CN105471519B

CN105471519B - 认知无线电网络中的ofdm***的能量检测方法及装置

Info

Publication number: CN105471519B
Application number: CN201410416302.7A
Authority: CN
Inventors: 鄢炎新; 李骏; 俞洋
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: CN105471519A

Abstract

本发明提供一种认知无线电网络中的OFDM***的能量检测方法及装置，属于认知无线电技术领域。该能量检测方法和装置中，对接收的基本用户信号进行降频处理，然后将其分为并联的G(G为大于或等于2的整数)组信号，该G组信号在时域中相加在一起再进行平均处理以平滑噪音，从而提高信噪比增益。本发明的能量检测方法和装置对基本用户信号具有较高的成功检测概率，非常适用于窄带宽的基本用户信号的认知检测。

Description

认知无线电网络中的OFDM***的能量检测方法及装置

技术领域

本发明属于认知无线电（Cognitive Radio, CR）技术领域，涉及认知无线电网络中的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）***的能量检测方法及装置。

背景技术

现代无线通信领域的频谱资源是由无线电管理机构统筹授权并分配的，目前采用采用静态的原则进行分配。但是，随着无线通信***的日益增多，频谱资源越显匮乏，这一方面是由于频谱资源的静态分配方法从时域和空域的双重角度来看，仍然存在许多未被充分利用的空白频段。为解决频谱资源的不足，提出了一种已被广泛认可的认知无线电（CR）技术。

基于CR技术构建的网络被称为认知无线电（CR）网络，其主要由基本网络和认知网络组成；基本网络是由已被授权分配频段的基本用户（Primary User，即PU，也可称为“授权用户”）组成的各种异构的子网的全体；认知网络是希望借用PU的频段的次级设备组成，每个次级设备即对应认知用户（Cognitive User，CU），它必须具备认知能力。当PU没有使用其分配的频段时，CU可以利用这些相对空闲的频段实现CU之间的通信；但是，当PU需要利用这些分配的频段时，不论CU是否已经利用这些频段，PU将直接在这些频段上传输数据实现相应的通信。因此，当PU出现时，为避免CU信道与PU通信之间发生有害干扰，CU必须很快地检测出PU信号的出现以便让出相应的频段；当PU没有出现时，为提高频谱利用效率，CU必须尽量很快地检测出没有PU信号出现。这样，对PU信号的可靠检测，是实现CR技术为基础的CR网络的基本前提。

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术是多载波调制中的一种，其将被称为子载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。OFDM中的各个子载波是相互正交的，每个子载波在一个符号时间内有整数个子载波周期，每个子载波的频谱零点和相邻子载波的零点重叠，从而减小了子载波间的干扰。

对于基于OFDM技术的CR网络，对PU信号进行检测的常见方法之一是能量检测（Energy Detection，ED）法。能量检测法是通用的频谱感知方法，其用于检测未知的PU信号相对衰退信道的检测。能量检测方法通过测量设定时间输入信号波形的能量，再与预先根据测试和/或经验设定门限值进行比较，得到检测结果。

但是，在OFDM***中，当PU信号的频带宽度较窄时，尤其跨骑在两个相邻子载波的边界之间时，由于PU信号的带宽不够，基于已知的能量检测方法是难以准确检测该PU信号是否存在的。在现有技术中，已知的能量检测方法采用FFT（快速傅氏变换）来检测每个子载波上的功率变化，为对窄带宽的PU信号进行准确检测，通常改变FFT的大小N（增大N）来实现，但是，FFT的大小改变是受限制的，并且在OFDM***中实际是难以变化的。

因此，准确检测PU信号是当前CR技术领域的关键技术难点。

发明内容

本发明的目的在于，在CR网络的OFDM***中提高对PU信号的成功检测概率。

为实现以上目的或者其他目的，本发明提供以下技术方案。

按照本发明的一方面，提供一种认知无线电网络中的正交频分复用（OFDM）***的能量检测方法，其中，包括步骤：

对接收的基本用户信号（y[t]）进行降频处理以得到相对更低频率的第一信号（r[t]）；

所述第一信号被分为并联的G组信号，该G组信号在时域中相加在一起再进行平均处理（d_m[n]）以平滑噪音，其中G为大于或等于2的整数；以及

对所述平均处理得到的信号（d_m[n]）在频域中进行能量检测以获得对所述基本用户信号的认知检测结果。

根据本发明一优选实施例的能量检测方法，其中，所述基本用户信号（y[t]）被降频至零频率位置或零频位置附件处，所述第一信号（r[t]）大致为零频信号。

根据本发明还一实施例的能量检测方法，其中，在频域中进行能量检测包括以下子步骤：

对所述平均处理得到的信号（d_m[n]）进行N-点FFT处理，得到相应的频域信号（Y_m[k]），其中N为OFDM***的认知用户信号的归一化带宽；

基于所述频域信号（Y_m[k]）计算其能量感知矩阵（T(k)）；以及

将所述能量感知矩阵（T(k)）与门限值（T_th）进行比较，以判断每个子载波上是否存在基本用户信号。

在之前所述任一实施例中，所述门限值（T_th）通过预定的错误报警概率（P_fa）计算确定。

在之前所述任一实施例中，优选地，所述基本用户信号（y[t]）的频率估计误差

被限定为小于某一预定值以使所述平均处理得到的信号（d_m[n]）的信噪比增益大于零，其中，f为所述基本用户信号（y[t]）的标准频率，f ₀为对所述基本用户信号（y[t]）所估计的信号频率。

在之前所述任一实施例中，优选地，所述基本用户信号（y[t]）为单频率信号或多频率复合信号，其带宽小于或等于OFDM***的认知用户信号的带宽。

在之前所述任一实施例中，可选地，G的大小取决于所述基本用户信号（y[t]）的带宽相对认知用户信号的归一化带宽的大小和/或所述基本用户信号（y[t]）的频率估计误差

大小。

按照本发明的又一方面，提供一种认知无线电网络中的OFDM***的能量检测装置，包括：

降频模块（210），其用于对接收的基本用户信号（y[t]）进行降频处理以得到相对更低频率的第一信号（r[t]）；

平滑噪音模块（220），其用于将所述第一信号被分为并联的G组信号（r[mNG+Gn+g]）并将该G组信号在时域中相加在一起再进行平均处理（d_m[n]）以平滑噪音，其中G为大于或等于2的整数；以及

能量检测模块（230），其用于对所述平均处理得到的信号（d_m[n]）在频域中进行能量检测以实现对所述基本用户信号的认知检测结果。

根据本发明一优选实施例的能量检测装置，其中，所述基本用户信号（y[t]）被降频至零频率位置或零频位置附近处，所述第一信号（r[t]）大致为零频信号。

根据本发明又一实施例的能量检测装置，其中，所述能量检测模块包括：

FFT子模块（231），其用于对所述平均处理得到的信号（d_m[n]）进行N-点FFT处理以得到相应的频域信号（Y_m[k]），其中N为OFDM***的认知用户信号的归一化带宽；

能量计算子模块（232），其用于基于所述频域信号（Y_m[k]）计算其能量感知矩阵（T(k)）；以及

比较判断子模块（233），其用于将所述能量感知矩阵（T(k)）与门限值（T_th）进行比较，以判断每个子载波上是否存在基本用户信号。

优选地，所述门限值（T_th）通过预定的错误报警概率（P_fa）计算确定。

优选地，所述基本用户信号（y[t]）的频率估计误差

可选地，所述基本用户信号（y[t]）为单频率信号或多频率复合信号，其带宽小于或等于OFDM***的认知用户信号的带宽。

本发明的技术效果是，在频域的能量检测之前，结合进行降频以及平滑噪音处理，提高信噪比（SNR）增益，从而提高对PU信号的成功检测概率，尤其适用于窄带宽的PU信号的认知检测。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是按照本发明一实施例的能量检测方法的流程示意图。

图2是按照本发明一实施例的能量检测装置的模块结构原理示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

下面的描述中，为描述的清楚和简明，并没有对图中所示的所有多个部件进行描述。附图中示出了多个部件为本领域普通技术人员提供本发明的完全能够实现的公开内容。对于本领域技术人员来说，许多部件的操作都是熟悉而且明显的。

图1所示为按照本发明一实施例的能量检测方法的流程示意图；图2所示为按照本发明一实施例的能量检测装置的模块结构原理示意图。以下结合图1和图2对本发明实施例的能量检测方法及装置进行示例性地说明。

作为示例，假设CU的OFDM***具有N个子载波，采样时间是T，CU信号的归一化带宽（Normalized Bandwidth）为N，PU信号为窄带宽信号，表现为其窄带宽信号小于或等于CU信号的归一化带宽（例如，PU信号的归一化带宽是N/2），PU设备的符号速率（symbol rate）相对CU设备的符号速率慢得多。进一步假设信道是准静态多路径信道，其具有Q个路径，不失一般性（generality），PU信号为标准频率f，其中，在CU设备的N-子载波域中0＜f≤N-1。

首先，步骤S110，在CU设备接收PU信号y[t]。

在该实施例中，在CU设备采样接收的信号接收PU信号，能量检测的问题可以建模为二元假设测试问题，存在两种假设，即如下关系式（1）所示的假设：

其中，t表示离散时间点，y[t]表示接收的PU信号，w[t]是具有0 中值和方差

的附加噪音信号，h[t]表示信道的冲击响应，x[t]表示PU发送的信号，

表示循环卷积（convolution）操作。假设H₁表示出被检测出的时域信号x[t] 具有噪音w[t]，假设H₀仅具有噪音w[t]。假设时域信号样本和噪音样本是独立的，并且噪音样本之间也是独立的；不失一般性的情况下，假设在CU设备接收的PU信号y[t]是基带信号。

进一步，步骤S120，对PU信号y[t]降频至零频位置得到零频率信号r[t]。

在该实施例中，为获得更大的信噪比（SNR）增益，PU信号将被y[t]进行降频处理，优选地，为获得相对最大的SNR增益，对PU信号y[t]降频至零频位置（即N-点FFT（快速傅氏变换）的子载波0处）或零频位置附件，从而在理想情况下可以得到零频信号r[t]。如果PU信号的频率是未知的，可以估计PU信号所使用的信号频率f₀来进行降频处理。从而，在降频到大致零频位置之后，剩余频率是PU信号的标准频率f与估计频率f₀的差，即频率估计差值（f-f₀）。r[t]具体可以通过以下关系式（2）来计算：

其中，r[t]表示降频得到的零频信号，N为CU信号的归一化带宽，t表示离散时间点，y[t]表示接收的PU信号。

以上步骤S110和步骤S120在如图2所示的能量检测装置的降频模块210中完成，其也反映了该实施例的降频模块210的功能结构。

进一步，步骤S130，将零频信号r[t]分为G组。在该实施例中，零频信号r[t]由串转并，被分为并联的G组，也即并联的G路信号，G为大于或等于2的整数，第g组信号可以表示为r[mNG+Gn+g]，其中g=0，1，….，G-1，n=0，1，…，N-1，m表示进行第m个N-点FFT处理块，m=0，1，…，M-1，M，M表示相邻的FFT处理的块数。G值的具体取值大小在以下进行说明。

进一步，步骤S140，对该G组信号相加再进行平均处理，得到信号d_m[n]，即第m个N-点FFT处理块的输入信号。在该实施例中，信号d_m[n]具体可以通过以下关系式（3）进行计算：

其中，

表示对G组信号进行相加或叠加处理，1/G表示平均处理。在具体的相加处理过程中，并联的G组信号按顺序对应叠加。

以上步骤S130和S140在如图2所示的能量检测装置的平滑噪音模块220中完成，其也反映了该实施例的降频模块210的功能结构。

并且，以下具体示例地解释以上处理过程能获得较高SNR增益的原因。

对于窄带宽的PU信号，假设在一个OFDM周期中具有连续相位的信号（phasecontinuous signal）的标准频率为f，这样，得到以下关系式（4），

其中，x[mNG+Gn+g]表示第g组第m个N-点FFT处理块的第n个输入点的信号。

将关系式（1）、（2）和（4）代入关系式（3）中，得到以下关系式（5），

其中，v[n]表示带方差

的0中值高斯噪音，v[n]和

分别通过以下关系式（6）和（7）计算；其中，

表示PU信号的两相邻样本的相差。

这样，可以推算出，噪音功率

的中值和方差分别为

和

。

从而，信号d_m[n]的SNR可以通过以下关系式（8）计算得到，

其中，

为子信道k的方差。

因此，与传统的能量检测方案相比，本发明实施例的能量检测方法能在信噪比方面取得明显改善，其具体增益大小

按照如下关系式（9）计算：

从关系式（9）可以看出，相差

为0时，SNR增益

最大，随着相差

变大，SNR增益

相对变小。

为保证SNR增益

大于0 dB，也即保证SNR实际增加，优选地，

被限定为小于预定值，其中，

表示PU信号的频率估计误差（剩余频率）。

因此，本领域技术人员根据以上揭示将理解到，以上所述及的降频、分组、相加以及平均处理过程是为了获得更大的SNR增益，它们中任意一个过程都是必不可少的。

需要注意的是，以上步骤S140输出的信号d_m[n]为时域信号，接下来需要转换为频域信号以进行能量检测比对。

进一步，步骤S150，信号d_m[n]被输入进行N-点FFT处理，得到相应的频域信号Y_m[k]。在该实施例中，频域信号Y_m[k]通过以下关系式（10）计算得到：

相比于传统的FFT处理，在不改变FFT的大小N的情况下，FFT处理得到的信号Y_m[k]的带宽变小，变为原来的1/G，因此，可以大大提高检测的成功率。根据被检测的PU信号的带宽与OFDM***的CU的归一化带宽N的大小，可以选择确定G的大小；例如，PU信号的带宽越窄，G可以取越大的值，并且此时SNR增益也越大，反之，G可以取越小的值，SNR增益也越小。并且，如果在进行能量检测前，估计PU信号使用的信号频率f₀与PU信号的标准频率f的差（f-f₀）越小（即剩余频率越小），也即PU信号使用的信号频率估计越准确，那么G可以取越大的值，反之G取值则更小。

应当理解，FFT的大小指FFT的输入点数； FFT的输出点数等于输入点数，代表在频率里的子载波数。

进一步，步骤S160，基于频域信号Y_m[k]计算其能量感知矩阵T(k)。在该实施例中，能量感知矩阵T(k) 通过以下关系式（11）计算得到：

其中，M是FFT处理块的个数，

是带中值

和方差

的随机变量独立同分布的序列。

进一步，步骤S170，将矩阵T(k)与门限值T_th进行比较，以判断每个子载波中是否存在PU信号。在该实施例中，门限值T_th可以但不限于根据预定的错误报警概率P_fa计算得到，门限值T_th与错误报警概率P_fa具体可以通过以下关系式（12）确定：

其中，

是噪音功率，Q（）表示Q函数，即

。P_fa可以根据具体情况而设计变化，因此门限值T_th也可以相应地设计变化。

如果矩阵T(k)大于门限值T_th，将输出在子载波k中存在PU信号的检测结果；否则，输出子在载波k中不存在PU信号的检测结果。

需要理解的是，以上步骤S150、S160和步骤S170分别在能量检测模块230的FFT子模块231、能量计算子模块232、比较判断子模块233中完成，每个子模块的工作原理与现有的能量检测方法中使用的原理类似。

至此，本实施例的能量检测方法基本结束。

对于多频率的PU信号，假设能基本正确估计其中央频率值f₀，并且将其降频至0频率位置，从而，频率边界f_b将具有最大估计误差，按照关系式（9）的原理，

应当小于一预定值以增大SNR增益，也即，能被检测出的PU信号的带宽是有一定限制性的。

因此，相比于传统的能量检测方法，由于本发明实施例的能量方法采用了降频模块210和平滑噪音模块220，N-点FFT处理的符号周期从NT增加至NTG，并且子载波间距被减小至1/（NTG），从而，本发明实施例的能量检测方法可以检测位于子载波之间的窄带宽的PU信号，相应地，可以检测的PU信号的带宽减小至CU带宽的1/G，这样，非常适合于窄带宽的PU信号的检测，大大提高窄带宽的PU信号的检测成功几率。

需要理解的是，本发明实施例的图2所示的能量检测装置的具体实现方式不是限制性的，其可以通过软件或硬件、或它们的组合的方式实现，例如，通过DSP芯片中写入用于至少执行以上步骤S110至S170的程序来实现，也可以通过各种门级电路组合来实现。

以上例子主要说明了本发明在CR网络中的OFDM***的能量检测装置及其方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式应被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims

1.一种认知无线电网络中的正交频分复用（OFDM）***的能量检测方法，其特征在于，包括步骤：

相比于传统的FFT处理，在不改变FFT处理的大小的情况下，对所述平均处理得到的信号（d_m[n]）在频域中进行能量检测从而以所述基本用户信号的提高的检测成功几率获得对所述基本用户信号的认知检测结果。

2.如权利要求1所述的能量检测方法，其特征在于，所述基本用户信号（y[t]）被降频至零频率位置或零频位置附近处，所述第一信号（r[t]）大致为零频信号。

3.如权利要求1或2所述的能量检测方法，其特征在于，在频域中进行能量检测包括以下子步骤：

对所述平均处理得到的信号（d_m[n]）进行N-点快速傅氏变换（FFT）处理，得到相应的频域信号（Y_m[k]），其中N为OFDM***的认知用户信号的归一化带宽；

基于所述频域信号（Y_m[k]）计算其能量矩阵（T(k)）；以及

将所述能量矩阵（T(k)）与门限值（T_th）进行比较，以判断每个子载波上是否存在基本用户信号。

4.如权利要求3所述的能量检测方法，其特征在于，所述门限值（T_th）通过预定的错误报警概率（P_fa）计算确定。

5.如权利要求2所述的能量检测方法，其特征在于，所述基本用户信号（y[t]）的频率估计误差

6.如权利要求1或2所述的能量检测方法，其特征在于，所述基本用户信号（y[t]）为单频率信号或多频率复合信号，其带宽小于或等于OFDM***的认知用户信号的带宽。

7.如权利要求6所述的能量检测方法，其特征在于，G的大小取决于所述基本用户信号（y[t]）的带宽相对认知用户信号的归一化带宽的大小和/或所述基本用户信号（y[t]）的频率估计误差

大小。

8.一种认知无线电网络中的OFDM***的能量检测装置，其特征在于，包括：

能量检测模块（230），其用于相比于传统的FFT处理，在不改变FFT处理的大小的情况下，对所述平均处理得到的信号（d_m[n]）在频域中进行能量检测从而以所述基本用户信号的提高的检测成功几率实现对所述基本用户信号的认知检测结果。

9.如权利要求8所述的能量检测装置，其特征在于，所述基本用户信号（y[t]）被降频至零频率位置或零频位置附近处，所述第一信号（r[t]）大致为零频信号。

10.如权利要求8所述的能量检测装置，其特征在于，所述能量检测模块（230）包括：

能量计算子模块（232），其用于基于所述频域信号（Y_m[k]）计算其能量矩阵（T(k)）；以及

比较判断子模块（233），其用于将所述能量矩阵（T(k)）与门限值（T_th）进行比较，以判断每个子载波上是否存在基本用户信号。

11.如权利要求10所述的能量检测装置，其特征在于，所述门限值（T_th）通过预定的错误报警概率（P_fa）计算确定。

12.如权利要求9所述的能量检测装置，其特征在于，所述基本用户信号（y[t]）的频率估计误差

13.如权利要求8或9所述的能量检测装置，其特征在于，所述基本用户信号（y[t]）为单频率信号或多频率复合信号，其带宽小于或等于OFDM***的认知用户信号的带宽。