專利名稱：基于空時(shí)分集的多天線頻譜感知方案的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于認(rèn)知無(wú)線電通信技術(shù)領(lǐng)域的本地頻譜感知方法，具體涉及一種基于空 時(shí)分集的多天線頻譜感知方案的實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，在傳統(tǒng)的固定頻譜分配策略下，可用的無(wú)線頻譜 資源日益稀缺。然而，實(shí)際的頻譜測(cè)量表明，即便是在熱點(diǎn)區(qū)域，大部分已分配的無(wú)線頻譜 在大部分時(shí)間都處于閑置狀態(tài)。因此，導(dǎo)致無(wú)線頻譜資源稀缺的主要原因之一在于缺乏靈 活性的傳統(tǒng)頻譜分配策略。為了緩解無(wú)線頻譜資源稀缺問(wèn)題，就必須有效地提高無(wú)線頻譜 資源的利用率。認(rèn)知無(wú)線電是以提高無(wú)線頻譜資源利用率為目的無(wú)線電技術(shù)，其基本思想 在于，允許沒(méi)有頻譜使用許可的次級(jí)用戶在擁有頻譜使用許可的主用戶沒(méi)有使用其授權(quán)頻 段時(shí)伺機(jī)接入主用戶頻段。為了充分保護(hù)擁有頻譜使用權(quán)的主用戶的合法權(quán)益，未授權(quán)的次級(jí)用戶只能在主 用戶未使用其授權(quán)頻段時(shí)，才能接入該主用戶的頻段。因此，頻譜感知是認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵 技術(shù)之一。為了不對(duì)主用戶的正常通信造成有害干擾，并且提高潛在的頻譜利用率，次級(jí)用 戶必須有效且可靠地感知出未被主用戶占用的無(wú)線頻譜。一方面，次級(jí)用戶必須在盡可能 短的時(shí)間內(nèi)判定主用戶是否出現(xiàn)，因?yàn)楦兄獣r(shí)間越長(zhǎng)，可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間越短；另一方 面，感知判決結(jié)果必須可靠，因?yàn)樘搱?bào)會(huì)使?jié)撛诘念l譜利用率下降，而漏報(bào)會(huì)增加對(duì)主用戶 的干擾。但是，由于無(wú)線傳輸環(huán)境中的多徑衰落與陰影效應(yīng)，次級(jí)用戶觀測(cè)到的主用戶信號(hào) 可能非常微弱。在這種情況下，只有通過(guò)延長(zhǎng)感知時(shí)間來(lái)獲得可靠的感知結(jié)果。此外，隱藏 終端不能觀測(cè)到主用戶信號(hào)是否出現(xiàn)，因而可能對(duì)主用戶造成有害干擾。對(duì)于單節(jié)點(diǎn)本地 頻譜感知而言，噪聲功率的不確定性使得許多頻譜感知方案的性能急劇下降。協(xié)作頻譜感知可以有效地緩解多徑衰落與陰影效應(yīng)，隱藏終端，噪聲功率不確定 性等對(duì)頻譜感知結(jié)果的影響。協(xié)作頻譜感知的基本思想在于，處于不同地理位置的次級(jí)用 戶同時(shí)感知某一授權(quán)頻段，并根據(jù)一定的規(guī)則共享各自的頻譜感知結(jié)果。協(xié)作頻譜感知的 實(shí)質(zhì)是利用空間分集來(lái)提高頻譜感知的性能。但是，協(xié)作頻譜感知的性能受限于特定的物 理環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一方面，如果協(xié)作頻譜感知發(fā)起節(jié)點(diǎn)的信噪比高于協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信 噪比，協(xié)作不僅不能提高頻譜感知的性能，反而會(huì)增加次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。另一方面，如果網(wǎng) 絡(luò)中可以協(xié)作的次級(jí)用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)少，通過(guò)協(xié)作不能有效提高頻譜感知的性能。在實(shí)際中， 由于次級(jí)用戶沒(méi)有可用的授權(quán)頻譜，協(xié)作頻譜感知的建立過(guò)程十分困難。與此同時(shí)，各個(gè)協(xié) 作次級(jí)用戶感知數(shù)據(jù)的融合與分發(fā)需要一定的帶寬，并且該帶寬隨著協(xié)作用戶數(shù)的增加而 增加。當(dāng)然，購(gòu)買(mǎi)特定的頻段作為公共控制信道不失為一種解決方案，然而這脫離了認(rèn)知無(wú) 線電的初衷。因此，提高頻譜感知結(jié)果可靠性與潛在頻譜利用率的有效方法是提高單個(gè)節(jié) 點(diǎn)的本地頻譜感知性能。單個(gè)次級(jí)用戶的本地頻譜感知可以通過(guò)多種傳統(tǒng)的頻譜感知方案 來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然這些方案具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是也存在許多缺點(diǎn)。能量檢測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn) 方便，但是容易受噪聲功率不確定性的影響。循環(huán)平穩(wěn)特性檢測(cè)器不受噪聲功率不確定性的影響，然而需要先驗(yàn)已知的循環(huán)頻率，并且對(duì)循環(huán)頻率偏移十分敏感，其算法復(fù)雜度高， 檢測(cè)性能低。基于統(tǒng)計(jì)協(xié)方差的檢測(cè)方案以較高的復(fù)雜度克服了噪聲功率不確定性的影 響。最近，多天線與特征值分解被同時(shí)應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知中。多天線引入 了空間分集；而特征值分解則消除了多天線信號(hào)中的冗余信息。實(shí)際上，在Y.Hjeng與 Y. C. Liang等人提出的基于統(tǒng)計(jì)協(xié)方差的頻譜感知方案中已經(jīng)利用到了多天線。其中，過(guò)采 樣與多天線被認(rèn)為是等效的，并且使用一個(gè)難以確定的時(shí)間平滑因子來(lái)估計(jì)信號(hào)樣本協(xié)方 差矩陣。與此同時(shí)，基于統(tǒng)計(jì)協(xié)方差的頻譜感知方案的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量由信號(hào)樣本協(xié)方差矩陣 的元素構(gòu)成。A. Pandharipande等人分析了多天線頻譜感知的性能，他們所提出的基于最大 比合并的多天線頻譜感知方案需要主用戶發(fā)射臺(tái)與次級(jí)用戶接收機(jī)之間的信道增益信息。 這在實(shí)際中是很難實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橹饔脩襞c次級(jí)用戶之間沒(méi)有協(xié)作或者信息交互，次級(jí)用戶 無(wú)法估計(jì)自身與主用戶發(fā)射臺(tái)之間的信道信息。X. Chen等人從多天線信號(hào)頻譜相關(guān)函數(shù)中 提取出主用戶與次級(jí)用戶之間的頻域信道增益信息，并根據(jù)所提取的信道信息在頻域合并 多天線信號(hào)，從而獲得空間分集。Y. H. Zeng與Y. C. Liang等人隨后繼續(xù)提出了基于樣本協(xié) 方差矩陣特征值的多天線頻譜感知方案。雖然特征值分解有效地降低了多天線信號(hào)中的冗 余信息，但是在估計(jì)樣本協(xié)方差矩陣中引入的平滑因子在實(shí)際中很難確定。R. ^iang等人提 出了基于廣義似然比檢驗(yàn)(Generalized Likelihood Ratio Test, GLRT)的多天線頻譜感 知方案。雖然這種方案沒(méi)有使用時(shí)間平滑因子，但是這種方案并沒(méi)有考慮主用戶與次級(jí)用 戶之間的信道衰落，并且只利用了空間分集。P. Wang等人以及A. Taherpour等人同時(shí)從不 同角度推導(dǎo)出了基于GLRT的多天線頻譜感知方案，并且得到了類似的結(jié)果。與R. Zhang等 人所作的工作不同的是，P. Wang與A. Taherpour都考慮了主用戶與次級(jí)用戶之間的信道增 益，雖然實(shí)現(xiàn)這些感知方案不需要主用戶與次級(jí)用戶之間的信道信息。然而，在P. Wang與 A. Taherpour的工作中，多天線頻譜感知方案僅利用了多天線的空間分集。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)多天線頻譜感知方案的的缺點(diǎn)，為認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)提供一種基于空時(shí)分集的多天線頻譜感知方案的實(shí)現(xiàn)方法，該方法充分利用了多天線的 空間分集與時(shí)間分集，既不需要有關(guān)主用戶信號(hào)的先驗(yàn)信息，也不需要有關(guān)主用戶發(fā)射臺(tái) 與次級(jí)用戶接收機(jī)之間信道增益的信息，并且不受噪聲功率不確定性的影響。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)對(duì)每個(gè)次級(jí)用戶配備M副天線，在各副天線上進(jìn)過(guò)采樣，各幅天線采用相同的 基準(zhǔn)時(shí)鐘以及采樣速率fs/2對(duì)目標(biāo)信號(hào)
權(quán)利要求
1.基于空時(shí)分集的多天線頻譜感知方案的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于 1)對(duì)每個(gè)次級(jí)用戶配備M副天線，在各副天線上進(jìn)過(guò)采樣，各幅天線采用相同的基準(zhǔn) 時(shí)
全文摘要
基于空時(shí)分集的多天線頻譜感知方案的實(shí)現(xiàn)方法，在次級(jí)用戶的各副天線對(duì)目標(biāo)主用戶信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣；把采集到的信號(hào)樣本堆疊為信號(hào)樣本矩陣，并對(duì)信號(hào)樣本矩陣進(jìn)行抽取，獲得兩組信號(hào)樣本子矩陣；利用兩組信號(hào)樣本子矩陣估計(jì)基于空間分集的信號(hào)樣本協(xié)方差矩陣，以及基于時(shí)間分集的信號(hào)樣本協(xié)方差矩陣；然后，合并兩個(gè)信號(hào)樣本協(xié)方差矩陣，并對(duì)合并后得到的協(xié)方差矩陣實(shí)施特征值分解，得到一組特征值；根據(jù)這組特征值構(gòu)建檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，并判定主用戶信號(hào)是否出現(xiàn)。理論分析和仿真結(jié)果表明，本發(fā)明既不需要有關(guān)主用戶信號(hào)的先驗(yàn)信息，也不需要主用戶與次級(jí)用戶之間的信道信息，同時(shí)也不需要噪聲功率信息。能夠提高頻譜可用性信息的可靠性。
文檔編號(hào)H04B17/00GK102118199SQ201010590360
公開(kāi)日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者任品毅, 呂福順, 吳廣恩, 尹穩(wěn)山, 晏雙成, 王熠晨, 胡文權(quán), 馬瑞娟, 龔敏康 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)