专利名称：一种基于能量-循环平稳特征的联合频谱检测方法
技术领域：
本发明涉及一种特别用于认知无线电系统中基于能量-循环平稳特征进行联合 频谱检测的实现方案，属于通信技术领域。
背景技术：
随着无线通信业务需求的快速增长，可用频谱资源变得越来越稀缺。为了提高通 信系统的频谱使用效率，以应对由国家统一管理、统一授权使用的固定频谱分配政策，缓解 “频谱资源日益紧张”的局面。认知无线电(Cognitive Radio, CR) 一经Mitola提出便引 起了广泛的关注，CR是当授权用户未使用授权频带时，CR用户即可“插空”使用该频段进行 通信，这样可以大大提高频谱利用率。当然使用的前提是不对授权用户产生干扰，这就需要 CR用户对授权频谱的空穴能够进行非常准确的探测和识别。认知无线电网络要求能够动态的感知频谱空穴，利用空闲频段来进行通信。认知 用户要进行通信的首要条件就是检测出主用户的空闲频谱段(频谱空穴的检测)。因此，频 谱感知问题从本质上来看，关键是一个信号检测问题。对频谱进行感知，就是要在给定的短 时间内可靠地检测出主用户(PU)信号在这段频谱上是否存在，或者该段频谱中是否干扰 足够小，可以允许CR用户接入，利用其进行通信。信号的可靠检测的重要性表现在以下两 个方面(1)可靠性，即准确的感知PU信号能确保认知无线电用户不会对PU造成干扰；(2) 有效性，即及时有效的感知到空闲频谱，从而增加认知无线电网络的通信带宽。频谱感知是认知无线电的前提和关键技术，目前国内外提出的感知方法主要分为 单用户感知和多用户协作感知。协作感知需要多个认知用户相互协作，以克服无线信道中 的隐节点问题和深衰落的影响，提高认知无线电的感知性能，但是当网络中有大量的认知 用户共存时，它们就需要占用大量的通信带宽来进行检测信息的传送。单用户感知不需要 传送额外的感知信息，在系统中常常得到应用。常用的方法有基于能量检测的频谱感知方 法和基于信号特征值的频谱感知方法。能量检测方法只需要知道被检测频段内信号的能 量，为了测量接收信号的能量，需要对带通滤波器的输出信号进行平方运算并在观测时间 段内进行积分，将积分器的输出和固定门限值相比较，得出检测结果。基于信号特征的频谱 感知方法利用不同类型的调制信号具有不同频谱相关函数、信号均值、自相关函数具有周 期平稳性、以及噪声和干扰之间相互独立性等特征进行检测。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于能量_循环平稳特征的联合频谱检测方 法，该方法以提高检测概率同时尽量减少复杂度为目的，利用能量检测与循环平稳特征检 测的特点，基于双门限实现了认知无线电系统中的频谱联合检测。技术方案本发明根据能量检测与循环平稳特征检测的特点，利用双门限的能量 检测法进行粗检，若能量落在两门限的两端，则直接进行判断，若能量落在两门限之间，则 利用循环平稳特征进行检测。
该方法包括根据待检测信号的能量大小不同而采用不同的检测方法，若能量落 在两门限的两端，则采用能量检测法进行判断，若能量落在两门限之间，则利用循环平稳特 征进行检测，该方法具体包括a.确定联合检测算法的双门限确定高门限、和低门限以及循环检测的门 限；高门限4 = 7V《+『(Pf)7^，低门限人=N*《，其中N为检测信号样本采样点数，&
为高斯白噪声的方差，Pf为虚警概率；Q—1为b.利用能量检测法进行粗检计算待检测信号的能量，将计算所得的能量与事先 确定的双门限进行比较，若能量大于等于、则判为&，即主用户信号存在；若能量小于等 于则判为氏，即主用户信号不存在；若计算所得的能量处于与之间，表明能量检 测法无法确定是否有主用户信号存在，则需用循环平稳特征作进一步检测；C.利用循环平稳特征进行细检对能量落在X ^与X H之间的信号进行循环平稳 特征检测，由于不同调制方式对应不同的循环谱特征，针对主用户信号的调制方式通过检 测特定循环频率a处的值确定是否有主用户存在cl.对输入的时间序列y (n)做N点的FFT，得到y (n)的谱密度函数XT (k)，T为分 段长度；K为c2.对FFT的结果XT(k)分别左右频移a/2，相应地得到x(n)移频信号的谱密度 函数:XT(k+a/2)和 XT(k-a/2)；c3.计算y(n)在频率(k+a /2)和(k_ a /2)的谱分量之间的相关密度循环周期谱 S"T(k)；c4.对循环周期谱进行平滑得到输入信号的循环功率谱估计幻A/ ；C5.计算循环频率a处的值并与循环检测门限进行比较，若大于等于门限则判为 H”即主用户信号存在，若小于等于门限则判为氏，即主用户信号不存在。有益效果本发明提供一种认知无线电系统中基于双门限的能量_循环平稳特征 联合频谱检测方法，该方法以提高检测概率同时尽量减少复杂度为目的，利用能量检测与 循环平稳特征检测的特点，基于双门限实现了认知无线电系统中的频谱联合检测。若能量 落在两门限的两端，则直接进行判断，若能量落在两门限之间，则利用循环平稳特征进行检 测。与循环平稳特征检测相比，在保证检测性能下降不多的情况下，该方法大大降低了计算 复杂度；与能量检测方法相比，该方法在复杂度增加不多的情况下，大大提高了检测性能。 本发明简单实用，可以在认知无线电系统中得到广泛的应用。
图1双门限判决示意图。图2能量检测框图。图3循环平稳特征检测结构图。图4能量检测阶段的不同情况下能量分布情况
具体实施例方式能量检测法是一中比较简单的信号检测方法，属于信号的非相干检测，它的性能
4会受到不确定噪声能量的影响，例如会将比较微弱的信号排除在外，而将幅度较大的脉冲 噪声或突发干扰检测为信号。而且能量检测不能区分信号类型，仅能判定信号的存在性。所 以，能量检测并不适合检测意外情况下的信号。循环平稳特性检测最大的优点是可以将噪声能量与调制信号能量区分开。这是由 于噪声是宽平稳信号、无相关性的，而调制信号由于信号周期的自冗余呈现循环平稳性。循 环平稳特性检测不易受到不确定噪声功率的影响，所以在噪声环境中，它的检测性能要优 于能量检测，但是其计算更为复杂，且需要足够长的监测时间。本发明为基于双门限的能量_循环平稳特征联合检测算法，它的目的是提高检测 概率同时尽量减少复杂度。如图1所示，该方法利用双门限的能量检测法进行粗检，若能量 落在两门限的两端，则直接进行判断，若能量落在两门限之间，则利用循环平稳特征进行检 测，步骤如下首先确定联合检测算法的双门限XH，X。然后按能量检测法计算待检信号 的能量，将计算所得的能量与图1中的双门限进行比较，若能量大于等于XjJU判为Hi即存 在主用户信号，小于等于则判为H(1即不存在主用户信号，次用户可暂时使用；若计算所 得的能量处于X [与之间表明能量检测法无法确定是否有主用户信号存在，则需用循环 平稳特征作进一步检测；对能量落在UH，x J之间的信号进行循环平稳特征检测，由于不 同调制方式对应不同的循环谱特征，针对主用户信号的调制方式通过检测特定循环频率a 处的能量确定是否有主用户存在。这里双门限的取值非常重要，高门限取值将影响虚警概率，取值越高虚警概率 越低，但增大了能量落在双门限之间的概率从而增加算法的复杂度高门限；低门限勺取 值影响检测概率，取值越小检测概率越大，但同样也会增加算法的复杂度；而双门限值之差 太大也会增加算法复杂度。因此，要综合考虑虚警概率、检测概率以及算法复杂度来确定双 门限的取值。本发明根据能量检测与循环平稳特征检测的特点，基于双门限实现了能量-循环 平稳特征的联合频谱检测方法。能量检测的方法根据接受信号功率大小的不同进行检测，它是一种对未知参数的 确定性信号存在性检测的有效方法，其检测框图如图2所示。AWGN信道下用能量检测法检测主用户信号就是区分下面两种假设其中W(n)为零均值方差为《加性高斯白噪声，即W(n) ~ 7V(0,^);X(n)为被检测 的主用户信号；Y(n)表示CR用户接收信号；N为检测信号采样点数；氏和氏分别表示主用 户信号X(t)不存在和存在两种假设。该检测方法中我们将X(n)看成均值为零，方差为《的 高斯随机过程，即X⑷~ N(Q,S2J ,且X(n)与W(n)相互独立，则+妒O) ~ N(0,S2x +S2J。采用数理统计的方法，根据Y⑴构造相应检验统计量V⑴。依据V⑴及判决规 则
H0 Y(n)=W(n) n=0,".，N-1 H, Y(n)=X(n)+W(n) n=0，.",N-ly
Ho其中Y为判决门限。
5
感知性能由两种概率来衡量检测概率Pd和虚警概率Pf，分别如下式表示Pd = PG(^H1IH1)Pf = P(判为 H1 |H0)其中检测概率Pd表示授权用户正在使用频谱同时认知用户也检测到授权用户的 情况，其大小表明授权用户被保护而不受认知用户干扰的程度。虚警概率Pf表明认知用户 检测到授权用户而实际上授权用户并不存在的情况。如果虚警概率较高，则认知用户对空 闲信道的利用率降低，丧失接入无线网络的机会，相应的认知无线电网络的吞吐量也会降 低。因为即使这时实际上没有授权用户存在，认知用户仍然会认为授权用户正在使用信道 而让出信道。能量检测法的判决统计量为<formula>formula see original document page 6</formula>
每一对(Pd，Pf)对应一个判决统计量的比较门限Y V> Y存在主用户，即H1成立
V> Y不存在主用户，即Htl成立当主用户不存在时，判决统计量V服从自由度为N的中心卡方分布；当主用户存在 时，判决统计量服从自由度为N的非中心卡方分布，非中心的参数λ为主用户信号能量与 AffGN双边带功率谱密度之比，即
v\xl Htl即主用户不存在 ~UnW H1即主用户存在根据中心极限定理，当N远远大于1时，判决统计量V可近似为高斯随机过程，即
)H。即主用户不存在、τ 1
<formula>formula see original document page 6</formula>) Hl即主用户存在基于以上近似，可以推导出检测概率Pd和虚警概率Pf计算公式如⑵和(3)所 示<formula>formula see original document page 6</formula>
如果对采样点数N的取值没有限制的话，理论上能量检测法能满足任意给定的检 测概率Pd和虚警概率Pf。CR系统中，给定一组(Pd，Pf)后，采样点数N的最小取值与信噪 比SNR有关，如(4)所示
<formula>formula see original document page 6</formula>
通常检测器的设计遵循给定虚警概率准则(CFAR Constant False AlarmRate), 基于该准则判决门限可由采样点数N和给定的虚警概率Pf表示如下式所示
<formula>formula see original document page 7</formula>(5)影响能量检测法性能的一个主要因素是噪声的不确定性，它使得能量检测法在低 信噪比下检测性能很差，甚至不可用。首先构建了一个简单的描述噪声不确定性数学模型， 这个数学模型仅考虑噪声方差的估计值在某一个确定的范围内[§1,81 ]均勻分布，不考虑 更复杂的情况。假设理想的高斯白噪声过程巧~，那么综合考虑传输环境的影响和 接收端估计误差的影响，可以假设接收端的高斯白噪声方差估计值广满足在下式的范围内
变化<formula>formula see original document page 7</formula>(6)即- nn …若噪声不确定度为x dB，则x = 101og1Gt，假设感
知用户接收到的主用户能量为P，若《+P，感知用户将无法检测到主用户信号的存在， 这就是能量检测法的信噪比界问题，即SNRwall =101og10(10^ -1)。考虑噪声不确定性后，能
量检测法需检测以下两种假设<formula>formula see original document page 7</formula>,即主用户存在与⑵，(3)式相对应的此时的检测概率Pd和虚警概率Pf如下<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 7</formula>循环平稳信号理论是由Gardner创立的，他指出循环平稳信号x (t)的特定阶统计 特性(均值和自相关函数)呈现周期性。循环谱相关函数就是根据此特性得到信号的循环 谱特征，其最主要优点是能够把噪声能量和已调信号的能量区分开来。因此，循环平稳探测 法具有很强的抗噪声干扰的能力。Gardner循环平稳信号理论告诉我们，循环平稳过程有周期性的自相关函数，即Rx(t，x ) = Rx(t+T0, t ) (10)其中I；为周期。对于周期函数可以对其进行傅立叶级数展开，上述循环平稳过程 的周期自相关函数进行傅立叶级数展开后的傅立叶系数如下式所示<formula>formula see original document page 7</formula>上式也称为循环平稳过程的循环自相关函数(CAF Cycle AutocorrelationFunction)。Wiener定理告诉我们自相关函数与功率谱密度函数互为傅氏变换对，将Wiener 定理应用于循环平稳过程，对循环自相关函数进行傅氏变换得
<formula>formula see original document page 8</formula>
将(11)代入(12)得
<formula>formula see original document page 8</formula>上式称为循环平稳过程的谱相关函数(SCF Spectral Correlation Function)，
f+T/2
其中α称为循环频率-’X.rit,f)= j x⑷P2W▲是带宽为1/T的信号x(t)在频率f处的
/-772
谱分量。循环平稳特征检测的结构图如图3所示。在实际应用中须注意以下几点a)采样频率为了检测循环频率α处的特征，采样频率Fs须满足Fs > 2max { α， B}，B为信号带宽，即对于《(/)有个支持集合范围为:-Fs/2 <f, α < Fs/2 ；b)分辨率要进行所需的特征检测，要求频率f和循环频率α有一定的分辨率， 频率f的分辨率Af = 1/T ；循环频率α的分辨率Δα= 1/At，其中必须满足At >> T(At为信号整个观察区间，T为分段长度。)基于双门限的能量-循环平稳特征联合检测算法，利用双门限的能量检测法进行 粗检，若能量落在两门限的两端，则直接进行判断，若能量落在两门限之间，则利用循环平 稳特征进行检测，具体步骤如下1确定联合检测算法的双门限λΗ和λ L 高门限/Ih = NS2w + Q~x {Ρ^2ΝδΙ，低门 限A =N*《；2基于能量检测法计算待检信号的能量，将计算所得的能量与步骤(a)中的双门 限比较如图1所示，若能量大于等于λ H判为H1即存在主用户信号，小于等于λ ^判为Htl即 不存在主用户信号，此用户可暂时使用，算法结束；若计算所得的能量处于λ ^与λΗ之间表 明能量检测法无法确定是否有主用户信号存在，则需转入步骤(c)用循环平稳特征作进一 步检测；3对能量落在(λ Η，λ J之间的信号进行循环平稳特征检测，由于不同调制方式对 应不同的循环谱特征，针对主用户信号的调制方式通过检测特定循环频率处α处的能量 确定是否有主用户存在，具体如下(1)产生谱相关函数(SCF)SCF的计算有以下两种方法·用FFT直接计算(i)采集信号并进行A/D变换，得到信号序列χ (η)，序列长为N ；令循环自相关函 数的滞后量τ = 0 ；(ii)循环自相关函数的离散形式的计算公式<formula>formula see original document page 8</formula>
(iii) τ = τ +2 ;(iv)若τ < N，返回(ii)，继续计算《㈩·，否则，按下式计算信号谱相关函数
<formula>formula see original document page 9</formula>
通过平滑法计算谱相关函数《(/)实际表示的是x⑴在频率(f+ a /2)和(f_ a /2)的谱分量之间 的相关密度，如下式其中<formula>formula see original document page 9</formula>下面给出基于式(14)的计算过程(i)计算x(n)的时间长度为T = NTS的N点频谱<formula>formula see original document page 9</formula>
(ii)计算谱相关SaXr (k)=去Xr{k + a/2)X'r(k-a/2)(iii)谱平滑<formula>formula see original document page 9</formula>本文采用的第二种方法——通过平滑计算谱相关，图3中的检测结构图也是基于 此方法进行的。(2)搜寻唯一的循环频率使用已经产生的谱相关函数来搜寻循环频率，就是在谱相关函数上寻找峰值，谱 相关函数只有在相应的循环频率和零循环频率处有峰值。(3)进行判决因为噪声是没有循环平稳特征的，所以利用第二步得到的峰值结果与一门限值比 较，可以得到该频段上是否有主用户存在。图4是在虚警概率Pf = 0. 04分别在噪声确定和不确定度为3dB时统计的在能量 检测初检阶段能量的分布情况，每种情况统计2000次。由统计结果可以看出1)在低噪比时，信号的能量有50%-70%的落在(XH，之间，即50%-70%的 信号需要循环平稳特征进一步检测，这也表示在低信噪比时联合检测法比单用能量检测法 复杂度要高50% -70%左右，比单用循环平稳特征检测低30% -50%左右；2)在高信噪比时，落在(入H，Al)之间的概率接近0，说明高信噪比时联合检测法 的复杂度与能量检测法相当；3)在低信噪比时，噪声确定情况下的复杂度高于不确定情况；高信噪比时噪声不 确定情况下复杂度高，但在信噪比高到一定程度时(如5dB)两者复杂度相同，皆为能量检 测的复杂度，因为此时二者皆不需要循环平稳特征作进一步检测。
权利要求
一种基于能量-循环平稳特征的联合频谱检测方法，其特征在于该方法包括根据待检测信号的能量大小不同而采用不同的检测方法，若能量落在两门限的两端，则采用能量检测法进行判断，若能量落在两门限之间，则利用循环平稳特征进行检测，该方法具体包括a.确定联合检测算法的双门限确定高门限λH和低门限λL以及循环检测的门限；高门限低门限其中N为检测信号样本采样点数，为高斯白噪声的方差，Pf为虚警概率；Q-1为b.利用能量检测法进行粗检计算待检测信号的能量，将计算所得的能量与事先确定的双门限进行比较，若能量大于等于λH则判为H1，即主用户信号存在；若能量小于等于λL则判为H0，即主用户信号不存在；若计算所得的能量处于λL与λH之间，表明能量检测法无法确定是否有主用户信号存在，则需用循环平稳特征作进一步检测；c.利用循环平稳特征进行细检对能量落在λL与λH之间的信号进行循环平稳特征检测，由于不同调制方式对应不同的循环谱特征，针对主用户信号的调制方式通过检测特定循环频率α处的值确定是否有主用户存在c1.对输入的时间序列y(n)做N点的FFT，得到y(n)的谱密度函数XT(k)，T为分段长度；K为c2.对FFT的结果XT(k)分别左右频移α/2，相应地得到x(n)移频信号的谱密度函数XT(k+α/2)和XT(k-α/2)；c3.计算y(n)在频率(k+α/2)和(k-α/2)的谱分量之间的相关密度循环周期谱c4.对循环周期谱进行平滑得到输入信号的循环功率谱估计C5.计算循环频率α处的值并与循环检测门限进行比较，若大于等于门限则判为H1，即主用户信号存在，若小于等于门限则判为H0，即主用户信号不存在。FSA00000115301600011.tif,FSA00000115301600012.tif,FSA00000115301600013.tif,FSA00000115301600014.tif,FSA00000115301600015.tif
全文摘要
一种基于能量-循环平稳特征的联合频谱检测方法以提高检测概率同时尽量减少复杂度为目的，利用能量检测与循环平稳特征检测的特点，基于双门限实现了认知无线电系统中的频谱联合检测。本发明利用双门限的能量检测法进行粗检，若能量落在两门限的两端，则计算待检测信号的能量，将计算所得的能量与事先确定的双门限进行比较，若能量大于等于高门限，则判为主用户信号存在，若能量小于等于低门限，则判为主用户信号不存在。若能量落在两门限之间，则利用循环平稳特征进行检测，计算特定循环频率处的值并与循环检测门限进行比较，若大于等于门限则判为主用户信号存在，若小于等于门限则判为主用户信号不存在。
文档编号H04B17/00GK101834630SQ201010168499
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者刘小莉, 卞荔, 朱琦, 赵夙 申请人:南京邮电大学