基于复小波的宽频带认知无线电频谱感知方法与流程

本发明涉及一种基于复小波的宽频带认知无线电频谱感知方法。

背景技术：

1.认知无线电

随着这些年来无线通信业务地不断增长，人们对大数据量传输的无线通信方式的需求呈指数级增长。但是目前的频谱分配方式是一种呆板静态的固定的分配方式。这种固定的无线电频谱分配方式目前来看不能将频谱资源充分利用，有着许多问题，因此认知无线电技术应运而生。

认知无线电技术的思想是无线电频谱资源的动态分配和共享，即在授权用户不使用授权频带的时候，将空闲下来的频段分配给认知用户，从而达到高效的频带利用率。因此，快速并准确地监测无线电频谱状态的方法即频谱感知是实现认知无线电的基础和前提条件。

2.宽带频谱感知

频谱感知是认知用户从待测频带上收集到的信号，通过信号处理的方式来判断其特征，并推断当前频带是否被授权用户信号所占据的一种信号处理技术。由于目前被各类无线通信系统所占用的频带范围比较宽阔，大致在0-2G Hz范围内都有各种不同的无线通信系统，因此如何对这样一个大范围的频带进行快速准确地感知就成为了频谱感知当中的一个热点问题，这也就是宽带感知。对于宽带感知技术的实现而言，准确和速度自然是不可避免的前提，但是设备复杂度和造价也是需要考虑的重要因素。因此，这样几个因素综合在一起，就使得认知无线电的宽带感知技术的研究变得有难度且有意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于复小波的宽频带认知无线电频谱感知方法，解决了在宽带频谱条件下，如何使用Morlet复小波技术进行快速而精确地频谱感知的难题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于复小波的宽频带认知无线电频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：构建一个尺度因子、位移因子可调的复小波射频接收前端，该接收前端可以动态地调整复小波的尺度因子、位移因子以实现频谱感知的粗感知和细感知两个阶段；

步骤S2：在频谱感知的粗感知阶段，将复小波射频接收前端所接收到的信号和设置好的复小波进行卷积得到积分后的小波系数，将所述小波系数进行傅里叶变换得到的傅里叶系数用以反应当前频带的占用情况；

步骤S3：对所述小波系数进行求一阶导数处理，得到每个占用频段的边界，所述边界为对占用频带的定界，完成频谱感知的粗感知阶段；

步骤S4：在频谱感知的细感知阶段，对每个占用频段进行再一次的信号接收，计算得到判决统计量同时根据给定的虚警概率确定判决门限；在每个占用频带，根据计算得到的判决统计量和判决门限，判断授权用户信号是否出现，完成最后的判决；其具体的判决规则为：当判决统计量大于或等于判决门限时，判决授权用户信号出现，否则判决授权用户信号为不出现。

进一步的，所述复小波射频接收前端包括天线、线性放大器、Morlet小波生成器、复小波变换模块、FFT变换模块及频带辨识和定界模块；天线负责完成对无线信号的收集；线性放大器实现无线信号的增强放大；Morlet小波生成器根据设定的尺度因子和平移因子实现复小波的具体生成，小波变换模块完成具体的小波运算工作；频带定界模块实现对宽频带中所占用频带的辨识和定界。

进一步的，所述步骤S2中傅里叶变换的具体内容如下：Morlet复小波的小波基函数为：

其中，β为形状参数，决定小波振荡衰减的快慢程度，ψ为中心频率，决定小波波形的振荡频率，C为归一化参数且

对于复小波射频接收前端接收到的信号x(t)；尺度因子为a、平移因子为b的Morlet复小波，可以得到其小波系数为：

其傅里叶变换为：

进一步的，所述步骤S3中对占用频带的定界的具体方法为：对于接收到的信号x(t)，对其进行n点的Morlet复小波傅里叶变换，然后求其一阶导数，在一阶导数的过零点处即可以得到频带的边界。

进一步的，所述步骤S4中判决统计量和判决门限的计算方法为：假定噪声功率为σ²，给定虚警概率为P_f，则：

其中，Q^-1()为Q函数的反函数，T为判决统计量，γ为判决门限；P_d为检测概率，x(i)为复小波射频接收前端接收到的信号。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明解决了在宽带频谱条件下，如何使用Morlet复小波技术进行快速而精确地频谱感知的难题。

附图说明

图1为本发明的复小波射频接收前端的原理框图。

图2为本发明的无线信号频谱占用模型。

图3a为本发明一实施例用于一阶求导的原函数。

图3b是对图3a所示函数进行一阶求导的结果。

图4为本发明一实施例仿真时所输入的模拟数据。

图5为本发明一实施例用Morlet复小波处理后的占用频带重构图。

图6为本发明一实施例使用一阶导数定界后的效果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种基于复小波的宽频带认知无线电频谱感知方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：构建一个尺度因子、位移因子可调的复小波射频接收前端，该接收前端可以动态地调整复小波的尺度因子、位移因子以实现频谱感知的粗感知(首次感知)和细感知(精确感知)两个阶段；

请参照图1，所述复小波射频接收前端包括天线、线性放大器、Morlet小波生成器、复小波变换模块、FFT变换模块及频带辨识和定界模块；天线负责完成对无线信号的收集；线性放大器实现无线信号的增强放大；Morlet小波生成器根据设定的尺度因子和平移因子实现复小波的具体生成，小波变换模块完成具体的小波运算工作；频带定界模块实现对宽频带中所占用频带的辨识和定界。

步骤S2：在频谱感知的粗感知阶段，将复小波射频接收前端所接收到的信号和设置好的复小波进行卷积得到积分后的小波系数，将所述小波系数进行傅里叶变换得到的傅里叶系数用以反应当前频带的占用情况；

步骤S3：对所述小波系数进行求一阶导数处理，得到每个占用频段的边界，所述边界为对占用频带的定界，完成频谱感知的粗感知阶段；

图2为本发明方法所假设的通用无线信号频谱占用模型，即在一个很宽的频带范围内，有多个占用不同频带的无线通信系统共存。本发明方法在此基础上用Morlet小波对所接收到的输入信号进行占用频带的辨识和定界。具体做法是：

首先，假设射频接收端接收到的信号为x(t)，由于Morlet复小波的小波基函数为：

其中，β为形状参数，决定小波振荡衰减的快慢程度，ψ为中心频率，决定小波波形的振荡频率，C为归一化参数且一般为

因此对于尺度因子为a、平移因子为b的Morlet复小波，可以得到其小波系数为：

其傅里叶变换为：

其次，对占用频带的定界的具体方法为：对于接收到的信号x(t)，对其进行n点的Morlet复小波傅里叶变换，然后求其一阶导数，在一阶导数的过零点处即可以得到频带的边界。通过一阶导数得到函数边界的示意图图图3a和图3b所示。

步骤S4：在频谱感知的细感知阶段，对每个占用频段进行再一次的信号接收，计算得到判决统计量同时根据给定的虚警概率确定判决门限；在每个占用频带，根据计算得到的判决统计量和判决门限，判断授权用户信号是否出现，完成最后的判决；其具体的判决规则为：当判决统计量大于或等于判决门限时，判决授权用户信号出现，否则判决授权用户信号为不出现。

其中，判决统计量和判决门限的计算方法为：假定噪声功率为σ²，给定虚警概率为P_f，则：

其中，Q^-1()为Q函数的反函数，T为判决统计量，γ为判决门限；P_d为检测概率，x(i)为复小波射频接收前端接收到的信号。

通过以下仿真以进一步说明本发明方法的可行性和有效性。

假设待检测的宽频带占用情况如图4所示，包含有3个独立的无线系统，且接收数据带有一定程度的噪声。通过本发明方法所设计的Morlet复小波变换，得到重构后的频谱占用图如图5所示，然后通过一阶导数求导的方法得到每个频带的边界如图6所示，实现了宽带频谱的辨识和定界，证实了本发明方法的有效性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。