專利名稱：便于實(shí)現(xiàn)而又有效的認(rèn)知無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio)中的頻譜檢測(cè)(Spectrum Sensing)，更具體地說(shuō)，涉及一種檢測(cè)無(wú)線電頻譜是否被占用的方法。
背景技術(shù)：
認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)發(fā)展的目的是為了更加有效地利用稀缺的無(wú)線電頻譜資源，其在軟件無(wú)線電技術(shù)基礎(chǔ)之上，引入了“智能”。無(wú)線電頻譜檢測(cè)技術(shù)是認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的基石， 用于檢測(cè)無(wú)線電頻譜的某些頻段在某些時(shí)段是否被用戶占用(參見(jiàn)Zhe Chen等人在2010 年 IEEESoutheastCon 大會(huì)上發(fā)表白勺題為"Prediction of channel state for cognitive radio usinghigher-order hidden Markov model，，的學(xué)術(shù)論文)?，F(xiàn)有的認(rèn)知無(wú)線電頻譜檢測(cè)技術(shù)主要分為能量檢測(cè)(Energy detection)、匹配濾波器檢測(cè)(Matched filter detection)、周期平穩(wěn)特征檢測(cè)(Cyclostationary feature detection)、基于協(xié)方差的檢 IlJ (Cov￡iri￡mce_b￡iseddetectiori)、禾口白勺(Wavelet-based detection) 等大幾類(參見(jiàn)S. Haykin等人在2009年IEEE期刊“Proceedings of the IEEE”第97卷第5期849至877頁(yè)上發(fā)表的題為"Spectrum sensing for cognitive radio”的學(xué)術(shù)論文，和 Τ. Yucek 等人在 2009 年 IEEE 期刊“IEEE Communications Surveys & Tutorials，， 第 11 卷第 1 期 116 至 130 頁(yè)上發(fā)表的題為"A Survey of Spectrum Sensing Algorithms for Cognitive Radio Applications”的學(xué)術(shù)論文)。每一類無(wú)線電頻譜檢測(cè)技術(shù)通常又會(huì)派生出一些不同的檢測(cè)方法。不同的無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法的檢測(cè)效果(通常用檢測(cè)概率Pd和虛警概率Pfa衡量)不同，算法復(fù)雜度也不同。算法復(fù)雜度通常決定了實(shí)現(xiàn)無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法所需要的硬件資源和運(yùn)算量。算法復(fù)雜度越低，越便于在短時(shí)間內(nèi)完成該算法所需的運(yùn)算，就越便于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電頻譜的檢測(cè)。對(duì)于電池供電的無(wú)線通信設(shè)備，算法復(fù)雜度越低，在其上運(yùn)行該算法所需的功耗一般就越低，這樣就會(huì)延長(zhǎng)電池在再充電或被替換之前的使用時(shí)間。另外，從算法實(shí)現(xiàn)的角度看，通常，算法便于實(shí)現(xiàn)不僅意味著降低算法復(fù)雜度，而且也意味著便于開(kāi)發(fā)者用硬件、固件、或軟件的方法實(shí)現(xiàn)該算法。例如，算法中不包含高精度浮點(diǎn)運(yùn)算， 或算法中不包含硬件或處理器不易實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算，等等。有效的算法這里指無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法的檢測(cè)效果可以達(dá)到或超過(guò)既定指標(biāo)。如果有一種算法復(fù)雜度相對(duì)不高，且便于實(shí)現(xiàn)，又有效的無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法，這將是一種優(yōu)勢(shì)。通過(guò)本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的傅立葉變換(Fourier Transform)，可以從時(shí)域信號(hào)中得到其頻譜。通過(guò)判斷其在某一時(shí)段的頻譜上的某一頻點(diǎn)處的幅值的大小， 可以得到信道在這個(gè)時(shí)段的這個(gè)頻點(diǎn)上是否被占用的信息。這種無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但其有兩個(gè)劣勢(shì)。第一，其檢測(cè)效果，在低信噪比(SNR)如-20dB)下，通常不足以達(dá)到既定指標(biāo)(如檢測(cè)概率Pd彡0. 9且虛警概率Pfa < 0. 1)。通過(guò)增大傅立葉變換的點(diǎn)數(shù)，雖然可以提高其檢測(cè)效果，但同時(shí)其運(yùn)算量也會(huì)大幅提高。第二，這種無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法通常需要一個(gè)預(yù)先設(shè)置的門限(Threshold)，用以判定某些頻點(diǎn)是否被占用。這個(gè)門限的最佳值會(huì)隨信噪比的改變而改變，使預(yù)先設(shè)置最佳門限變得困難，從而惡化了該方法的檢測(cè)效果。如果有一種在低信噪比下達(dá)到既定檢測(cè)效果指標(biāo)的無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法，同時(shí)其預(yù)設(shè)門限不隨信噪比的改變而改變，這也將是一種優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，認(rèn)知無(wú)線電頻譜檢測(cè)過(guò)程，該過(guò)程包括接收信道時(shí)域數(shù)字信號(hào)，并對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行一系列處理，最后給出信道在不同時(shí)間段上、不同頻點(diǎn)上的占全fn息。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，一個(gè)過(guò)程包括接收信道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)；對(duì)至少一段時(shí)域數(shù)字信號(hào)應(yīng)用離散傅立葉變換，根據(jù)得到的頻譜計(jì)算功率譜密度(Power Spectral Density)；根據(jù)求得的連續(xù)的至少一幅功率譜密度，計(jì)算至少一個(gè)頻點(diǎn)上功率譜密度的平均值，并計(jì)算至少一個(gè)頻點(diǎn)上功率譜密度平均值的平均值；根據(jù)求得的至少一個(gè)平均值、平均值的平均值，與至少一個(gè)預(yù)設(shè)門限的關(guān)系，給出信道在至少一個(gè)上述頻點(diǎn)上的占空信息。 在該過(guò)程中，計(jì)算平均值與計(jì)算平均值的平均值通過(guò)如下兩種計(jì)算方式中的至少一種求和后乘以一個(gè)系數(shù)、求和然后移位。在該過(guò)程中，求得的至少一個(gè)平均值、平均值的平均值， 與至少一個(gè)預(yù)設(shè)門限的關(guān)系為如下三種關(guān)系中的至少一種平均值與平均值的平均值的比值，同預(yù)設(shè)門限的不等式關(guān)系；平均值，同平均值的平均值與預(yù)設(shè)門限的乘積的不等式關(guān)系；平均值向右移位，同平均值的平均值向右移位后與預(yù)設(shè)門限的乘積的不等式關(guān)系。本發(fā)明中的預(yù)設(shè)門限無(wú)需隨噪聲幅度的變化而調(diào)整；本發(fā)明在低信噪比下也可以達(dá)到既定檢測(cè)效果指標(biāo)；本發(fā)明的算法復(fù)雜度相對(duì)不高，且便于軟件、固件、硬件實(shí)現(xiàn)。


通過(guò)參考附圖，可以更全面地理解本發(fā)明，其中附圖1是時(shí)域數(shù)字信號(hào)頻譜檢測(cè)裝置的框圖；附圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法的流程圖。附圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法在硬件平臺(tái)上的一種檢測(cè)概率(Pd)和虛警概率(PFA)。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照附圖1，其中示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)域數(shù)字信號(hào)頻譜檢測(cè)裝置100 的框圖，如果需要，該功能可在硬件、軟件或固件中實(shí)現(xiàn)。例如，在硬件實(shí)現(xiàn)中，裝置100可包括一個(gè)專用集成電路(ASIC)，其電路被設(shè)計(jì)執(zhí)行特定信號(hào)處理任務(wù)?？商鎿Q地，在軟件實(shí)現(xiàn)中，裝置100可包括執(zhí)行完成這些信號(hào)處理任務(wù)的應(yīng)用程序的處理器。裝置100的物理實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和構(gòu)建完全在本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。裝置100可以運(yùn)行接收時(shí)域數(shù)字信號(hào)102。事實(shí)上，時(shí)域數(shù)字信號(hào)102可以是本技術(shù)領(lǐng)域公知的任何采樣率和任何幅度的時(shí)域數(shù)字信號(hào)。時(shí)域數(shù)字信號(hào)102的每個(gè)采樣點(diǎn)的取值可以是任意整數(shù)。功能104把已收到的原始時(shí)域數(shù)字信號(hào)分成連續(xù)的等長(zhǎng)的若干段，以便使其成為分段后的時(shí)域數(shù)字信號(hào)106。把分段后的時(shí)域數(shù)字信號(hào)106記為Xt (η)，其中 η = 0,1,..., N-l,t = 0,1,..., T-I0 N是每一段時(shí)域數(shù)字信號(hào)的點(diǎn)數(shù)，T是分成的段數(shù)。 事實(shí)上，N和T可以取任意自然數(shù)。接下來(lái)，通過(guò)功能108執(zhí)行分段后的時(shí)域數(shù)字信號(hào)的加窗過(guò)程，得到加窗后的分段時(shí)域數(shù)字信號(hào)110。該過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下xWjt (n) = xt (η) w (η) (1)η = 0，1，· · ·，N-I, t = 0，1，…，T_1即時(shí)域數(shù)字信號(hào)與窗函數(shù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘。其中《(η)為窗函數(shù)。事實(shí)上，窗函數(shù)w(n) 可以是本技術(shù)領(lǐng)域公知的任何一種窗函數(shù)。特別地，如果窗函數(shù)是單位矩形窗函數(shù)，那么Xw, t(n) =xt (η)，等效于沒(méi)有執(zhí)行加窗過(guò)程。因此，不執(zhí)行加窗過(guò)程，相當(dāng)于執(zhí)行加窗過(guò)程，并且窗函數(shù)為矩形窗。然后，加窗后的分段時(shí)域數(shù)字信號(hào)110通過(guò)運(yùn)行功能112頻譜檢測(cè)，得到114頻譜占空信息。頻譜占空信息，即信道在至少一個(gè)頻點(diǎn)上是否被占用的信息，既可用 “占”或“空”表達(dá)，又可用數(shù)字“1” ( “占”)或“0” ( “空”)表達(dá)。現(xiàn)在參照附圖2，其中示出說(shuō)明在附圖1的步驟112中執(zhí)行的頻譜檢測(cè)的流程圖。功能204對(duì)分段加窗后的時(shí)域數(shù)字信號(hào)202做離散傅立葉變換，得到分段加窗后的時(shí)域數(shù)字信號(hào)的頻譜206。離散傅立葉變換可以但不局限于用快速傅立葉變換算法(Fast FourierTransform，或FFT)實(shí)現(xiàn)。離散傅立葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下
權(quán)利要求
1.一種認(rèn)知無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法，該方法包括以下步驟 對(duì)時(shí)域數(shù)字信號(hào)應(yīng)用離散傅立葉變換；計(jì)算功率譜密度；計(jì)算功率譜密度平均值，使用多種計(jì)算方法中的至少一種；計(jì)算功率譜密度平均值的平均值，使用多種計(jì)算方法中的至少一種；根據(jù)功率譜密度平均值、功率譜密度平均值的平均值、以及預(yù)設(shè)門限三者之間的關(guān)系，給出信道的占空信息，其中三者之間的關(guān)系屬于多個(gè)關(guān)系中的至少一種。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中時(shí)域數(shù)字信號(hào)是分段加窗后的時(shí)域數(shù)字信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中多個(gè)功率譜密度平均值的計(jì)算方法包括 累加后再乘以一個(gè)系數(shù)、累加后再向右移位。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中多個(gè)功率譜密度平均值的平均值的計(jì)算方法包括 累加后再乘以一個(gè)系數(shù)、累加后再向右移位。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中三者之間的多個(gè)關(guān)系包括功率譜密度平均值與功率譜密度平均值的平均值的比值大于預(yù)設(shè)門限、功率譜密度平均值大于功率譜密度平均值的平均值與預(yù)設(shè)門限的乘積、功率譜密度平均值向右移位后大于功率譜密度平均值的平均值向右移位后與預(yù)設(shè)門限的乘積。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在不同頻帶上同時(shí)執(zhí)行所述的認(rèn)知無(wú)線電頻譜檢測(cè)方法。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的步驟由集成電路裝置完成。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的步驟由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)完成。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的步驟由固件(Firmware)完成。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的步驟由軟件完成。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，認(rèn)知無(wú)線電頻譜檢測(cè)過(guò)程，一個(gè)過(guò)程包括接收信道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)；對(duì)至少一段時(shí)域數(shù)字信號(hào)應(yīng)用離散傅立葉變換，根據(jù)得到的頻譜計(jì)算功率譜密度；根據(jù)求得的連續(xù)的至少一幅功率譜密度，計(jì)算至少一個(gè)頻點(diǎn)上功率譜密度的平均值，并計(jì)算至少一個(gè)頻點(diǎn)上功率譜密度平均值的平均值；根據(jù)求得的至少一個(gè)平均值、平均值的平均值，與至少一個(gè)預(yù)設(shè)門限的關(guān)系，給出信道在至少一個(gè)上述頻點(diǎn)上的占空信息。在該過(guò)程中，計(jì)算平均值與計(jì)算平均值的平均值通過(guò)如下兩種計(jì)算方式中的至少一種求和后乘以一個(gè)系數(shù)、求和然后移位。在該過(guò)程中，求得的至少一個(gè)平均值、平均值的平均值，與至少一個(gè)預(yù)設(shè)門限的關(guān)系為三種關(guān)系中的至少一種。
文檔編號(hào)H04B17/00GK102263598SQ20101018150
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者陳喆 申請(qǐng)人:陳喆