CN103581923B - 一种基于加权矩阵滤波的能量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加权矩阵滤波的能量检测方法，其处理过程为：对监测频带中的信号进行采样得到采样信号；对采样信号中的所有采样点的信号进行分组，每组中的所有采样点的信号构成一个列向量；根据要进行频谱感知的监测信道的频率范围和一组中包含的采样点的信号的总个数，利用凸优化技术获取用于滤波的加权矩阵；利用加权矩阵和所有列向量计算要进行频谱感知的监测信道的能量；通过比较该监测信道的能量与判决门限，判定在该监测信道内有无授权用户信号，实现频谱感知；优点是本发明方法获得的加权矩阵能够直接获得监测信道的能量；另一方面，在用于滤波的加权矩阵的阶数和FIR滤波器的阶数相同时，本发明方法能够获得更高的频谱感知性能。

Description

一种基于加权矩阵滤波的能量检测方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线电***中的频谱感知技术，尤其是涉及一种基于加权矩阵滤波的能量检测方法。

背景技术

在无线频谱资源有限的情况下，提高资源利用率是无线通信的重要研究方向之一。中国、美国、英国、新加坡、日本等许多国家的测量结果表明，现有的无线通信***对无线频谱的资源利用率非常不平衡，在空间和时间上的资源利用率在15%到85%之间。在现有的无线频谱分配政策下，无线通信***具有频谱使用的排它性，即：每段无线频谱资源只能给一个无线通信***独占，即使这些无线频谱资源处于空闲状态，其它无线通信***也不能使用，因此资源利用率低下。如果在不干扰原有无线通信***的前提下，允许其它无线通信***接入，则就能够大大提高资源利用率。认知无线电允许不同的无线通信***接入同一段无线频谱资源，但是这些无线通信***不能互相干扰。为了防止无线通信***之间的干扰，频谱感知成了认知无线电中的关键技术之一。

当监测频带中有多个监测信道时，最常见的频谱感知方法是基于FIR滤波器的能量检测方法。当要对监测频带中的某个监测信道进行频谱感知时，首先通过FIR（FiniteImpulse Response，有限脉冲响应）滤波器滤除监测频带中的其它监测信道的信号，然后通过比较FIR滤波器输出的信号的能量与判决门限的大小来实现频谱感知。但是，当FIR滤波器的阶数较低时，FIR滤波器的频率响应特性较差，这就会造成无法有效地滤除监测频带中的其它监测信道的信号、要进行频谱感知的监测信道中的部分信号也被滤除等问题，进而会降低频谱感知性能。为了提高FIR滤波器的频率响应特性，必须增加FIR滤波器的阶数，而增加FIR滤波器的阶数会增大计算复杂度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于加权矩阵滤波的能量检测方法，其频谱感知性能高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于加权矩阵滤波的能量检测方法，其特征在于它的处理过程为：首先，利用感知节点对监测频带中的信号进行采样，得到采样信号；然后，将采样信号中的所有采样点的信号归为一组，该组中的所有采样点的信号构成一个列向量，或将采样信号中的所有采样点的信号均匀分成多组，每组中的所有采样点的信号构成一个列向量；接着，根据监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的频率范围和一组中包含的采样点的信号的总个数，利用凸优化技术获取用于滤波的加权矩阵；再利用加权矩阵和所有列向量，计算要进行频谱感知的监测信道的能量；最后，通过比较要进行频谱感知的监测信道的能量与判决门限的大小，判定在该监测信道内有无授权用户信号，实现频谱感知。

本发明的基于加权矩阵滤波的能量检测方法，它具体包括以下步骤：

①在认知无线电中，利用感知节点对监测频带中的信号以采样频率f_s进行N'次采样，得到由N'个采样点的信号构成的采样信号，然后将采样信号中的N'个采样点的信号均匀分成K组，每组包含N个采样点的信号，再将每组中的N个采样点的信号构成一个列向量，将第k组中的N个采样点的信号构成的列向量记为x_k，其中，f_s的取值为监测频带的带宽的2倍，N'≥20，K≥1，1≤k≤K；

②根据监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的频率范围和每组中包含的采样点的信号的总个数，利用凸优化技术获取用于滤波的加权矩阵，记为T，加权矩阵T同时满足以下两个条件，第一个条件：T为一个共轭对称的半正定矩阵；第二个条件：∫_Ω|g(t)-a^H(t)Ta(t)|²dt最小化，其中，Ω表示积分范围，Ω为监测频带的频率范围，t表示积分变量，当积分变量t在要进行频谱感知的监测信道的频率范围内时g(t)=1，当积分变量t不在要进行频谱感知的监测信道的频率范围内时g(t)=0，e表示自然基数，j为虚数表示， ${[1,e^{-j2\mathrm{\π}\frac{t}{f_s}},e^{-j2\mathrm{\π}\frac{2t}{f_s}},...,e^{-j2\mathrm{\π}\frac{(N-1)t}{f_s}}]}^H$ 为 $[1,e^{-j2\mathrm{\π}\frac{t}{f_s}},e^{-j2\mathrm{\π}\frac{2t}{f_s}},...,e^{-j2\mathrm{\π}\frac{(N-1)t}{f_s}}]$ 的共轭转置向量，a^H(t)为a(t)的共轭转置向量，符号“| |”为取绝对值符号；

③利用加权矩阵T和所有列向量，计算监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的能量，记为T_s，其中，为x_k的共轭转置向量；

④比较监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的能量T_s与判决门限λ的大小，如果T_s>λ，则判定在该监测信道内有授权用户信号，如果T_s≤λ，则判定在该监测信道内没有授权用户信号，其中，λ=σ²F^-1(P_f)，σ²表示感知节点的噪声功率，P_f表示虚警概率，0≤P_f≤1，F^-1(P_f)表示的逆函数，f(z)表示自由度为K的卡方分布的概率密度函数，z为积分变量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明方法获得的用于滤波的加权矩阵能够直接获得要进行频谱感知的监测信道的能量，而基于FIR滤波器的能量检测方法需要先取得该监测信道的信号，然后才能计算该监测信道的信号的能量；另一方面，在用于滤波的加权矩阵的阶数和FIR滤波器的阶数相同时，本发明方法能够获得更高的频谱感知性能。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为当用于滤波的加权矩阵的阶数和FIR滤波器的阶数相同时，本发明方法和基于FIR滤波器的能量检测方法的频谱感知性能的比较示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

在监测频带中有多个监测信道，需要通过滤波器分离出要进行频谱感知的监测信道的信号，由于利用现有的FIR滤波器滤除其它监测信道的信号时，当FIR滤波器的阶数较低时频谱感知性能不好，因此本发明提出了一种基于加权矩阵滤波的能量检测方法，其流程框图如图1所示，其处理过程为：首先，利用感知节点对监测频带中的信号进行采样，得到采样信号；然后，将采样信号中的所有采样点的信号归为一组，该组中的所有采样点的信号构成一个列向量，或将采样信号中的所有采样点的信号均匀分成多组，每组中的所有采样点的信号构成一个列向量；接着，根据监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的频率范围和一组中包含的采样点的信号的总个数，利用凸优化技术获取用于滤波的加权矩阵；再利用加权矩阵和所有列向量，计算要进行频谱感知的监测信道的能量；最后，通过比较要进行频谱感知的监测信道的能量与判决门限的大小，判定在该监测信道内有无授权用户信号，实现频谱感知。

本发明的基于加权矩阵滤波的能量检测方法，其具体包括以下步骤：

①在认知无线电中，利用感知节点对监测频带中的信号以采样频率f_s进行N'次采样，得到由N'个采样点的信号构成的采样信号，然后将采样信号中的N'个采样点的信号均匀分成K组，每组包含N个采样点的信号，再将每组中的N个采样点的信号构成一个列向量，将第k组中的N个采样点的信号构成的列向量记为x_k，其中，f_s的取值为监测频带的带宽的2倍，N'≥20，如取N'=200，K≥1，如取K=10，如当N'=200且K=10时N=20，1≤k≤K。

②根据监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的频率范围和每组中包含的采样点的信号的总个数，利用现有的凸优化技术获取用于滤波的加权矩阵，记为T，加权矩阵T同时满足以下两个条件，第一个条件：T为一个共轭对称的半正定矩阵；第二个条件：∫_Ω|g(t)-a^H(t)Ta(t)|²dt最小化，其中，Ω表示积分范围，Ω为监测频带的频率范围，t表示积分变量，当积分变量t在要进行频谱感知的监测信道的频率范围内时g(t)=1，当积分变量t不在要进行频谱感知的监测信道的频率范围内时g(t)=0，e表示自然基数，j为虚数表示， ${[1,e^{-j2\mathrm{\π}\frac{t}{f_s}},e^{-j2\mathrm{\π}\frac{2t}{f_s}},...,e^{-j2\mathrm{\π}\frac{(N-1)t}{f_s}}]}^H$ 为 $[1,e^{-j2\mathrm{\π}\frac{t}{f_s}},e^{-j2\mathrm{\π}\frac{2t}{f_s}},...,e^{-j2\mathrm{\π}\frac{(N-1)t}{f_s}}]$ 的共轭转置向量，a^H(t)为a(t)的共轭转置向量，符号“| |”为取绝对值符号。

③利用加权矩阵T和所有列向量，计算监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的能量，记为T_s，其中，为x_k的共轭转置向量。

④比较监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的能量T_s与判决门限λ的大小，如果T_s>λ，则判定在该监测信道内有授权用户信号，如果T_s≤λ，则判定在该监测信道内没有授权用户信号，其中，λ=σ²F^-1(P_f)，σ²表示感知节点的噪声功率，σ²的值可以通过现有的技术手段估计得到，在本发明方法中直接假设σ²=1，P_f表示虚警概率，0≤P_f≤1，F^-1(P_f)表示的逆函数，f(z)表示自由度为K的卡方分布的概率密度函数，z为积分变量。

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。

假设监测频带的频率范围为大于0Hz且小于或等于800Hz即为(0,800]Hz，其中，监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的频率范围为(200,400]Hz，感知节点的噪声功率为σ²=1，(0,200]Hz、(400,600]Hz、(600,800]Hz为监测频带中的另外三个监测信道的频率范围。在感知节点对监测频带中的信号以采样频率f_s=1600Hz进行N'=200次采样，然后分成K=10组，每组N=20个采样点的信号。假设要进行频谱感知的监测信道的信噪比为-10dB，(0,200]Hz和(600,800]Hz这两个频率范围的信噪比也是-10dB，(400,600]Hz这个频率范围内只有噪声，则当用于滤波的加权矩阵的阶数和FIR滤波器的阶数相同时，本发明方法和基于FIR滤波器的能量检测方法的频谱感知性能如图2所示，从图2中可以看出，对于不同的虚警概率，本发明方法具有比基于FIR滤波器的能量检测方法更高的检测概率。

Claims (1)

1.一种基于加权矩阵滤波的能量检测方法，其特征在于它的处理过程为：首先，利用感知节点对监测频带中的信号进行采样，得到采样信号；然后，将采样信号中的所有采样点的信号归为一组，该组中的所有采样点的信号构成一个列向量，或将采样信号中的所有采样点的信号均匀分成多组，每组中的所有采样点的信号构成一个列向量；接着，根据监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的频率范围和一组中包含的采样点的信号的总个数，利用凸优化技术获取用于滤波的加权矩阵；再利用加权矩阵和所有列向量，计算要进行频谱感知的监测信道的能量；最后，通过比较要进行频谱感知的监测信道的能量与判决门限的大小，判定在该监测信道内有无授权用户信号，实现频谱感知；

该能量检测方法具体包括以下步骤：

①在认知无线电中，利用感知节点对监测频带中的信号以采样频率f_s进行N'次采样，得到由N'个采样点的信号构成的采样信号，然后将采样信号中的N'个采样点的信号均匀分成K组，每组包含N个采样点的信号，再将每组中的N个采样点的信号构成一个列向量，将第k组中的N个采样点的信号构成的列向量记为x_k，其中，f_s的取值为监测频带的带宽的2倍，N'≥20，K≥1，1≤k≤K；

②根据监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的频率范围和每组中包含的采样点的信号的总个数，利用凸优化技术获取用于滤波的加权矩阵，记为T，加权矩阵T同时满足以下两个条件，第一个条件：T为一个共轭对称的半正定矩阵；第二个条件：∫_Ω|g(t)-a^H(t)Ta(t)|²dt最小化，其中，Ω表示积分范围，Ω为监测频带的频率范围，t表示积分变量，当积分变量t在要进行频谱感知的监测信道的频率范围内时g(t)＝1，当积分变量t不在要进行频谱感知的监测信道的频率范围内时g(t)＝0，e表示自然基数，j为虚数表示，为的共轭转置向量，a^H(t)为a(t)的共轭转置向量，符号“| |”为取绝对值符号；

③利用加权矩阵T和所有列向量，计算监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的能量，记为T_s，其中，为x_k的共轭转置向量；

④比较监测频带中的要进行频谱感知的监测信道的能量T_s与判决门限λ的大小，如果T_s>λ，则判定在该监测信道内有授权用户信号，如果T_s≤λ，则判定在该监测信道内没有授权用户信号，其中，λ＝σ²F^-1(P_f)，σ²表示感知节点的噪声功率，P_f表示虚警概率，0≤P_f≤1，F^-1(P_f)表示的逆函数，f(z)表示自由度为K的卡方分布的概率密度函数，z为积分变量。