專利名稱：一種基于分形盒維數(shù)和三階循環(huán)累積量的頻譜感知方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本方法是一種基于分形盒維數(shù)和三階循環(huán)累積量的頻譜感知方法。主要解決認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中主用戶是否占用授權(quán)頻段的檢測，屬于認(rèn)知無線電技術(shù)中頻譜感知領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(cognitive radio)是由分布在主用戶區(qū)域的認(rèn)知用戶和認(rèn)知基站(融合中心)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，在個人服務(wù)、公共服務(wù)及軍事方面有著廣泛的應(yīng)用前景。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中由分布在不同區(qū)域的認(rèn)知用戶進(jìn)行頻譜感知，然后分別將感知結(jié)果上傳至融合中心，融合中心根據(jù)一定的融合算法和判決準(zhǔn)則判斷授權(quán)信道內(nèi)主用戶是否存在。這里認(rèn)知用戶頻譜感知是指認(rèn)知用戶在授權(quán)頻帶內(nèi)接收信道上的信號，信號可能是只有高斯噪聲，也可能是主用戶信號和噪聲的混合信號，然后根據(jù)一定的算法準(zhǔn)則來判斷信號中是否存在主用戶信號，這也稱為單用戶檢測。在單用戶檢測中，主要有匹配濾波器法、能量檢測法和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法三種經(jīng)典方案，其它的也都是在這三個方案上的改進(jìn)。其中匹配濾波器法是相干檢測算法，需要知道主用戶信號結(jié)構(gòu)；循環(huán)平穩(wěn)特征檢測能夠檢測出信號的特性，但是計算比較復(fù)雜；能量檢測算法由于不需要知道主用戶信號任何先驗知識，計算簡單而被廣泛關(guān)注。所以單用戶檢測主流的算法是能量檢測法。I) Digham F，Alouini M S，and Simon M K. On the energy detection of unknown signals over fading channels [J]. IEEE Transactions on Communications, 2007，55(1) : 21-24。該文獻(xiàn)分析了在未知主用戶信號下能量檢測算法公式，以及在不同信道衰落下具體的能量檢測算法過程。能量檢測是對接收信號的能量進(jìn)行一段時間累計，將其與判決門限進(jìn)行比較來判斷主用戶存在與否。其中判決門限的設(shè)置與噪聲功率有關(guān)，由預(yù)設(shè)的虛警概率和噪聲功率求的判決門限，再由所計算的檢測統(tǒng)計量與判決門限比較，若大于門限則主用戶存在，若小于門限則主用戶不存在。2)劉義賢，季飛，余華·認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中基于噪聲功率估計的能量檢測性能[J].電子與信息學(xué)報，2011,33(6):1488-1491.該文獻(xiàn)分析了利用噪聲功率估計值來進(jìn)行能量檢測時判決門限的計算問題，得出判決門限不能直接由噪聲功率估計值來作為真正的噪聲功率，必須進(jìn)行修正。提出了修正判決門限的閉合表達(dá)式，簡化了檢測性能分析和判決門限計算。上述能量檢測算法在不需要主用戶信息先驗知識的前提下，能夠很好地進(jìn)行頻譜檢測，而且計算簡單。但是還存在不足1)首先需要噪聲功率，能量檢測的判決門限直接和噪聲功率相關(guān)，在不知道噪聲功率情況下無法用能量檢測；2)即使在信道上通過一段時間統(tǒng)計獲得該信道的噪聲功率估計值，也需要進(jìn)行修正才能保證能量檢測的準(zhǔn)確性，而且認(rèn)知無線電是一個智能系統(tǒng)，要適應(yīng)無線環(huán)境的動態(tài)變化，基于統(tǒng)計意義的噪聲功率估計值不能很好代表瞬時值。所以認(rèn)知無線電頻譜感知很有必要要解決信息先驗知識未知的問題。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明主要針對認(rèn)知無線電單用戶頻譜感知，針對已有的檢測算法需要信號先驗知識和噪聲功率這些不足，提出改進(jìn)的單用戶檢測算法。本發(fā)明的目的的提供一種能夠在不知道主用戶信息結(jié)構(gòu)，不知道噪聲功率或者不進(jìn)行信道噪聲功率統(tǒng)計的情況下，對授權(quán)信道中的主用戶信息存在與否進(jìn)行很好地檢測。技術(shù)方案本發(fā)明的方法是提出了一種基于分形盒維數(shù)和三階循環(huán)累積量的兩者組合的單用戶頻譜檢測方法。前者保證了在高信噪比的時候能很好地檢測，后者保證低信噪比時很好地檢測主用戶信號。認(rèn)知用戶將接收信號通過分形盒維數(shù)法計算其分形盒維數(shù)值，小于門限值就判決主用戶存在，大于門限值就繼續(xù)通過改進(jìn)的三階循環(huán)累積量算法進(jìn)一步檢測主用戶是否存在，然后向融合中心發(fā)送Ibit感知結(jié)果。本發(fā)明主要目的在于檢測主用戶是否在占用授權(quán)頻帶。下面具體說明方案的運行方式
一、體系結(jié)構(gòu)
圖I給出了本發(fā)明大致框架流程，主要是分形盒維數(shù)法和三階循環(huán)累積量法兩個部分。下面給出這兩部分的具體說明
分形盒維數(shù)判決器分形理論主要研究對象的內(nèi)在聯(lián)系，而分形盒維數(shù)是分形理論中的主要參數(shù)，描述分形信號的幾何尺度信息，通信信號的各種調(diào)制類型特點主要體現(xiàn)在載波信號的幅度、頻率和相位等等上，于是信號波形就包含了它們在幾何、分布疏密上的信息，所以將信號分形集的維數(shù)作為識別通信信號的有無的一個依據(jù)。每個信號不管是調(diào)制信號還是高斯噪聲都有一個穩(wěn)定的盒維數(shù)值Dj' ,而混合信號在高信噪比的時候盒維數(shù)值趨向于調(diào)制信號的盒維數(shù)值，低信噪比的時候由于調(diào)制信號淹沒在高斯噪聲中，混合信號的盒維數(shù)值趨向于高斯噪聲的盒維數(shù)值。所以設(shè)定高于噪聲盒維數(shù)值的門限來判斷主用戶是否存在。改進(jìn)的三階循環(huán)累積量判決器通信信號作為循環(huán)平穩(wěn)信號，其存在穩(wěn)定的非零的三階循環(huán)頻率《，循環(huán)累積量對任何加性平穩(wěn)噪聲和加性高斯噪聲均不敏感。如果知道主用戶信號循環(huán)頻率的情況下可以通過計算接收信號的三階循環(huán)累積量值是否為零來判斷主用戶是否存在。實際環(huán)境下認(rèn)知用戶是不知道主用戶信號結(jié)構(gòu)的，這時可以通過改進(jìn)的三階循環(huán)累積量算法，如圖2所示計算接收信號的三階累積量，并從FFT域觀察是否存在非零的循環(huán)頻率，由于噪聲的影響非零值會很多，可以通過FFT不斷疊加循環(huán)觀察頻率
最高值(即循環(huán)頻率)是否穩(wěn)定來判斷。同時參考接收信號FFT域的^■是否與
相等來進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷，保證檢測的可靠性。二、方法流程
I、針對高信噪比的接收信號
調(diào)制信號和高斯噪聲都有自己穩(wěn)定的盒維數(shù)值，這個盒維數(shù)值不隨自身功率的變化而變化。當(dāng)高斯噪聲作為調(diào)制信號的加性噪聲時，在高信噪比的時候混合信號的盒維數(shù)值趨近于調(diào)制信號的盒維數(shù)值，并且隨著采樣數(shù)的增加而越來越接近，而在低信噪比的時候混合信號噪聲淹沒了調(diào)制信號整體噪聲成分較明顯，故這時盒維數(shù)值趨近于高斯噪聲的盒維數(shù)值。所以分形盒維數(shù)判決器在高信噪比的時候能很好地區(qū)分出調(diào)制信號，并且其計算較能量檢測算法簡單，可以將分形盒維數(shù)用在高信噪比的時候判決信號存在與否。認(rèn)知用戶在授權(quán)頻帶上接收信號，在不知道信道特性的情況下，首先經(jīng)過分形盒維數(shù)判決器，盒維數(shù)值需要計算和<2Δ)，設(shè)接收信號，采樣點數(shù)為《, _和 _)由下式計算
權(quán)利要求
1.一種基于分形盒維數(shù)和三階循環(huán)累積量的頻譜感知方法，其特點在于包含如下步驟先計算接收信號的分形盒維數(shù)值D/，與門限值3比較，如果D/ < . ,則判決主用戶信號存在，向融合中心發(fā)送ibit判決信息，如果/y > a,則進(jìn)行后續(xù)判斷；如果Λ/ > i ,則將接收信號采用改進(jìn)的三階循環(huán)累積量方法，首先將信號分為I段，每段計算其三階累積量和FFT域變換，觀察其非零G =〗...￡ )，如果三a，則Wlxs就是主用戶調(diào)制信號的循環(huán)頻率，即接收信號中主用戶信號存在，向融合中心發(fā)送Ibit判決信息；如果—直變化，則與接收信號一階FFT域的比較，如果貓 沖Lm則主用戶存在，如果w ^本則王用戶不存在。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于分形盒維數(shù)和三階循環(huán)累積量的頻譜感知方法。該方法包括如下步驟各認(rèn)知用戶在授權(quán)頻帶上接收主用戶信息，采樣量化；計算采樣值的分形盒維數(shù)；如果分形盒維數(shù)小于門限值，即高信噪比的情況下，則判斷授權(quán)頻帶上主用戶存在，向融合中心發(fā)送主用戶存在的判決信息，檢測結(jié)束；如果分形盒維數(shù)大于門限值，即低信噪比的情況下，則通過改進(jìn)的三階循環(huán)累積量算法進(jìn)一步檢測主用戶信號是否存在，并向融合中心發(fā)送判決結(jié)果。本方法在信道噪聲方差未知或者存在噪聲方差不確定度的時候，依舊能夠在不同信噪比環(huán)境下有效地檢測主用戶信號，并且本文在傳統(tǒng)三階循環(huán)累積量的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的三階循環(huán)累積量算法，降低計算復(fù)雜度，進(jìn)一步適應(yīng)認(rèn)知無線電快速檢測的要求。
文檔編號H04L27/26GK102594471SQ20121007589
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者張登銀, 程春玲, 肖麗 申請人:南京郵電大學(xué)