CN115632727A - 一种频谱感知方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频谱感知方法及装置，其中,包括基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；基于正常模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将所述混合信号分离得到目标信号；根据所述目标信号生成所述目标信道的频谱；通过信道冲激响应拼接，将所述频谱拼接得到高清频谱；基于所述高清频谱，确认所述目标信道的占用状态。本发明通过超宽带技术，从超宽带发送模块提供的信道冲激响应CIR中，获取极高带宽(带宽为500MHz‑1GHz)内的频谱信息，以此判断目标信道的占用状态，解决了传统低成本频谱感知方法及设备不能进行大带宽频谱感知的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及频谱感知设备技术领域，特别涉及一种频谱感知方法及装置。
背景技术
频谱感知，是指获取某一个时间，某一个地点，某一个频率范围内的频谱信息。超宽带技术，是指一种带宽超过500MHz的新型通信技术。随着各种通信业务的不断增长，频谱逐渐出现短缺的现象。为了缓解这一问题，开始实行动态频谱分配政策，比如在3-5GHz频段上的主营业务是卫星通信以及5G商用设备，但在不影响主营业务的情况下，允许一些个人通信设备使用此频段。为了确保主营业务不被影响，频谱管理机构需要时刻监测不同地点频谱的使用情况。为此，传统方法是使用车载雷达等大型的高精度大带宽的频谱测量仪不断巡逻探测，检测频谱是否被占用。但是这个方法成本极高，而且容易遗漏一些大型设备无法抵达的区域。
现今公开有一种构建大规模频谱感知网络的方法，即在一片区域内的多个位置放置一些低成本的频谱感知设备，这些频谱感知设备将不断向管理者上传其所在位置的频谱数据，管理者通过对数据汇总处理，即可获取这一区域内的频谱信息。然而这种低成本的频谱感知设备通常只能进行窄带的频谱感知，比如基于USRP(通用软件无线电外设)的频谱感知设备，一次只能感知50MHz带宽的频谱信息，不能进行大带宽频谱感知，容易造成一些处于检测带宽外的瞬时信号被遗漏。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种频谱感知方法及装置，解决了传统低成本频谱感知方法及设备不能进行大带宽频谱感知的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例第一方面提供了一种频谱感知方法，其中包括：
基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；
基于正常模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将所述混合信号分离得到目标信号；
根据所述目标信号生成所述目标信道的频谱；
通过信道冲激响应拼接，将所述目标信道的频谱拼接得到高清频谱；
基于所述高清频谱，确认所述目标信道的占用状态。
所述频谱感知方法，其中，所述接收包含所述前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将所述混合信号分离得到目标信号的步骤之前包括：
若接收到所述前导码信号的时间超过预设的时间阈值，则将所述第一发射增益切换为第二发送增益。
所述频谱感知方法，其中，所述基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号的步骤之后包括：
基于雷达模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并将所述混合信号分离得到所述目标信号。
所述频谱感知方法，其中，所述基于雷达模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并将所述混合信号分离得到所述目标信号的步骤包括：
基于所述雷达模式，获取第一采样长度阈值内带有所述前导码信号的信道冲激响应采样点；
将所述信道冲激响应采样点累加得到所述混合信号；
将所述混合信号分离得到所述目标信号；
同时，根据所述目标信号判断所述目标信道是否被占用；
若否，则保持所述雷达模式并接收所述混合信号；
若是，则切换到所述第二发射增益并判断当前测量结果和前一次的测量结果是否相同，若是，则切换到所述正常模式接收所述混合信号；若否，则保持所述雷达模式并接收所述混合信号。
所述频谱感知方法，其中，所述基于正常模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将所述混合信号分离得到目标信号的步骤包括：
基于所述正常模式，获取第二采样长度阈值内带有所述前导码信号的信道冲激响应采样点；
将所述信道冲激响应采样点累加得到所述混合信号；
通过所述拟合分离方法将所述混合信号分离得到所述目标信号，同时根据所述目标信号判断所述目标信道是否被占用；
若否，则切换到所述雷达模式并接收所述混合信号；
若是，则保持当前所述正常模式接收所述混合信号。
所述频谱感知方法，其中，所述混合信号包括第一混合信号和第二混合信号，所述第一混合信号和所述第二混合信号分别由两个接收端同时接收得到，所述第一混合信号和所述第二混合信号均包括信道冲激响应和目标信号。
所述频谱感知方法，其中，所述通过所述拟合分离方法将所述混合信号分离得到所述目标信号，同时根据所述目标信号判断所述目标信道是否被占用的步骤包括：
获取自身信道冲激响应，将所述自身信道冲激响应进行曲线拟合得到新的自身信道冲激响应；
将所述第一混合信号和所述第二混合信号分别进行曲线拟合，并根据所述信道冲激响应，得到新的第一混合信号和新的第二混合信号；
通过约束方程求得自动增益控制缩放系数k，通过所述新的自身信道冲激响应H(f)和所述新的第一混合信号F1(f)计算得到第一目标信号X1(f)，其中所述第一目标信号X1(f)＝(1/a)*F1(f)-H(f)；通过所述新的自身信道冲激响应H(f)和所述新的第二混合信号F2(f)计算得到第二目标信号X2(f)，其中所述第二目标信号X2(f)＝(1/a)*F2(f)-H(f)；
将所述第一混合信号和所述第二混合信号求平均值，得到最终的所述目标信号；
同时，根据所述目标信号Mean、最高值Max和总能量E，求得阈值K，若所述目标信号大于所述信号阈值，则确定所述目标信道被占用；若所述目标信号小于等于所述信号阈值，则确定所述目标信道未被占用，其中所述信号阈值K＝2*Mean*(E/MAX)。
所述频谱感知方法，其中，所述约束方程为：
所述频谱感知方法，其中，所述通过信道冲激响应拼接，将所述目标信道的频谱拼接得到高清频谱，具体包括：
将相邻的所述目标信号依次接入缓存池，对所述缓存池内的所述目标信号进行逆傅里叶变换，得到周期函数；
对所述缓存池的数据x_cache(t)求均值得到数据平均值Mean_cache，对所述周期函数x(t)求均值得到周期函数平均值Mean_x，对所述数据x_cache(t)进行缩放得到数据缩放值x_cache’(t)，其中所述数据缩放值x_cache’(t)＝(Mean_x/Mean_cache)*x_cache(t)；
将所述数据缩放值x_cache’(t)的后十个数设为数据集C，将所述数据缩放值x_cache’(t)的前十个数设为数据集X；
获取数据集C最大值Max_C、数据集X最大值Max_X、数据集C最大值位置Index_C和数据集X最大值位置Index_X，并删除所述数据集C最大值位置Index_C与所述数据集X最大值位置Index_X之间的数据；
将所述数据集C最大值位置Index_C和所述数据集X最大值位置Index_X合并构成一个拼接点，其中所述拼接点的值为(Max_C+Max_X)/2；
对所述缓存池的所述数据缩放值x_cache’(t)进行快速傅氏变换(FFT)，得到所述高清频谱X_cache’(f)。
本申请实施例第二方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任一所述的频谱感知方法中的步骤。
本申请实施例第三方面提供了一频谱感知装置，其包括：
发射模块，用于基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；
接收模块，用于基于正常模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将所述混合信号分离得到目标信号；
生成模块，用于根据所述目标信号生成所述目标信道的频谱；
拼接模块，用于通过信道冲激响应拼接，将所述目标信道的频谱拼接得到高清频谱；
判断模块，用于基于所述高清频谱，确认所述目标信道的占用状态。本申请实施例第四方面提供了一种终端设备，其包括：处理器、存储器及通信总线；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述通信总线实现处理器和存储器之间的连接通信；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上任一所述的频谱感知方法中的步骤。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种频谱感知方法及装置，其中,包括基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；基于正常模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将所述混合信号分离得到目标信号；根据所述目标信号生成所述目标信道的频谱；通过信道冲激响应拼接，将所述频谱拼接得到高清频谱；基于所述高清频谱，确认所述目标信道的占用状态。本发明通过超宽带技术，从超宽带发送模块提供的信道冲激响应CIR中，获取极高带宽(带宽为500MHz-1GHz)内的频谱信息，以此判断目标信道的占用状态，解决了传统低成本频谱感知方法及设备不能进行大带宽频谱感知的技术问题。
附图说明
图1为本发明提供的频谱感知方法的流程图；
图2为本发明提供的对***自身的信道冲激响应进行曲线拟合的曲线图；
图3为本发明提供的对混合信号的信道冲激响应进行曲线拟合的曲线图；
图4为本发明提供的新的混合信号F(f)和经过自动增益控制缩放的混合信号a*H(f)的曲线图；
图5为本发明提供的目标信号X(f)的频谱图；
图6为本发明提供的信道冲激响应CIR拼接方法的流程图；
图7为本发明提供的接收模式控制的方法的流程图；
图8为本发明提供的雷达模式下采样点的示意图；
图9为本发明提供的发送增益控制方法的流程图；
图10为本发明提供的频谱感知装置的结构框图；
图11为本发明提供的终端设备的结构原理图；
图12为本发明提供的频谱感知装置的结构示意图；
图13为本发明提供的频谱感知装置的工作原理图；
图14为本发明提供的目标信号频谱图；
具体实施方式
本发明提供一种频谱感知方法及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
首先需要知道的是，超宽带技术是一种具有极高带宽(带宽为500MHz-1GHz)的通信技术，具有低成本、低功耗、大带宽、高精度、高稳定的特点。超宽带技术发展至今已经相当成熟，其常被用于定位中，许多商用设备都有它的身影，比如像智能手机等。除了定位之外，超宽带技术还会被用在感知领域，比如像感知人的呼吸和心跳，感知物体的材料等等，这是因为超宽带技术能够给开发者提供信道冲激响应CIR，信道冲激响应CIR可以表示当前通信目标信道的状态，开发者可以从中获取到当前环境信息，从而感知当前的环境，就像雷达一样。由于信道冲激响应CIR可以表示当前通信目标信道的状态，而超宽带设备的带宽为500MHz-1GHz。
因此，可以通过一些设计，从超宽带设备提供的信道冲激响应CIR中，获取500MHz-1GHz带宽内的频谱信息。根据这一想法，设计出一种低的频谱感知方法、存储介质以及终端设备。
下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。
如图12所示，本发明使用能够收发超宽信号(带宽为500MHz-1GHz)的超宽带收发机，构成***的超宽带发送模块和超宽带接收模块。外界的信号通过天线进入***，并通过合路器与超宽带发送模块发出的前导信号相叠加，叠加后的混合信号通过功分器同时流向由两个超宽带收发机构成超宽带接收模块中，两个收将接收到的信号和已知的前导码信号相关累加，并将累加后的结果传递给控制器。控制器可以通过有线或无线的方式将数据传递给收端，进行数据处理并显示结果。
本实施例提供的一种频谱感知方法，该频谱感知方法的执行主体可以为电脑端的频谱感知装置，或者集成频谱感知装置的服务器设备。其中，频谱感知装置可以采用硬件或者软件的方式实现。可以理解的时，本实施例的执行主体可以是诸如平板电脑或服务器主机等之类的设置有频谱感知装置的智能终端。例如，服务器获取目标信道的混合信号，根据混合信号获得目标信道的目标信号，判断目标信道是否被占用；将目标信号打包生成频谱段并依次接入缓存池，将缓存池内相邻的频谱段通过信道冲激响应CIR拼接得到频谱；根据频谱(目标信道)的占用状态控制下一次测量中的接收模式，接收模式包括正常模式或者雷达模式；根据频谱(目标信道)的占用状态设置发送增益。
需要注意的是，上述应用场景仅是为了便于理解本发明而示出，本发明的实施方式在此方面不受任何限制。相反，本发明的实施方式可以应用于适用的任何场景。
进一步，为了对发明内容作进一步说明，下面结合附图，通过对实施例进行具体描述。
本实施例提供的频谱感知方法，如图1所示，所述方法具体包括：
步骤S10、基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号。
优选的，基于第一发射增益，通过超宽带发送模块在目标信道上发送前导码信号，其中超宽带发送模块的带宽为500MHz-1GHz。具体地，超宽带设备通过发送数据帧进行通信，数据帧主要由三个部分组成，如图13所示，其中的前导码信号是由电气和电子工程师协会(IEEE，全称是Institute of Electrical and Electronics Engineers)规定的已知序列，用来获取信道冲激响应。在通信过程中，收端会不断用已知的导码信号和当前接收的信号进行相关，以获取信道冲激响应CIR，并将信道冲激响应CIR累加到寄存器中。
当空间中存在其他信号，比如像5G信号时，这个信号将会和前导码信号一起被收端接收，并被相关、累加到寄存器中。此时从寄存器中读取的值，将是信道冲激响应CIR、5G信号的混合信号，其频谱如图14所示,方框描出的是目标信号(5G信号)。
因此，理论上可以通过某些方法从混合信号中还原出目标信号的频谱图。
步骤S20、基于正常模式，接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号。
需要说明的是，考虑到低成本的超宽带设备由于电路噪声的原因，可能会在频谱上产生一些频率随机的异常峰值而引起设备误判。通过两个收端同时接收信号，即双端接收。最后的测量结果取两个收端测量结果的交集，以此增加结果的可靠性。在接收到混合信号后，根据模式控制信号的指令选择进入正常模式或者雷达模式。
优选的，基于正常模式，通过超宽带接收模块接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号。其中超宽带接收模块的带宽为500MHz-1GHz。具体地，在正常模式中通过拟合分离方法可以得到目标信号的频谱X(f)。
基于超宽带技术能够提供信道冲击响应(CIR)，信道冲击响应(CIR)可以表示当前通信信道的状态，可以从中获取到当前环境信息，从而感知当前的环境，就像雷达一样。由于CIR可以表示当前通信信道的状态，而超宽带发送模块和超宽带接收模块的带宽均为500MHz-1GHz。
步骤S30、根据目标信号生成目标信道的频谱。
步骤S40、通过信道冲激响应拼接，将目标信道的频谱拼接得到高清频谱；
步骤S50、基于高清频谱，确认目标信道的占用状态。
进一步的，接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号的步骤之前包括：
如图9，若接收到前导码信号的时间超过预设的时间阈值，则将第一发射增益切换为第二发送增益。
进一步的，基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号的步骤之后包括：
基于雷达模式，接收包含前导码信号的混合信号并将混合信号分离得到目标信号。
进一步的，基于雷达模式，接收包含前导码信号的混合信号并将混合信号分离得到目标信号的步骤包括：
需要说明的是，在雷达模式中，由于需要更高的频谱更新速度，选择直接从时域信道冲击响应(CIR)进行信号分离，并得到自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)的缩放比例。
步骤S201、基于雷达模式，获取第一采样长度阈值内带有前导码信号的信道冲激响应采样点。
需要说明的是，如图7所示，在收端感知64us内的频谱数据并获取到信道冲击响应(CIR)后，终端需要花费2ms的时间将信道冲击响应(CIR)的数据读取出来，在此过程中收端无法继续感知频谱，这可能会导致错失一些瞬时信号。为此设计了一种雷达模式，在雷达模式下，设备只读取150个信道冲激响应CIR采样点，而当设备探测到长时间存在的信号时，切换到正常模式，即读取所有的1016个CIR采样点。
具体地，在雷达模式下(在短包探测中)，读取150个信道冲击响应(CIR)采样点。由于混合信号的直射径(First path)包含了大部分的信道冲激响应H(f)的能量，信道冲击响应(CIR)如图8所示，红色框为直射径，因此选择读取直射径前120个采样点，以及包含直射径在内的后30个采样点，一共150点，其范围如图8的方框所示。
计算X(f)：对于150点的信道冲击响应(CIR)，在对精度要求不高的情况下，直射径前120个点的FFT可近似等于：S(f)＝k*X(f)，包含直射径的30个采样点的FFT可近似等于：k*H(f)。求出后30个采样点的功率之和P，以及在雷达模式下(在短包探测中)，***自身的发送功率P’，如此可得：k＝P/P’，于是可以得到X(f)＝(1/k)*S(f)，两个平行收端得到的X(f)取平均，得到最终的目标信号X(f)。
如果X(f)中有目标信道被占用，则判断与上一次感知获得的X(f)是否相似，若相似，则说明存在持续信号，切换正常模式；若不相似则继续短包探测。
低成本的超宽带设备由于电路噪声的原因，可能会在频谱上产生一些频率随机的异常峰值而引起设备误判。
步骤S202、将信道冲激响应采样点累加得到混合信号。
步骤S203、将混合信号分离得到目标信号。
步骤S204、同时，根据目标信号判断目标信道是否被占用。
步骤S205、若否，则保持雷达模式并接收混合信号。
步骤S206、若是，则切换到第二发射增益并判断当前测量结果和前一次的测量结果是否相同，若是，则切换到正常模式接收混合信号；若否，则保持雷达模式并接收混合信号。
需要说明的是，接收端需要识别到前导码信号后才可以访问寄存器，当外界信号功率太大时，前导码信号的信噪比将会低于接收端可以识别的极限,而导致无法获取CIR；当外界信号功率太小时，外界信号的信噪比则会比较低，导致终端无法从混合信号中分离出外界信号。
受限于硬件存储空间，低成本的超宽带设备只能存少量的信道冲击响应(CIR)采样点数，使用的超宽带设备只能存储1016个采样点，设备的采样频谱为1GHz，这意味设备只能提供1MHz的频谱分辨率。
为此，通过发送增益控制动态的调节发射信号的功率，设置两种发射增益第一发射增益(发送增益1:0dB)，第二发送增益(发送增益2:30dB)。具体选用那种增益发射信号，通过一种自适应功率调节的方法。包括：开启收发端；设置发射功率发送第一发射增益(发送增益1:0dB)或者发送第二发送增益(发送增益2:30dB)，其中，默认为发送增益1，；发送前导码信号；收端是否接收超时，如果是则设置第二发送增益(发送增益2:30dB)并重新发送，如果不是则处理接收到的信道冲击响应(CIR)数据；判断频谱是否被占用，如果是，则继续使用当前的增益设置发送前导信号进行下一次测量，如果不是，则设置第一发射增益(发送增益1:0dB)且进行下一次检测。
进一步的，基于正常模式，接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号的步骤包括：
步骤S207、基于正常模式，获取第二采样长度阈值内带有前导码信号的信道冲激响应采样点。
步骤S208、将信道冲激响应采样点累加得到混合信号。
步骤S209、通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号，同时根据目标信号判断目标信道是否被占用；
步骤S210、若否，则切换到雷达模式并接收混合信号；
步骤S211、若是，则保持当前正常模式接收混合信号。
进一步的，混合信号包括第一混合信号和第二混合信号，第一混合信号和第二混合信号分别由两个接收端同时接收得到，第一混合信号和第二混合信号均包括信道冲激响应和目标信号。
具体地，考虑到低成本的超宽带设备由于电路噪声的原因，可能会在频谱上产生一些频率随机的异常峰值而引起设备误判。通过两个收端同时接收信号，即双端接收。最后的测量结果取两个收端测量结果的交集，以此增加结果的可靠性。在接收到混合信号后，***会根据模式控制信号的指令选择进入正常模式或者雷达模式。
进一步的，通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号，同时根据目标信号判断目标信道是否被占用的步骤包括：
步骤S2091、获取自身信道冲激响应，将自身信道冲激响应进行曲线拟合得到新的自身信道冲激响应。
需要说明的是，商用的超宽带设备内置了一个自动增益控制(自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control))，当接收信号的功率较大时时，自动增益控制(AGC，AutomaticGain Control)会自动线性调节接收信号的幅值，导致目标信号的幅值失真。需要找到信号自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)的实际缩放系数，还原出真实的信号能量。
由于有线的信道冲激响应比较稳定，可以将其视为H(f)，并将目标信号视为X(f)，图2表示的混合信号的频域表达式S(f)＝H(f)+X(f)。但由于混合信号经过了自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)(自动增益控制)缩放，所以实际上得到的混合信号为S(f)＝k*(H(f)+X(f))其中k是未知的自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)缩放系数。因此不能直接用已知的信道冲激响应求解,在求解前需要求出自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)的缩放系数，为此的设计如下：
在无外界信号的情况下测量***自身的信道冲激响应H(f)，对其进行曲线拟合，新的信道冲激响应如图2所示。
步骤S2092、将第一混合信号和第二混合信号分别进行曲线拟合，并根据信道冲激响应，得到新的第一混合信号和新的第二混合信号。
具体地，对混合信号S(f)(第一混合信号或第二混合信号)进行曲线拟合，确定信道冲激响应的大致位置，并根据信道冲激响应得到(新的混合信号)新的混合信号F(f)(新的第一混合信号F1(f)或新的第二混合信号F2(f))＝k*H(f)+N(f),N(f)是拟合过后的噪声，如图3所示。
步骤S2093、通过约束方程求得自动增益控制缩放系数k，通过新的自身信道冲激响应H(f)和新的第一混合信号F1(f)计算得到第一目标信号X1(f)，其中第一目标信号X1(f)＝(1/a)*F1(f)-H(f)；通过新的自身信道冲激响应H(f)和新的第二混合信号F2(f)计算得到第二目标信号X2(f)，其中第二目标信号X2(f)＝(1/a)*F2(f)-H(f)。
即当存在a使得(F(f)-a*H(f))^2对f求和(即F(f)和a*H(f)的距离(Distance))最小时，则认为a为自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)的缩放比例k，如图4所示，细线为F(f)，粗线为a*H(f)：
还原目标信号X(f)＝(1/a)*F(f)-H(f)。最终求得X(f)如图5所示。
步骤S2094、将第一混合信号和第二混合信号求平均值，得到最终的目标信号。
步骤S2095、同时，根据目标信号Mean、最高值Max和总能量E，求得阈值K，若目标信号大于信号阈值，则确定目标信道被占用；若目标信号小于等于信号阈值，则确定目标信道未被占用，其中信号阈值K＝2*Mean*(E/MAX)。
进一步的，约束方程为：
进一步的，通过信道冲激响应拼接，将目标信道的频谱拼接得到高清频谱，具体包括：
步骤S401、如图6所示，将相邻的目标信号依次接入缓存池，对缓存池内的目标信号进行逆傅里叶变换，得到周期函数。
具体地，由于此时目标信号X(f)的频谱分辨率只有1MHz，需要采用多个包拼接的方法提高频谱分辨率。为此构建了一个缓存池，新的周期函数x(t)将会接入到缓存池中，而缓存池里最早接入的周期函数x(t)将会被删除。
具体方法如下，使用4096个点的缓存池，能够存放四组依次更新的x(t)，此时假设缓存池中已有数据。
对目标信号X(f)进行逆傅里叶变换，得到周期函数x(t)
步骤S402、对缓存池的数据x_cache(t)求均值得到数据平均值Mean_cache，对周期函数x(t)求均值得到周期函数平均值Mean_x，对数据x_cache(t)进行缩放得到数据缩放值x_cache’(t)，其中数据缩放值x_cache’(t)＝(Mean_x/Mean_cache)*x_cache(t)。
具体地，数据缩放对齐：对缓存池里的数据求均值Mean_cache，对x(t)求均值Mean_x。假设缓存池里的数据为x_cache(t),对缓存池里的数据，进行缩放x_cache’(t)＝(Mean_x/Mean_cache)*x_cache(t)。
步骤S403、将数据缩放值x_cache’(t)的后十个数设为数据集C，将数据缩放值x_cache’(t)的前十个数设为数据集X。
步骤S404、获取数据集C最大值Max_C、数据集X最大值Max_X、数据集C最大值位置Index_C和数据集X最大值位置Index_X，并删除数据集C最大值位置Index_C与数据集X最大值位置Index_X之间的数据；
步骤S405、将数据集C最大值位置Index_C和数据集X最大值位置Index_X合并构成一个拼接点，其中拼接点的值为(Max_C+Max_X)/2。
具体地，相位对齐:设数据集C为x_cache’(t)后十个数，数据集X为x(t)前十个数，找到数据集C，和数据集X的最大值Max_C和Max_X，以及最大值对应的位置：Index_C和Index_X。删除Index_C之后和Index_X之前的数据，将Index_C和Index_X合并起来构成一个拼接点，拼接点对应的值为(Max_C+Max_X)/2。
步骤S406、对缓存池的数据缩放值x_cache’(t)进行快速傅氏变换(FFT)，得到高清频谱X_cache’(f)；
在一些实施例中，对缓存池的数据缩放值x_cache’(t)进行4096点快速傅氏变换(FFT)，得到分辨率为250KHz的高清频谱X_cache’(f)。
综上，本实施例提供了一种频谱感知方法及装置，其中,包括基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；基于正常模式，接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号；根据目标信号生成目标信道的频谱；通过信道冲激响应拼接，将频谱拼接得到高清频谱；基于高清频谱，确认目标信道的占用状态。本发明通过超宽带技术，从超宽带发送模块提供的信道冲激响应CIR中，获取极高带宽(带宽为500MHz-1GHz)内的频谱信息，以此判断目标信道的占用状态，解决了传统低成本频谱感知方法及设备不能进行大带宽频谱感知的技术问题。解决了传统低成本频谱感知设备只能进行窄带的频谱感知，容易造成一些处于检测带宽外的瞬时信号被遗漏的技术问题。
为了更好地实施以上方法，本申请实施例还提供一频谱感知装置100，该装置具体可以集成在电子设备中，该电子设备可以为终端、服务器、个人电脑等设备。比如，在本实施例中，该装置可以包括：发射模块101、接收模块102、生成模块103、拼接模块104和判断模块105，具体如下(如图10)：
(1)发射模块，用于基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；
(2)接收模块，用于基于正常模式，接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号；
(3)生成模块，用于根据目标信号生成目标信道的频谱；
(4)拼接模块，用于通过信道冲激响应拼接，将目标信道的频谱拼接得到高清频谱；
(5)判断模块，用于基于高清频谱，确认目标信道的占用状态。
在一些实施例中，一频谱感知装置100包括发射模块101、接收模块102、生成模块103、拼接模块104和判断模块105，发射模块基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；接收模块基于正常模式，接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号；生成模块根据目标信号生成目标信道的频谱；拼接模块，用于通过信道冲激响应拼接，将目标信道的频谱拼接得到高清频谱；判断模块基于高清频谱，确认目标信道的占用状态。
优选的，硬件设计如图12所示，包括能够收发超宽信号的超宽带收发机构成***的超宽带发送模块和超宽带接收模块。外界的信号通过天线进入***，并通过合路器与超宽带发送模块发出的前导信号相叠加，叠加后的混合信号通过功分器同时流向由两个超宽带收发机构成超宽带接收模块中，两个收将接收到的信号和已知的前导码信号相关累加，并将累加后的结果传递给控制器。控制器可以通过有线或无线的方式将数据传递给收端，进行数据处理并显示结果。终端进行数据处理等操作，从而得到目标信号的频谱。在这里设置有两个平行工作收端，最后的测量结果取两个收端测量结果的交集，以此增加结果的可靠性。
具体实施时，以上各个单元可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元的具体实施可参见前面的方法实施例，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。
基于上述频谱感知方法，本实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述实施例的频谱感知方法中的步骤。具体步骤如下：
基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；
基于正常模式，接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号；
根据目标信号生成目标信道的频谱；
通过信道冲激响应拼接，将目标信道的频谱拼接得到高清频谱；
基于高清频谱，确认目标信道的占用状态。
在一些实施例中，接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号的步骤之前包括：
若接收到前导码信号的时间超过预设的时间阈值，则将第一发射增益切换为第二发送增益。
在一些实施例中，基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号的步骤之后包括：
基于雷达模式，接收包含前导码信号的混合信号并将混合信号分离得到目标信号。
在一些实施例中，基于雷达模式，接收包含前导码信号的混合信号并将混合信号分离得到目标信号的步骤包括：
基于雷达模式，获取第一采样长度阈值内带有前导码信号的信道冲激响应采样点；
将信道冲激响应采样点累加得到混合信号；
将混合信号分离得到目标信号；
同时，根据目标信号判断目标信道是否被占用；
若否，则保持雷达模式并接收混合信号；
若是，则切换到第二发射增益并判断当前测量结果和前一次的测量结果是否相同，若是，则切换到正常模式接收混合信号；若否，则保持雷达模式并接收混合信号。
在一些实施例中，基于正常模式，接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号的步骤包括：
基于正常模式，获取第二采样长度阈值内带有前导码信号的信道冲激响应采样点；
将信道冲激响应采样点累加得到混合信号；
通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号，同时根据目标信号判断目标信道是否被占用；
若否，则切换到雷达模式并接收混合信号；
若是，则保持当前正常模式接收混合信号。
在一些实施例中，混合信号包括第一混合信号和第二混合信号，第一混合信号和第二混合信号分别由两个接收端同时接收得到，第一混合信号和第二混合信号均包括信道冲激响应和目标信号。
在一些实施例中，通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号，同时根据目标信号判断目标信道是否被占用的步骤包括：
获取自身信道冲激响应，将自身信道冲激响应进行曲线拟合得到新的自身信道冲激响应；
将第一混合信号和第二混合信号分别进行曲线拟合，并根据信道冲激响应，得到新的第一混合信号和新的第二混合信号；
通过约束方程求得自动增益控制缩放系数k，通过新的自身信道冲激响应H(f)和新的第一混合信号F1(f)计算得到第一目标信号X1(f)，其中第一目标信号X1(f)＝(1/a)*F1(f)-H(f)；通过新的自身信道冲激响应H(f)和新的第二混合信号F2(f)计算得到第二目标信号X2(f)，其中第二目标信号X2(f)＝(1/a)*F2(f)-H(f)；
将第一混合信号和第二混合信号求平均值，得到最终的目标信号；
同时，根据目标信号Mean、最高值Max和总能量E，求得阈值K，若目标信号大于信号阈值，则确定目标信道被占用；若目标信号小于等于信号阈值，则确定目标信道未被占用，其中信号阈值K＝2*Mean*(E/MAX)。
在一些实施例中，约束方程为：
在一些实施例中，通过信道冲激响应拼接，将目标信道的频谱拼接得到高清频谱，具体包括：
将相邻的目标信号依次接入缓存池，对缓存池内的目标信号进行逆傅里叶变换，得到周期函数；
对缓存池的数据x_cache(t)求均值得到数据平均值Mean_cache，对周期函数x(t)求均值得到周期函数平均值Mean_x，对数据x_cache(t)进行缩放得到数据缩放值x_cache’(t)，其中数据缩放值
x_cache’(t)＝(Mean_x/Mean_cache)*x_cache(t)；
将数据缩放值x_cache’(t)的后十个数设为数据集C，将数据缩放值x_cache’(t)的前十个数设为数据集X；
获取数据集C最大值Max_C、数据集X最大值Max_X、数据集C最大值位置Index_C和数据集X最大值位置Index_X，并删除数据集C最大值位置Index_C与数据集X最大值位置Index_X之间的数据；
将数据集C最大值位置Index_C和数据集X最大值位置Index_X合并构成一个拼接点，其中拼接点的值为(Max_C+Max_X)/2；
对缓存池的数据缩放值x_cache’(t)进行快速傅氏变换(FFT)，得到高清频谱X_cache’(f)。
基于上述频谱感知方法，本发明还提供了一种终端设备，如图11所示，其包括至少一个处理器(processor)20；显示屏21；以及存储器(memory)22，还可以包括通信接口(Communications Interface)23和总线24。其中，处理器20、显示屏21、存储器22和通信接口23可以通过总线24完成相互间的通信。显示屏21设置为显示初始设置模式中预设的用户引导界面。通信接口23可以传输信息。处理器20可以调用存储器22中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。
此外，上述的存储器22中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
存储器22作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器20通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。
存储器22可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。
此外，上述存储介质以及移动终端中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。
综上，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：一种频谱感知方法及装置，其中,包括基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；基于正常模式，接收包含前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将混合信号分离得到目标信号；根据目标信号生成目标信道的频谱；通过信道冲激响应拼接，将频谱拼接得到高清频谱；基于高清频谱，确认目标信道的占用状态。本发明通过超宽带技术，从超宽带发送模块提供的信道冲激响应CIR中，获取极高带宽(带宽为500MHz-1GHz)内的频谱信息，以此判断目标信道的占用状态，解决了传统低成本频谱感知方法及设备不能进行大带宽频谱感知的技术问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种频谱感知方法，其特征在于，所述方法包括：
基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；
基于正常模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将所述混合信号分离得到目标信号；
根据所述目标信号生成所述目标信道的频谱；
通过信道冲激响应拼接，将所述目标信道的频谱拼接得到高清频谱；
基于所述高清频谱，确认所述目标信道的占用状态。
2.根据权利要求1所述的频谱感知方法，其特征在于，所述接收包含所述前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将所述混合信号分离得到目标信号的步骤之前包括：
若接收到所述前导码信号的时间超过预设的时间阈值，则将所述第一发射增益切换为第二发送增益。
3.根据权利要求2所述的频谱感知方法，其特征在于，所述基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号的步骤之后包括：
基于雷达模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并将所述混合信号分离得到所述目标信号。
4.根据权利要求3所述的频谱感知方法，其特征在于，所述基于雷达模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并将所述混合信号分离得到所述目标信号的步骤包括：
基于所述雷达模式，获取第一采样长度阈值内带有所述前导码信号的信道冲激响应采样点；
将所述信道冲激响应采样点累加得到所述混合信号；
将所述混合信号分离得到所述目标信号；
同时，根据所述目标信号判断所述目标信道是否被占用；
若否，则保持所述雷达模式并接收所述混合信号；
若是，则切换到所述第二发射增益并判断当前测量结果和前一次的测量结果是否相同，若是，则切换到所述正常模式接收所述混合信号；若否，则保持所述雷达模式并接收所述混合信号。
5.根据权利要求1所述的频谱感知方法，其特征在于，所述基于正常模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将所述混合信号分离得到目标信号的步骤包括：
基于所述正常模式，获取第二采样长度阈值内带有所述前导码信号的信道冲激响应采样点；
将所述信道冲激响应采样点累加得到所述混合信号；
通过所述拟合分离方法将所述混合信号分离得到所述目标信号，同时根据所述目标信号判断所述目标信道是否被占用；
若否，则切换到所述雷达模式并接收所述混合信号；
若是，则保持当前所述正常模式接收所述混合信号。
6.根据权利要求5所述的频谱感知方法，其特征在于，所述混合信号包括第一混合信号和第二混合信号，所述第一混合信号和所述第二混合信号分别由两个接收端同时接收得到，所述第一混合信号和所述第二混合信号均包括信道冲激响应和目标信号。
7.根据权利要求6所述的频谱感知方法，其特征在于，所述通过所述拟合分离方法将所述混合信号分离得到所述目标信号，同时根据所述目标信号判断所述目标信道是否被占用的步骤包括：
获取自身信道冲激响应，将所述自身信道冲激响应进行曲线拟合得到新的自身信道冲激响应；
将所述第一混合信号和所述第二混合信号分别进行曲线拟合，并根据所述信道冲激响应，得到新的第一混合信号和新的第二混合信号；
通过约束方程求得自动增益控制缩放系数k，通过所述新的自身信道冲激响应H(f)和所述新的第一混合信号F1(f)计算得到第一目标信号X1(f)，其中所述第一目标信号X1(f)＝(1/a)*F1(f)-H(f)；通过所述新的自身信道冲激响应H(f)和所述新的第二混合信号F2(f)计算得到第二目标信号X2(f)，其中所述第二目标信号X2(f)＝(1/a)*F2(f)-H(f)；
将所述第一混合信号和所述第二混合信号求平均值，得到最终的所述目标信号；
同时，根据所述目标信号Mean、最高值Max和总能量E，求得阈值K，若所述目标信号大于所述信号阈值，则确定所述目标信道被占用；若所述目标信号小于等于所述信号阈值，则确定所述目标信道未被占用，其中所述信号阈值K＝2*Mean*(E/MAX)。
8.根据权利要求7所述的频谱感知方法，其特征在于，所述约束方程为：
9.根据权利要求1所述的频谱感知方法，其特征在于，所述通过信道冲激响应拼接，将所述目标信道的频谱拼接得到高清频谱，具体包括：
将相邻的所述目标信号依次接入缓存池，对所述缓存池内的所述目标信号进行逆傅里叶变换，得到周期函数；
对所述缓存池的数据x_cache(t)求均值得到数据平均值Mean_cache，对所述周期函数x(t)求均值得到周期函数平均值Mean_x，对所述数据x_cache(t)进行缩放得到数据缩放值x_cache’(t)，其中所述数据缩放值x_cache’(t)＝(Mean_x/Mean_cache)*x_cache(t)；
将所述数据缩放值x_cache’(t)的后十个数设为数据集C，将所述数据缩放值x_cache’(t)的前十个数设为数据集X；
获取数据集C最大值Max_C、数据集X最大值Max_X、数据集C最大值位置Index_C和数据集X最大值位置Index_X，并删除所述数据集C最大值位置Index_C与所述数据集X最大值位置Index_X之间的数据；
将所述数据集C最大值位置Index_C和所述数据集X最大值位置Index_X合并构成一个拼接点，其中所述拼接点的值为(Max_C+Max_X)/2；
对所述缓存池的所述数据缩放值x_cache’(t)进行快速傅氏变换(FFT)，得到所述高清频谱X_cache’(f)。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1～9任意一项所述的一种频谱感知方法中的步骤。
11.一种频谱感知装置，其特征在于，包括：
发射模块，用于基于第一发射增益在目标信道上发送前导码信号；
接收模块，用于基于正常模式，接收包含所述前导码信号的混合信号并通过拟合分离方法将所述混合信号分离得到目标信号；
生成模块，用于根据所述目标信号生成所述目标信道的频谱；
拼接模块，用于通过信道冲激响应拼接，将所述目标信道的频谱拼接得到高清频谱；
判断模块，用于基于所述高清频谱，确认所述目标信道的占用状态。
12.一种终端设备，其特征在于，包括：处理器、存储器及通信总线；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述通信总线实现处理器和存储器之间的连接通信；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如权利要求1-9任意一项所述的频谱感知方法中的步骤。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024056083A1 (zh) * | 2022-09-15 | 2024-03-21 | 鹏城实验室 | 频谱感知方法及装置 |
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| Publication number | Publication date |
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| WO2024056083A1 (zh) | 2024-03-21 |
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