[发明专利]一种基于分形盒维数和三阶循环累积量的频谱感知方法

说明书

技术领域

本方法是一种基于分形盒维数和三阶循环累积量的频谱感知方法。主要解决认知无线电网络中主用户是否占用授权频段的检测，属于认知无线电技术中频谱感知领域。 

背景技术

认知无线电网络(cognitive radio)是由分布在主用户区域的认知用户和认知基站（融合中心）构成的网络，在个人服务、公共服务及军事方面有着广泛的应用前景。在认知无线电网络中由分布在不同区域的认知用户进行频谱感知，然后分别将感知结果上传至融合中心，融合中心根据一定的融合算法和判决准则判断授权信道内主用户是否存在。这里认知用户频谱感知是指认知用户在授权频带内接收信道上的信号，信号可能是只有高斯噪声，也可能是主用户信号和噪声的混合信号，然后根据一定的算法准则来判断信号中是否存在主用户信号，这也称为单用户检测。 

在单用户检测中，主要有：匹配滤波器法、能量检测法和循环平稳特征检测法三种经典方案，其它的也都是在这三个方案上的改进。其中匹配滤波器法是相干检测算法，需要知道主用户信号结构；循环平稳特征检测能够检测出信号的特性，但是计算比较复杂；能量检测算法由于不需要知道主用户信号任何先验知识，计算简单而被广泛关注。所以单用户检测主流的算法是能量检测法。 

1) Digham F, Alouini M S, and Simon M K. On the energy detection of unknown signals over fading channels [J]. IEEE Transactions on Communications, 2007,55(1): 21-24。该文献分析了在未知主用户信号下能量检测算法公式，以及在不同信道衰落下具体的能量检测算法过程。能量检测是对接收信号的能量进行一段时间累计，将其与判决门限进行比较来判断主用户存在与否。其中判决门限的设置与噪声功率有关，由预设的虚警概率和噪声功率求的判决门限，再由所计算的检测统计量与判决门限比较，若大于门限则主用户存在，若小于门限则主用户不存在。 

2) 刘义贤, 季飞, 余华. 认知无线电网络中基于噪声功率估计的能量检测性能[J]. 电子与信息学报, 2011,33(6):1488-1491. 该文献分析了利用噪声功率估计值来进行能量检测时判决门限的计算问题，得出判决门限不能直接由噪声功率估计值来作为真正的噪声功率，必须进行修正。提出了修正判决门限的闭合表达式，简化了检测性能分析和判决门限计算。 

上述能量检测算法在不需要主用户信息先验知识的前提下，能够很好地进行频谱检测，而且计算简单。但是还存在不足：1）首先需要噪声功率，能量检测的判决门限直接和噪声功率相关，在不知道噪声功率情况下无法用能量检测；2）即使在信道上通过一段时间统计获得该信道的噪声功率估计值，也需要进行修正才能保证能量检测的准确性，而且认知无线电是一个智能系统，要适应无线环境的动态变化，基于统计意义的噪声功率估计值不能很好代表瞬时值。所以认知无线电频谱感知很有必要要解决信息先验知识未知的问题。 

发明内容

技术问题：本发明主要针对认知无线电单用户频谱感知，针对已有的检测算法需要信号先验知识和噪声功率这些不足，提出改进的单用户检测算法。本发明的目的的提供一种能够在不知道主用户信息结构，不知道噪声功率或者不进行信道噪声功率统计的情况下，对授权信道中的主用户信息存在与否进行很好地检测。 

技术方案：本发明的方法是提出了一种基于分形盒维数和三阶循环累积量的两者组合的单用户频谱检测方法。前者保证了在高信噪比的时候能很好地检测，后者保证低信噪比时很好地检测主用户信号。认知用户将接收信号通过分形盒维数法计算其分形盒维数值，小于门限值就判决主用户存在，大于门限值就继续通过改进的三阶循环累积量算法进一步检测主用户是否存在，然后向融合中心发送1bit感知结果。 

本发明主要目的在于检测主用户是否在占用授权频带。下面具体说明方案的运行方式： 

一、体系结构

图1给出了本发明大致框架流程，主要是分形盒维数法和三阶循环累积量法两个部分。

下面给出这两部分的具体说明：