基于贝叶斯压缩感知的免于训练的室内白频谱检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种基于贝叶斯压缩感知的免 于训练的室内白频谱检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线网络的繁荣发展、移动终端和移动应用的迅速增长，用于无线通信的信 道变得越来越拥挤，为了应对运种情况，人们提出了动态频谱接入 (DynamicSpechumAccess)运项技术，简称DSAeDAS旨在让授权用户(Xicense加 ser)和非授 权用户化nlicense加 ser)共同分享信道.
[0003] 2008年，美国通讯委员会(FCC)通过了一项决议，允许非授权用户利用本地空闲的 电视信道进行无线通信，一般把空闲的电视信道称为白频谱(Whitespace)。此后，白频谱受 到了越来越多的关注。尽管白频谱对于非授权用户是开放的，但是FCC要求非授权用户使用 白频谱时不能影响正常电视信号的传播，运样，对于非授权用户来说，在使用某个信道之前 检测其是否可用就显得尤为重要了。人们进行白频谱检测的方法主要分为两大类:频谱感 知方法（SpectrumSensing)和地理定位数据库方法（geo-Iocationdatabase)。频谱感知方 法用的相对较少，因为它依赖于用户设备来进行频谱检测，能耗大同时对用户设备的要求 也比较高;相反，更为常用的地理定位数据库方法并不需要用户进行频谱检测，因此减少了 用户的能量消耗，用户只需要查询在线的数据库便可W得知当前位置可用的白频谱信息。
[0004] 现有的白频谱检测的工作大多数仅仅关注室外的白频谱，而有调查显示室内的白 频谱要多于室外，因此仅仅使用室外探测到的白频谱会造成白频谱的浪费。又由于室内的 障碍物要远远多于室外，因此并不能直接把室外的方法拿来用。此外，为数不多的关于室内 白频谱检测的研究在部署频谱扫描仪之前需要复杂的训练过程，消耗的量的人力物力。考 虑到贝叶斯压缩感知是一种近年来发展起来的不基于训练集的数据恢复方法，同时贝叶斯 压缩感知可W和差分赌结合进而确定携带信息量最大的点，可W用来布设频谱扫描仪，于 是考虑把贝叶斯压缩感知与室内白频谱检测相结合，实现免于训练的室内白频谱检测。
[0005] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104780009A，公开（公告）日 2015.07.15,公开了一种无线通信领域的基于压缩感知的室内白频谱优化检测方法，通过 基于k-medoids分组的传感器布设方法，有选择的在部分测量点上布设传感器，传感器测量 到不完整的室内白频谱信息，基于压缩感知的数据恢复模型把不完整的数据恢复为完整的 数据，传输给有需要的用户。但该技术需要大量的训练数据来训练相关的数据恢复模型，费 时费力。另外，该技术无法确定合适的传感器数量，难W取得实际应用。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于贝叶斯压缩感知的免于训练 的室内白频谱检测方法，即TlME(^aining-TreelndoorwhitespaceexplorationMEchanism)， 对室内白频谱采用适宜的贝叶斯压缩感知进行恢复，根据差分赌的计算结果进行频谱扫描 仪的布设，从而在省去了复杂的训练过程的同时不会引入大量的误差。
[0007] 本发明是通过W下技术方案实现的：
[0008] 本发明通过在选定的若干测量点中随机布设至少=个频谱扫描仪并测量其所在 位置的数字电视信道，根据测量结果生成相应的测量矩阵后，W计算在该位置布设频谱扫 描仪之前和之后的差分赌最大为原则逐个推算得到各个测量点对应的位置，进行对应的测 量并更新测量矩阵，并恢复得到完整的频谱数据，当用户需要白频谱时，根据频谱数据的均 值返回给用户其相应位置可用的白频谱列表，供用户选择可用信道进行通信。
[0009 ]本发明具体包括W下步骤：
[0010] 步骤1、在选定的室内环境中选择一系列测量点，随机地在其中部分测量点上布设 频谱扫描仪，之后用布设的频谱扫描仪测量所在位置的数字电视信道。
[0011] 所述的测量点根据不同环境而定，但是每一个房间至少需要一个现慢点。
[0012] 所述的部分测量点，优选为在=个测量点上布设传感器。
[0013] 步骤2、启动频谱扫描仪进行测量，并生成相应的测量矩阵? d，该测量矩阵中的向 量yd= ?dx，其中：yd是通过已经布设的频谱扫描仪实际测量得到的结果，X是所有测量点的 完整的白频谱数据。
[0014] 所述的测量矩阵0<1通过把已经布设的频谱扫描仪所对应的位置置为1得到。
[0015] 步骤3、逐个推算得到各个频谱扫描仪的位置信息，具体步骤包括：
[0016] 3.1)根据扫描仪测到的测量结果yd，恢复得到完整的频谱数据X，根据贝叶斯压缩 感知理论，频谱数据X的均值与协方差为：
其 中：EU)表示均值，Cov(X)表示协方差，O表示白噪声，初始化为yd方差的百分之一，W表示 离散余弦变换矩阵，A表示参数矩阵。
[0018] 所述的参数矩阵A，由极大似然估计得到，具体为：
[0019] 最大化?，M是频谱扫描仪的总 个数。
[0020] 3.2)利用计算所得的协方差，通过最大化布设前后差分赌的差值得到下一个布设 频谱扫描仪的地点1，具体为：
[002。 最大化
其中：O堤地点1所对应的测量矩阵。
[0022] 3.3)更新测量矩阵，化I；尔I，转f作为更新后的Od,计算出测量矩阵Od下的测量 结果yd，将O的值更新为yd方差的百分之一。
[0023] 3.4)重复步骤3.1至3.3直至频谱扫描仪的数目达到要求。
[0024] 步骤4、当用户需要白频谱时，根据均值向量W = E(X)中的项返回给用户其相应位 置可用的白频谱列表，供用户选择可用信道进行通信，具体为:对于向量y的第i项y(i)，y (i)〉T意味着第
：个地点的第Q mod 45)个信道为占用状态，反之为空闲状态。
[00巧]所述的T表示白频谱阔值，优选为-82.5地m。 技术效果
[0026] 与现有技术相比，本发明可W再免于训练的情况下得到与基于训练的室内白频谱 检测方法几乎相同的系统系能，大大减小了系统的实现复杂度。
【附图说明】
[0027] 图1为不同测量点之间、不同信道之间的信号强度关系图；
[0028] 图中:a为四个不同地点的信号强度比较图，b为两个不同信道的信号强度比较图。
[0029] 图2为室内白频谱信号的稀疏特性图；
[0030] 图中:a为原始信号图，b为离散余弦变换后的系数图。
[0031 ]图3为不同方法的性能比较图；
[0032] 图中：a为不同方法的FARate(FalseAlarmRate)比较；b为不同方法的WSLOSSRate (怖iteSpaceLossRae)比较。
[0033] 图4为错误率与所需频谱扫描仪个数关系图；
[0034] 图中：a为最大、平均和最下错误率随频谱扫描仪个数变化曲线图，b为根据平均错 误率得到的频谱扫描仪个数曲线。
【具体实施方式】
[0035] 本实施例应用环境为上海交通大学巧行校区电信群楼的=楼选取了 67个测量点。
[0036] 本实施例设备包括:USRPN210、一根全向接收天线、一部笔记本电脑和一个不间断 式电源(UPS)，其中：USRP用的是SBX子板，通过一个射频信号发生器来校准USRP设备。
[0037] 测量无线信号的方法有很多，包括但不限于能量检测、基于波形的检测和匹配滤 波等等，其中能量检测是最常用的方法，因为能量检测实现简单并且计算复杂度相对比较 低。
[0038] 在判断一个信道是不是空闲的时候，需要将测量得到的信号强度与一个特定的阀 值作比较，如果信号强度高于运个阀值，认为运个信道是被占用的，反之，认为运个信道是 空闲的。
[0039] 电视信道分为数字电视信道和模拟电视信道，考虑到数字电视的常用性和未来的 发展趋势，选择了 45个数字电视信道(DS13~DS57)来进行测量，它们所属的频率范围是 470MHZ-566M监和606M化-870MHz，其中：每个信道的带宽是8M化。根据数字电视信道的属 性，把阔值设定为-84.5地m，由于设备的局限性，设备检测到的空闲信道有可能并不能保证 使用的安全性，但是白频谱检测的机制是具有通用性的，并不局限于某个特定的阀值，如果 的设备精确度能够支持-114地m的阀值，相信那时候得到的空闲信道是安全可用的。所实现 的能量检测器其容器大小(binsize)是1024,采样率是4MHz，用与某个信道相关的所有容器 中的平均值作为此信道的信号强度。
[0040] 本实施例包括W下步骤：
[0041] 第一步、室内频谱扫描仪布设：
[0042] 1.1)本实施例中总共需要布设M(〉3)个室内频谱扫描仪，首先随机选r = 3个点，每 个点分别布设一个频谱扫描仪，通