[發(fā)明專利]一種基于協(xié)方差矩陣的長短期記憶協(xié)作頻譜感知方法

有效

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• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112787736B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設計）人: 包建榮;師浩東;劉超;姜斌;吳俊;唐向宏;邱雨
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H04B17/382
• 分類號: H04B17/382;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發(fā)明涉及一種基于協(xié)方差矩陣的長短期記憶協(xié)作頻譜感知方法，包括以：系統(tǒng)包含1個主用戶，L個次用戶；當主用戶PU通信未被干擾時，第i個次用戶SU_i對PU信號檢測，得到連續(xù)時間序列；對連續(xù)時間序列執(zhí)行次用戶感知信號檢測，得到主信號協(xié)方差矩陣；將主信號協(xié)方差矩陣作為輸入，執(zhí)行信號樣本標注，標記為0或1的標簽集，分別代表PU存在或不存在頻譜空穴；將第i個次用戶SU_i的樣本標簽集作為輸入，執(zhí)行LSTM網絡訓練，得到樣本的特征序列；將樣本的特征序列作為輸入，執(zhí)行全連接層與Softmax層聯(lián)合處理，得到每個次用戶的P_iH0。本發(fā)明充分利用接收信號樣本，無需構造不穩(wěn)定參數(shù)，提高認知無線電中PU信號檢測性能。

技術領域

本發(fā)明屬于數(shù)字通信技術領域，具體涉及一種基于協(xié)方差矩陣的長短期記憶協(xié)作頻譜感知方法。

背景技術

隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，以及相關業(yè)務的不斷豐富，人們對頻譜資源的需求不斷增長，因此造成了頻譜資源短缺的現(xiàn)象，然而國內外的頻譜監(jiān)測顯示，很多傳輸條件較好的黃金頻段的頻譜利用率非常低，因此認知無線電技術油然而生，并且引起了國內外各研究者的極大興趣，而在認知無線電技術中，頻譜感知技術是必需前提，在認知無線系統(tǒng)中，次用戶SU通過實時監(jiān)測尋找頻譜空穴，為此，要求二級用戶頻繁地頻譜感知，即檢測主用戶的存在。如果檢測到主要用戶處于非活動狀態(tài)，則次要用戶可以使用頻譜通信。另一方面，每當主用戶活躍時，次要用戶必須以高概率檢測到這些用戶的存在，并在一定時間內清空信道，利用主用戶PU沒有使用的頻段通信，前提是次用戶不能干擾主用戶的通信，所以當次用戶感知到主用戶的信號時，必須迅速退出進而將頻譜還給主用戶，在整個過程中迅速檢測頻譜空穴的過程就是頻譜感知。

傳統(tǒng)的頻譜分配是靜態(tài)的，所以頻譜利用率非常低，頻譜資源變得越來越少，無線通信的發(fā)展到了一定的瓶頸期。隨著認知無線電技術的出現(xiàn)，次用戶能動態(tài)接入未被主用戶占用的頻段，使頻譜資源得到了充分的利用。頻譜感知作為認知無線電技術的前提，具有非常重要的作用，目前的頻譜感知技術主要有：能量檢測、匹配濾波檢測、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測和多用戶協(xié)作檢測等，循環(huán)平穩(wěn)特征檢測需要知道PU的循環(huán)頻率，匹配濾波檢測需知道PU的波形和信道。相比之下能量檢測實現(xiàn)起來比較簡單，所以受到大多數(shù)的廣泛研究，能量檢測不需要檢測信號的任何信息，對未知的色散信道具有魯棒性。然而，能量檢測依賴于準確的噪聲功率的知識，而對噪聲功率的不準確估計會導致信噪比墻和高誤報概率。因此能量檢測容易受到噪聲不確定性的影響。最后，雖然能量檢測對于檢測獨立和同分布(iid)信號是最優(yōu)的，但對于檢測相關信號則不是最佳的，這是大多數(shù)實際應用的情況，單用戶檢測由于信號實際傳輸過程中會產生陰影衰落、多徑衰落等問題，難以達到實際要求，因此通過協(xié)方差矩陣與LSTM頻譜感知方法應運而生，本發(fā)明充分利用了接收信號樣本本身，且不需構造其它向量及判決門限等不穩(wěn)定數(shù)值，能顯著提高信號檢測性能。

本發(fā)明設計的一些背景技術如下：

1、協(xié)方差矩陣的計算

當次用戶SU_i(i＝1,2,…，L)接收到PU的信號后，對信號采樣，采樣點數(shù)為N，經L個連續(xù)信號抽樣后，可表示為L×N維的矩陣。此時，采樣矩陣R_k可以表示為：

此時，信號的采樣協(xié)方差可以表示為：

當N值比較大的時候，該矩陣可近似表示為：

2、LSTM網絡訓練方法

LSTM網絡單元結構非常復雜，它專門設計了記憶單元用來保存歷史數(shù)據(jù)。其中，輸入門、遺忘門以及輸出門，控制著歷史數(shù)據(jù)的使用及更新，且該單元結構由以下參數(shù)i_t,o_t,f_t,g_t,s_t,h_t組成，且各自表達式為：