一种认知无线电系统中的频谱感知方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种认知无线电系统中的频谱感知方法和系统，该方法包括：认知无线电CR系统获取基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息；所述CR系统利用所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息、以及待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间的相关性信息，确定所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息；所述CR系统利用所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息计算所述待感知目标频谱上的频谱感知参数，并利用所述待感知目标频谱上的频谱感知参数执行频谱感知过程。本发明实施例中，可以明显降低接收信号窗长与滑动相关次数，明显降低频谱感知的复杂度，并提高了频谱感知的检测性能。
【专利说明】一种认知无线电系统中的频谱感知方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信【技术领域】，尤其是涉及了一种认知无线电系统中的频谱感知方法和系统。
【背景技术】
[0002]无线电通信频谱是一种宝贵的自然资源，随着无线通信技术的飞快发展，频谱资源贫乏的问题日益严重，为了缓解频谱资源紧张的现状，当前对无线通信频谱进行了监测和研究，发现某些频段(如电视频段)在大多数时间内并未使用或者在大多数地域内并未使用，而某些频段则出现了多系统多用户同时竞争的情况，即频谱资源的使用存在不均衡的现象。
[0003]在这种背景下提出了 CR(Cognitive Radio,认知无线电)的概念,认知无线电的基本思想是:在不对授权主系统造成干扰的前提下，认知无线电系统可以通过监测当前无线环境的变化来动态机会式地接入空白频段进行通信。进一步的，当认知无线电系统机会式接入授权主系统的空白频谱时，其前提是保护授权主系统的业务不受到认知无线电系统的有害干扰，这就要求:认知无线电系统能够准确判断出授权主系统频段的空白频谱，以及，认知无线电系统发现授权主系统在当前使用的空白频谱(源工作频点)上重新出现时，能够及时退出当前使用的空白频谱。
[0004]为了实现上述过程，认知无线电系统需要具备频谱感知能力，所谓频谱感知是指:通过检测目标频谱上授权主系统的信号判断授权主系统是否占用目标频谱，即判断目标频谱占用或者空闲；且频谱感知的主要方法包括能量检测频谱感知和基于信号特征的频谱感知。
[0005]在能量检测频谱感知的方式中，直接对目标频谱上的接收信号求平均能量，并通过判断其能量是否超过某一门限，来确定目标频谱是否被授权主系统占用；能量检测频谱感知的优点是方法简单，其缺点是算法的灵敏度较低，在信噪比较低时，检测性能不佳。
[0006]在基于信号特征的频谱感知方式中，其可进一步包括匹配滤波检测与自相关检测，上述方式分别利用接收信号与已知序列之间的相关性或接收信号之间的相关性进行检测，并可以达到较高的灵敏度，在较低的信道比时，仍能取得较高的检测性能。但是，基于信号特征的频谱感知方式中，由于待感知的授权主系统与认知无线电系统之间未同步，为了保证可以检测到授权主系统的信号特征，认知无线电系统需要保证特征信号落在接收窗口内，因此需要接收较长的信号序列，并对接收窗口内的信号序列进行逐符号的滑动相关求和，从而导致非常高的复杂度，并会降低算法的灵敏度，降低检测性能。
[0007]以授权主系统为 DTMB (Digital Television Multimedia Broadcasting,数字电视多媒体广播)系统举例说明如下:如图1所示，为DTMB帧结构的示意图，假设DTMB采用固定的帧头模式一(帧体长度N=420)，且每帧的帧头固定(假设称之为PN420序列)，帧体长度M=3780。基于此:
[0008]如果采用匹配滤波检测算法，当认知无线电系统与DTMB系统不同步时，为了保证接收信号中一定包含一个帧头特征信号，则接收信号窗长必须大于等于(帧头长度N+帧体长度M)，认知无线电系统在接收信号窗口内依次滑动相关所使用接收信号的起始位置，将该数据与本地序列相关求和，在滑动的相关结果中选择最大的相关结果作为检测统计量，将检测统计量与某一门限比较，根据比较结果判决授权主系统是否在目标频谱上发射，如下式所示:
【权利要求】
1.一种认知无线电系统中的频谱感知方法，其特征在于，包括: 认知无线电CR系统获取基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息； 所述CR系统利用所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息、以及待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间的相关性信息，确定所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息； 所述CR系统利用所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息计算所述待感知目标频谱上的频谱感知参数，并利用所述待感知目标频谱上的频谱感知参数执行频谱感知过程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CR系统确定所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息的过程，包括: 所述CR系统判断所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间是否存在相关性；如果存在相关性，则所述CR系统利用所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息、以及所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间的相关性信息，确定所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，授权系统特征信号的同步信息包括:授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置信息；所述CR系统判断所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间是否存在相关性的过程，包括: 所述CR系统判断所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间是否存在相关性；或者， 所述CR系统利用所述基准目标频谱上授权系统发射机的先验信息和待感知目标频谱上授权系统发射机的先验信息判断所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间是否存在相关性。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述基准目标频谱上授权系统特征信号与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的周期相同时； 所述CR系统判断所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间是否存在相关性，包括: 当所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间的间隔Vr位于区间[a，b]内的概率大于预设概率门限时，所述CR系统确定所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间存在相关性，且间隔VF的取值范围为区间[a，b];否则，所述CR系统确定所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间不存在相关性。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述授权系统发射机的先验信息包括:所述授权系统发射机的标识ID，以及所述授权系统发射机的部署发射参考时间；在所述基准目标频谱上授权系统特征信号与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的周期相同时； 所述CR系统利用所述基准目标频谱上授权系统发射机的先验信息和待感知目标频谱上授权系统发射机的先验信息判断所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间是否存在相关性，包括: 当所述基准目标频谱的授权系统发射机的ID与所述待感知目标频谱的授权系统发射机的ID相同，且所述基准目标频谱的授权系统发射机的部署发射参考时间与所述待感知目标频谱的授权系统发射机的部署发射参考时间相同时，所述CR系统确定所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间存在相关性；且所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间的间隔Vr为固定值，且▽/’ = (); 当所述基准目标频谱的授权系统发射机的ID与所述待感知目标频谱的授权系统发射机的ID相同，且所述基准目标频谱的授权系统发射机的部署发射参考时间与所述待感知目标频谱的授权系统发射机的部署发射参考时间相差△ Tref时，所述CR系统确定所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间存在相关性；且所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与所述待感知目标频谱上授权芊统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间的间隔ν;T为固定值，为授权系统特征信号的周期； 当所述基准目标频谱的授权系统发射机的ID与所述待感知目标频谱的授权系统发射机的ID不同时，所述CR系统确定所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间不存在相关性。
6.如权利要求3或5所述的方法，其特征在于，所述授权系统发射机的先验信息的获得方式，包括: 所述CR系统通过接收授权系统通知的先验信息获得所述授权系统发射机的先验信息；或者，所述CR系统通过访问存储有先验信息的数据库获得所述授权系统发射机的先验信息；或者，所述CR系统通过接收其他CR系统通知的先验信息获得所述授权系统发射机的先验信息；或者，所述CR系统从自身预存的先验信息中获得所述授权系统发射机的先验信息、O
7.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间的相关性信息包括:所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间的间隔VF ;所述CR系统利用所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息、以及待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间的相关性信息，确定所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息，包括: 所述CR系统确定所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置τΜ为:4+v:r+z'x；rCyd￡(/=()，i，…) 其中，τΝ为所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置，且T%le为授权系统特征信号的周期。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频谱感知参数包括:频谱感知的接收信号窗口的起始位置和长度、滑动相关次数； 所述CR系统利用所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息计算所述待感知目标频谱上的频谱感知参数，包括: 针对匹配滤波检测的频谱感知方式，所述CR系统确定接收信号窗口的位置为[TN+a+i X Tcyclc, TN+b+TLength+i X Tc]，且起始位置为 TN+a+i X Tcycle,长度为 TLength+b_a，且滑动相关次数
9.一种认知无线电CR系统，其特征在于，包括: 第一同步信息获取单元，用于获取基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息； 第二同步信息获取单元，用于利用所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息、以及待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间的相关性信息，确定所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息； 频谱感知参数计算单元，用于利用所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息计算所述待感知目标频谱上的频谱感知参数； 频谱感知执行单元，用于利用所述待感知目标频谱上的频谱感知参数执行频谱感知过程。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括: 同步信息相关性判断单元，用于判断所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间是否存在相关性；所述第二同步信息获取单元，具体用于当存在相关性时，利用所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息、以及所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间的相关性信息，确定所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的同步信息。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述授权系统特征信号的同步信息包括:授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置信息； 所述同步信息相关性判断单元，具体用于判断所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间是否存在相关性；或者， 利用所述基准目标频谱上授权系统发射机的先验信息和待感知目标频谱上授权系统发射机的先验信息判断所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间是否存在相关性。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，在所述基准目标频谱上授权系统特征信号与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的周期相同时； 所述同步信息相关性判断单元，进一步用于当所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间的间隔vH立于区间[a，b]内的概率大于预设概率门限时，确定所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时 间位置与待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间存在相关性，且间隔VT的取值范围为区间[a，b]；否则，确定所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间不存在相关性。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述授权系统发射机的先验信息包括:所述授权系统发射机的标识ID，以及所述授权系统发射机的部署发射参考时间；在所述基准目标频谱上授权系统特征信号与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号的周期相同时； 所述同步信息相关性判断单元，进一步用于当所述基准目标频谱的授权系统发射机的ID与所述待感知目标频谱的授权系统发射机的ID相同，且所述基准目标频谱的授权系统发射机的部署发射参考时间与所述待感知目标频谱的授权系统发射机的部署发射参考时间相同时，确定所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间存在相关性；且所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间的间隔Vr为固定值，且▽T’ = 0; 当所述基准目标频谱的授权系统发射机的ID与所述待感知目标频谱的授权系统发射机的ID相同，且所述基准目标频谱的授权系统发射机的部署发射参考时间与所述待感知目标频谱的授权系统发射机的部署发射参考时间相差时，确定所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间存在相关性；且所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间的间隔灯为固定值,Vr=niod(A7fc.rf7；,vk.) , Tcycle为授权系统特征信号的周期； 当所述基准目标频谱的授权系统发射机的ID与所述待感知目标频谱的授权系统发射机的ID不同时，确定所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间不存在相关性。
14.如权利要求11或13所述的系统，其特征在于， 所述同步信息相关性判断单元，进一步用于通过如下方式获得所述授权系统发射机的先验信息；通过接收授权系统通知的先验信息获得所述授权系统发射机的先验信息；或者，通过访问存储有先验信息的数据库获得所述授权系统发射机的先验信息；或者，通过接收其他CR系统通知的先验信息获得所述授权系统发射机的先验信息；或者，从本系统预存的先验信息中获得所述授权系统发射机的先验信息。
15.如权利要求12或13所述的系统，其特征在于，所述待感知目标频谱与所述基准目标频谱上授权系统特征信号的同步信息之间的相关性信息包括:所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间的间隔VT ； 所述第二同步信息获取单元，具体用于确定所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置Tm为:ΤΝ+νΤ + ?χΤ^{? = 0Χ.其中，Tn为所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置，且&为授权系统特征信号的周期。
16.如权利要求9所 述的系统，其特征在于，所述频谱感知参数包括:频谱感知的接收信号窗口的起始位置和长度、滑动相关次数； 所述频谱感知参数计算单元，具体用于针对匹配滤波检测的频谱感知方式，确定接收信号窗口的位置为[TN+a+i X Tcycle, TN+b+TLngth+i X Tcycle]，且起始位置为 TN+a+i X Tcycle,长度
^ — ο +1为Ttogth+b_a，且滑动相关次数L=――
Sample.? 针对自相关检测的频谱感知方式，确定2个接收信号窗口的位置为[TN+a+iXTCyele，TN+b+TLength+i X TCycle]、[TN+a+j X Tcyclej TN+b+TLength+j X Tcycle]，j ^ i，起始位直分力1J 为
b~?TN+a+i X Tcycle 与 TN+a+j X Tcycle,长度为 IYength+b_a，且滑动相关次数 L = ^^ 其中:
San^jIe ?
， 所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置Tm为:& + ^ + /χ7^(/ = 0，1，’'.) ;Tn为所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置；VT%所述基准目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置与所述待感知目标频谱上授权系统特征信号到达所述CR系统所在地理位置处的起始时间位置之间的间隔，且Vr取值范围为区间[a，b] Ay&为授权系统特征信号的周期；Ttogth为所述待感知目标频谱上授权系统特征信号长度；TSample为所述CR系统时间采样间隔。
【文档编号】H04W56/00GK103702335SQ201210365769
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年9月27日 优先权日:2012年9月27日
【发明者】白文岭, 李媛媛, 蒋成钢, 杨宇 申请人:电信科学技术研究院