[发明专利]一种认知无线电中检测频谱空洞的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在认知无线电中检测频谱空洞的方法，尤其涉及采用多个认知用户协作感知检测频谱空洞的方法。

背景技术

无线通信频谱是一种非常宝贵的自然资源，一般由政府授权使用。无线频谱分配方法是将某一段频谱固定地授权给一个用户。随着无线业务的发展，无线频谱资源渐渐匮乏，固定式频谱分配的弊端不断显现。在实际应用中，频率需求非常紧张的主要集中在频带为数百MHz-3GHz的无线频带中，一些频带大部分时间内并没有用户使用，另外有一些偶尔才被占用，而其他一些频带的使用则相对很频繁。如何提高频谱利用率成为人们非常关注的技术问题。因此提出了在认知无线电技术，通过机会性的接入空闲地授权频段并且不对授权用户产生干扰的方法来解决频谱使用率不高的问题。根据参与感知的认知用户数情况，针对授权主用户信号的感知可分为：单用户感知和多用户协作感知。

单用户频谱感知方案即单个设备实现对主用户信号的感知判决，具有代表性的有：匹配滤波器检测、能量检测、循环平稳特征值检测等。

匹配滤波器检测的工作原理是指滤波器的性能与信号的特性取得某种一致，使滤波器输出端的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值最大化。在认知无线电设备中使用匹配滤波器，与已有的通信网络中检测信号一样，实际上就是相干解调，认知无线电用户需要知道授权主用户的先验信息，如包括调制方式、冲激波形以及包格式等等。该方法缺点在于实际操作中会出现因为不能获知主用户信号结构而造成匹配滤波器检测器不能判决的情况。

能量检测是通过测量一段时间或者一段频域内的接收信号能量值来判断是否有授权用户存在，是一种非相关检测方法。能量检测技术直接是对接收信号的能量值进行平方处理，不需要知道主用户的先验信息，且易于实现，这在认知无线电技术中很有优势。缺点在于能量检测技术容易受到认知用户射频环境、射频前端性能以及移动环境的影响。

在授权网络中，由于信号受人工周期信号的调制，对信号的离散采样、扫描、调制、多址、编码以及物理现象固有的周期性都使信号的统计特性呈现周期性，因此调制信号具有典型的循环平稳性：如其统计特性、均值、自相关函数都呈现循环周期性。循环平稳特征检测方法就是通过利用谱相关函数检测接收信号中存在的循环周期特征来确定授权用户信号是否存在。循环平稳特性检测法克服了匹配滤波器法和能量检测法的诸多缺点，还可以应用于扩频信号的检测，这种方法无需知道信号的先验信息而且能够摆脱背景噪声的影响，但它计算的复杂度高，要求的观测时间较长。

多用户协作感知，在认知环境中，在主用户和认知用户之间的信道可能会存在不同程度的衰落或者阴影衰落甚至会遇到较大的障碍物会导致认知用户端接收到的主用户信号衰减很大，从而造成错检误判，而对主用户通信造成干扰。而多用户协作检测可以有效克服单用户检测的隐性终端问题，提高检测性能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种针对协作认知无线电系统增强系统检测鲁棒性的解决方法，来解决由于建筑物阻挡、认知用户能量耗尽及认知用户发生物理损坏导致协作用户减少而主用户信号检测率下降的问题，本方法是一种策略性方法，通过使用本发明提出的方法可以有效提高协作用户较少情况下的系统检测性能。

技术方案：本发明的方法是一种策略性的方法，通过对原始认知用户的感知信号的拆分重组达到增加信号相关信息量的目的。

根据图1所示的本发明协作认知系统的感知场景示意图，假设认知单元中有多个分布在不同地理位置上的认知用户SU以及一个主用户基站PBS和一个认知从基站SBS，本发明的方法是：

1.认知系统中的独立认知用户SU对需要检测的频谱环境进行采样，获得感知信号。感知信号即为主用户SU发射机信号，认知从基站SBS通过对感知信号的分析，最后得出判决结果。

2.认知用户SU将采样得到的感知信号数据通过认知系统中的控制信道发送给认知从基站SBS。控制信道是认知系统中的预留信号带宽，通常用于传输感知信号和控制信号。

3.认知从基站SBS接收到多个感知信号，认知从基站SBS通过信号分解器将每个感知信号拆分成q段较短的感知信号，并将这些信号分别存储在寄存器中，然后得到一个感知信号矩阵Y。假设认知用户的感知时隙为T，信号分解器将时长为T的感知信号平均分成q段时隙为t的信号段（其中T为t的整数倍，T=q*t）。

4.计算感知信号矩阵Y协方差矩阵，以及协方差矩阵的最大特征值和最小特征值λ_max和λ_min，最大最小特征值比