[发明专利]一种适用于宽带系统的多天线频谱感知方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于宽带系统的多天线频谱感知方法及装置。

背景技术

传统的无线通信系统采用的是固定频谱分配机制。联邦通讯委员会(FCC)负责授权和管理除联邦政府使用之外的射频传输装置和设备，分配无线频谱资源给授权用户使用。然而，这种固定的频谱分配机制可能会导致某些频谱资源未被充分利用，而另一些频谱资源上的授权用户却过于拥挤。为了提高频谱利用率，一种新兴的动态频谱分配机制被提出。在感兴趣的频段范围内，非授权用户(也称从用户)连续地进行频谱感知以检测授权用户是否存在，在不影响授权用户通信的情况下机会接入频谱进行通信。

频谱感知作为动态频谱分配机制的一项关键技术，目前已经得到了广泛的研究。经典的本地频谱感知算法包括能量检测、匹配滤波检测、循环平稳特征检测等，这些方法各有优缺点，适用于不同的应用场景。能量检测实现简单且不需要原始信号的先验信息，但受到噪声不确定度的影响。循环平稳特征检测利用到了信号的循环平稳特性和噪声的广义平稳性，能够在一定程度上解决能量检测的不足，从噪声中区分出授权信号，但其实现复杂度更高。匹配滤波器检测在已知信号先验信息时是一种最佳检测，鲁棒性最好，但复杂度也高。与本地频谱感知技术相对应的是合作频谱感知技术，通过汇集各个从用户的本地感知信息到融合中心，协作地做出最终判决。

能量检测由于其低复杂度和易实现性，在经典的本地频谱感知算法中应用最广泛。能量检测依赖于噪声功率的精确信息，不精确的噪声功率会导致“信噪比墙”和高虚警概率。然而，在实际系统中，噪声功率不可能精确估计，噪声不确定性总是存在，能量检测的性能将会大大恶化。因此，当存在噪声不确定性时，需要设计一种鲁棒的感知方法，避免对系统性能的影响。

当通信系统工作在某个宽带信道上时，其中该宽带信道可以被分割为多个相互不重叠的窄带子信道。在某个特定的时间和特定的空间内，这些窄带子信道可能只有其中一部分被授权用户使用，其余的均保持空闲状态，可以供从用户机会频谱接入。传统的感知方法需要逐一检测各个子信道的占用情况，当子信道数很多时，将会消耗大量的感知时间。如果能同时检测所有的子信道，对该宽带信道的频谱占用情况做出判决，将会缩短感知时间，提高频谱利用率。

基于以上问题，本发明提出一种适用于宽带系统的多天线频谱感知方法及装置，该方法及装置能有效的解决噪声不确定性对检测性能的影响。同时，该方法及装置对宽带信道的频谱占用情况同时做出判决，缩短感知时间，提高了频谱利用率。

发明内容

该方法首先估计出宽带信道中被占用子信道的个数，然后判断被占用信道的位置，区分出空闲信道与被占用信道，从用户在不干扰授权用户的前提下，机会频谱接入空闲信道进行通信。

本发明提供了一种抗噪声不确定性的宽带频谱感知方法及装置，其特征在于该方法及装置不依赖于噪声功率的先验信息，对噪声不确定性具有鲁棒性，能有效的抵抗噪声不确定性对系统性能的影响。该方法需满足从用户多天线数大于被占用子信道数的前提条件，主要包括以下步骤：

步骤一：计算从用户多天线接收端的抽样协方差矩阵。注意，抽样协方差矩阵不等同于统计协方差矩阵，它是用接收信号的有限次抽样来实现。只有当抽样数趋于无穷时，才可用抽样协方差矩阵来替代统计协方差矩阵。

步骤二：抽样协方差矩阵的酉变换。直接利用盖氏圆盘定理难以分离出信号和噪声，这是由于步骤一中抽样协方差矩阵的盖氏半径较大，且盖氏圆心相离很近，导致信号和噪声的盖氏圆盘相互重叠，难以分离。通过对抽样协方差矩阵做酉变换处理，信号和噪声的盖氏圆盘相互分离，从而可以从噪声中分离出信号。

步骤三：计算盖氏似然函数。根据步骤二得到的酉变换后的抽样协方差矩阵，求解新的盖氏半径，并据此算出盖氏似然函数。

步骤四：估计被占用信道的个数。寻找步骤三中盖氏似然函数的最小值，确定被占用信道的个数。

步骤五：区分空闲信道与被占用信道。注意到，被占用信道上重叠了信号与噪声，而空闲信道上则只有噪声存在。因此，被占用信道的功率将会大于空闲信道。如果我们对宽带系统各子信道的功率按降序排列，并假设步骤四中估计出的被占用信道数为则前个信道将为被占用信道，后面的信道为空闲信道，可以供从用户机会频谱接入。

所述步骤一的抽样协方差矩阵为其中N代表抽样数，r(n)为从用户多天线接收端的接收信号。

所述步骤二的酉变换处理包括以下操作：