[發明專利]一種基于隨機矩陣的認知無線電頻譜感知方法

有效

• 申請號: 201410293452.3
• 申請日: 2014-06-25
• 公開（公告）號: CN104038944B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 高玉龍;李然;陳艷平;劉佳鑫;馬永奎;朱尤祥
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H04W16/14
• 分類號: H04W16/14
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及認知無線電頻譜感知技術。

背景技術

1.頻譜感知

就目前來看，頻譜固定的分配方式導致正在使用的所有頻段的使用效率低下。也就是說，在主用戶并沒有使用其所占有的頻段時，認知用戶也不能使用這個空閑的頻段，這樣一來使得頻譜使用不合理，不充分。另一方面，不斷增長的無線業務對無線頻譜的需求日益增長，導致可用頻譜資源更加緊缺。面對頻譜危機，出現了“認知無線電”技術，它可以實現閑置頻譜的充分利用。

認知無線電的基本思想是頻譜復用和頻譜共享，它允許認知用戶在保證不影響主用戶使用其頻段的前提下利用主用戶的空閑頻段進行通信。要達到這一目的，認知用戶就要不斷地檢測主用戶信號是否正在使用其所占頻段，這就是頻譜感知。若檢測到主用戶存在，那么認知用戶就不能使用該頻段進行通信，相反則可以進行通信。

頻譜感知的要求是檢測要準確，包括兩個方面：

(1)主用戶信號存在時一定要檢測出來，即不能影響主用戶的正常使用，這也是最重要的；

(2)主用戶信號不存在時要盡量檢測到，這樣可以盡可能充分地利用頻譜資源，但它相比(1)顯得沒有那么緊迫。

如果上述中(1)做得不好，后果就是影響主用戶的正常使用，這是萬萬不可的；如果上述中(2)做得不好，那么頻譜就沒有得到充分的利用，也就失去了頻譜感知的意義，頻譜資源緊張的問題就無法很好的解決，所以頻譜感知對主用戶信號的檢測的“準確”二字體現在以上兩個方面。這兩個方面，相應地對應著兩種錯誤(虛警和漏警)，進而對應兩種錯誤概率(虛警概率和漏警概率)。

漏警：主用戶信號存在，即主用戶正在使用其所占頻段，但認知用戶進行頻譜感知時沒有檢測到主用戶信號的存在，因而認知用戶利用此頻段，與主用戶發生沖突，影響主用戶的使用，對應上述的1)。

虛警：主用戶信號不存在，即沒有使用其所占頻段，但認知用戶進行頻譜感知時檢測到主用戶信號存在，因而無法利用此頻段，使得此頻段空閑，對應上述的2)。

對于不同的通信系統，對漏警概率和虛警概率的要求是不同的。就這兩種錯誤來看，漏警在頻譜感知中造成的后果比虛警要嚴重，因為它直接影響了主用戶對于其占有頻段的使用，違背了最根本的原則。而虛警只不過是有空閑的頻段但卻沒能利用，相比前者沒有什么嚴重的后果。因此，應該更加注重降低漏警概率，也就是努力提高檢測概率(漏警概率+檢測概率＝1)，這也是衡量頻譜感知算法的優劣性的一個最重要的評價指標。本發明意在尋找一種使檢測概率盡量高而錯誤概率(包括虛警和漏警)盡量低的檢測算法，以實現頻譜資源的充分利用。

認知無線電是從根本上提高無線通信的頻譜效率、功率效率、系統容量的技術手段，能滿足未來高速高質量信息服務對寬帶無線通信的需求，是實現通信系統具有可擴展、可重構功能的技術之一。頻譜感知技術是認知無線電的基礎和核心,而隨機矩陣理論是一套完備的、有說服力的理論體系，它描述了各個類型的矩陣在特定的條件下具有的特點與性能。同時，要進行感知的信號可以用矩陣的形式來表示，這樣就建立起了頻譜感知與隨機矩陣理論之間的聯系，這樣可以更加清晰直觀地對感知信號進行分析處理，以便更好地進行頻譜感知。

2.隨機矩陣理論

頻譜感知技術在近幾年始終是國際上的研究熱點，而已有的檢測算法大致分為以下三類：

1)常規檢測法：它需要事先知道信號和噪聲的功率信息。如：似然比檢測法，匹配濾波檢測法,循環平穩檢測法等。

2)半盲檢測法：它只需要事先知道噪聲的功率信息。如：能量檢測,基于小波的檢測等。

3)盲檢測法：它不需要事先知道信號和噪聲的功率信息。如：基于協方差的感知,盲組合能量檢測,基于特征值的感知等。

上述算法各有優缺點和適用條件，但它們共同存在一個問題：在低信噪比條件下(如低于-20dB)，檢測性能遠不能滿足實際應用的需要。為了探索低信噪比條件下具備高性能且真正切實可行的頻譜感知新方法，慢慢地出現了一種新的思想，它就是隨機矩陣理論。

隨機矩陣理論原本是一種處理大維數據的有效方法，在數字通信、核物理以及金融數學等領域均有廣泛的應用。眾所周知，當前的一個客觀事實是，各行各業的科技人員都不得不面對日益龐大的數據。過去人們常常采用降維的方法，但這樣做會喪失包含在原始數據里的很多信息。隨機矩陣理論則不同，如果數據滿足隨機矩陣漸近收斂的條件，其收斂率可以將人們關心的數據特性完整地保留下來。