[发明专利]认知无线电系统中基于最大特征值的频谱感知方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种特别用于认知无线电系统中授权用户频段感知的实现方案，属于通信技术领域。

背景技术

随着信息时代的到来，无线设备被广泛使用，无线频谱资源日趋紧张，已成为现代社会不可或缺的宝贵资源。无线资源的分配利用通常是由无线电法规部门确定的。目前世界各国采用的是基于静态(固定)频带分配的原则和方案。

近来，通信界普遍认识到，固定频带分配是造成目前频谱资源日趋缺乏的一个主要原因。2002年11月，美国联邦通信委员会(FCC)发布了一项由Spectrum-Policy Task Force提交的旨在有效管理美国频谱资源的报告。该报告明确指出：“在许多频带，频谱的准入是一个比频谱本身稀缺更加重要的问题，频谱的稀缺很大程度上是由于法规限制了这些频谱上的潜在用户获得准入。”事实确实如此，如果统计一下包括郊区在内的各类地域的频谱占有率，将会发现一些频带在绝大数时间是未被占据的；一些频带是部分时间被占据的；而另外一些频带则是被密集使用的。这种频谱利用的不均的情况引导了通信业界研究人员去思考“频谱空穴”(Spectrum Holes)这样一个崭新的概念，即“一个频谱空穴是分配给授权用户的频带，但是，在某一指定时间和空间，在授权用户不占用这一频带的情况下，此频带可以被其他用户使用。”这样，频谱资源的潜在利用率可以得到明显提高。认知无线电(CR：Cognitive Radio)技术被认为是未来探测频谱空穴特性、高效利用无线频谱的主要手段。

认知无线电是建立在软件无线电(SDR：Software Radio)平台之上的一个智能无线通信系统，能够感知外部环境、使用边了解边累积的方法对外部环境进行学习、并根据外部环境提供的激励，对运行参数进行相应的修改(如：传输功率、载波频率、调制方式等)，从而达到内部状态的自适应调整。从定义中可以看出，认知无线电应当具备的两个主要特征是认知能力(CognitiveCapability)和重新配置能力(Reconfigurability)。认知能力能够使认知无线电与周围环境进行相互交互，进而决定适合的通信参数来适应环境的无线频谱资源；重新配置能力能够不改变任何硬件部分而调整传输功率、载频、调制等发射参数。从认知方面来看，认知无线电类似信号处理和机器学习过程；从重新配置方面来看，认知无线电类似软件无线电在执行通过认知能力获得的任务。认知无线电的两个最主要的目标是可靠的通信方式以及高效的频谱利用效率。

认知无线电技术的认知过程开始于无线电频谱的感知，以做出反应的行为而结束。一个基本的认知无线电工作周期要经历三个基本过程：无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测、功率控制和频谱管理，它们顺序执行使认知无线电系统的认知功能得以实现。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种认知无线电系统中基于最大特征值的频谱感知方法，该方案无需有关噪声功率的信息，不受噪声不确定因素的影响，并能有效改善低信噪比情况下信号的检测性能。

技术方案：本发明运用随机矩阵理论(RMT)知识获得门限值，利用接收到信号的抽样协方差矩阵的最大特征值来实现对信号的检测。并将这种方案运用到认知无线电系统中。

本发明的认知无线电系统中基于最大特征值的频谱感知方法采用接收信号的抽样协方差矩阵的最大特征值λ_max作为判断参量，与噪声最大特征值的统计平均值进行比较，以此来判断频谱是否被占用，即主用户信号是否存在，该方法分为4个部分实现，对接收的信号进行抽样滤波、计算满足虚警概率P_fa的门限值γ、计算最大特征值、判断频谱是否被占用，即判断主用户信号是否存在，具体的方法为：

a.对接收的信号进行抽样滤波：设y(t)为接收到的连续时间信号，信号频带的中心频率为f_c且带宽为W，以抽样速率为f_s对y(t)进行采样，采样时间为T_s＝1/f_s，那么接收到的离散信号为x(n)＝y(nT_s)；接收到的信号通过一个带通滤波器，设为f(k)，k＝0，1，...，K；经过滤波后，接收信号变为：