一种适用于空天信息网络的环境认知技术及设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于空天信息网络的环境认知技术及设备。本发明通过环境认知技术，学习空天信息网络电磁环境信息，同时对卫星系统所有的子频带进行检测，估计并判断被占用子频带的数目及位置，区分出空闲频带与繁忙频带。在不对已有通信造成干扰或者冲突的前提下，机会频谱接入空闲信道为卫星业务提供通信。与传统的宽带频谱感知方法相比，本发明提供的方法特征为：同时检测所有的广播信道，可满足卫星网络业务的高实时性要求；采用盲的环境认知方式，不需要正在通信信号的先验信息；对噪声不确定性具有鲁棒性，有效地抵抗其对系统性能的影响；最大化网络的频谱效率，提高业务质量。
【专利说明】一种适用于空天信息网络的环境认知技术及设备
【技术领域】
[0001]本发明属于空天信息【技术领域】，尤其涉及一种适用于空天信息网络的环境认知方法及装置。
【背景技术】
[0002]国际电联对卫星广播的频段进行了分配，划分为L、S、Ku、Ka、Q、E等波段。为了合理利用频率资源，各个频段支持的业务以及功率限制等也做出了统一规定。比如，用于卫星电视的Ku波段频率范围11.7-12.2GHz，总带宽500MHz，该波段被划分为24个子频道，卫星电视接入这些频道进行通信。
[0003]随着空天技术的高速发展，越来越多的卫星发射升空，卫星网络中的业务变得更加多样化，对频谱资源的需求也日益增加。然而，上述固定的频谱分配机制却大大浪费了频谱资源。在某个特定时隙，某些波段上拥挤了大量的卫星业务，相反，其他波段却处于比较空闲的状态，少量业务零星地接入这些波段进行通信。由于不同频段支持的空天业务类型是由国际电联提前规划完成，而卫星星群中突发的业务却是不可预知的，因此，业务对频谱需求的冲突也是不可避免的。如何自适应地根据频谱使用情况分配频带资源，避免冲突干扰的同时最大化频谱效率成为了卫星网络中亟需解决的问题。
[0004]空天信息网络中的环境认知技术是指通过感知卫星所处空间中的电磁环境信息，学习当前卫星网络信道的使用状况，在空闲的信道上传输数据业务，从而避开存在强干扰和冲突的子带，提闻业务质量。
[0005]卫星信道占据着宽的频带范围，划分为多个窄频道供业务接入，因此，空天信息网络环境感知是一个多频带的感知问题。一种比较直接的思路是逐带检测，然而，当子带数很多时，这会耗费大量的时间，不适合于实时性要求高的业务。另一种方法则是同时检测所有的信道，确定繁忙频道的数目及位置，接入余下的空闲信道进行通信。注意到空天信息网络中热噪声往往是时变的，具有随机性和温度敏感性，无法得到噪声功率的精确估计，因此，基于噪声方差的检测方法将会极大地恶化系统性能。同时，空天信息网络进行环境感知时没有正在通信信号的先验信息，属于盲的认知方式。
[0006]基于以上问题，本发明提出一种适用于空天信息网络的环境认知技术及设备，该技术及设备通过盲的环境认知，有效地抵抗噪声不确定度对系统性能的影响。同时，该技术及设备最大化系统的频谱效率，提高业务质量，可适用于卫星网络中的高实时性业务。
【发明内容】
[0007]该方法通过环境认知技术，学习空天信息网络电磁环境信息，首先估计出宽带卫星信道中被占用子信道的个数，然后判断被占用信道的位置，区分出空闲信道与被占用信道，在不对已有通信造成干扰或者冲突的前提下，机会频谱接入空闲信道为卫星业务提供通信。
[0008]本发明提供了一种适用于空天信息网络的环境认知方法及装置，其特征在于该方法及装置不依赖于热噪声的先验信息，对噪声不确定性具有鲁棒性，最大化系统频谱效率的同时提高业务质量，可满足卫星网络高实时性业务的需求。该方法需满足卫星接收端多天线数大于被占用子信道数的前提条件，主要包括以下步骤:
[0009]步骤一:构造二元假设检验模型。卫星频道是否空闲可以表征为该频道上是否接入了卫星业务，即判断信号的“有”与“无”。
[0010]步骤二:计算卫星多天线接收端的采样协方差矩阵。注意，采样协方差矩阵不等同于统计协方差矩阵，它是用接收信号的有限次采样来实现。因为星群网络进行环境感知时，不可能执行理想的无限次采样。只有当采样数趋于无穷时，统计协方差矩阵才可以用采样协方差矩阵来近似。
[0011]步骤三:采样协方差矩阵的特征值分解并降序排列。根据步骤二得到的采样协方差矩阵,执行特征值分解,并按由大到小的顺序降序排列。
[0012]步骤四:估计被占用信道的个数。根据Hannan-Quinn准则，寻找其最小值，确定被占用频带的个数。
[0013]步骤五:区分空闲频道与被占用频道。注意到，正在提供业务的频道上重叠了信号与噪声，而空闲信道上则只有热噪声存在。因此，繁忙信道的功率将会大于空闲信道。如果我们对各子频带的功率按降序排列，并假设步骤四中估计出的被占用频带数为尤，则前Z个信道将为被占用频带，后面的信道为空闲信道，可以为星群网络提供业务。
[0014]所述步骤一的二元假设检验模型可以表征为
[0015]H0: Xk (η) = ε k(n)
[0016]H1: xk (η) = hksk (η) + ε k (η)
[0017]其中，Htl表示该子频道处于空闲状态，H1表示已被业务接入占用，xk(η)是卫星接收端收到的信号，ek(n)表示背景热噪声，sk(η)是卫星业务的发射信号，hk代表信道增益。二元假设检验模型即要在Htl和H1中做出判决。
[0018]所述步骤二的采样协方差矩阵包括以下操作:
[0019]卫星多天线接收端由M个均匀线性阵列组成，各阵列之间相邻半波长的距离，一起协作感知远场的多频带信道。多天线接收端的接收信号可以表示为
【权利要求】
1.一种适用于空天信息网络的环境认知技术及设备,其特征在于: 首先估计卫星系统中处于繁忙状态的子频带数目尤然后确定被占用子信道的位置，区分空闲频道与繁忙频道； 卫星系统进行环境认知的步骤为，第一步，构造二元假设检验模型；第二步，根据卫星多天线接收端的接收信号来计算采样协方差矩阵；第三步，采样协方差矩阵的特征值分解；第四步，基于Hannan-Quinn准则估计被占用信道的个数；第五步，根据各频带的接收功率大小，区分空闲与繁忙信道。
2.根据权利要求1所述的空天信息网络环境认知技术及设备，其特征在于，二元假设检验模型即在两个假设检验Htl和H1中作出判决，判断子频带处于空闲状态Htl或繁忙状态H10
3.根据权利要求1所述的空天信息网络环境认知技术及设备，其特征在于，采样协方差矩阵通过?,.=去i>(")计算，其中N代表采样数，r(n)表示接收信号向量。
4.根据权利要求1所述的空天信息网络环境认知技术及设备，其特征在于，对采样协方差矩阵4做特征值分解，得到一组按降序排列的特征值4 a 1: …> Iz ;> / >…> iM，其中，M表示接收端天线阵元的数目。
5.根据权利要求1所述的空天信息网络环境认知技术及设备，其特征在于，被占用频带数目的估计方法为:1 = agmi,n 。其中，HQj为Hannan-Quinn准则判决函数，ai^gniin表
/=?,1,-..,Λ?—I JJ示使判决函数HQj值最小时对应的j。
6.根据权利要求5所述的空天信息网络环境认知技术及设备，其特征在于，Hannan-Quinn准则是一种信息论准则，最早被提出来解决模型阶数的估计问题，而后又应用于检测信号源的数目，本发明将其用来在采样数有限时检测噪声功率的重数。Hannan-Quinn准则为HQj = (?\ (j)-f2 (j)) N+f3 (j),式中
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7.根据权利要求1所述的空天信息网络环境认知技术及设备，其特征在于，各子信道的接收功率为其值最大的f个对应的子信道被占用，其余的处于空闲状态，可以为空天信息网络提供业务。
【文档编号】H04B7/185GK103532649SQ201310496982
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】谢刚, 卿浩博, 刘元安, 郭曦拓, 刘凯明, 刘芳 申请人:北京邮电大学