专利名称：：一种频谱感知方法和装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及无线通信中的认知无线电系统领域，特别是涉及一种频谱感知方法和装置。
背景技术：
：无线频谱资源是一种十分稀有的资源。在现有的无线频谱管理模式中，频谱被划分成很多小块，然后分配给不同的应用。随着无线应用的快速发展，未被分配的频谱段越来越少，这造成了无线频谱资源的紧张。然而，另一方面，已经分配出去的频谱并没有被充分利用，例如无线电视使用的54MHz-862MHz频段在大部分时候都是闲置的。如果能将这些闲置的频段利用起来，则可以大大提高频谱的使用效率。认知无线电系统是一种新兴的可以有效利用闲置授权频段的无线电通信系统，它通过感知周围环境来找到空闲频谱并利用它们来传输数据。因为认知无线电使用的是授权用户的空闲频谱，它首先要考虑的是不能干扰授权用户的正常通信。一旦空闲频谱被授权用户重新利用起来，认知无线电用户必须迅速的滕出此信道。通过这种方式，认知无线电系统可以在不干扰授权用户工作的前提下灵活的接入频谱，从而提高频谱的使用效率。频谱感知器是认知无线电系统中最重要的模块，它担负着识别空闲频段的任务，它应该在非常短的时间内鉴别出频段是空闲的还是被占用的。假设现在要检测的频段是从^Hz到f2Hz，这段频段内的基带接收信号为y(t)(y(t)已经通过带通滤波并已转化到基带)。接收机需要对y(t)进行抽样并转化为数字信号后根据特定的算法来判断y(t)信号是否包含授权用户的信号，从而来确定这段频谱是否被授权用户所占用。—般情况下，认知系统对于频谱感知器都有一个最低的性能要求，即在抽样样本容量不超过NM的情况下，当信噪比不低于SNRd时，虚警概率a和漏警概率|3不能分别大于Qd和Pd。现有的频谱感知器需要等到获取所有NM个抽样信号后，才开始判定这段频谱是否有被授权用户所占用，效率并不高，因此，需要一种更为有效的频谱感知方法和装置。
发明内容针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的是提出一种频谱感知方法和装置，以更有效地判定待测频谱是否被授权用户占用。为了达到上述目的，本发明提出了一种频谱感知方法，包括步骤1:对待测频段内的基带信号进行抽样，将预定数量的抽样值设为一个抽样值组，并依次对抽样值组进行编号，且当获得编号为1的第一个抽样值组即执行步骤2，同时继续抽样；步骤2:计算所述抽样值组的校验统计量，并根据信噪比门限值、虚警概率门限值和漏警概率门限值计算出上门限和下门限；步骤3:根据所述校验统计量、上门限和下门限判定所述频段的状态当无法判定所述频段的状态时，对下一个抽样值组执行步骤2，否则结束。作为上述技术方案的优选，所述步骤3具体为若所述校验统计量大于所述上门限，判定所述频段已被授权用户占用，并停止抽样；若所述校验统计量小于所述下门限，判定所述频段是空闲频段，并停止抽样；若所述校验统计量大于或等于所述下门限且小于或等于所述上门限若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于最大样本容量，且所述校验统计量大于或等于一预定值时，判定所述频段已被授权用户占用，并停止抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于最大样本容量，且所述校验统计量小于一预定值时，判定所述频段是空闲频段，并停止抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积小于最大样本容量，无法判定所述频段的状态，对下一个抽样值组执行步骤2。作为上述技术方案的优选，当步骤2中的所述抽样值组为第一组抽样值组时，所述校验统计量L、上门限^和下门限B工的计算具体为=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，y^为编号为1的第一个抽样值组的抽样值，N为一个抽样组中抽样值个数，一为噪声方差，SNRd为信噪比门限值，cid为虚警概率门限值，Pd为漏警概率的预定数门限值。作为上述技术方案的优选，当步骤2中的所述抽样值组不为第一个抽样值组时，所述校验统计量Ti、上门限Ai和下门限Bi的计算具体为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>5,.=A—iVcr'<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，y^为编号为i的第"乂个抽样值组的抽样值c作为上述技术方案的优选，所述预定值具体为V^7cT力"()+AVJ2，其中，nm为系统允许的最大样本容量，Q—、)为Q函数的反函数，02为噪声方差，cid为虚警概率门限值。本发明还提出一种频谱感知装置，包括抽样模块，与所述抽样模块相连的计算模块，与所述抽样模块和所述计算模块相连的判定模块；所述抽样模块用于对待测频段内的基带信号进行抽样，将预定数量的抽样值设为一个抽样值组，并依次对抽样值组进行编号，且当获得编号为1的第一个抽样值组即将所述抽样值组送入所述计算模块，同时继续抽样；所述计算模块用于计算所述抽样值组的校验统计量，并根据信噪比门限值、虚警概率门限值和漏警概率门限值计算出上门限和下门限；所述判定模块用于根据所述校验统计量、上门限和下门限判定所述频段的状态，当无法判定所述频段的状态时，指示所述抽样模块将下一个抽样值组送入所述计算模块，否则结束。作为上述技术方案的优选，所述判定模块具体为若所述校验统计量大于所述上门限，判定所述频段已被授权用户占用，并指示所述抽样模块停止抽样；若所述校验统计量小于所述下门限，判定所述频段是空闲频段，并指示所述抽样模块停止抽样；若所述校验统计量大于或等于所述下门限且小于或等于所述上门限若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于所述最大样本容量，且所述校验统计量大于或等于一预定值时，判定所述频段已被授权用户占用，并指示所述抽样模块停止抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于所述最大样本容量，且所述校验统计量小于一预定值时，判定所述频段是空闲频段，并指示所述抽样模块停止抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积小于所述最大样本容量，则指示所述抽样模块将下一个抽样值组送入所述计算模块。作为上述技术方案的优选，当所述计算模块中的所述抽样值组为第一个抽样值组时，所述校验统计量L、上门限^和下门限B工的计算具体为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，yi,n为编号为1的第一个抽样值组的抽样值，N为一个抽样组中抽样值个数的预定数量，02为噪声方差，SNRd为信噪比门限值，cid为虚警概率门限值，Pd为漏警概率门限值。作为上述技术方案的优选，当所述计算模块中的所述抽样值组不为第一个抽样值组时，所述校验统计量Ti、上门限Ai和下门限Bi的计算具体为w+汉4.=4一WO"'=A—TVcr'1+顯乂1+5MIn、、广In1d乂1、"乂其中，yi,n为编号为i的第i个抽样值组的抽样值。作为上述技术方案的优选，所述判定模块中的预定值具体为Vj+7VMfJ2，其中，NM为系统允许的最大样本容量，Q—^)为Q函数的反函数，02为噪声方差，cid为虚警概率门限值。本发明的上述方法和装置，是随着信号的不断到来不断的做出判定，如果信号抽样已经足够多，可以做出判定，则停止抽样和接收信号，如果根据已有的信号还不能做出判定，则继续接收信号并抽样。因此，无需获取所有的抽样信号，提高了频谱感知的效率。下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。对于所属
技术领域：
的技术人员而言，从对本发明的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。图1为本发明提出的频谱感知方法的优选实施例的示意图；图2为本发明提出的频谱感知装置的优选实施例的示意图；图3为本发明提出的频谱感知方法的具体实施例的示意图；图4、5为所提方案的检测概率和虚警概率随信噪比的变化情况示意图；图6为所提方案的平均所需样本容量随信噪比的变化情况示意图。具体实施例方式如图1所示，本发明提出的频谱感知方法的优选实施例，包括步骤1:对待测频段内的基带信号进行抽样，将预定数量(N个)的抽样值设为一个抽样值组，并依次对抽样值组进行编号，且当获得编号为i=1的第一个抽样值组即执行步骤2，同时继续对信号进行抽样，并将预定数量的抽样值设为一抽样值组，并继续编号；步骤2:计算所述抽样值组的校验统计量，并根据信噪比门限值、虚警概率门限值和漏警概率门限值计算出上门限和下门限；步骤3:根据所述校验统计量、上门限和下门限判定所述频段的状态，当无法判定所述频段的状态时，对下一个抽样值组执行步骤2，否则，S卩能判定出所述频段的状态，结束抽样，结束该流程。更具体地，上述所述步骤3可以具体为若所述校验统计量大于所述上门限，判定所述频段已被授权用户占用，并停止所述抽样；8若所述校验统计量小于所述下门限，判定所述频段是空闲频段，并停止所述抽样；若所述校验统计量大于或等于所述下门限且小于或等于所述上门限若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于最大样本容量，且所述校验统计量大于或等于一预定值时，判定所述频段已被授权用户占用，并停止所述抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于最大样本容量，且所述校验统计量小于一预定值时，判定所述频段是空闲频段，并停止所述抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积小于最大样本容量，无法判定所述频段的状态，对下一个抽样值组执行步骤2。在上述步骤2中，若计算的抽样值组为第一个抽样值组时，所述校验统计量T"上门限A和下门限B工的计算具体为TV<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>其中，yln为i=1第一个抽样值组的抽样值，N为一个抽样组中抽样值个数的预定数量，c2为噪声方差，SNRd为信噪比门限值，cid为虚警概率门限值，Pd为漏警概率门限若计算的所述抽样值组不为第一个抽样值组时，所述校验统计j下门限Bi的计算具体为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>个抽样值组的抽样值1+S碼上述实施例中的所述预定值具体为VJ+^V^2，其中，为系统允许的最大样本容量，Q—、0为Q函数的反函数，02为噪声方差，cid为虚警概率门限本发明提出的一种频谱感知装置，如图2所示，包括抽样模块201，与所述抽样模块201相连的计算模块202，与所述抽样模块201和所述计算模块202相连的判定模块203;抽样模块201用于对待测频段内的基带信号进行抽样，将预定数量的抽样值设为一个抽样值组，并依次对抽样值组进行编号，且当获得编号为i=1的第一个抽样值组即将所述抽样值组送入所述计算模块202，同时继续抽样；计算模块202用于计算所述抽样值组的校验统计量，并根据信噪比门限值、虚警概率门限值和漏警概率门限值计算出上门限和下门限；判定模块203用于根据所述校验统计量、上门限和下门限判定所述频段的状态，当无法判定所述频段的状态时，指示样模块201将下一个抽样值组送入计算模块202，否则结束。判定模块203的工作原理具体为若所述校验统计量大于所述上门限，判定所述频段已被授权用户占用，并指示抽样模块201停止抽样；若所述校验统计量小于所述下门限，判定所述频段是空闲频段，并指示抽样模块201停止抽样；若所述校验统计量大于或等于所述下门限且小于或等于所述上门限若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于所述最大样本容量，且所述校验统计量大于或等于一预定值时，判定所述频段已被授权用户占用，并指示抽样模块201停止抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于所述最大样本容量，且所述校验统计量小于一预定值时，判定所述频段是空闲频段，并指示抽样模块201停止抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积小于所述最大样本容量，则指示所述抽样模块201将下一个抽样值组送入所述计算模块202。当计算模块202中的抽样值组为第-和下门限B工的计算具体为-水抽样值组时，所述校验统计量1\、上门限&<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中，yi,n为第一个抽样值组的抽样值，N为一个抽样组中抽样值个数的预定数量，02为噪声方差，SNRd为信噪比门限值，cid为虚警概率门限值，Pd为漏警概率门限值。当计算模块202中的抽样值组不为第一个抽样值组时，所述校验统计量Tp上门限Ai和下门限Bi的计算具体为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>个抽样值组的抽样值1其中，y^为第判定模块203中的预定值具体为:A/2iVMCT2g-i()+A^O"2，其中，NM为系统允许的最大样本容量，Q—HO为Q函数的反函数，02为噪声方差，ad为虚警概率门限值。如图3所示，为本发明的一个具体实施例对y(t)进行抽样，当获得i=1的第一个抽样值组的N点抽样yu，yi,2，…，yi,N时，将其送入计算模块。抽样模块继续抽样，直至判定模块传送停止抽样的指令给抽样模块，后续的抽样仍然以N个抽样值为一组放入缓存。N的取值范围为[1，NM]且NM应为N的正整数倍，其中，NM为认知无线电系统所允许的最大样本容量；计算模块根据抽样模块送入的是否是第一个抽样数据组而选择对应的不同公式计算出该抽样数据组的检验统计量1、上门限&和下门限Bi;判定模块根据检验统计量1\、上门限&和下门限Bi对此频段进行判定如果Ti>&，则判定此频段已被授权用户所占用，并令抽样模块停止抽样，释放缓存；如果1<Bi则判定此频段是空闲频段，并令抽样模块停止抽样，释放缓存；如果Bi《1\《Ai:NM，且7]2r=^/27\^々—+AVJ2(Q—1()是Q函数的反函如果iN数)，则判定此频段已为授权用户所占用，并令抽样模块停止抽样，释放缓存;如果iN=nm，且7;<r=72#-22_1("")+#a^2，则判定此频段为空闲频段，并令抽样模块停止抽样，释放缓存；如果iN<Nm，則令i=i+l，抽样模块输入下一个抽样数据组给计算模块，重新计算下一个抽样数据组的检验统计量、上门限、下门限，并依据此进行判定。若根据该抽样数据组仍不能判定该频段是否已被授权用户使用，则再计算再下一个抽样数据组，直至得到判定结果。另外，使用本发明的方法和装置时，一个抽样数据组中抽样值的预定数量(N个)也可以有所变化，但应当小于等于认知无线电系统所允许的最大样本容量NM，而且可被NM所整除，证明如下当N=NM，等效为能量检测器，这是认知无线电系统最常见的频谱感知器之一；方案1:N二1;方案2:N=100。所考虑认知无线电系统的性能要求是当信噪比不低于-10dB时，检测概率不应当低于0.9(即漏警概率不应当大于0.1)，虚警概率不应当大于0.1，也即ad=0.1，13d=0.1，SNRd=-lOdB。同时，假设认知无线电系统所允许的最大样本容量NM为5000。从图4和图5中可以看出，无论是能量检测器还是方案1、方案2都满足了所考虑11认知无线电系统的性能要求。能量检测器的平均所需样本容量总是等于最大样本容量NM，因此我们并没有将能量检测器的平均所需样本容量示在图6中。在图6中，"占用"表示的意思是所感知的频段在被检测时实际上正在被授权用户所使用；而"空闲"表示的意思是所感知的频段在被检测时实际上正处于无用户占用的情况。从图6中可看出，无论被感知频段是否正在被授权用户所使用，方案1和方案2的平均所需样本容量均远远小于能量检测器。如果被感知频段在被感知时正处于空闲状况，方案1和方案2的平均所需样本容量并不随信噪比的变化而变化。如果被感知频段在被感知时正在被授权用户所使用，当信噪比超过一定值后，方案l和方案2的平均所需样本容量随信噪比的增加而逐渐减少。这意味着当信噪比越大时，方案1和方案2越能尽快的检测出授权用户信号并将占用频段腾出，因而能更好的保护授权用户。从以上仿真中，可以看出本发明专利所提的频谱感知器通过有效的控制参数N的取值，能满足认知无线电系统在不同情况下的性能要求，同时也减少了频谱感知器的检测时间，进而有效保护了授权系统。虽然，本发明已通过以上实施例及其附图而清楚说明，然而在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属
技术领域：
的技术人员当可根据本发明作出各种相应的变化和修正，但这些相应的变化和修正都应属于本发明的权利要求的保护范围。权利要求一种频谱感知方法，其特征在于，包括步骤1对待测频段内的基带信号进行抽样，将预定数量的抽样值设为一个抽样值组，并依次对抽样值组进行编号，且当获得编号为1的第一个抽样值组即执行步骤2，同时继续抽样；步骤2计算所述抽样值组的校验统计量，并根据信噪比门限值、虚警概率门限值和漏警概率门限值计算出上门限和下门限；步骤3根据所述校验统计量、上门限和下门限判定所述频段的状态，当无法判定所述频段的状态时，对下一个抽样值组执行步骤2，否则结束。2.根据权利要求1所述的频谱感知方法，其特征在于，所述步骤3具体为若所述校验统计量大于所述上门限，判定所述频段已被授权用户占用，并停止抽样；若所述校验统计量小于所述下门限，判定所述频段是空闲频段，并停止抽样；若所述校验统计量大于或等于所述下门限且小于或等于所述上门限若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于最大样本容量，且所述校验统计量大于或等于一预定值时，判定所述频段已被授权用户占用，并停止抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于最大样本容量，且所述校验统计量小于一预定值时，判定所述频段是空闲频段，并停止抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积小于最大样本容量，无法判定所述频段的状态，对下一个抽样值组执行步骤2。3.根据权利要求1所述的频谱感知方法，其特征在于，当步骤2中的所述抽样值组为编号为1的第一个抽样值组时，所述校验统计量l、上门限A和下门限B工的计算具体为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，y^为编号为1的第一个抽样值组的抽样值，N为一个抽样组中抽样值个数的预量，02为噪声方差，SNRd为信噪比门限值，cid为虚警概率门限值，Pd为漏警概率门限4.根据权利要求3所述的频谱感知方法，其特征在于，当步骤2中的所述抽样值组不为第一个抽样值组时，所述校验统计量Ti、上门限Ai和下门限Bi的计算具体为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，yi,n为编号为i的第i个抽样值组的抽样值。5.根据权利要求2所述的频谱感知方法，其特征在于，所述预定值具体为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>，其中，NM为系统允许的最大样本容量，Q—1()为Q函数的反函数，02为噪声方差，CId为虚警概率门限值。6.—种频谱感知装置，其特征在于，包括抽样模块，与所述抽样模块相连的计算模块，与所述抽样模块和所述计算模块相连的判定模块；所述抽样模块用于对待测频段内的基带信号进行抽样，将预定数量的抽样值设为一个抽样值组，并依次对抽样值组进行编号，且当获得编号为1的第一个抽样值组即将所述抽样值组送入所述计算模块，同时继续抽样；所述计算模块用于计算所述抽样值组的校验统计量，并根据信噪比门限值、虚警概率门限值和漏警概率门限值计算出上门限和下门限；所述判定模块用于根据所述校验统计量、上门限和下门限判定所述频段的状态，当无法判定所述频段的状态时，指示所述抽样模块将下一个抽样值组送入所述计算模块，否则结束。7.根据权利要求6所述的频谱感知装置，其特征在于，所述判定模块具体为若所述校验统计量大于所述上门限，判定所述频段已被授权用户占用，并指示所述抽样模块停止抽样；若所述校验统计量小于所述下门限，判定所述频段是空闲频段，并指示所述抽样模块停止抽样；若所述校验统计量大于或等于所述下门限且小于或等于所述上门限若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于所述最大样本容量，且所述校验统计量大于或等于一预定值时，判定所述频段已被授权用户占用，并指示所述抽样模块停止抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积等于所述最大样本容量，且所述校验统计量小于一预定值时，判定所述频段是空闲频段，并指示所述抽样模块停止抽样；若所述预定数量与所述抽样值组编号的乘积小于所述最大样本容量，则指示所述抽样模块将下一个抽样值组送入所述计算模块。8.根据权利要求7所述的频谱感知装置，其特征在于，当所述计算模块中的所述抽样值组为编号为1的第一个抽样值组时，所述校验统计量Tp上门限A和下门限B工的计算具体为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，y^为编号为1的第一个抽样值组的抽样值，N为一个抽样组中抽样值个数的预量，02为噪声方差，SNRd为信噪比门限值，cid为虚警概率门限值，Pd为漏警概率门限9.根据权利要求8所述的频谱感知装置，其特征在于，当所述计算模块中的所述抽样值组不为第一个抽样值组时，所述校验统计量Ti、上门限Ai和下门限Bi的计算具体为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，yi,n为编号为i的第i个抽样值组的抽样值。10.根据权利要求7所述的频谱感知装置，其特征在于，所述判定模块中的预定值具体:^/2A^ct22—1)+iVMa2，其中，NM为系统允许的最大样本容量，Q—乂O为Q函数的反函数，02为噪声方差，CId为虚警概率门限值。全文摘要本发明涉及一种频谱感知方法和装置，方法包括步骤1对待测频段内的基带信号进行抽样，将预定数量的抽样值设为一个抽样值组，并依次对抽样值组进行编号，且当获得编号为1的第一个抽样值组即执行步骤2，同时继续抽样；步骤2计算抽样值组的校验统计量，并根据信噪比门限值、虚警概率门限值和漏警概率门限值计算出上门限和下门限；步骤3根据校验统计量、上门限和下门限判定所述频段的状态，当无法判定所述频段的状态时，对下一个抽样值组执行步骤2，否则结束。本发明是随着信号的不断到来不断的做出判定，无需获取所有的抽样信号，提高了频谱感知的效率。文档编号H04B17/00GK101753233SQ20091024435公开日2010年6月23日申请日期2009年12月29日优先权日2009年12月29日发明者万屹,刘思杨,朱禹涛申请人:工业和信息化部电信传输研究所