[发明专利]基于最优检测门限的两步认知无线电频谱检测方法有效

专利信息
申请号: 201310195630.4 申请日: 2013-05-23
公开(公告)号: CN104184526B 公开(公告)日: 2018-05-01
发明(设计)人: 邓素敏;杜磊;姬艳丽;王卫东;张英海 申请(专利权)人: 北京邮电大学
主分类号: H04B17/382 分类号: H04B17/382
代理公司: 北京路浩知识产权代理有限公司11002 代理人: 王莹
地址: 100876 北京市*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 基于 最优 检测 门限 认知 无线电 频谱 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及认知无线电频谱检测技术领域,具体涉及一种基于最优检测门限的两步认知无线电频谱检测方法。

背景技术

频谱资源是一种总量有限、不可再生的资源。频谱资源的供需矛盾,就是用户日益增长的业务需求与有限的频谱资源间的矛盾。解决频谱资源的供需矛盾,必须从频谱资源的利用效率着手,通过提高频谱利用率,使得有限的频谱资源能够承载更多的数据,实现无线通信系统传输能力的提升。因此,如何提升频谱效率一直是无线通信领域的研究的重要问题。

传统的无线电管理采用静态的频谱管理方式。各国无线电管理机构在无线电频率划分表上,为不同的无线电业务划分频谱范围,通过分割的方式将频谱资源分配给不同的无线通信系统使用。在现有的静态的频谱管理方式下,通过先进的物理层技术,缩小频率复用距离,以及合理地分配频谱资源,能够在一定程度上缓解了频谱资源日益紧张的局面,但是上述技术手段也有各自的局限性。从目前频谱资源的需求和使用现状来看,频谱缺乏的问题并未得到根本解决。因此研究者开始考虑突破现有的静态频谱管理方式,采用更加灵活的频谱管理策略,通过允许不同的通信系统共享频谱资源,提升频谱资源的使用效率,即动态频谱共享。

认知无线电技术是一种典型的动态频谱共享技术,是未来无线及移动通信技术演进和发展中最具前景的技术之一。认知无线电的概念最早由瑞典的Joseph Mitola博士提出,Mitola对认知无线电的认识强调其学习和推理能力,认为认知无线电可以通过智能地感知环境,不断地学习,再通过自适应地调整通信参数来适应环境的变化。之后美国联邦通信委员会(FCC)电气和电子工程协会(IEEE)以及国际电信联盟(ITU)等组织机构或学者都对认知无线电给出了不同层面的定义。但是环境感知能力、自适应能力和智能性在以上定义中均得到体现。环境感知能力是指认知无线电应具备从其工作环境中获取信息的能力,包括频谱检测、数据库、无线环境地图等。认知无线电的思想就是从用户通过环境感知获取周围环境信息,从而动态利用授权给主用户的频谱资源。因此,频谱检测是认知无线电最基础的关键技术。

按照检测主用户发射机信号和接收机信号来分,频谱检测技术可以分为发射机检测和接收机检测。这两类检测都属于物理层检测。接收机检测利用无线电接收机超外差结构,通过检测本振泄露出来的功率来检测主用户是否存在。然而,由于近年来接收机系统的不断改进,本振泄露的功率呈下降之势。因此,认知无线电采用接收机检测是不现实的,不予考虑。而发射机检测主要包括能量检测、匹配滤波检测和循环平稳特征检测。

能量检测的方法容易实现,是在噪声分布明确的背景下应用最广泛的检测方法,它的原理是在假定信号与噪声相互独立、噪声是零均值的条件下,信号加噪声的能量大于噪声的能量,即主用户信号存在时的接收信号的能量大于其不存在时的能量,据此即可判决出信道上有无信号存在。能量检测法的优点是不需要估计主用户信号参数,复杂度低,检测速度快;它的缺点是在低信噪比的情况下,主用户信号被噪声掩盖,区分不出主用户信号和噪声。这说明能量检测适用于主用户信号功率比较强的感知环境,在低信噪比环境下不能满足频谱感知的要求。

匹配滤波检测利用匹配滤波器输出信噪比最大这一特点,能够最佳地判断信号的出现。然而,匹配滤波检测是一种相干检测,要求针对已知用户信号进行有效解调,这意味着认知用户需要预知主用户信号的调制方式、脉冲波形、数据包格式等先验知识,若先验知识不准确,检测性能将会变得很差。这使得匹配滤波检测的使用具有很大的局限性。

循环平稳特征检测法根据大多数主用户信号在通信系统中经过调制、编码等运算,具有周期平稳性而展现出独特的频谱相关性,而噪声和干扰不具有频谱相关特性来检测。所以循环平稳特征检测可以根据接收信号是否具有频谱相关特性来区分主用户信号与噪声,抗噪声干扰能力强,在精细的信号检测等方面应用广泛。循环平稳特征检测通常通过分析接收信号谱相关函数的周期特性来检测,该检测又称谱相关检测法,谱相关密度函数将功率谱密度函数的频率轴扩展到由谱频率和循环频率组成的平面,成为含有相位信息的复数谱,提供了更全面的信息,所以谱相关检测法可以应用于低信噪比的认知环境。由于静态噪声和部分干扰是没有相关函数值的,循环平稳特征检测在没有主用户信号信息的情况下,就能可靠的区分噪声和主用户信号,克服了匹配滤波器检测和能量检测的缺点。但是,循环平稳特征检测计算量大,复杂度高,观测周期较长,在高实时性要求的检测环境下需要斟酌使用。

面对复杂的信道状况,可以联合两种方法的优点,采用两步检测方法实现检测速度和检测精度的兼顾。

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