自適應(yīng)的選擇進(jìn)行一次或者兩次能量檢測，算法簡單實(shí)用易實(shí) 現(xiàn)。
[0027] (2)大幅減少檢測時(shí)間。該改進(jìn)算法在固定虛警概率指標(biāo)下，最大化檢測概率從而 優(yōu)化了判決門限。在保證檢測精度的同時(shí)，能夠使平均采樣點(diǎn)數(shù)始終小于傳統(tǒng)能量檢測法。 由于能量檢測算法中的檢測時(shí)間主要與采樣過程有關(guān)，而檢測時(shí)間又直接取決于采樣點(diǎn) 數(shù)。因此本發(fā)明可以顯著減少檢測時(shí)間。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中不同虛警指標(biāo)下采用一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩 步能量檢測算法的實(shí)際檢測概率和第二門限值λ2的關(guān)系圖；
[0029] 圖2在不同虛警指標(biāo)下采用傳統(tǒng)檢測算法和本發(fā)明檢測算法的檢測概率對(duì)比圖； [0030]圖3在不同虛警指標(biāo)下采用傳統(tǒng)檢測算法和本發(fā)明檢測算法的平均采樣點(diǎn)數(shù)比較 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0032] 參考圖1，在傳統(tǒng)能量檢測法的頻譜檢測階段，次級(jí)用戶通過檢測主用戶發(fā)射機(jī)信 號(hào)來判斷主用戶是否存在，本質(zhì)上是一個(gè)二元假設(shè)檢驗(yàn)問題，可描述為
[0033] (1)
[0034] 其中，y(k)表示次用戶接收到的信號(hào)，n(k)表示加性噪聲，s(k)表示主用戶發(fā)射機(jī) 的發(fā)送信號(hào)，h(k)是無線信道的增益，并且n(k)和s(k)相互獨(dú)立;Ho表示主用戶信號(hào)不存 在，出表示主用戶信號(hào)存在。
[0035] 在能量檢測模型中，次級(jí)用戶根據(jù)接收信號(hào)的能量大小來判定其中是否存在主用 戶信號(hào)，其接收信號(hào)的能量可表示為
[0036] (2)
[0037]其中，η表示采樣點(diǎn)數(shù)。
[0038] 將接收信號(hào)的能量V與判決門限值λ進(jìn)行比較，就能判定出主用戶信號(hào)存在(判為 Hi)或者不存在(判為Ho)，描述為
[0039] (3)
[0040] 假定對(duì)二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)信號(hào)進(jìn)行檢測，同時(shí)信道噪聲為零均值單位方差的 實(shí)高斯白噪聲，在采樣點(diǎn)數(shù)η比較大的情況下，判決接收信號(hào)的能量V在出和出假設(shè)下近似服 從如下形式的高斯分布：
[0041] ⑷
[0042]其中，γ是次用戶的接收信噪比。[0043] 在能量檢測中，虛警概率和檢測概率可分別表示為：
、-- ， (6)[0046] 另外，與檢測概率相對(duì)的還有漏檢概率Pm，它的表達(dá)式為
[0044] (；
[0045]
[0047]
(7)
[0048]
[0049] 此外，在能量檢測算法中的檢測時(shí)間主要與采樣過程有關(guān)，若采樣頻率為匕，那么 傳統(tǒng)能量檢測法的檢測時(shí)間Ts可以表示為
[0050] Ts = n/ fs (8)
[0051] 因此，在系統(tǒng)采樣頻率fs給定的情況下，檢測時(shí)間Ts直接取決于采樣點(diǎn)數(shù)η。故可采 用減少采樣點(diǎn)數(shù)的方法來減少檢測時(shí)間。
[0052]假設(shè)傳統(tǒng)的能量檢測方法采用采樣點(diǎn)數(shù)η = 2Ν進(jìn)行采樣，那么在快速兩步能量檢 測算法中將總采樣點(diǎn)數(shù)平均分為兩部分進(jìn)行采樣，并且根據(jù)接收能量值可選擇進(jìn)行一次或 者兩次采樣。檢測過程中，首先假設(shè)虛警概率為一個(gè)恒定值β，在此前提下使檢測概率最大 化，利用最優(yōu)化方法推導(dǎo)出第一門限值心和第二門限值λ 2，其中心多\2。
[0053]在第一步檢測中，先進(jìn)行Ν個(gè)點(diǎn)的采樣，假設(shè)第一次獲得的能量值為％。將能量值h 與第一個(gè)門限值人:比較，如果則直接做出主用戶信號(hào)存在的判決(判為m);如果νκ 心，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行第二步檢測，BP
[0054] - * 1 (9)
[0055] 在第二步檢測過程中，系統(tǒng)對(duì)余下部分的N點(diǎn)進(jìn)行采樣，設(shè)第二次獲得的能量值為 V2,接著將…與心的平均值與第二個(gè)門限λ2?行比較，如果那么認(rèn)為主用 戶信號(hào)存在(判為HO,否則認(rèn)為主用戶信號(hào)不存在(判為Ho)，上述過程可描述為
[0056] (10)
[0057] 第一門限值h和第二門限值λ2的推導(dǎo)過程：
[0058]在兩步檢測過程中，假定第一次判決和第二次判決過程的虛警概率分別為PfjP pf2，對(duì)應(yīng)的檢測概率分別為PddPPd2，則系統(tǒng)總的虛警和檢測概率可分別表示成
[0059] Pf = Pfi+(l-Pfi) · Pf2 (11)
[0060] Pd = Pdi+(l-Pdi) · Pd2 (12)
[0061] 將公式(5)(6)帶入其中計(jì)算可以得到總的虛警和檢測概率，最終的表達(dá)式為
[0062]
[0063]
[0064] 由公式(13)(14)可以看出檢測精度與第一門限值h和第二門限值λ2緊密相關(guān)。
[0065] 為了求取兩個(gè)最佳門限值，本發(fā)明在設(shè)定虛警概率為固定值邱勺前提下，通過使檢 測概率最大化進(jìn)行推導(dǎo)。優(yōu)化問題可以描述如下
[0066]
、-"、 ' -'…-' (16)[0068] 通過求解該最優(yōu)化問題可以得到第一門限值心和第二門限值\2的關(guān)系式： (15)
[0069] (17)
[0070] 改寫公式(17)，得到心和\2的關(guān)系式
[0071] (18)
[0072] 同時(shí)還要注意，為了使公式（18)有意義，需要使Q函數(shù)的逆函數(shù)有意義，因此門限 λ2的取值是有范圍的，要滿足的條件為
[0073]
(| 9)
[0074] 公式（17)(18)和（19)提供了一種數(shù)值求解最佳門限的方法，在采樣點(diǎn)數(shù)Ν、接收信 噪比γ以及虛警指標(biāo)β等參數(shù)已知的情況下，可求得一組最佳的門限值。
[0075] 圖1描繪的是上述的一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算法在一次采樣 點(diǎn)數(shù)Ν= 100、信噪比γ =-5dB時(shí)，設(shè)置不同虛警指標(biāo)(β=0.1,0.05,0.01)的情況下，兩步能 量檢測法的系統(tǒng)實(shí)際檢測概率與第二門限值"的關(guān)系;其中第二門限值1 2在公式（19)的約 束下由公式（18)和公式（16)聯(lián)立得到。
[0076] 橫坐標(biāo)上標(biāo)注的是由公式（18) (16)聯(lián)立得到的最佳門限值λ2(分別是115.0， 118.3,124.6)，它們是使檢測概率Pd最大化的理論值。從上圖可以看到，無論虛警指標(biāo)如何 取值，Pd變化的趨勢是相同的，總是隨著第二門限值、的增大先增大后減小，并且各種情況 下的理論最佳第二門限值λ 2始終與相應(yīng)的檢測概率曲線上最大值點(diǎn)的橫坐標(biāo)一致。這說明 使用這種推導(dǎo)方法可以得到最佳的判決門限值，使檢測概率最大化。
[0077] 在上述的一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算法中，通過將檢測到的能 量值與預(yù)設(shè)門限值進(jìn)行比較，可以選擇進(jìn)行N點(diǎn)或者2N點(diǎn)采樣。假設(shè)Po和Pi*別表示出和出 的先驗(yàn)概率，那么系統(tǒng)的平均采樣點(diǎn)數(shù)N可以表示為
[0078]
(2〇)
[0079] 在先驗(yàn)概率P〇 = Pi = 0.5時(shí)，可以簡化為
- (21)[0081 ]將pfl和pdl的公式帶入，最終可以得到采樣點(diǎn)數(shù)的表達(dá)式為
[0080]
[0082] (22)
[0083] 在傳統(tǒng)能量檢測法中，采樣點(diǎn)數(shù)始終為2N。由于Q函數(shù)的取值范圍在0到1之間，因 此始終有
[0084] /V < 2/V (2 3)
[0085] 從上述分析可以看出，改進(jìn)算法的平均采樣點(diǎn)數(shù)始終少于傳統(tǒng)算法，從而減少采 樣時(shí)間、提尚檢測速度。
[0086] 圖2-3描繪的分別是先驗(yàn)概率化=丹=0.5上述的一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩 步能量檢測算法在一次采樣點(diǎn)數(shù)N= 100,總采樣點(diǎn)數(shù)為2N= 200時(shí)，在不同虛警指標(biāo)(β = 0.1，0.05,0.01)下，兩種算法的檢測性能和平均采樣點(diǎn)數(shù)的比較。如圖所示，上述的一種基 于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算法與傳統(tǒng)檢測法的檢測概率基本相同。此外，無論 信噪比和虛警指標(biāo)如何設(shè)置，傳統(tǒng)檢測法的采樣點(diǎn)數(shù)始終為200,而上述的一種基于減少采 樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算法的采樣點(diǎn)數(shù)始終小于200。并且，隨著信噪比的增大，上述 的一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算法的平均采樣點(diǎn)數(shù)逐漸減小，因此可以有 效地縮短采樣時(shí)間。
[0087] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍 為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算法，其特征在于包括如下依序步驟： a. 首先設(shè)定能量檢測的虛警概率為固定值β，通過最大化檢測概率，得到第一門限值A(chǔ)1 和第二門限值λ2,且λι^：λ2; b. 設(shè)傳統(tǒng)的能量檢測算法總采樣點(diǎn)數(shù)為2Ν，改進(jìn)算法中將傳統(tǒng)檢測算法分為兩步進(jìn) 行，先對(duì)前N個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行第一步能量檢測，得到第一次采樣的能量值V 1; N個(gè)采樣點(diǎn)的能量計(jì)算公式的定其中，y(k)表示次級(jí)用戶接收到的信號(hào)； c. 將第一次獲得的能量值％與第一門限值A(chǔ)1進(jìn)行比較。 d. 若V1SA1,則直接做出主用戶信號(hào)存在的判斷，跳轉(zhuǎn)至步驟g;如果V1O 1，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn) 行第二步檢測； e. 進(jìn)行第二步能量檢測，根據(jù)能量計(jì)算公式計(jì)算出余下N個(gè)點(diǎn)第二次采樣的能量值V2; f. 將第一步與第二步檢測得到的能量值￥1與％的平均值^^與第二門限值λ2進(jìn)行比 Λ 較，如果那么認(rèn)為主用戶信號(hào)存在，否則認(rèn)為主用戶信號(hào)不存在； 2 … g. 判斷檢測是否停止，是則終止，否則返回b進(jìn)行下一次檢測。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于減少采樣點(diǎn)數(shù)的快速兩步能量檢測算法，其特征在 于:最佳門限值是根據(jù)檢測過程中虛警概率和檢測概率的約束關(guān)系推導(dǎo)得出： 首先建立一個(gè)以所述固定虛警概率β為約束，最大化檢測概率為目標(biāo)的優(yōu)化模型，如下 所示：其中，γ為接收信噪比;通過拉格朗日乘數(shù)法可求得第一門限值h和第二門限值λ2的關(guān) 系式：所述第二門限值、的取值范圍滿足：
【文檔編號(hào)】H04B17/382GK105897357SQ201610326437
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】彭盛亮, 鄭偉斌, 賴美玲, 高仁陽, 楊喜
【申請(qǐng)人】華僑大學(xué)