[发明专利]基于加权一致优化的宽带分布式协作压缩频谱感知方法

权利要求书

1.一种基于加权一致优化的宽带分布式协作压缩频谱感知方法，其特征在于包括以下步骤：

①在一个认知无线电宽带网络中，同时存在J个感知用户和M个授权用户，并存在P个正在通信的授权用户；将认知无线电宽带网络中可利用的总带宽频谱均匀分为M个子频段，且每个子频段仅被单个授权用户或单个感知用户占用通信，每个子频段经历频率选择性衰落，并在每次感知间隔内每个子频段的增益服从瑞利分布且保持不变；其中，J≥1，M≥1，1≤P≤M；

②利用模拟信息转换器对每个感知用户接收到的由所有正在通信的授权用户发送的模拟信号形成的叠加模拟信号进行处理，获得每个感知用户接收到的叠加模拟信号对应的压缩采样数据，将第j个感知用户接收到的叠加模拟信号y_j(t)对应的压缩采样数据以向量形式表示为z_j，z_j＝Φ_jy_j；同时，获取每个感知用户接收到的叠加模拟信号在频域表示的频域离散信号，将第j个感知用户接收到的叠加模拟信号y_j(t)在频域表示的频域离散信号记为y_f,j，y_f,j＝H_f,jx_f,j+n_f,j；其中，1≤j≤J，z_j的维数为K×1，符号为向上取整符号，Φ_j表示在第j个感知用户的用户端的维数为K×M的高斯随机测量矩阵，Φ_j中的每个元素的值服从均值为零、方差为的正态分布，y_j表示第j个感知用户接收到的叠加模拟信号y_j(t)在时域表示的时域离散信号，y_j的维数为M×1，t为连续时间变量，1≤p≤P，h_p,j(t)表示第j个感知用户与正在通信的第p个授权用户之间的信道增益信号，符号“*”为卷积运算符号，x_p,j(t)表示正在通信的第p个授权用户发送给第j个感知用户的模拟信号，n_j(t)表示在第j个感知用户的用户端的高斯噪声信号，模拟信息转换器等效为先通过奈奎斯特采样、再通过压缩采样，y_f,j的维数为M×1，H_f,j表示在第j个感知用户的用户端的信道增益矩阵，H_f,j的维数为M×M，h_f,p,j表示h_p,j(t)在频域表示的频域离散信号，h_f,p,j的维数为M×1，diag(h_f,p,j)表示以h_f,p,j中的元素为对角元素构成的对角矩阵，diag(h_f,p,j)的维数为M×M，x_f,j表示所有正在通信的授权用户发送给第j个感知用户的频域离散信号，x_f,j的维数为M×1，x_f,p,j表示x_p,j(t)在频域表示的频域离散信号，x_f,p,j的维数为M×1，n_f,j表示n_j(t)在频域表示的频域离散信号，n_f,j的维数为M×1；

③根据离散傅里叶变换关系，建立每个感知用户接收到的叠加模拟信号对应的压缩采样数据与每个感知用户接收到的叠加模拟信号在频域表示的频域离散信号之间的关系，将z_j与y_f,j之间的关系描述为：

z_j＝Φ_jy_j＝Φ_jF^-1y_f,j＝Φ_jF^-1(H_f,jx_f,j+n_f,j)＝Φ_jF^-1H_f,jx_f,j+Φ_jF^-1n_f,j；然后根据每个感知用户接收到的叠加模拟信号对应的压缩采样数据与每个感知用户接收到的叠加模拟信号在频域表示的频域离散信号之间的关系，构建每个感知用户接收到的叠加模拟信号对应的重构问题，将第j个感知用户接收到的叠加模拟信号对应的重构问题描述为：z_j＝A_jx_f,j+Φ_jF^-1n_f,j；接着根据压缩感知理论，将每个感知用户接收到的叠加模拟信号对应的重构问题转变为优化问题，将第j个感知用户接收到的叠加模拟信号对应的优化问题描述为：再根据受噪声的影响，将每个感知用户接收到的叠加模拟信号对应的优化问题转变为受噪声影响的问题，将第j个感知用户接收到的叠加模拟信号对应的受噪声影响的问题描述为：其中，F^-1表示维数为M×M的离散傅里叶逆变换矩阵，A_j表示维数为K×M的传感矩阵，A_j＝Φ_jF^-1H_f,j，表示第j个感知用户重构出的频谱信号，的维数为M×1，||x_f,j||₁表示求取x_f,j的1-范数，表示取使得||x_f,j||₁的值最小时的x_f,j，“s.t.”表示“受约束于……”，||z_j-A_jx_f,j||₂表示求取z_j-A_jx_f,j的2-范数，ε为噪声误差上界；

④根据每个感知用户接收到的叠加模拟信号对应的受噪声影响的问题，获取每个感知用户重构出的频谱信号，获取的具体过程为：

④_1、令v表示迭代的次数，令v_max表示设定的最大迭代次数，令表示第j个感知用户经第v次迭代后重构出的频谱信号，则有其中，v的初始值为1，1≤v≤v_max；

④_2、结合加权策略将转变为其中，1≤k≤M，表示在第v次迭代时第k个子频段的权值，当v≠1时ρ为一个小常数，0≤ρ<γ，γ为判决门限，符号“||”为取绝对值符号，表示第j个感知用户经第v-1次迭代后重构出的频谱信号上的第k个子频段的幅值，当v＝1时令表示x_f,j上的第k个子频段的幅值，表示取使得的值最小时的x_f,j；

④_3、将转变为可通过求解正则化l₁范数最小二乘方式来获取的问题，描述为：其中，为由作为对角元素构成的对角加权矩阵，对应表示在第v次迭代时第1个子频段的权值、第2个子频段的权值、……、第M个子频段的权值，的维数为M×M，表示求取的1-范数，λ_j表示在第j个感知用户的用户端的正则化常数，表示取使得的值最小时的x_f,j；

④_4、将转化为分布式协作频谱感知问题，描述为：其中，当v≠1时表示以第j个感知用户为中心的一跳通信范围内与第j个感知用户相邻的第i个感知用户经第v-1次迭代后重构出的频谱信号，当v＝1时的值为零向量，表示以第j个感知用户为中心的一跳通信范围内与第j个感知用户相邻的感知用户的总个数；

④_5、将转化为计算量少的分布式协作频谱感知问题，描述为：其中，θ_ji表示第j个感知用户和以第j个感知用户为中心的一跳通信范围内与第j个感知用户相邻的第i个感知用户之间的连接系数，

④_6、将转化为可通过交替方向乘子法来获取的问题，描述为：

其中，当v≠1时表示第v-1次迭代时的拉格朗日乘子向量，当v＝1时的值为零向量，的维数为1×M，当v>2时表示第v-2次迭代时的拉格朗日乘子向量，当v＝2时的值为零向量，c为增强拉格朗日乘子系数，表示求取的2-范数，表示取使得的值最小时的x_f,j；

④_7、如果则结束迭代过程，令如果则判断v<v_max是否成立，若成立，则令v＝v+1，然后返回步骤④_2继续执行，否则，结束迭代过程，令其中，表示求取的2-范数，α为一个小的正常数，v＝v+1中的“＝”为赋值符号；

⑤在获取每个感知用户重构出的频谱信号后，判定每个感知用户重构出的频谱信号上的各个子频段的占用状态，上的第k个子频段的占用状态的判定过程为：

⑤_1、令表示上的第k个子频段的占用状态，表示上的第k个子频段被授权用户占用，表示上的第k个子频段未被授权用户占用；

⑤_2、计算上的第k个子频段的能量，记为e_j,k，其中，表示上的第k个子频段的幅值；

⑤_3、令其中，τ表示能量门限，