一种基于自适应压缩感知的宽带频谱感知方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线电通信技术领域，具体涉及一种基于自适应压缩感知的宽带频谱 感知方法。
【背景技术】
[0002] 现有技术中，传统频谱感知方法包括能量检测感知、匹配滤波感知和循环平稳特 征感知，中国国内外的科技文献和专利文献中介绍的频谱感知方法属于上述几类。随着宽 带无线网络的广泛应用，无线通信系统工作于更高更宽的频段上，感知设备必须具有宽带 频谱检测能力，带宽可能高至吉赫兹。传统方法不具备宽带频谱范围上的感知能力，检测频 带越宽，所需的采样速率和处理速度越高，硬件实现的技术难度和成本也越大，限制了频谱 感知技术的应用。近年来，人们基于宽带无线信号频谱固有稀疏性的考虑，将压缩采样理论 (Compressed Sensing Theory)思想引入到频谱感知领域，以远低于奈奎斯特速率的速率 对信号进行欠采样，再利用重构算法恢复原始信号。Z. Tian在国际会议ICASSP 2007上发 表了《Compressed Sensing for Wideband Cognitive Radios》，首次米用压缩感知技术进 行宽带频谱感知；西安电子科技大学提出《基于自相关矩阵重构的压缩频谱感知方法》的发 明专利，利用自相关矩阵特性实现快速、低复杂度的频谱感知。压缩频谱感知方法有效解决 了难以在宽带频谱上进行感知的问题，但仍存在感知效率不高、对环境适应性不强、感知频 谱范围与感知分辨率、算法复杂度相矛盾的缺点。
[0003] 为解决感知效率和对环境适应性的问题，Y. Wang在2010IEEE Globecom会议发 表的文章《A two-step compressed spectrum sensing scheme for wideband cognitive radios》中提出了一种具有自适应感知思想的两步式压缩频谱感知方法，第一步估计接收 频谱信号的频谱稀疏度，第二步根据频谱稀疏度调整信号重构所需的样点数量，实现自适 应的压缩频谱感知。专利申请号201310544294. X，发明名称为"一种基于渐进步长的稀疏 度自适应压缩频谱感知方法"提出了类似的观点，不同之处在于利用闭环结构根据稀疏度 判决调整观测统计量。上述方法具有自适应的特性，能够一定程度上提高感知效率，具有 对环境频谱稀疏度的适应性，但两种方法都需要额外对频谱稀疏度进行估计再进行频谱感 知；此外该类方法对频谱稀疏度估计的精度和门限值较敏感，在实际应用中不够直接、难度 较大、可靠性不高。
[0004] 未来无线通信系统将容纳越来越多的用户，提供更高性能、更多内容的服务，业务 量不断增大与无线频谱资源紧张的矛盾日益突出，为了解决频谱资源短缺和频谱利用率低 的问题，人们提出了认知无线电（CR，Cognitive Radio)的概念。认知无线电在保证授权用 户正常通信的前提下，允许未授权用户动态接入已分配给授权用户但未被其使用的空闲频 谱，从而提高系统频谱利用率。为了确保授权用户对授权频段的使用不受影响，认知用户必 须能够快速、准确地对授权频段进行感知，检测哪些频段被占用或处于空闲。因此，频谱感 知是认知无线电中最为关键的技术和首要任务。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术中的缺陷，提供了一种基于自适应压缩感知的宽带频谱感知方 法，实时根据频谱感知重构结果主动的终止感知过程，更好适应不同的宽带频谱占用率和 接收信噪比状况，节省频谱感知所需时间，提高设备数据传输效率，该方法同时采用了宽带 软件无线电架构和自适应感知频段选择，在保证超宽频带感知范围的同时，频谱感知结果 更加精细、准确，方法实现更为简单。
[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于自适应压缩感知的宽带频谱感知方 法，所述方法包括以下步骤：
[0007] 步骤1 :划分感知时隙，对周期出现的感知时隙进行频谱感知，将所述感知时隙划 分为一个固定感知子时隙和若干个自适应感知子时隙；
[0008] 步骤2 :将频率范围划分为若干宽频段，确认待感知可选宽频段，将宽至吉赫的频 率范围划分为若干个可选频段，每个所述可选频段仍占据几十或几百兆赫的宽频带，根据 通信需求和已知的频谱资源情况，每次只自适应的选择一个可选频段作为待感知频段，通 过射频端混频与滤波处理，将所述待感知频段的宽带模拟信号搬移到低频或中频并分离出 来，用于后续感知分析；
[0009] 步骤3 :固定感知子时隙上压缩采样，在步骤1所述固定感知子时隙上对自适应选 择的待感知频段信号进行压缩采样，获得固定感知子时隙上的观测向量；
[0010] 步骤4 :对步骤3所述固定感知子时隙上的观测向量进行粒子群优化算法的信号 频谱重构；
[0011] 步骤5 :在所述自适应感知子时隙上压缩采样，更新观测向量，进行基于共轭梯度 算法的频谱重构；
[0012] 步骤6 :判断该自适应感知子时隙上的频谱重构结果是否满足收敛条件，不满足 则返回步骤5进行下一个自适应感知子时隙的压缩感知，满足则进入步骤7 ;
[0013] 步骤7 :输出最终频谱感知结果，利用剩余自适应感知子时隙，在"空闲"子频段上 进行正常通信。
[0014] 进一步地，所述方法中步骤4包括以下步骤：
[0015] 1)根据固定感知子时隙上的观测向量％重构频谱4，可以转换为求I1-范数最小 二乘优化问题的最优解，如式（1)所示：
【主权项】
1. 一种基于自适应压缩感知的宽带频谱感知方法，其特征在于，所述方法包括以下步 骤： 步骤1:划分感知时隙，对周期出现的感知时隙进行频谱感知，将所述感知时隙划分为 一个固定感知子时隙和若干个自适应感知子时隙； 步骤2 :将频率范围划分为若干宽频段，确认待感知可选宽频段，将宽至吉赫的频率范 围划分为若干个可选频段，每个所述可选频段仍占据几十或几百兆赫的宽频带，根据通信 需求和已知的频谱资源情况，每次只自适应的选择一个可选频段作为待感知频段，通过射 频端混频与滤波处理，将所述待感知频段的宽带模拟信号搬移到低频或中频并分离出来， 用于后续感知分析； 步骤3 :固定感知子时隙上压缩采样，在步骤1所述固定感知子时隙上对自适应选择的 待感知频段信号进行压缩采样，获得固定感知子时隙上的观测向量； 步骤4 :对步骤3所述固定感知子时隙上的观测向量进行粒子群优化算法的信号频谱 重构； 步骤5 :在所述自适应感知子时隙上压缩采样，更新观测向量，进行基于共轭梯度算法 的频谱重构； 步骤6:判断所述自适应感知子时隙上的频谱重构结果是否满足收敛条件，不满足则 返回步骤5进行下一个自适应感知子时隙的压缩感知，满足则进入步骤7 ; 步骤7 :输出最终频谱感知结果，利用剩余自适应感知子时隙，在"空闲"子频段上进行 正常通信。
2. 根据权利要求1所述基于自适应压缩感知的宽带频谱感知方法，其特征在于，所述 方法中步骤4包括以下步骤： 1) 根据固定感知子时隙上的观测向量y〇重构频谱，可以转换为求lr范数最小二乘 优化问题的最优解，如式（1)所示：
其中A是正的权值系数，式（1)的另一种表达式为：
为PSO算法的目标函数，
2) 初始化粒子群优化算法参数，令粒子群优化算法迭代变量为k，最大迭代次数K_， 种群粒子数Np，惯性因子《和学习因子分别为Yl，Y2; 3) 令k= 0,在解空间初始化％个粒子，定义其2N维的位置向量和速度向量分别为
位置向量分别代入式（2)计算目标函数值nfb=i,2，...,&)，比较找到粒子自身历史最优 解向量
和种群中所有粒子比较获得的历史最优解向量
5) 根据本次迭代的最优解向量更新粒子群的速度向量和位置向量：
，参数《，ypy2根据具体应用 选择[〇，1]区间的数； 6)k=k+1，当满足k=Kmax时终止粒子群优化算法迭代，固定感知子时隙上的解向量
，满足则进 入所述步骤5,不满足k= 1(_时，用初始化粒子群优化算法继续迭代，返回到所述步骤4中 的第4)步骤。
3.根据权利要求1所述基于自适应压缩感知的宽带频谱感知方法，其特征在于，所述 方法中步骤5包括以下步骤： 1) 先设定初始化参数1 = 1 ; 2) 在第1个自适应感知子时隙上进行压缩采样，自适应感知子时隙宽度为Ta，获得一 组Tafs个采样值的向量％，将I与第1-1个子时隙用于压缩感知处理的观测向量yi_i合并， 得到第1个自适应感知子时隙上的M1=(TJlTj4维观测向量
，观测向量
.Wi为高斯白噪声向量，
为随着自适应感知子时隙更新的IXN维 观测矩阵，
同样地，优化问题转换为一 种表示形式：
，太和Ai可以很容易在y'h和A^基础上更新获得； 3) 设共扼梯度算法迭代变量为t，最大迭代次数at是步长因子； 4) 令t= 0,解的初始值r/°) = ; 5) 采用共轭梯度算法计算：
6)t=t+1，当满足t= 时终止CG迭代，第1个自适应感知子时隙上的解向量 $ =if.?、，频谱重构结果为
，则进入步所 述骤6 ;不满足时，共轭梯度算法继续迭代，返回到所述第5)步骤。
4. 根据权利要求1所述基于自适应压缩感知的宽带频谱感知方法，其特征在于，所述 方法的步骤6包括以下步骤： 先判断是否满足条件
e为最优解收敛时的最小容忍误差，若满足条件， 终止感知过程，进入步骤7 ;不满足条件，则1 = 1+1，返回到所述步骤5中的第2)步骤进行 下一个自适应感知子时隙上的压缩感知。
5. 根据权利要求1所述基于自适应压缩感知的宽带频谱感知方法，其特征在于，所述 步骤7包括以下步骤： 1) 输出获得的最终频谱重构值# = $，计算待感知频率范围内各子频段信号的功率值
2) 用门限法判断哪些子频段是空闲或被占用；利用剩余自适应感知子时隙，在空闲子 频段上进行正常通信。
6. 根据权利要求1所述基于自适应压缩感知的宽带频谱感知方法，其特征在于，所述 方法的步骤3中使用模拟信号信息化转换器进行压缩采样。
【专利摘要】本发明涉及无线电通信技术领域，具体涉及基于自适应压缩感知的宽带频谱感知方法，包括划分感知时隙，将感知时隙划分为一个固定感知子时隙和若干个自适应感知子时隙；将频率范围划分为若干宽频段，根据通信需求和已知的频谱资源情况，每次只自适应的选择一个可选宽频段作为待感知频段；在固定感知子时隙上压缩采样，获得固定感知子时隙上的观测向量，进行初次信号频谱重构；在自适应感知子时隙上压缩采样，更新观测向量，利用上一个感知子时隙上的结果进行频谱重构；判断是否满足收敛条件，不满足继续在下一个自适应感知子时隙上进行压缩感知，满足则终止自适应感知过程；最终输出频谱感知结果，剩余的自适应感知子时隙资源仍可用于正常通信。
【IPC分类】H04B17-382
【公开号】CN104780008
【申请号】CN201510195483
【发明人】须彬彬, 杨宏, 洪向宇
【申请人】公安部第一研究所, 北京中盾安全技术开发公司
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月23日