一種適用于空天信息網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于空天信息網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備。本發(fā)明通過(guò)環(huán)境認(rèn)知技術(shù)，學(xué)習(xí)空天信息網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境信息，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)所有的子頻帶進(jìn)行檢測(cè)，估計(jì)并判斷被占用子頻帶的數(shù)目及位置，區(qū)分出空閑頻帶與繁忙頻帶。在不對(duì)已有通信造成干擾或者沖突的前提下，機(jī)會(huì)頻譜接入空閑信道為衛(wèi)星業(yè)務(wù)提供通信。與傳統(tǒng)的寬帶頻譜感知方法相比，本發(fā)明提供的方法特征為：同時(shí)檢測(cè)所有的廣播信道，可滿足衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的高實(shí)時(shí)性要求；采用盲的環(huán)境認(rèn)知方式，不需要正在通信信號(hào)的先驗(yàn)信息；對(duì)噪聲不確定性具有魯棒性，有效地抵抗其對(duì)系統(tǒng)性能的影響；最大化網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，提高業(yè)務(wù)質(zhì)量。
【專利說(shuō)明】一種適用于空天信息網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空天信息【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種適用于空天信息網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境認(rèn)知方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]國(guó)際電聯(lián)對(duì)衛(wèi)星廣播的頻段進(jìn)行了分配，劃分為L(zhǎng)、S、Ku、Ka、Q、E等波段。為了合理利用頻率資源，各個(gè)頻段支持的業(yè)務(wù)以及功率限制等也做出了統(tǒng)一規(guī)定。比如，用于衛(wèi)星電視的Ku波段頻率范圍11.7-12.2GHz，總帶寬500MHz，該波段被劃分為24個(gè)子頻道，衛(wèi)星電視接入這些頻道進(jìn)行通信。
[0003]隨著空天技術(shù)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)變得更加多樣化，對(duì)頻譜資源的需求也日益增加。然而，上述固定的頻譜分配機(jī)制卻大大浪費(fèi)了頻譜資源。在某個(gè)特定時(shí)隙，某些波段上擁擠了大量的衛(wèi)星業(yè)務(wù)，相反，其他波段卻處于比較空閑的狀態(tài)，少量業(yè)務(wù)零星地接入這些波段進(jìn)行通信。由于不同頻段支持的空天業(yè)務(wù)類型是由國(guó)際電聯(lián)提前規(guī)劃完成，而衛(wèi)星星群中突發(fā)的業(yè)務(wù)卻是不可預(yù)知的，因此，業(yè)務(wù)對(duì)頻譜需求的沖突也是不可避免的。如何自適應(yīng)地根據(jù)頻譜使用情況分配頻帶資源，避免沖突干擾的同時(shí)最大化頻譜效率成為了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中亟需解決的問(wèn)題。
[0004]空天信息網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)境認(rèn)知技術(shù)是指通過(guò)感知衛(wèi)星所處空間中的電磁環(huán)境信息，學(xué)習(xí)當(dāng)前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信道的使用狀況，在空閑的信道上傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，從而避開(kāi)存在強(qiáng)干擾和沖突的子帶，提聞業(yè)務(wù)質(zhì)量。
[0005]衛(wèi)星信道占據(jù)著寬的頻帶范圍，劃分為多個(gè)窄頻道供業(yè)務(wù)接入，因此，空天信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知是一個(gè)多頻帶的感知問(wèn)題。一種比較直接的思路是逐帶檢測(cè)，然而，當(dāng)子帶數(shù)很多時(shí)，這會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，不適合于實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)。另一種方法則是同時(shí)檢測(cè)所有的信道，確定繁忙頻道的數(shù)目及位置，接入余下的空閑信道進(jìn)行通信。注意到空天信息網(wǎng)絡(luò)中熱噪聲往往是時(shí)變的，具有隨機(jī)性和溫度敏感性，無(wú)法得到噪聲功率的精確估計(jì)，因此，基于噪聲方差的檢測(cè)方法將會(huì)極大地惡化系統(tǒng)性能。同時(shí)，空天信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境感知時(shí)沒(méi)有正在通信信號(hào)的先驗(yàn)信息，屬于盲的認(rèn)知方式。
[0006]基于以上問(wèn)題，本發(fā)明提出一種適用于空天信息網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備，該技術(shù)及設(shè)備通過(guò)盲的環(huán)境認(rèn)知，有效地抵抗噪聲不確定度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。同時(shí)，該技術(shù)及設(shè)備最大化系統(tǒng)的頻譜效率，提高業(yè)務(wù)質(zhì)量，可適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]該方法通過(guò)環(huán)境認(rèn)知技術(shù)，學(xué)習(xí)空天信息網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境信息，首先估計(jì)出寬帶衛(wèi)星信道中被占用子信道的個(gè)數(shù)，然后判斷被占用信道的位置，區(qū)分出空閑信道與被占用信道，在不對(duì)已有通信造成干擾或者沖突的前提下，機(jī)會(huì)頻譜接入空閑信道為衛(wèi)星業(yè)務(wù)提供通信。
[0008]本發(fā)明提供了一種適用于空天信息網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境認(rèn)知方法及裝置，其特征在于該方法及裝置不依賴于熱噪聲的先驗(yàn)信息，對(duì)噪聲不確定性具有魯棒性，最大化系統(tǒng)頻譜效率的同時(shí)提高業(yè)務(wù)質(zhì)量，可滿足衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的需求。該方法需滿足衛(wèi)星接收端多天線數(shù)大于被占用子信道數(shù)的前提條件，主要包括以下步驟:
[0009]步驟一:構(gòu)造二元假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。衛(wèi)星頻道是否空閑可以表征為該頻道上是否接入了衛(wèi)星業(yè)務(wù)，即判斷信號(hào)的“有”與“無(wú)”。
[0010]步驟二:計(jì)算衛(wèi)星多天線接收端的采樣協(xié)方差矩陣。注意，采樣協(xié)方差矩陣不等同于統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣，它是用接收信號(hào)的有限次采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樾侨壕W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境感知時(shí)，不可能執(zhí)行理想的無(wú)限次采樣。只有當(dāng)采樣數(shù)趨于無(wú)窮時(shí)，統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣才可以用采樣協(xié)方差矩陣來(lái)近似。
[0011]步驟三:采樣協(xié)方差矩陣的特征值分解并降序排列。根據(jù)步驟二得到的采樣協(xié)方差矩陣,執(zhí)行特征值分解,并按由大到小的順序降序排列。
[0012]步驟四:估計(jì)被占用信道的個(gè)數(shù)。根據(jù)Hannan-Quinn準(zhǔn)則，尋找其最小值，確定被占用頻帶的個(gè)數(shù)。
[0013]步驟五:區(qū)分空閑頻道與被占用頻道。注意到，正在提供業(yè)務(wù)的頻道上重疊了信號(hào)與噪聲，而空閑信道上則只有熱噪聲存在。因此，繁忙信道的功率將會(huì)大于空閑信道。如果我們對(duì)各子頻帶的功率按降序排列，并假設(shè)步驟四中估計(jì)出的被占用頻帶數(shù)為尤，則前Z個(gè)信道將為被占用頻帶，后面的信道為空閑信道，可以為星群網(wǎng)絡(luò)提供業(yè)務(wù)。
[0014]所述步驟一的二元假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢员碚鳛?br> [0015]H0: Xk (η) = ε k(n)
[0016]H1: xk (η) = hksk (η) + ε k (η)
[0017]其中，Htl表示該子頻道處于空閑狀態(tài)，H1表示已被業(yè)務(wù)接入占用，xk(η)是衛(wèi)星接收端收到的信號(hào)，ek(n)表示背景熱噪聲，sk(η)是衛(wèi)星業(yè)務(wù)的發(fā)射信號(hào)，hk代表信道增益。二元假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ图匆贖tl和H1中做出判決。
[0018]所述步驟二的采樣協(xié)方差矩陣包括以下操作:
[0019]衛(wèi)星多天線接收端由M個(gè)均勻線性陣列組成，各陣列之間相鄰半波長(zhǎng)的距離，一起協(xié)作感知遠(yuǎn)場(chǎng)的多頻帶信道。多天線接收端的接收信號(hào)可以表示為
【權(quán)利要求】
1.一種適用于空天信息網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備,其特征在于: 首先估計(jì)衛(wèi)星系統(tǒng)中處于繁忙狀態(tài)的子頻帶數(shù)目尤然后確定被占用子信道的位置，區(qū)分空閑頻道與繁忙頻道； 衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境認(rèn)知的步驟為，第一步，構(gòu)造二元假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停坏诙?，根?jù)衛(wèi)星多天線接收端的接收信號(hào)來(lái)計(jì)算采樣協(xié)方差矩陣；第三步，采樣協(xié)方差矩陣的特征值分解；第四步，基于Hannan-Quinn準(zhǔn)則估計(jì)被占用信道的個(gè)數(shù)；第五步，根據(jù)各頻帶的接收功率大小，區(qū)分空閑與繁忙信道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空天信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備，其特征在于，二元假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ图丛趦蓚€(gè)假設(shè)檢驗(yàn)Htl和H1中作出判決，判斷子頻帶處于空閑狀態(tài)Htl或繁忙狀態(tài)H10
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空天信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備，其特征在于，采樣協(xié)方差矩陣通過(guò)?,.=去i>(")計(jì)算，其中N代表采樣數(shù)，r(n)表示接收信號(hào)向量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空天信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備，其特征在于，對(duì)采樣協(xié)方差矩陣4做特征值分解，得到一組按降序排列的特征值4 a 1: …> Iz ;> / >…> iM，其中，M表示接收端天線陣元的數(shù)目。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空天信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備，其特征在于，被占用頻帶數(shù)目的估計(jì)方法為:1 = agmi,n 。其中，HQj為Hannan-Quinn準(zhǔn)則判決函數(shù)，ai^gniin表
/=?,1,-..,Λ?—I JJ示使判決函數(shù)HQj值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的j。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空天信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備，其特征在于，Hannan-Quinn準(zhǔn)則是一種信息論準(zhǔn)則，最早被提出來(lái)解決模型階數(shù)的估計(jì)問(wèn)題，而后又應(yīng)用于檢測(cè)信號(hào)源的數(shù)目，本發(fā)明將其用來(lái)在采樣數(shù)有限時(shí)檢測(cè)噪聲功率的重?cái)?shù)。Hannan-Quinn準(zhǔn)則為HQj = (?\ (j)-f2 (j)) N+f3 (j),式中
}_ Λ.M-1I/i(j') = (M-1')ln^ /2(7')=Σ?ηΛ , /,(./)二^/(2M-y)lnln]V。
iVl — Ji=jZ
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7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空天信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)知技術(shù)及設(shè)備，其特征在于，各子信道的接收功率為其值最大的f個(gè)對(duì)應(yīng)的子信道被占用，其余的處于空閑狀態(tài)，可以為空天信息網(wǎng)絡(luò)提供業(yè)務(wù)。
【文檔編號(hào)】H04B7/185GK103532649SQ201310496982
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】謝剛, 卿浩博, 劉元安, 郭曦拓, 劉凱明, 劉芳 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)