[发明专利]基于矩阵填充的室内空闲频谱检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种基于矩阵填充的室内空闲频谱检测方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的发展，无线设备和应用的数目迅速增长，无线电频谱资源(SpectrumResource)变得越来越稀缺。为了满足日益增长的无线电频谱资源需求，人们提出了许多频谱共享技术，其中：一项技术就是动态频谱接入(DynamicSpectrumAccess)。在广播电视频谱进行了数模转换之后，留出了大量的空闲频谱，如何动态检测利用这些空闲频谱已成为动态频谱接入领域的一个研究热点。

由于非授权用户在使用这些广播电视空闲频谱的时候，不得干扰广播电视信号的正常传输。那么为了使用这些空闲频谱资源，其第一步也是最重要的一步，就是如何正确并高效地检测空闲频谱。目前检测空闲频谱的方法主要分为两类：一个是进行本地频谱感知(LocalSpectrumSensing)，另一个是通过查询基于地理位置的频谱数据库(Geo-locationDatabase)。由于频谱感知的方法对设备和能量的需求很高，建立频谱数据库成为现在推荐的空闲频谱检测方法。

现有的频谱数据库大多关注室外场景，且依赖于某种比较流行的经验传播模型，通过这种传播模型对目标位置的信号能量进行预测，导致对室内空闲频谱检测的结果十分保守且不精确。再者，由于室内环境的复杂性，室内空闲频谱的分布情况与室外场景往往有很大区别，而上述的传播模型并没有考虑到建筑物内的墙和障碍物等对信号传播产生的影响，所以简单地将室外空闲频谱的检测手段应用到室内场景显然是不能满足需求的。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103533555A，公开(公告)日2014.01.22，公开了一种基于认知技术的无线通信室内覆盖干扰消除方案。其步骤包括：第一步，划分系统带宽为若干个等间距、不重叠的窄带子信道；第二步，将子信道的检测问题构造为二元假设检验模型；第三步，基于接收信号计算检验统计量；第四步，根据检验统计量与判决门限值做判决，估计出频谱的使用情况；第五步，家庭基站机会频谱接入空闲子信道进行通信。但该技术基于统计量的检验模型过于简单，估算结果十分保守，无法达到期望的精度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于矩阵填充的室内空闲频谱检测方法，利用矩阵填充的方式预先构建频谱数据库，在恢复室内空闲频谱分布情况中采用低能量消耗的恢复算法，能够显著地提高室内空闲频谱检测的正确率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过在给定室内场景中，使用频谱感知设备对信号强度分布情况进行收集并生成训练数据集，然后通过对室内空闲频谱的估计问题进行建模，基于该模型和训练数据集恢复得到未布设传感器位置处的数据；当收到用户发出的位置信息时即可反馈该位置对应的可用信道列表信息。

所述方法具体包括以下步骤：

步骤1、在给定室内场景中，使用频谱感知设备对信号强度分布情况进行收集和学习，并生成训练数据集，具体包括：在室内场景中选择n个均匀分布的测量点，在每个测量点同时对m个信道的信号强度进行检测，获得一个n×m的信号强度矩阵；重复检测步骤若干次以提高学习室内空闲频谱在时空上和频谱上的相关性的精度。

所述的学习是指：在收集到的信号强度矩阵基础上，研究相邻两次测量结果在时间上的相关程度，即时间相关性；对某一地点而言，研究其所有信道的信号强度与其他地点之间的相关程度，即空间相关性；对某一信道而言，研究其传播模式与其他信道之间的相关程度，即频谱相关性，学习的结果将直接指导设计后续的矩阵填充恢复算法。

步骤2、将室内空闲频谱的恢复问题，即对未设置传感器的位置处对应的频谱信号的估计进行建模，具体包括：根据步骤1中收集的信号强度矩阵对地点进行K-Metroid聚类，分成k组并将每一组的组头选作锚点，在每个锚点处布设传感器，该传感器定期将收集到的测量数据发送给室内频谱数据库。

由于传感器数量有限，则室内频谱数据库每次收集到的是一个缺失了很多行的信号强度矩阵X，而室内空闲频谱的恢复问题就是利用矩阵填充技术将矩阵X恢复成一个完整的低秩矩阵

所述的建模优选为：将室内空闲频谱的恢复问题建模成一个最小化的优化问题，即

最小化：其中：M是一个二进制指示矩阵，用来表示传感器的布设情况，.*表示两个矩阵的逐点乘积，即阿达玛乘积，T是时间相关性限制矩阵，S是空间和频谱相关性限制矩阵。

步骤3、通过模型和训练数据集恢复得到未布设传感器位置处的数据，具体包括：