一種面向協(xié)作頻譜感知的正交窄帶波形設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及面向協(xié)作頻譜感知的正交窄帶波形設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了滿足人們對(duì)通信速率日益增長(zhǎng)的需求，無(wú)線頻譜資源被不斷地劃分授權(quán)給不 同的無(wú)線通信系統(tǒng)使用。隨著網(wǎng)絡(luò)的寬帶化、業(yè)務(wù)的多樣化，現(xiàn)有的固定頻譜管理模式使得 無(wú)線資源日益匱乏?？紤]到頻譜資源的劃分已經(jīng)日趨飽和，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)作為一種可以 靈活使用空閑頻譜資源的技術(shù)被提出在認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，根據(jù)職能的不同，分為認(rèn)知用 戶和授權(quán)用戶，只有當(dāng)認(rèn)知用戶檢測(cè)到授權(quán)用戶不使用其所分配的頻譜資源時(shí)認(rèn)知用戶才 可以接入頻譜進(jìn)行通信，一旦檢測(cè)到授權(quán)用戶的存在，認(rèn)知用戶應(yīng)該立即終止通信，退出使 用的頻段，以避免對(duì)授權(quán)用戶的干擾。通過(guò)準(zhǔn)確的頻譜感知，可以對(duì)有限的頻譜資源進(jìn)行再 利用，提高系統(tǒng)的頻譜利用率。由于單點(diǎn)頻譜感知很難提供較高的檢測(cè)概率，因此現(xiàn)有的頻 譜感知主要以協(xié)作頻譜感知為主。目前多用戶協(xié)作頻譜感知主要是通過(guò)融合中心來(lái)收集多 個(gè)認(rèn)知用戶單獨(dú)感知授權(quán)用戶的結(jié)果，進(jìn)而通過(guò)"或"或者"與"的融合準(zhǔn)則對(duì)結(jié)果進(jìn)行融 合得到最終的感知結(jié)果。如果授權(quán)用戶在認(rèn)知用戶收集上報(bào)信息后出現(xiàn)，則會(huì)造成融合中 心做出錯(cuò)誤的判決，從而導(dǎo)致認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的干擾；此外融合中心需要收集多個(gè)認(rèn) 知用戶的信息來(lái)進(jìn)行判決，這大大增加了頻譜感知的復(fù)雜程度，而且也會(huì)帶來(lái)較大的頻譜 感知時(shí)延。
[0003] 針對(duì)傳統(tǒng)基于融合中心的協(xié)作頻譜感知方法存在的上述問(wèn)題，研究人員提出了一 種基于放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼的協(xié)作頻譜感知方法，分別為授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶分配正弦信號(hào)和 chirp信號(hào)，利用chirp信號(hào)在分?jǐn)?shù)傅里葉變換（Fractional Fourier Transform, FrFT)域 的能量聚集特性，可以有效地提高接收端的檢測(cè)概率及頻譜利用率，并可以避免基于融合 中心的協(xié)作頻譜感知方法中授權(quán)用戶突然出現(xiàn)引發(fā)的干擾。在此模型中，對(duì)認(rèn)知用戶而言， 由于其所占用的是同一個(gè)授權(quán)用戶的頻段，因此不同認(rèn)知用戶所采用的波形應(yīng)該具有相同 的中心頻率和頻域帶寬，由于在此模型中有兩個(gè)認(rèn)知用戶，所以需要設(shè)計(jì)兩個(gè)正交或近似 正交的波形以保證兩個(gè)波形在接收端的可分離特性。此外，為了在給定頻譜要求的前提下， 盡可能提高認(rèn)知用戶的發(fā)射功率，從而提高整個(gè)認(rèn)知用戶傳輸?shù)乃俾?，需要提高所設(shè)計(jì)波 形在該認(rèn)知頻段的功率利用率。然后在現(xiàn)有的波形設(shè)計(jì)方法中，對(duì)于功率利用率低，旁邊沒(méi) 有限制以及波形正交性差等問(wèn)題未能全面解決，因此，為了得到具有較高功率利用率和對(duì) 旁瓣加以限制下的同頻正交可分離，且能夠直接應(yīng)用到上述協(xié)作頻譜感知模型中的認(rèn)知用 戶波形，本發(fā)明提出了一種基于chirp信號(hào)疊加的正交窄帶波形設(shè)計(jì)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有波形設(shè)計(jì)方法對(duì)旁瓣沒(méi)有限制，功率利用率低和波 形正交性差的問(wèn)題，而提出了一種面向協(xié)作頻譜感知的正交窄帶波形設(shè)計(jì)方法。
[0005] 上述的發(fā)明目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 步驟一、選取chirp基信號(hào)x(t);
[0007] 步驟二、利用x(t)進(jìn)行平移疊加，分別由兩個(gè)不同的，長(zhǎng)度為27的疊加系數(shù)集合 1^(1)和h2(l)產(chǎn)生合成波開(kāi)多sjt)和s2(t);
[0008] 步驟三、定義功率譜約束函數(shù)c(f)，將合成波形Sl(t)的設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)為數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn) 題，利用CVX工具包求解最佳疊加系數(shù)集合/<(/)，得到最佳合成波形< Gh
[0009] 步驟四：定義正交信號(hào)互相關(guān)門(mén)限值ε，將合成波形s2(t)的設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)為數(shù)學(xué) 優(yōu)化問(wèn)題，利用CVX工具包求解最佳疊加系數(shù)集合￡(/)，得到最佳合成波形??) B
[0010] 發(fā)明效果
[0011] 采用本發(fā)明的一種面向協(xié)作頻譜感知的正交窄帶波形設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明利用 chirp信號(hào)在分?jǐn)?shù)傅里葉變換域的能量聚集特性，基于chirp信號(hào)的線性疊加方法，利用 CVX工具包設(shè)計(jì)出了滿足給定的功率譜規(guī)范以降低對(duì)相鄰頻段用戶的干擾、具有較高的功 率利用率，以提高接收端的信噪比、具有較好的互相關(guān)特性、在分?jǐn)?shù)域具有較好的可分離特 性等要求的兩個(gè)合成波形，具有較高的波形正交性，滿足功率譜約束函數(shù)C (f)條件下求出 的波形即是旁瓣加以限制。
[0012] 根據(jù)圖3和圖4可知，本發(fā)明設(shè)計(jì)的兩個(gè)波形在很好地滿足功率譜密度限制的同 時(shí)取得較高的功率利用率，分別為64. 8%和60. 1 %，從而有效地保證信號(hào)接收端的信噪比 得到提高。而且其互相關(guān)值為0.0177,小于給定的門(mén)限。從圖5可以看到，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的 兩個(gè)合成波形在頻域的帶寬和中心頻率基本一致，可以滿足認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知的要求。 由圖6可知，合成波形1可以通過(guò)在分?jǐn)?shù)傅里葉變換域的窄帶濾波進(jìn)行濾除，濾出后的合成 波形1同實(shí)際的合成波形1的最小均方誤差為〇. 0007。因此，在分?jǐn)?shù)域的窄帶濾波可以很 好地實(shí)現(xiàn)對(duì)認(rèn)知用戶1信號(hào)的分離。因此，兩個(gè)合成波形均可以通過(guò)不同階數(shù)的分?jǐn)?shù)傅里 葉變換域?yàn)V波進(jìn)行濾除。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本發(fā)明流程圖；
[0014] 圖2是實(shí)施例提出的正交波形NESP隨L的變化圖，NESP為歸一化有效信號(hào)功率， L為疊加波形的信號(hào)總數(shù)；
[0015] 圖3是實(shí)施例提出的合成波形1功率譜密度圖；
[0016] 圖4是實(shí)施例提出的合成波形2功率譜密度圖；
[0017] 圖5是實(shí)施例提出的波形1和波形2的頻譜圖；
[0018] 圖6是實(shí)施例提出的波形1和波形2的分?jǐn)?shù)域圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0019] 一：結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，一種面向協(xié)作頻譜感知的正交窄帶 波形設(shè)計(jì)方法，其特征在于，一種面向協(xié)作頻譜感知的正交窄帶波形設(shè)計(jì)方法具體是按以 下步驟進(jìn)行的：
[0020] 步驟一、選取chirp基信號(hào)x(t);
[0021] 步驟二、利用x(t)進(jìn)行平移疊加，分別由兩個(gè)不同的，長(zhǎng)度為27的疊加系數(shù)集合 1^(1)和h2(l)產(chǎn)生合成波開(kāi)多sjt)和s2(t);
[0022] 步驟三、定義功率譜約束函數(shù)C(f)，將合成波形Sl(t)的設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)為數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn) 題，利用CVX工具包求解最佳疊加系數(shù)集合<(/)，得到最佳合成波形.<(/);
[0023] 步驟四：定義正交信號(hào)互相關(guān)門(mén)限值ε，將合成波形s2(t)的設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)為數(shù)學(xué) 優(yōu)化問(wèn)題，利用CVX工具包求解最佳疊加系數(shù)集合<(/)，得到最佳合成波形< (?)。
【具體實(shí)施方式】 [0024] 二、本實(shí)施方式與一不同的是，所述步驟一中選取 chirp基信號(hào)x(t);具體過(guò)程為：
[0025] chirp基信號(hào)表示為：
[0027] 其中，A為chirp基信號(hào)的幅度，f。為chirp基信號(hào)的中心頻率，k為調(diào)頻率，T為 信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，e為自然對(duì)數(shù)，j為虛數(shù)單位，t為時(shí)間。
[0028] 根據(jù)分?jǐn)?shù)傅里葉變換，chirp基信號(hào)X (t)的分?jǐn)?shù)傅里葉變換表示為
[0030] 其中：
為分?jǐn)?shù)傅里葉變換的核函數(shù)，其 中α為旋轉(zhuǎn)角度，α辛kJT，U為分?jǐn)?shù)域自變量；
[0031] 根據(jù)chirp基信號(hào)x(t)的分?jǐn)?shù)傅里葉變換與時(shí)頻分布關(guān)系可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度α =-arccot(2 π k)時(shí)，chirp基信號(hào)x(t)在旋轉(zhuǎn)角度a = -arccot(2 π k)分?jǐn)?shù)域上呈現(xiàn) 能量聚集特性，即呈現(xiàn)為沖激函數(shù)的特性，此時(shí)chirp基信號(hào)的分?jǐn)?shù)域形式為：
[0034] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0035] 三、本實(shí)施方式與一或二不同的是，所述步驟二中利 用x(t)進(jìn)行平移疊加，分別由兩個(gè)不同的，長(zhǎng)度為27的疊加系數(shù)集合匕（1)和1!2(1)產(chǎn)生 合成波形Sl(t)和s2(t);具體過(guò)程為：
[0036] 加權(quán)平移疊加后的合成波形Sl (t)和s2(t)可分別表示為：
[0039] 其中，x(t)為chirp基函數(shù)為合成波形Sl(t)中疊加波形的第1個(gè)疊加系 數(shù)，-13彡1彡13 ;h2⑴為合成波形s2(t)中疊加波形的第1個(gè)疊加系數(shù)，-13彡1彡13 ; 比⑴和h2(l)均關(guān)于原點(diǎn)偶對(duì)稱;M = (L-l)/2為單邊疊加的chirp基信號(hào)數(shù)量，Μ = 13 ; L為疊加波形的信號(hào)總數(shù)，L = 27 ;Tq為疊加波形的時(shí)移間隔，則加權(quán)平移疊加后的合成波 形Sl(t)和S2(t)的傅里葉變換可以表示為
[0042] 其中，X(f)為chirp基信號(hào)x(t)的傅里葉變換，且
hi (0)為合成波形Sl (t)中疊加波形的第0個(gè)疊加系數(shù)；hi (η)為合成波形Sl (t)中疊加波形 的第η個(gè)疊加數(shù)，1彡η彡13 ;h2 (0)為合成波形s2⑴中疊加波