[发明专利]一种基于低秩稀疏矩阵分解的盲频谱感知方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及认知无线电技术领域，特别是指一种基于低秩稀疏矩阵分解的盲频谱感知方法和装置。

背景技术

无线电频谱在无线通信起到至关重要的作用，因此无线电频谱是一种被严格管控的珍贵资源。随着无线通信技术的快速发展，对无线电频谱的需求也在持续增长，使得无线电频谱资源的极度短缺。根据联邦通信委员会(FCC：Federal Communication Commission)的报告，目前授权无线电频谱的利用率大约只有30％，表明频谱稀缺只是频谱管理和注册过程中的人为结果。为此，FCC颁布新政策，允许非授权用户在不对授权用户带来干扰的情况下，选择性地利用频谱空洞进行信息传输，以此提高无线电频谱的利用率并缓解频谱稀缺问题。缓解频谱稀缺问题的核心技术就是认知无线电。

认知无线电(Cognitive Radio,CR)的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，其核心思想就是通过频谱感知(Spectrum Sensing)和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA：dynamic spectrum allocation)和频谱共享(Spectrum Sharing)，并限制和降低冲突的发生。作为认知无线电的关键技术，频谱感知对整个认知网络起着先导作用，是频谱分配和频谱共享的基础。

近些年来，频谱感知技术引起了国内外很多专家和学者的兴趣。经典的频谱感知技术包括匹配滤波法、能量检测法、循环谱检测法、协方差矩阵检测法等。匹配滤波法是一种最优的频谱感知方法，但是它需要授权用户的先验知识。当认知用户知道主用户的先验信息时，匹配滤波器检测就是频谱检测的最优算法，早期的研究表明，匹配滤波器需要(1/SNR)个采样数，检测时间相比较而言较短，就可以与预期的误差概率相吻合。这种滤波器在数字通信信号和雷达信号的检测中具有特别重要的意义。匹配滤波器频谱检测算法在加性高斯白噪声信道中是一种最优的频谱感知方法，主要通过对授权信号进行解调或者导频检测实现。前者实现比较复杂，通过采用匹配滤波器对授权用户信号解调，要求认知用户为每类授权用户提供一套接收解码设备；后者实现相对简单，不再需要复杂的接收解码设备，而且目前大部分无线通信系统都存在导频、前导码、时间同步信号和扩频码等确知信号，这样就使得匹配滤波器检测大大简化，但它的缺点就是为了获得匹配滤波器而必须具备授权用户信号的先验知识，除此之外，计算量也比较大。因此如果先验知识不准确，那么匹配滤波器的性能就会显著下降。80.2.22工作组规定授权用户(主用户)和未授权用户(次用户)不能进行通信，所以在没有足够的主用户先验知识的情况下，匹配滤波法就不再适用。

为了克服匹配滤波法对先验知识的限制，提出了能量检测算法，通过接收机端的能量值和预设阈值的比较来决定目标频段是否存在“频谱空穴”。能量检测的门限模型是影响其检测性能的主要因素，现有的检测门限模型包括单门限检测模型、自适应单门限检测模型和双门限检测模型。单门限检测具有判决过程简单易于实现的优点，但抗噪声能力差，当接收到的信号能量值因随机噪声在门限附近波动时容易引起误判进而降低检测性能。自适应单门限检测方案虽然拥有良好的抗噪声能力，但由于信道的时空变化性，需要在每个检测周期重新进行信道估计并对门限值进行迭代调整，其算法复杂度较大不易实现。而现有的双门限检测方案在一定程度上提高了检测性能，但它是基于固定门限的判决方式，且随着门限数量的增加，在判决过程中将出现更多的不同状态，导致系统稳定性减低、单个信道检测时间过长、频谱利用率下降和抗噪声能力弱等问题。能量检测算法在实际应用中表现出良好特性，但是其性能受限于门限机制，例如噪声功率的时变性会影响基于固定门限的能量检测性能，即使能量检测器能够适应性的设定其门限值，带内干扰也会对其性能产生影响。另外，能量检测虽然可以对信号的出现进行判决，但是不能对不同类型的信号加以区分。因此，能量检测无法判断接收到的信号来自于授权用户信号还是噪声或干扰，所以判决容易受到其他信号的影响，对扩频信号等弱信号的检测不够准确。然而不确定的噪声影响着接收机端的能量值，造成接收机能量值的波动性，严重干扰判决的准确性。