[發明專利]基于自相關矩陣重構的壓縮頻譜感知方法

有效

• 申請號: 201210480858.3
• 申請日: 2012-11-23
• 公開（公告）號: CN102946288A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 趙林靖;文璐;李釗;張文柱;劉勤
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B17/00
• 分類號: H04B17/00
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域：

本發明屬于通信技術領域，涉及一種頻譜感知方法，更進一步涉及一種基于自相關矩陣重構的壓縮頻譜感知方法，可用于認知無線電系統。

背景技術：

近幾年來，無線通信的快速增長導致授權頻帶和非授權頻帶上的無線服務需求都急劇增長。然而，目前的固定頻譜分配策略使得頻譜使用效率很低。為了解決頻譜資源短缺和頻譜利用率不高的問題，人們提出了認知無線電CR的概念。CR技術能夠有效地利用未占用頻帶，進而提高頻譜利用率。在CR系統中，每個次級用戶SU最重要的任務之一就是頻譜感知，即對射頻環境進行檢測，以判斷在感興趣的信道或頻段上是否有授權用戶LU在進行通信。頻譜感知的主要目的在于高效地識別未利用的頻段或物理信道，即頻譜空洞，以供CR使用，從而提高整個認知系統的吞吐量和服務質量并保護LU的通信不受干擾。

一些成熟的、得到廣泛應用的頻譜感知技術，如能量檢測，匹配濾波器檢測和循環平穩特征檢測等技術，均是以窄帶感知為目的提出的方法。而未來的認知無線電應該有掃描寬帶頻段的能力，而這個帶寬可能寬至數GHz。SU需要對整個帶寬上LU的功率譜進行估計，并自適應地改變工作頻段以進行傳輸。這就需要SU的射頻前端使用一系列可調諧的窄帶帶通濾波器，針對每個子帶逐次進行檢測；或是一次性地，利用高采樣率的數模轉換器ADC和高性能的數字信號處理器DSP對整個帶寬進行檢測。這樣兩種檢測策略均有實現上的困難存在：前者需要大量的射頻參數，而且每個濾波器的調諧范圍必須預先設定；后者則對ADC和DSP的處理速率，以及存儲設備的容量有很高的要求。

壓縮感知是一種以低于奈奎斯特采樣速率獲取稀疏性信號的采樣方法，這一技術在頻譜感知領域也得到了廣泛的應用。由于目前固定頻率分配策略導致的低效頻譜利用率，大部分場景內SU探測到的信號在頻率域上只有部分頻段功率值很大，而其余的大部分頻段功率較低，即在頻域上是稀疏的，這種性質允許接收機對信號以低于奈奎斯特速率的欠采樣方式獲取采樣點，之后通過一定的信號重構算法恢復原始信號。在利用壓縮感知進行頻譜感知時，SU對寬帶信號進行壓縮采樣，并利用重構算法，將頻域稀疏的原始信號從壓縮采樣值中還原出來，并以此為基礎對信號進行判決，從而判斷觀測頻段是否被LU占用。這樣的方式雖然能有效降低采樣速率和存儲容量，但是當前的技術在重構模塊仍有挑戰：壓縮重構需要從少量的采樣點中求解出更多的數值，這相當于求解一個未知數遠多于方程數的欠定線性方程組?，F有的重構算法多是用迭代的方式求解一個凸優化問題，這種循環迭代的方式在采樣點數較多時計算復雜度很高，很難適應快速變化的頻譜環境。

在Signal?Processing,IEEE?Transactions,2012《Compressive?Sampling?for?PowerSpectrum?Estimation》一文中，作者Geert?Leus提出一種通過重構信號自相關向量的方式實現的信號功率譜重構方法。該方法在利用感知矩陣對原始的模擬信號進行欠采樣后，在重構端并不完全重構完整的原始信號，而是著眼于通過還原原始信號自相關向量這一信號統計特征的方式，來間接地重構原信號的功率譜。文章提出，對于寬平穩信號來說，其自相關矩陣是一個Toeplitz矩陣，這意味著這個自相關矩陣中的一列就已經包含了整個自相關矩陣的所有信息；同時，欠采樣序列并不是一個寬平穩的過程，因此其自相關矩陣不具有Toeplitz矩陣的性質。文章根據這一特點，利用欠采樣序列的自相關矩陣的所有列的信息，通過簡單的最小二乘法，估計出原始信號自相關矩陣的其中一列，即奈奎斯特采樣序列的自相關向量，并據此得到原始信號的功率譜估計。但是仍然存在一定的問題：在檢測帶寬非常大時，重構整個頻段的功率譜仍然會帶來計算開銷過大的問題，同時，功率譜的估計誤差在進行檢測時也會帶來檢測性能的損失。

發明內容

本發明針對上述現有基于功率譜重構的壓縮頻譜感知方法的不足，提出一種基于自相關矩陣重構的壓縮頻譜感知方法，以在不降低檢測概率的條件下，減小寬帶壓縮頻譜感知的計算開銷。

實現本發明的技術思路在于，利用欠采樣序列的自相關矩陣重構出奈奎斯特采樣序列的自相關向量，并根據以此得到奈奎斯特采樣的自相關矩陣的估計值，之后采用多信號分類MUSIC頻率估計算法，對整個頻段進行分析，判斷出各個被占用信道出現的位置。具體實現步驟包括如下：

（1）次級用戶對頻域稀疏的寬帶模擬信號進行壓縮采樣：

（1a）次級用戶利用數模轉換器ADC對模擬信號進行奈奎斯特采樣，得到N×1維采樣序列x[k]，其中k取正整數，N表示模擬信號頻段上的信道總數；