专利名称：一种时变衰落信道下的频谱检测方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明针对时变衰落信道下频谱检测问题，设计提出一种动态状态空间系统模型(Dynamic State-space Model, DSM),分别基于两状态马尔科夫状态概率转移模型和一阶有限状态马尔科夫信道(Finite-state Markov Channel，FSMC)模型，将授权用户(也称为主用户)状态与时变信道状态作为隐藏状态(Hidden States);在此基础上，提出一种联合估计信道增益与授权用户状态的新型频谱感知方法，并利用粒子滤波(ParticleFiltering, PF)技术估计非平稳系统中所涉及的后验概率，从而实现了对于时变衰落信道增益与主用户状态的联合估计。属于通信领域。
背景技术：
随着现代无线通信技术的迅猛发展以及用户需求的不断增加，无线传输技术正在向着大宽带高码率方向不断迈进。在频谱资源紧缺局势日益凸显的今天，无线系统设计者开始着手提升已授权频段的频谱利用率，旨在实现一种更为灵活、高效的无线频谱资源管理使用方案，从而为下一代高速无线通信业务的发展提供必要前提条件。在此背景的推动下，认知无线电技术(Cognitive Radio, CR)应运而生,成为目前有望缓解频谱资源枯竭与其利用率偏低这一主要矛盾的最具应用前景的新技术之一。CR通过实时感知检测无线频谱的使用状况(即主用户是否使用频段)，在授权频段无主用户工作时，非授权用户(也称为次要用户)将机会性地动态接入并使用该空闲频谱。因此，频谱感知(Spectrum Sensing)将是认知无线电技术中的关键部分。频谱感知显著区别于一般通信接收机中的信号检测与接收过程，它无需准确复原所接收的信号，而仅需检测某个特定频段在特定地理区域和时段上，是否存在有主用户信号。目前来看，现有频谱感知方案可分为三种检测方式，即能量检测器(EnergyDetection, ED)、匹配滤波器(Matched Filter Detection, MFD)和循环平稳特征检测(CyclostationaryDetection)。相比于其他两种方法,能量检测方案因其计算复杂度低，无需授权信号先验信息，且检测时间短等诸多优势，成为目前广泛应用的频谱感知方案之一。然而遗憾的是，能量检测容易受到信道状态的影响，具体来讲，ED中的判决门限与接收信号的能量密切相关，因而在时变衰落信道中，信道增益随时间变化的特性无疑将极大地增加检测难度，并显著降低实际应用中的频谱检测性能。尽管现有研究已考虑时变衰落信道的统计概率分布密度特性，但该统计概率分布仅能反映衰落信道的瞬时随机特性，并不能描述其随时间迁移变化的性质，因而也难以对时变信道进行描述与追踪，导致ED检测性能欠佳。本发明提出一种时变衰落信道下的动态状态空间模型，用以深入描述主用户状态与时变信道增益这两个隐含状态的时变迁移特性；在此基础上，设计提出针对时变衰落信道的一种全新频谱感知方法，将累计信号能量作为DSM的观测信号，并充分发掘授权用户工作状态的先验概率以及衰落信道增益的状态转移特性，对主用户状态和时变信道增益实施联合估计(Joint Estimation),极大提高了实际衰落信道中的频谱感知性能,在无需实施复杂的多节点协作感知的情况下，亦能获得良好检测性能。由于该方案以累计能量作为观测量，新方法在提升性能的同时，亦保留了无需主用户信号特征以及检测时间短的优势。
发明内容
本发明提出一种针对时变衰落信道的新频谱检测模型，将授权用户工作状态和衰落信道增益看作两个隐藏系统状态，并引入一阶FSMC模型来有效地刻画时变慢衰落信道增益随时间迁移的特性，同时将接收到的授权用户信号在特定时间窗内的能量累积和作为系统的观测值；基于新建立的DSM，进一步设计提出一种全新频谱感知方法，充分发掘利用授权用户工作状态的时变特性以及衰落信道增益的状态迁移信息，基于最大后验概率准则(Maximum A Posterior Probability,MAP)及随机米样理论(Random Sampling)粒子滤波技术(Particle Filtering，PF)，同时估计时变信道增益和授权用户工作状态的后验概率，进而实现了对主用户状态和信道增益的联合估计与实时跟踪。新方案在保证感知算法低复杂度与实时性要求的前提下，极大提高了时变衰落信道中的频谱感知性能，从而为分布式认知无线网络的设计与实现提供一种极具应用潜力的方案。本发明采用以下技术方案。首先，本方法建立主用户工作状态的等效信息序列(Equivalent statesequence)，采用具一阶马尔科夫性的0，I序列加以表征，也即“O”表示授权用户处于静默状态，即此刻该频段空闲；“1”表示授权用户正处于发射工作状态，即此刻该频段被占用。同时，本方法采用一阶FSMC模型来表征时变慢衰落瑞利信道，将信道增益划分为若干离散状态，状态之间转移由概率状态转移矩阵(Probability Transition Matrix, PTM)确定。具体地，该状态转移概率由一阶马尔科夫链特性所确定并给出。其次，本方法建立一个动态状态空间系统模型，针对感知用户而言，将信道状态与授权用户状态作为隐藏状态，而将一定时间窗内采样接收的信号能量和作为观测值；最后，本方法装置基于观测值实现了针对授权用户工作状态和时变信道状态的联合估计，利用信道增益的马尔科夫状态转移特性，对信道增益幅值进行实时估计；在此基础上，利用粒子滤波技术对授权用户工作状态的后验概率进行序贯更新与估计，从而最终实现信道增益与授权用户状态的联合估计。本发明的优点是:I)本发明技术方案适用于复杂时变无线传输环境下的频谱感知，为认知无线电技术频谱感知提供一种全新理论，并为其实际应用奠定坚实基础；2)本发明提出一种针对时变衰落信道的频谱感知系统的动态状态空间模型，可更为有效地反映频谱感知内在机理；3)区别于已有频谱感知方法中针对衰落信道的静态概率分布建模方法，新方案能充分体现出信道时变特性，因而更符合认知无线电技术实际工作环境，所设计方法也能更为有效地应用于实际；4)区别于现有方案只针对主用户状态进行估计、而忽视时变信道增益的局限性，新方案首次针对信道增益和授权用户状态进行联合实时估计，因而极大地提升了时变衰落信道下的频谱感知性能；同时，以能量检测方案为基础，新频谱感知方案具备低实现复杂度和检测时间短的优势；
5)该发明充分利用时变信道及授权用户工作状态的先验信息，并采用粒子滤波技术有效克服观测信号(累积能量)呈现出的非平稳非高斯特性，极大地提升了时变衰落信道下的频谱感知性能。
图1为基于FSMC模型的衰落信道状态框图。图2为感知用户进行频谱感知流程图。图3为新方法频谱感知检测正确率和传统ED性能仿真对比图。
具体实施例方式本发明建立起时变衰落信道下的频谱感知动态状态空间模型，同时采用最大后验概率准则对时变信道增益和主用户状态进行联合估计，并采用粒子滤波技术实现非平稳非高斯情况下的参数估计。下面对动态系统模型及频谱感知过程分别阐述。1.本发明建立的时变衰落信道下频谱感知动态状态空间模型如式(I)所示:
权利要求
1.一种频谱感知实现方法装置，能够实现时变衰落信道下的高性能频谱感知；其特征在于:充分考虑信道增益的时变特性，利用新提出的动态状态空间模型，实现了对于主用户工作状态和时变慢衰落信道增益的联合估计。
2.根据权利要求1所述的时变信道下频谱感知的实现方法，其特征在于:一种深入反映时变信道下频谱感知机制的系统模型，将时变信道状态和主用户状态作为两个系统隐藏状态，并分别借助于一个一阶马尔科夫链和FSMC模型加以描述,而将特定时间窗内米样信号的能量和作为系统观测值。
3.根据权利要求1所述的时变信道下频谱感知的实现方法，其特征在于:利用观测信号对时变信道增益和主用户状态进行联合估计:首先对主用户状态进行粗略预估计，在此基础上利用最大后验概率估计时变慢衰落下的信道增益，最后进一步利用粒子滤波技术对授权用户状态进行重新估计。
4.根据权利要求3所述的对联合估计频谱检测中预估计实现方法，其特征在于:该方法直接依据采样点数、最小衰落信道增益和噪声方差选定一个门限值；利用该门限值与观测信号之间相对大小关系，初步估计出主用户的工作状态，从而为后续估计提供基础。
5.根据权利要求3所述的对时变信道增益与主用户状态进行联合估计的实现方法，其特征在于:依据预判决结果对信道增益进行更新，不同的预判决结果决定不同的估计策略，具体地当预估主用户状态为“O”时，直接采用先验状态转移概率更新信道增益；而当预估主用户状态为“I”时，则采用最大后验概率准则估计时变信道增益。据权利要求3所述的对时变信道增益与主用户状态进行联合估计的实现方法，其特征在于:利用时变慢衰落信道下信道相干时间远大于检测周期的特性，进一步充分利用相同预判决情况下若干检测周期内的累积观测值及累积自由度，从而不断修正信道幅值的估计值，有效提高了信道幅值的估计精度。
6.根据权利要求3所述的对于时变信道增益与主用户状态联合估计的实现方法，其特征在于:在已获得的信道增益估计值的基础上，采用粒子滤波技术，利用一组序贯更新的粒子及其重要性权重来逼近后验概率，并依赖于最大后验概率准则获得主用户状态的实时序贯估计，提升了频谱检测正确率。
本发明公开了一种时变衰落信道下的频谱感知方法装置，基于一种新提出的认知用户端的动态状态空间系统模型，设计一种针对时变信道增益和主用户状态进行联合估计频谱感知方法装置。该系统中包括预估计模块、信道增益估计模块和主用户状态估计模块；通过本发明所设计提出的频谱感知实现方法，实现了对时变衰落信道的跟踪估计，极大地提高了时变衰落信道下的实际频谱感知性能，在无线通信认知无线电领域中具有极其广泛的应用；同时，该发明不限于认知无线电频谱检测，若将主用户状态作为一种等效的信息系列，则本方法可看作一类通用的时变衰落信道下的非相干信号检测估计方案，能同时实现对于信息状态序列和时变信道增益的估计，因而在其他无线通信领域也具有极其重要的理论研究与实际应用价值。
全文摘要
本发明提出一种时变衰落信道下下频谱感知算法，设计一种动态状态空间模型来描述授权用户状态与时变信道增益的时变特性，将授权用户工作状态和衰落信道增益看作两个隐藏系统状态，并引入一阶FSMC模型刻画时变慢衰落信道增益时变迁移特性，将接收信号能量累积和作为系统观测值；在此基础上，针对时变衰落信道提出一种全新频谱感知方法，充分发掘授权用户状态先验概率以及衰落信道状态转移特性，对授权用户状态和时变信道增益实施联合估计，极大提高了衰落信道下频谱感知性能，在无需实施复杂多节点协作感知的情况下，亦能获得良好检测性能(见附图)。该方案以累计能量作为观测量，新方法同时亦保留了无需授权用户信号特征及检测时间短的优势。
文档编号H04B17/00GK103117817SQ20131000779
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月9日 优先权日2013年1月9日
发明者李斌, 孙梦巍, 赵成林 申请人:北京邮电大学