[发明专利]一种基于随机矩阵的认知无线电频谱感知方法

说明书

技术领域

本发明涉及认知无线电频谱感知技术。

背景技术

1.频谱感知

就目前来看，频谱固定的分配方式导致正在使用的所有频段的使用效率低下。也就是说，在主用户并没有使用其所占有的频段时，认知用户也不能使用这个空闲的频段，这样一来使得频谱使用不合理，不充分。另一方面，不断增长的无线业务对无线频谱的需求日益增长，导致可用频谱资源更加紧缺。面对频谱危机，出现了“认知无线电”技术，它可以实现闲置频谱的充分利用。

认知无线电的基本思想是频谱复用和频谱共享，它允许认知用户在保证不影响主用户使用其频段的前提下利用主用户的空闲频段进行通信。要达到这一目的，认知用户就要不断地检测主用户信号是否正在使用其所占频段，这就是频谱感知。若检测到主用户存在，那么认知用户就不能使用该频段进行通信，相反则可以进行通信。

频谱感知的要求是检测要准确，包括两个方面：

(1)主用户信号存在时一定要检测出来，即不能影响主用户的正常使用，这也是最重要的；

(2)主用户信号不存在时要尽量检测到，这样可以尽可能充分地利用频谱资源，但它相比(1)显得没有那么紧迫。

如果上述中(1)做得不好，后果就是影响主用户的正常使用，这是万万不可的；如果上述中(2)做得不好，那么频谱就没有得到充分的利用，也就失去了频谱感知的意义，频谱资源紧张的问题就无法很好的解决，所以频谱感知对主用户信号的检测的“准确”二字体现在以上两个方面。这两个方面，相应地对应着两种错误(虚警和漏警)，进而对应两种错误概率(虚警概率和漏警概率)。

漏警：主用户信号存在，即主用户正在使用其所占频段，但认知用户进行频谱感知时没有检测到主用户信号的存在，因而认知用户利用此频段，与主用户发生冲突，影响主用户的使用，对应上述的1)。

虚警：主用户信号不存在，即没有使用其所占频段，但认知用户进行频谱感知时检测到主用户信号存在，因而无法利用此频段，使得此频段空闲，对应上述的2)。

对于不同的通信系统，对漏警概率和虚警概率的要求是不同的。就这两种错误来看，漏警在频谱感知中造成的后果比虚警要严重，因为它直接影响了主用户对于其占有频段的使用，违背了最根本的原则。而虚警只不过是有空闲的频段但却没能利用，相比前者没有什么严重的后果。因此，应该更加注重降低漏警概率，也就是努力提高检测概率(漏警概率+检测概率＝1)，这也是衡量频谱感知算法的优劣性的一个最重要的评价指标。本发明意在寻找一种使检测概率尽量高而错误概率(包括虚警和漏警)尽量低的检测算法，以实现频谱资源的充分利用。

认知无线电是从根本上提高无线通信的频谱效率、功率效率、系统容量的技术手段，能满足未来高速高质量信息服务对宽带无线通信的需求，是实现通信系统具有可扩展、可重构功能的技术之一。频谱感知技术是认知无线电的基础和核心,而随机矩阵理论是一套完备的、有说服力的理论体系，它描述了各个类型的矩阵在特定的条件下具有的特点与性能。同时，要进行感知的信号可以用矩阵的形式来表示，这样就建立起了频谱感知与随机矩阵理论之间的联系，这样可以更加清晰直观地对感知信号进行分析处理，以便更好地进行频谱感知。

2.随机矩阵理论

频谱感知技术在近几年始终是国际上的研究热点，而已有的检测算法大致分为以下三类：

1)常规检测法：它需要事先知道信号和噪声的功率信息。如：似然比检测法，匹配滤波检测法,循环平稳检测法等。

2)半盲检测法：它只需要事先知道噪声的功率信息。如：能量检测,基于小波的检测等。

3)盲检测法：它不需要事先知道信号和噪声的功率信息。如：基于协方差的感知,盲组合能量检测,基于特征值的感知等。

上述算法各有优缺点和适用条件，但它们共同存在一个问题：在低信噪比条件下(如低于-20dB)，检测性能远不能满足实际应用的需要。为了探索低信噪比条件下具备高性能且真正切实可行的频谱感知新方法，慢慢地出现了一种新的思想，它就是随机矩阵理论。

随机矩阵理论原本是一种处理大维数据的有效方法，在数字通信、核物理以及金融数学等领域均有广泛的应用。众所周知，当前的一个客观事实是，各行各业的科技人员都不得不面对日益庞大的数据。过去人们常常采用降维的方法，但这样做会丧失包含在原始数据里的很多信息。随机矩阵理论则不同，如果数据满足随机矩阵渐近收敛的条件，其收敛率可以将人们关心的数据特性完整地保留下来。