[发明专利]基于分段能量处理的截尾型序贯检验方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及认知无线电技术，是一种频谱感知方法，适合用于高复杂性、低信噪比和高动态特性的无线通信信道。

背景技术

随着无线和移动通信的迅速发展，日益增长的对无线频谱的需求和有限的频谱资源之间的矛盾已经成为当前无线通信行业的突出矛盾。尽管如此，美国联盟通信委员会FCC的频谱策略任务工作报告显示大多数频谱在大多数时候都是空闲的，0～3GHz频段的频谱利用率为30％，而3～4GHz和4～5GHz的频谱利用率仅为0.5％和0.3％。为了改善频谱利用率低下的现状，J.Mitola等人提出了认知无线电的概念。其主要思想是允许非授权用户能够感知、识别甚至接入当前空闲的专用频段，从而大幅提高频谱利用率。为了达到充分利用频谱并且尽量保护授权用户的目的，非授权用户必须准确地感知其周围的频谱占用情况，以尽量减小对授权用户正常通信的干扰。由于电波传输过程中的多径衰落和大量存在的噪声干扰都会影响了授权用户的频谱感知性能，因此复杂恶劣电磁环境下的频谱感知研究受到国内外学者的广泛关注。

现有的频谱感知算法主要有：能量检测法、匹配滤波法和循环特征谱检测法等。尽管匹配滤波法的检测性能比较好，但由于要依赖先验信息，难以应用到诸如短波通信系统这种干扰信号多、调制方式多样的系统中，而且计算复杂度高，严重制约了它们的实际应用；循环特征谱法不需要提供先验信息，但由于计算复杂度比较高，直接限制了频谱感知速度和检测效率；能量检测法因其不依赖先验信息、计算复杂低和检测速度快等优点而倍受青睐。然而，能量检测法在复杂恶劣电磁环境下特别是低信噪比条件下的检测性能比较差，频谱感知时间较长。为了降低所需采样点数和缩短感知时间，近年来一些基于序贯似然比检验SPRT的检测算法被提出并应用到认知无线电中。序贯似然比检验是A.Wald在1947年提出的，最初是用于第二次世界大战期间美国军火生产中的质量检验工作，为了保证在一定时间内有足够证据停止检验并作出判决，A.Wald又设计了截尾型的序贯检验方法SPRT。由于SPRT是最优的检验法，且所需平均样本容量ASN最小，至今已经广泛应用于各个领域，如产品的质量检验、模型变点检测、辐射监控等等。

如图1所示：假设在一个窄带认知无线电系统中存在一个主要用户，它允许感知用户在频谱空闲情况下使用该频段，从而提高频谱利用率。因此，即使在存在大量干扰信号和阴影效应情况下，感知用户必须能够实时、准确地检测主要用户信号的存在与否，才能避免对主要用户造成有害干扰。感知方法的研究可以看作是二元假设检验问题：

H₀∶x_i＝w_i&H₁∶x_i＝s_i+w_i(1)

式中，H₀和H₁分别代表主要用户信号不存在和存在的情况，s_i和w_i分别表示接收到的主要信号序列和干扰噪声序列，1≤i≤N，N为序列长度。为便于频谱感知的技术研究和性能分析，通常假设：1)、噪声w_i是均值为0，方差为的复高斯随机序列，即2)、接收信号s_i的平均功率为P，且信号s_i和噪声w_i相互独立；3)、感知用户通过测量能够得到本地干扰噪声方差和接收信号平均功率P。

根据二元假设检验模型和能量检测算法原理，将检测统计量T(x)与判决门限γ进行比较：

式中，N表示接收信号序列长度。在H₀和H₁情况下，检测统计量T(x)分别服从自由度为2N的卡方分布和非中心卡方分布，即：

式中，为感知节点的接收信噪比。在获得相同检测性能情况下，相比于能量检测算法，序贯检验算法能够大大降低所需要的平均容量样本ASN，从而有效缩短频谱感知时间。然而，接收信号能量服从具有复杂概率密度分布函数的卡方分布将该分布函数直接用于计算序贯检验的最大似然比非常困难，频谱感知的计算复杂度较高，导致后续研究工作无法继续进行，因此，需要进一步探讨在复杂电磁环境下，适用于无线通信的更为有效可靠的频谱感知方法。

发明内容