一种具有可靠虚警性能的半盲协作式频谱感知方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应用于认知无线电系统中频谱感知的方法，属于无线通信中的认 知无线电技术领域。
【背景技术】
[0002] 认知无线电技术为缓解频谱资源匮乏与日益增长的频谱需求之间的矛盾提供了 一种可行的方法，因此该技术从一开始出现就受到了工业界和学术界的广泛关注。其核心 思想在于认知用户可以在不影响主用户通信质量的前提下伺机地使用主用户的授权频段， 即所谓的频谱空洞。在这种背景之下，设计性能良好的频谱感知方法用以有效检测频谱空 洞自然成为一个关键的问题。
[0003] 由于阴影衰落、隐藏终端、主用户及信道信息未知等因素的存在，使得频谱感知方 法的设计成为一个有挑战性的问题。基于协作的频谱感知方法由于能够充分利用不同感知 节点之间的分集效应而成为解决上述问题的一个有效手段。在噪声统计特性已知的条件 下，融合中心基于接收信号取样协方差矩阵的最大特征值检测和基于取样协方差矩阵的最 小特征值检测是其中两种具有代表性的方法。这里，前一种方法以取样协方差矩阵的最大 特征值与噪声方差的比值作为统计判决量，而后一种方法则以取样协方差矩阵的最小特征 值与噪声方差的比值作为统计判决量。
[0004] 上述基于最大特征值检测和基于最小特征值检测两种方法均属于半盲频谱感知 方法，具有可以在主用户信号和无线信道统计特征未知的条件下实现频谱空洞的有效检测 的优点。此外，在接收信号相关性很强的条件下，上述两种方法都表现出优良的检测性能， 特别是基于最大特征值检测的方法在这种情况下更是具有明显的优势。然而，上述两种方 法也存在一些共性问题：其一，虚警性能不稳定。其原因在于这两种方法的虚警概率均基于 大维随机矩阵理论的结果进行推导，理论上只有当协作感知节点的数目P和接收信号数据 矢量的个数L都趋于无穷大时，才能减小理论虚警概率与实际虚警概率之间的误差。值得 注意的是，在实际的感知场景中上述两个关键参数值的大小都有限，因而理论虚警概率与 实际虚警概率之间的误差较大，其结果使得前述两种检测方法的虚警性能在实际应用过程 中变得不再可靠。其二，感知判决门限计算复杂。上述两种方法的理论判决门限的确定均 涉及Tracy-Widom分布的求解，其计算过程涉及复杂的数值计算，不利于实时感知的需要。 其三，上述两种方法在接收信号高度相关时表现出了良好的检测性能，而在接收信号相关 性较弱或者低信噪比的条件下的表现仍然差强人意。如何进一步改善低相关和低信噪比场 景下算法的感知性能值得进一步研宄。
[0005] 正是在上述背景之下，本发明基于接收信号取样协方差矩阵的全部特征值，而不 再像前述基于最大特征值和最小特征值检测的两种方法仅仅着眼于单个特征值（即最大 特征值或者最小特征值）的利用，提出了一种具有可靠虚警性能的半盲协作式频谱感知方 法。
【发明内容】
[0006] 技术问题：本发明提出一种具有可靠虚警性能的半盲协作式频谱感知方法。该方 法在低信噪比和信号样本之间相关性较弱的条件下表现出良好的感知性能，可以实现在主 用户信号和无线信道的统计信息缺乏条件下的半盲检测。新方法的虚警性能可靠，其应用 不再局限于协作感知节点的数目P和接收信号数据矢量的个数L都趋于无穷大的限制。同 时，该方法在高斯色噪声条件下无需进行预白化处理，从而降低了色噪声感知场景下的算 法的实现复杂度。
[0007] 技术方案：本发明提出的一种具有可靠虚警性能的半盲协作式频谱感知方法，该 方法利用采样协方差矩阵的全部特征值构造统计判决量，并应用多元统计理论的结果计算 感知判决门限值。首先对协作式感知节点的信号进行采样，形成接收信号数据矢量；然后利 用接收信号数据矢量计算接收信号的采样协方差矩阵，并计算该矩阵的所有特征值；接着 利用上述所得的特征值构造统计判决量，并计算给定目标虚警概率条件下所对应的感知判 决门限；最后实施多节点协作式感知判决：当统计判决量大于设定的门限值时则判定主用 户信号存在，而当该统计判决量小于该门限值时则判定主用户信号不存在。
[0008] 该方法的具体步骤为：
[0009] ①在第1个采样时刻对P个参与协作感知的节点的信号进行采样，得到PX1维接 收信号数据矢量X(l) = [Xl(l)，x2(l)，…，xP(l)]T，其中，上标T表示矩阵转置操作符；
[0010] ②重复步骤①，每个感知节点均对接收信号实施L次连续采样，由此得到L个接收 信号数据矢量(1)、x(2)、…、x(L)，并将这些数据发送给融合中心；
[0011] ③融合中心利用步骤②所得的数据矢量计算采样协方差矩阵：
【主权项】
1. 一种具有可靠虚警性能的半盲协作式频谱感知方法，其特征在于：该方法利用采样 协方差矩阵的全部特征值构造统计判决量：首先对协作式感知节点的信号进行采样，形成 接收信号数据矢量；然后利用接收信号数据矢量计算接收信号的采样协方差矩阵，并计算 该矩阵的所有特征值；接着利用上述所得的特征值构造统计判决量，并计算给定目标虚警 概率条件下所对应的感知判决门限；最后实施多节点协作式感知判决：当统计判决量大于 设定的门限值时则判定主用户信号存在，而当该统计判决量小于该门限值时则判定主用户 信号不存在。
2. 根据权利要求1所述的一种具有可靠虚警性能的半盲协作式频谱感知方法，其特征 在于：该方法的具体步骤为： ① 在第1个采样时刻对P个参与协作感知的节点的信号进行采样，得到PX 1维接收信 号数据矢量X (I) = [Xl (I)，X2 (1)，…，Xp(I) ]τ，其中，上标T表示矩阵转置操作符； ② 重复步骤①，每个感知节点均对接收信号实施L次连续采样，由此得到L个接收信号 数据矢量(I)、X (2)、…、X (L)，并将这些数据发送给融合中心； ③ 融合中心利用步骤②所得的数据矢量计算采样协方差矩阵：t ； L 1=[ ④ 融合中心计算Rx的P个特征值I1、4 ...、ip， ⑤ 融合中心计算高斯背景噪声统计协方差矩阵个特征值λ i、λ 2…、λ p; P X P ⑥ 融合中心计算统计判决量：A = ，这里，表示P个乘数因子的连乘运算； P:1 乂P 产 1 ⑦ 融合中心计算感知判决门限：τ = A+B X GT1 (Pfa)，其中，Pfa为给定的目标虚警概率， A = (0. 5-L+P) X {log(L-P)-log(L)}-P, 5 = 1.414 X ^log(Δ) - log(L - /5)，CT1 (Pfa)为逆马库姆函数在Pfa处的取值，log表示取 自然对数函数； ⑧ 融合中心实施二元判决： 融合中心利用计算结果进行统计判决：当由步骤⑥获得的统计判决量Λ大于由步骤 ⑦获得的感知判决门限τ时判定主用户信号存在；当由步骤⑥获得的统计判决量Λ小于 由步骤⑦获得的感知判决门限τ时，则判定主用户信号不存在。
【专利摘要】本发明涉及一种具有可靠虚警性能的半盲协作式频谱感知方法，该方法利用采样协方差矩阵的全部特征值构造统计判决量：首先对协作式感知节点的信号进行采样，形成接收信号数据矢量；然后利用接收信号数据矢量计算接收信号的采样协方差矩阵，并计算该矩阵的所有特征值；接着利用上述所得的特征值构造统计判决量，并基于简单的闭式表达式计算感知判决门限；最后实施多节点协作式感知判决：当统计判决量大于设定的门限值时则判定主用户信号存在，而当该统计判决量小于该门限值时则判定主用户信号不存在。本发明所提方法可以实现在主用户信号和无线信道的统计信息缺乏条件下的半盲检测，其在低信噪比、接收信号样本之间相关性较弱等应用场景下表现出良好的检测性能。
【IPC分类】H04B17-382
【公开号】CN104660356
【申请号】CN201510110139
【发明人】雷可君, 谭阳红, 杨喜
【申请人】湖南大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年3月13日