专利名称：一种能量检测的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及认知无线电频谱感知技术中一种能量 检测的方法和装置。
背景技术：
认知无线电是一种通过与其运行环境交互改变自身发射参数，以提高频谱利用率 的通信技术。其工作过程需要可靠地感知通信环境，寻找可用的空闲频谱资源。能量检测 是认知无线电技术物理层中一种有效的检测方法，通过计算信号在特定频段内的能量值， 与预先设定的门限值进行比较，做出判决，获得检测结果。随着认知无线电技术的发展，能 量检测逐渐成为物理层频谱感知的关键技术。能量检测法具有简单易行、检测速度快、无需与主用户信号同步、无需预先知道主 用户信号结构等特点。但是，其不具有相干信号处理功能，对带内干扰和噪声敏感。现有方法在门限值设定过程中均假设噪声服从标准正态分布，然而在实际工作环 境中，能量检测器常受到其它电子设备干扰。然而，在办公室环境下显示器、计算机主机和 打印机共同工作时产生的噪声，对固定门限判决的能量检测法，会造成虚警概率的急剧上 升(检测概率恒定)。当前，通常采用合作检测弥补能量检测法的不足。合作检测技术中，信息融合中心 处理本地频谱检测的方式主要包括“与” “或” “加权序贯”等算法，但各算法均要求感知用 户间的相关度较低。但是，在办公室环境下，由多台计算机及显示器构成的复杂电磁环境 中，全部感知节点可能均被背景噪声所淹没，显然会造成能量检测的不准确，使其可信度降 低。因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何能够创新地 提出一种有效的能量检测措施，以解决现有技术中存在的不足，有效降低背景噪声干扰情 况下的虚警概率，并且确保实际应用中主用户检测性能不受影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能量检测的方法和装置，用以有效降低背 景噪声干扰情况下的虚警概率，同时确保实际应用中受扰用户也即主用户检测性能不受影 响。为了解决上述问题，本发明公开了一种能量检测的方法，所述方法包括Al 按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/n为待测频段 带宽；A2 根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所述校正频段带宽以受扰用 户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽；A3 计算校正频段带宽内的能量值；A4:对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的门限；其中，m为校正门限权系数，mc
；A5 计算待测频段带宽内的能量值；A6 判 断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限若是，则表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；若否，则表明受扰用户存在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作；A7 按照次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的下个1/n为待测频段 带宽，重复进行A5-A7，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止。优选的，所述校正频段带宽内的能量值采用经典周期图法进行计算。优选的，所述待测频段带宽内的能量值采用Welch法进行计算。优选的，所述计算校正频段带宽内的能量值和计算待测频段带宽内的能量值同步 进行。本发明还公布了一种能量检测的装置，所述装置包括待测频段带宽选取模块，用于按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重 叠部分的1/n为待测频段带宽，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止；校正频段带宽选取模块，用于根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所 述校正频段带宽以受扰用户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽；第一计算模块，用于计算校正频段带宽内的能量值；修正后门限值获取模块，用于对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量 值求和，获得修正后的门限；其中，m为校正门限权系数，m e
；第二计算模块，用于计算待测频段带宽内的能量值；判断模块，用于判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限第一状态显示模块，当判断模块判断为是时，用于表明存在频谱空穴，施扰用户可 在此待测频段带宽内正常工作；第二状态显示模块，当判断模块判断为否时，用于表明受扰用户存在，施扰用户在 此待测频段带宽内停止工作。优选的，所述第一计算模块采用经典周期图法计算校正频段带宽内的能量值。优选的，所述第二计算模块采用Welch法计算待测频段带宽内的能量值。优选的，所述第一计算模块和第二计算模块同步进行计算。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明通过依次按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/ η为待测频段带宽，并根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽，所述校正频段带宽 以受扰用户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽，计算校正频段带宽内的 能量值，对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的门限，计 算待测频段带宽内的能量值，判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限若是， 则表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；若否，则表明受扰用户存 在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作，实质上通过将检测过程分为两部分，一部分计 算待测频段范围内的能量值，另一部分计算校正频段内的能量值，后者对原有固定门限值 进行修正，并将修正后的新门限值作为前者的判决条件。同时，由于校正频段带宽远大于待 测频段带宽，故受扰用户(主用户)在校正频段内的能量对噪声估计值产生的影响可忽略不计，从而达到门限值随噪声干扰同步变化的效果，实现了抑制虚警概率的目的。
图1是本发明实施例一所述的一种能量检测的方法流程图；图2是本发明实施例一所述的噪声能量 波动下现有方法和本发明的虚警概率示 意图；图3是本发明实施例一所述的噪声方差波动下现有方法和本发明的虚警概率示 意图；图4是本发明实施例一所述的现有方法和本发明对测试概率仿真的示意图；图5是本发明实施例二所述的一种能量检测的装置结构图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。实施例一参照图1，示出了本发明所述的一种能量检测的方法流程图，所述方法具体包括S101，按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/n为待测频 段带宽；所述的某种次序是为了有序的完成所需测试频段的测试而设定的，具体可根据实 际需求进行设定。S102，根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所述校正频段带宽以受扰 用户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽；S103，计算校正频段带宽内的能量值；优选的，所述校正频段带宽内的能量值采用经典周期图法进行计算。其中，所述的周期图法是一种经典的信号功率谱密度估计方法，人们也将其称为 经典周期图法。S104，对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的 门限；其中，m为校正门限权系数，mc
;S105，计算待测频段带宽内的能量值；优选的，所述待测频段带宽内的能量值采用Welch法进行计算。其中，所述的Welch法是对Bartlett法的改进，旨在保持Bartlett法方差性能的 同时，改善其分辨率，又称加权交叠平均法，其基本原理是对数据分段时，使每一段有部分 重叠，然后对每一段数据用一个合适的窗函数进行平滑处理，最后对各段谱求平均。S106，判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限若是，则为S107;若否，则为S108;S107，表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；S108，表明受扰用户存在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作。S109，按照次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的下个1/n为待测频
其中ai表示服从标准正态分布的随机向量，W1表示校正频段带宽。ai =nI(^T)则噪声能量可表示为JV(t)dt = (1/2^)2 af对于实际的检测，在校正频段内的噪声能量可记为V1，米用经典周期图法进行计 算为
τ2W,TV1 = _fn2⑴dt = (1/2^)2； af( 4 )
0 1^0V2表示无受扰用户(主用户)存在时，且检测带宽为W2时待测频段范围内的能量 值采用Welch法进行计算为
τ2W2T
V2 = Jn2(t)dt = (l/2W2)￡ai2
0 i=0
为分析检测性能，需要对其概率密度函数进行推导 当噪声服从标准正态分布时，其概率密度函数f\(x)为
(5
释忐一2
经能量检测系统后的检测统计量概率密度函数f2(x)为 ΛW = ^TTw(v^+=-^Χ'υ2β'χ/2 = ‘2> ^>0 (7 )
由伽马函数可加性可得噪声分布服从σ = 1且μ兴0时的概率密度函数 /(V2)=严/(TW2)Cfv2>0(8)
下面对分布为O兴1且μ = 0时的情况进行分析，即分析多组服从不同分布噪
(6)
声的叠加情况。nk(t)表示2WT组服从独立同分布的噪声叠加之和，其能量可表示为
τ2WTJn^(t)dt = (l/2W)^aik2(9)
0 i=l当噪声存在η种不同方差分布时，校正频段内总能量记为V',
η 2WTV; =(IQW1)X^aik2(10)
i=l
段带宽，重复进行S105-S109，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止。下面将进一步说明所述能量测试的方法，具体说明各个步骤的实现和原理，将施 扰用户引发的背景噪声能量升高分解为噪声均值μ和方差σ的增加两个独立事件，并分 别进行研究。具体的，对于校正门限值的计算原理如下。当背景噪声分布σ = 1且μ兴0时， 经前置滤波器滤波后的噪声为
OO n(t) = ^ai SincCZW1 t-i)( \ )
7
待测频段内总能量记为V' 2
η 2W2TV2=(l/2W2)￡￡aik2(11)
k=l i=l同理可得噪声分布服从σ兴1且μ =0时的概率密度函数 /(ν；)=…二厂2 & >0(12)若固定门限值为Vt，将VfV1记作λ N，对于服从σ = 1且μ兴0的噪声环境，虚 警概率可表示为Pf=Prob{V2 > & I H。} = ￡ f(v2)dv2(I3)对于服从σ乒1且μ = 0分布的噪声环境，将VT+V'工记作λ ‘ Ν，则虚警概率 可表示为Pf=Prob{V2 > 4|H0}=￡/(v2X/v；(14)其中Γ (.，.)表示不完整的Gamma函数；Q()为一般的Marcum Q函数。本发明由于采用自适应门限技术，检测概率会随门限值的增高发生变化，下面以 ο = 1且μ兴0为例研究新方法对系统检测概率产生的影响。主用户信号可表示为
OOS(t) = ^aj sinc(2W2t-i)(15)
I=-OO,主用户信号与噪声共存时待测频段内能量值Vh可表示为
T2W2TVh = Jy(t)dt = (1/2W2) Yj (af +α,2)(16 )
0 i=0其中y(t)表示主用户信号与噪声叠加后的表达式。同虚警概率推导方法，检测概 率表达式为Pd = Prob{Vh > ^nIH1) = Qtw(Vr,V^)(17)其中修正后的门限值λΝ = VT+m*Vi; QO为一般的Marcum Q函数，R表示主用户 信号能量与该频段内背景噪声能量的比值。由式(17)可知，检测概率受R与λ N共同影响。λ N随背景噪声能量的增加而升 高，对检测概率有一定负面影响。但是，对于一般窄带无线通信系统，为保证通信系统正常 工作，待测频段内的信号能量通常远大于噪声能量，相对于R，λ Ν产生的影响可被近似忽 略。当处于特殊情况下(R较小)λΝ的升高造成检测概率下降时，可采用引入校正门限权 系数111，其中111〔
，以控制义对λΝ产生的影响，进而防止检测概率下降。优选的，所述计算校正频段带宽内的能量值和计算待测频段带宽内的能量值同步 进行。由于经典周期图法计算速度高于Welch法，计算校正频段带宽内的能量值和计算 待测频段带宽内的能量值同步进行，可最大限度节约检测时间。进一步的，以全球微波互联接入即WiMax(Worldwide Interoperability forMicrowave Access)系统处于背景噪声干扰环境下为例进行仿真无干扰时的初始环 境下，取100000组服从标准正态分布的随机向量作为初始噪声，其功率谱密度为_90dBm/
8MHz0初始环境下噪声检测统计量服从中心卡方分布，取恒定虚警概率为1.53%，可计算出
此时的固定门限值为1. 144X10_12w。但是，上述条件下得出的固定门限值，极易被存在干扰
环境下的背景噪声所淹没。设此时背景噪声为，则
权利要求
一种能量检测的方法，其特征在于，所述方法包括A1按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的1/n为待测频段带宽；A2根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所述校正频段带宽以受扰用户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽；A3计算校正频段带宽内的能量值；A4对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求和，获得修正后的门限；其中，m为校正门限权系数，A5计算待测频段带宽内的能量值；A6判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限若是，则表明存在频谱空穴，施扰用户可在此待测频段带宽内正常工作；若否，则表明受扰用户存在，施扰用户在此待测频段带宽内停止工作；A7按照次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部分的下个1/n为待测频段带宽，重复进行A5 A7，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止。FSA00000200127300011.tif
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述校正频段带宽内的能量值采用经典周期图法进行计算。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于 所述待测频段带宽内的能量值采用Welch法进行计算。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述计算校正频段带宽内的能量值和计算待测频段带宽内的能量值同步进行。
5.一种能量检测的装置，其特征在于，所述装置包括待测频段带宽选取模块，用于按照某种次序选取施扰用户与受扰用户工作频段重叠部 分的1/n为待测频段带宽，直到所选的待测频段带宽遍历受扰用户的工作频段为止；校正频段带宽选取模块，用于根据受扰用户工作频段位置选择校正频段带宽；所述校 正频段带宽以受扰用户中心频点展开且远远大于主用户带宽和待测频段带宽； 第一计算模块，用于计算校正频段带宽内的能量值；修正后门限值获取模块，用于对原始固定门限值与m倍的校正频段带宽内的能量值求 和，获得修正后的门限；其中，m为校正门限权系数，m c
； 第二计算模块，用于计算待测频段带宽内的能量值； 判断模块，用于判断待测频段带宽内的能量值是否小于修正后的门限 第一状态显示模块，当判断模块判断为是时，用于表明存在频谱空穴，施扰用户可在此 待测频段带宽内正常工作；第二状态显示模块，当判断模块判断为否时，用于表明受扰用户存在，施扰用户在此待 测频段带宽内停止工作。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述第一计算模块采用经典周期图法计算校正频段带宽内的能量值。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述第二计算模块采用Welch法计算待测频段带宽内的能量值。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述第一计算模块和第二计算模块同步进行计算。
全文摘要
本发明提供了一种能量检测的方法和装置，通过将检测过程分为两部分，一部分计算待测频段范围内的能量值，另一部分计算校正频段内的能量值，后者对原有固定门限值进行修正，并将修正后的新门限值作为前者的判决条件。同时，由于校正频段带宽远大于待测频段带宽，故受扰用户(主用户)在校正频段内的能量对噪声估计值产生的影响可忽略不计，从而达到门限值随噪声干扰同步变化的效果，实现了抑制虚警概率的目的。
文档编号H04B1/707GK101944930SQ20101023267
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月16日 优先权日2010年7月16日
发明者朱刚, 李珩超, 班布日, 艾渤, 许荣涛, 钟章队 申请人:北京交通大学