[發(fā)明專利]基于多窗譜估計(jì)的寬頻段頻譜感知方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410386363.3
• 申請(qǐng)日: 2014-08-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104104459A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉玉濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所
• 主分類號(hào): H04B17/00
• 分類號(hào): H04B17/00
• 代理公司: 河北東尚律師事務(wù)所 13124
• 代理人: 王文慶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于認(rèn)知無(wú)線電的通信設(shè)備中開(kāi)機(jī)階段的頻譜感知、功率譜密度分析、信道匹配策略、信道估計(jì)以及通信信道和備用信道的選擇，特別適用于復(fù)雜電磁環(huán)境與地理環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)通信設(shè)備的智能化，目的是實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備開(kāi)機(jī)后通信網(wǎng)絡(luò)的自主、快速建立，各通信鏈路通信頻率、傳輸速率等傳輸參數(shù)的確定。

背景技術(shù)

無(wú)線通信飛速發(fā)展，其顯著特點(diǎn)可以描述為無(wú)線電新業(yè)務(wù)的高速增長(zhǎng)和用戶需求的不斷增加。如何提升頻譜利用率以滿足用戶的帶寬需求；如何使無(wú)線電智能化以致能夠靈活的使用無(wú)線資源獲取信息服務(wù)；如何有效地從環(huán)境中獲取信息、進(jìn)行學(xué)習(xí)以及做出決策，所有這些都是無(wú)線通信技術(shù)面臨的重大挑戰(zhàn)。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)由于能夠充分、高效的利用有限的頻譜資源，逐漸成為業(yè)界和各頻譜管理機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。基于認(rèn)知無(wú)線電的無(wú)線通信設(shè)備可以完成認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜感知與信道認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)通信信道與備用信道的智能選擇，進(jìn)而完成傳輸參數(shù)的初始化。

認(rèn)知無(wú)線電得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要前提是具有無(wú)線環(huán)境感知能力，以及監(jiān)控有用模型、用戶需求和后續(xù)變化的能力，因此，必須在可使用的全頻段范圍內(nèi)多維度進(jìn)行頻譜檢測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)可使用的頻段。頻譜感知過(guò)程不同于一般的通信接收機(jī)的信號(hào)接收過(guò)程，它不需要準(zhǔn)確復(fù)原所收到的信號(hào)信息，只需檢測(cè)某個(gè)頻段在某一地理區(qū)域，某一時(shí)間段上是否有信號(hào)存在。所以它的信號(hào)處理過(guò)程應(yīng)該要比普通的通信接收機(jī)簡(jiǎn)單，但從另一方面看，由于它不是針對(duì)具體的通信系統(tǒng)信號(hào)的感知，只是要求所檢測(cè)授權(quán)頻段的頻譜占用信息，亦即頻譜感知的通用性和適用性要強(qiáng)。

在傳統(tǒng)的非參數(shù)頻譜感知理論中，核心問(wèn)題是估計(jì)偏差與方差之間的矛盾，這主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)時(shí)間序列的功率譜估計(jì)由于旁瓣泄露現(xiàn)象而導(dǎo)致了估計(jì)偏差的產(chǎn)生，這可以通過(guò)加窗來(lái)減輕；(2)加窗的代價(jià)是譜估計(jì)方差的增加，這是由于有效樣本數(shù)目的減少而導(dǎo)致的信息的丟失。

為了解決由于加窗而導(dǎo)致的有效信息的丟失，可以采用多重正交窗。在這種方法中，記錄的數(shù)據(jù)不需要分段，并且應(yīng)用了一些不同的窗。每一個(gè)窗都應(yīng)用于整個(gè)記錄數(shù)據(jù)并采用快速傅立葉變換計(jì)算周期圖，最后對(duì)周期圖平均得到相應(yīng)的譜估計(jì)。特別地，這種方法選用Slepian序列作為窗對(duì)在固定帶寬(f-ω,f+ω)內(nèi)的時(shí)間序列進(jìn)行線性展開(kāi)。Slepian序列的顯著特性就是在有限樣本數(shù)目下其傅立葉變換的最大能量密度集中于帶寬(f-ω,f+ω)內(nèi)，即Stepian序列在有限采樣點(diǎn)時(shí)的傅氏變換具有極佳的能量集中特性。這種特性允許折中選取譜分辨率來(lái)改善譜特性，使得在降低譜估計(jì)的方差時(shí)不影響估計(jì)偏差。換言之，傳統(tǒng)的估計(jì)偏差與方差之間的矛盾變?yōu)榱斯烙?jì)偏差與頻譜分辨率之間的矛盾。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多窗譜估計(jì)的寬頻段頻譜感知方法，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)設(shè)備和終端設(shè)備開(kāi)機(jī)階段全頻段頻譜的多次采樣與功率譜密度分析、節(jié)點(diǎn)設(shè)備和終端設(shè)備間的信道估計(jì)、通信信道以及備用信道的選取。寬頻段范圍內(nèi)的頻譜感知由于受到感知精度和硬件資源的限制，難以通過(guò)單次采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)功率譜密度的估計(jì)。通過(guò)設(shè)置射頻前端諧波濾波器組，周期性的切換諧波濾波器和本振頻率，實(shí)現(xiàn)全頻段的功率譜密度估計(jì)；通過(guò)多次采樣與功率譜密度分析，可以還原逼近實(shí)際的頻譜信息，并有效的檢測(cè)周期性突發(fā)信號(hào)；通過(guò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的信息處理實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備間、節(jié)點(diǎn)設(shè)備與終端設(shè)備間的信道匹配；通過(guò)信道估計(jì)后選擇的通信信道以及信道匹配的結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)備用信道的選擇。本發(fā)明完成了通信設(shè)備開(kāi)機(jī)后的精確頻譜感知：節(jié)點(diǎn)設(shè)備和終端設(shè)備開(kāi)機(jī)精確頻譜感知階段留有較長(zhǎng)的感知時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)全頻段頻譜的多次采樣與功率譜密度分析、節(jié)點(diǎn)設(shè)備和終端設(shè)備間的信道估計(jì)、通信信道以及備用信道的選取。

本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)基于多窗譜估計(jì)的寬頻段頻譜感知，包括開(kāi)機(jī)階段的頻譜感知、功率譜密度分析、信道匹配策略、信道估計(jì)以及通信信道和備用信道的選擇。本發(fā)明完全解決了基于認(rèn)知無(wú)線電的無(wú)線通信設(shè)備開(kāi)機(jī)階段的頻譜感知與功率譜密度分析、通信信道以及備用信道的選擇問(wèn)題，為解決無(wú)線通信設(shè)備的高可靠性和高適應(yīng)性提供了一種可行的途徑。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

基于多窗譜估計(jì)的寬頻段頻譜感知方法，通過(guò)頻譜感知獲得無(wú)線頻譜的環(huán)境噪聲基底信息，通過(guò)功率譜密度分析對(duì)無(wú)線信道進(jìn)行排序，通過(guò)信道匹配策略得到全網(wǎng)匹配的相對(duì)“干凈”的信道，其特征在于包括步驟如下：

(1)通信設(shè)備開(kāi)機(jī)，判斷設(shè)備類型為節(jié)點(diǎn)設(shè)備，還是終端設(shè)備，如果是節(jié)點(diǎn)設(shè)備，則開(kāi)始對(duì)所有終端設(shè)備進(jìn)行輪詢接入；如果是終端設(shè)備，則開(kāi)始等待節(jié)點(diǎn)設(shè)備的輪詢接入信息，收到輪詢接入信息后進(jìn)行回復(fù)完成接入，然后等待節(jié)點(diǎn)設(shè)備的開(kāi)始感知信令；