[发明专利]一种宽带频谱感知装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术，特别涉及一种宽带频谱感知装置及方法。

背景技术

随着无线通信技术进入宽带化的飞速发展阶段，各种新无线通信技术及新标准不断涌现并实用化，使得无线通信用户急剧增加，用户的业务需求也不断增长，而且其所能够提供的无线通信业务也从简单的低速语音业务向高速宽带多媒体数据业务发展，无线电频谱资源日益紧缺，并成为制约无线通信发展的严重瓶颈。近年来，认知无线电技术的产生和发展为人们提供了新的解决思路。该技术通过主动检测以寻找可用的频谱空穴，在不影响授权用户的前提下，实现伺机的动态频谱接入，提高频谱资源利用率与无线用户的接入率，受到了业界的广泛关注。

频谱感知技术作为认知无线电的先决条件，频谱感知能力的强弱在某种程度上决定了认知无线电的性能。目前的研究主要包括窄带频谱感知与宽带频谱感知两类。窄带频谱感知针对一个窄带频段，通过检测是否存在主用户信号来判断是否有主用户占用该频段。对于这类信号检测问题，目前研究较为广泛，目前较为成熟的方案主要包括能量检测、匹配滤波器检测与循环平稳特征检测等。然而，窄带频谱感知仅仅针对一个信道进行检测，由于感知能力受限，即使周围有空闲信道，认知用户也无法使用。宽带频谱感知可以在较短的时间内为认知无线电提供更多的频谱接入技术，能显著提高了频谱利用率。目前，以压缩感知理论为基础的宽带频谱感知技术因其采样率低并可精确重构等特点受到了广泛关注。现有技术在使用压缩采样进行频谱感知时都没有考虑到授权用户信号的稀疏度不确定问题，而统一采用固定的压缩采样次数。在低稀疏度条件下，较高的采样次数容易导致采样数据量过大，并引起数据处理量的增加，导致检测时间延长；而在高稀疏度时，较低的采样速率则不能保证检测的精确性。同时还受制于无线环境中噪声，无法保证频谱感知的准确性及高效性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提出一种宽带频谱感知装置及方法，解决现有频谱感知方法中采样次数不确定及重构速度慢的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种宽带频谱感知装置，包括：

宽带频谱信号获取器：用于获取给定频段的原始宽带频谱信号；

噪声强度估计器：用于估计宽带频谱信号获取器输出的当前宽带频谱信号中的噪声强度；

稀疏度估计器：采用累计平均的方式估计各个时刻频谱信号的稀疏度数量，其中频谱信号的稀疏度数量是指宽带频谱信号获取器输出的频谱信号经过稀疏变换后的非零元素个数；

自适应压缩采样器：用于根据估计的频谱信号的噪声强度、频谱信号的稀疏度来自动选择采样次数，并以该选择出的采样次数对宽带频谱信号获取器发出的原始宽带频谱信号进行低速采样，实现对宽带频谱信号的压缩测量；

信号重构器：采用变步长SAMP的重构方式重构稀疏度不确定的原始宽带频谱信号，得到各授权用户占有频带的情况与当前频谱信号的稀疏度；

频谱分配器：用于从感知的空闲频带中选择通信频带，完成网络接入与数据传输。

所述的噪声强度估计器包括：

带通滤波器：用于截取原始宽带频谱信号的某一窄带频率内的信号；

奈奎斯特采样器：用于对带通滤波器截取后的信号进行采样，把模拟信号转换为数字信号；

小波变换器：利用小波变换，估计奈奎斯特采样器(8)输出的数字窄带信号的噪声强度。

所述的稀疏度估计器包括：

稀疏度记录器：用于记录每次频谱重构的结果，从中提取初始时刻或其他时刻的稀疏度；

时刻判断器：用于判断当前时刻是初始时刻还是其他时刻；

稀疏度输出器：根据时刻，若为初始时刻，则直接输出稀疏度；若为其他时刻，则输出稀疏度累计平均值。

所述的自适应压缩采样器包括：

阈值设置器：用于设定噪声强度的阈值；

压缩采样次数决策器：用于确定当前环境下的采样次数，当噪声强度在阈值设置器给定的阈值范围内，则设置采样次数为频谱信号的稀疏度的2倍；当噪声强度在阈值设置器给出的阈值范围之外，则设置采样次数规律为：噪声每超过阈值5db，采样次数增加与稀疏度等值的次数；

压缩采样器：根据压缩采样次数决策器输出的压缩采样次数，生成压缩采样矩阵， 对原始宽带频谱信号进行低速采样，实现对宽带频谱信号的压缩测量。

所述的信号重构器包括：

测量向量接收器：用于接收经自适应压缩采样器压缩采样后的测量向量及测量矩阵；

重构参数设置器：用于生成重构频谱信号的基本参数，包括阶段步长，初始步长，初始权重，权重因子类别号码及该类别号下的参数初始值；