一种基于认知无线技术的无线信道“指纹”特征使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及移动通信技术与认知无线电技术领域，特别涉及一种基于认知无线技 术的无线信道"指纹"特征使用方法。
【背景技术】
[0002] 以移动通信为主的无线通信产业近年来以惊人的速度快速发展，已经成为全球经 济发展的重要引擎，对人们日常的工作和生活产生着重要影响。随着无线通信技术的发展 和人们对无线业务需求的日益增长，认知无线技术以其不通过授权就可以使用频谱，使用 方式灵活，频谱利用率高的特点受到广泛关注。作为一种智能无线通信技术，认知无线技术 可以通过认知能力在自己工作的无线环境中捕获或感知信息。认知无线技术的认知能力不 仅包括对无线环境的感知，还包括对无线环境时空变化的统计规律的分析，从而避免给其 它用户带来干扰。
[0003] 接收端和发射端通过电磁链路所形成的无线信道与周围环境密切相关，不同通信 环境下的无线信道具有不同的特征。类比人类指纹，我们将上述无线信道的差异化的特征 称为无线信道"指纹"。无线信道"指纹"特征提取，就是在先验模型和测试数据的基础上，提 取不同场景或不同区域内无线信道的差异化的特征，进而分析归纳出"指纹"特征，并给出 清晰准确的"数学描述"。
[0004]在认知无线技术的发展过程中，传统的认知无线技术主要集中于对感知导频信道 (CPC)的研究，该技术帮助无线终端感知网络环境，辅助终端自主决策并实现网络发现和网 络选择，该技术对终端要求很高，成本较高，无线网络的复杂度高，解决方案相对困难。然 而，目前对于认知无线技术中的无线信道的"指纹"特征提取的研究是空白。基于认知无线 技术中的无线信道的"指纹"特征的使用方法利用数学方法建模，选取适当的评价指标，从 理论上分析提取"指纹"特征提取的可能性，该方法简单实用，易于扩展，有助于认知无线技 术的信道感知走向实际应用。
[0005]在认知无线技术中考虑无线信道的"指纹"特征提取，挖掘分析实测信道中的各种 特征，设计合适的评价参数，将提高认知无线网络利用无线信道"指纹"特征的识别认知能 力。研究基于认知无线技术的无线信道的"指纹"特征使用方法，不仅有利于利用时空变化 的统计规律来分析调整认知无线网络通信参数的选择(例如，载波频率，带宽和传输功率） 提高频谱利用率，还将对移动通信网络的优化产生重要意义。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对认知无线网络系统情形，结合认知无线技术和无线信道 "指纹"特征识别，提出一种基于认知无线技术的无线信道"指纹"特征使用方法。本发明不 仅设计了一种新型的基于认知无线技术的无线信道"指纹"特征使用方法，还给出了一种普 遍性的"指纹"特征评价参数。除此之外，还设计了一种具有"指纹"识别功能的认知无线电 体系结构模型。
[0007] 本发明首先通过对无线信道的信号统计分析，提取无线信道的"指纹"特征，作为 不同通信场景下的无线信道的识别指标，并给出"指纹"特征合理的评价标准，然后在认知 无线网络中利用所提取到的"指纹"特征，设计合理方案，避免认知无线网络接入频谱空洞 时认知无线电用户对授权用户的干扰，调整通信参数选择，提高认知无线网络的频谱利用 率。
[0008] 为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
[0009] -种基于认知无线技术的无线信道"指纹"特征使用方法，基于具有"指纹"识别功 能的认知无线电体系结构模型，通过该体系结构的认知方法过程来实现无线信道"指纹"特 征提取，包括如下步骤：
[0010] ⑴首先，利用上述"离散线性系统"模型，测试不同通信场景中无线信道的接收信 号，选取设定的三个"指纹"识别特征参数作为通信场景下的无线信道的"指纹"识别指标， 并进行记录与其相对应通信场景的数据，该阶段为准备阶段；
[0011] (2)然后，当认知无线网络进行新的通信场景进行信道数据传输时，提取该通信场 景中的无线信道的三个"指纹"特征值，将该特征值与原来收集记录的特征值进行对比匹 配，假如有原始值匹配，认定面临的新的通信场景为该原始特征值所对应的通信场景，否 贝1J，将新的"指纹"特征值进行重新收集学习记录，此即认知方法过程，该阶段为认知阶段；
[0012] (3)最后，根据上述分析，在数据匹配的前提下，利用原始数据的通信参数，对该新 的通信场景的通信参数的选择进行调整，以便适应于新的通信场景的数据传输与接收，提 高新场景中的频谱利用率，该阶段为匹配调整阶段。
[0013] 所述三个"指纹"识别特征参数，包括两个时域参数和一个频域参数;两个时域参 数分别为接收信号I r[k，n] |幅值统计范围和接收信号| p[k，n] |的统计幅值最大值及其对 应的样点取值范围;频域参数为中心频率f;其中：
[0014] |r[k，n]|为第k个样点在第n时刻单位脉冲依次经过发送滤波器、信道、接收滤波 器后的接收信号的绝对值；
[0015] |p[k，n]|为第k个样点在第n时刻单位脉冲依次经过发送滤波器，信道，接收滤波 器后的接收信号滤除高斯白噪声后的接收信号的绝对值；
[0016] f?为接收信号频域图的样本中心频率值，该参数为频域特征参数。
[0017]所述具有"指纹识别"功能的认知无线电体系结构模型以软件无线电平台和RKRL 为基础，分为硬件和软件两部分；
[0018] 硬件部分基于软件无线电平台的体系结构，包括顺序连接的天线、射频前端、反应 器功能模块、环境传感模块、认知功能模块、匹配调整模块、基带处理和用户接口；
[0019] 天线模块为接收天线模块，将无界媒介中的电磁波变换成传输线传播的导行波。 射频前端保证有用的射频信号能够完整并且不失真地提取出来并输送给后级电路。反应器 功能模块对有用的射频信号进行调制解调。环境传感模块对无线信道的复杂环境进行感知 并根据预先设定的"指纹"特征识别指标进行信息提取。认知功能模块通过对"指纹"特征的 信息学习分析，认知无线通信环境的变化。匹配调整模块利用上级认知信息，进行自适应调 整自身内部的通信机理来适应无线环境的变化。基带处理模块通过通信协议控制，对调整 变化的信号进行处理与储存。用户接口模块进行系统和用户之间的人机交互和信息交换， 实现信息的内部形式和人类可以接受形式的转换。
[0020]本发明的优点为:本发明有益于提高认知无线网络的认知能力，尤其是提高无线 信道的认知识别能力，进而提升认知无线网络的频谱利用率，有助于认知无线网络走向实 际应用。本发明具有一定的实际应用背景，具有易实现，易扩展的优点。
【附图说明】
[0021 ]图1为实际无线信道示意图；
[0022] 图2为本发明中具有"指纹"识别功能的认知无线电体系结构模型图；
[0023] 图3为本发明基于认知无线技术的无线信道"指纹"特征使用方法的流程图。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
[0025] "指纹"特征参数设定
[0026] 如图1所示，信号经过不同场景的无线信道，通过"离散线性系统"，对不同通信场 景中接收信号的幅值统计取值范围，滤除噪声之后接收信号的统计幅值最大值及其对应的 样点取值范围以及接收信号频域图的样本中心频率三个"指纹"识别数据进行记录。
[0027] 由于电磁波传播信道中的多径传输现象会引起干涉延迟效应，所以采用"离散线 性系统"为无线信道建模更能反映实际通信场景情况。在理想信道下，发射单位脉冲信号经 附带高斯白噪声的无线信道传输后可得当前时刻的完整信道参数为：
[0029] 其中k为离散信号的样点标识;n表示当前时刻;L为当前时刻路径总数^[n]为当 前时刻第1条路径上的信道系数表示n时刻第1条路径延迟的样点数;S[k]为离散信 号k的单位脉冲信号;S[k_ Tl[n]]表示当前时刻经过第1条路径时延的单位脉冲信号。
[0030] 实际上，在发射端和接受端都会各增加一个滤波器，增添滤波器后的当前时刻信 道测量结果为：
[0032] 式中，r[k，n]表示第k个样点在第n时刻单位脉冲依次经过发送滤波器、信道、接收 滤波器后的接收信号;n表示测试的样本标识，对应测试时刻，假设共有N个样本;h[k-m，n] 表示第n时刻，与当前引入滤波器的长度计数m所对应的测试样本标示k所带来的误差的信 道系数;g[m]表示滤波系数，m表示滤波器长度的计数;M为滤波器的长度，即g[m]的样点数； u[k，n]表示第n时刻第k个测试样本引入的高斯白噪声。
[0033] 根据式(2)，我们可以对第k个样点在第n时刻单位脉冲依次经过发送滤波器、信道 和接收滤波器后的接收信号的值取绝对值，即可得|r[k，n]|，该参数将在不同无线信道中 呈现不同的统计取值范围，该参数的统计取值稳定浮动区间范围，作为第一个无线信道时 域"指纹"特征参数。
[0035]令口|>，11]=1'|>，11]-11|>，11]，则口|>，11]为二维离散序列，代入式(3)得
[0037] 根据公式(4)，我们可