本發(fā)明涉及通信，更具體的，涉及一種基于非圓信號空間譜的頻譜感知方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著無線通信業(yè)務(wù)的快速增長，無線通信對更高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求不斷增長，占用的頻譜資源越來越多。然而，傳統(tǒng)的頻譜分配策略是靜態(tài)的，頻譜利用率較低。為了提高頻譜利用率，joseph?mitola提出了認知無線電技術(shù)。在認知無線電中，次用戶可以在主用戶空閑時機會性地利用主用戶的授權(quán)頻譜進行數(shù)據(jù)傳輸，這能夠有效地提高頻譜利用率。頻譜感知是認知無線電的關(guān)鍵技術(shù)之一，它主要負責檢測是否存在頻譜空穴即主用戶是否正在占用授權(quán)頻譜。

2、經(jīng)典的頻譜感知方法主要包括能量檢測(energy?detection,ed)、協(xié)方差絕對值檢測(covariance?absolute?value,cav)和基于特征值最大值-算術(shù)平均值-幾何平均值的α融合頻譜感知算法(α-combinatorial?spectrum?sensing?algorithm?based?on?themaximum,arithmetic?mean?and?geometric?mean?of?the?eigenvalues,α-me-am-gm)等。上述方法都是利用接收信號時域特征或頻域特征實現(xiàn)檢測，而忽視了接收信號的空域特征。

3、目前，已經(jīng)有學者提出了多種在空域利用接收信號的空間譜特征來檢測頻譜空穴的頻譜感知算法，比如基于中心對稱的特征檢測(central-symmetry-based?feature,csfd)、最大-最小延遲相加譜之比檢測(maximum-minimum?delay-sum?ratio,mmds)、基于疊加空間譜的檢測器等。然而，上述方法只使用了接收信號的標準協(xié)方差信息，而忽略了信號可能存在的非圓統(tǒng)計特征。非圓信號在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中很常見，比如二進制相移鍵控信號、m進制幅移鍵控信號、脈沖幅度調(diào)制信號等。這些非圓信號不僅包含標準協(xié)方差信息，還包含額外的互補協(xié)方差信息。非圓信號的互補協(xié)方差信息可用于改進信號空間譜，從而進一步提高基于空間譜的頻譜感知方法的性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于非圓信號空間譜的頻譜感知方法，通過充分利用非圓信號的互補協(xié)方差信息有效地提高了頻譜感知的性能。

2、為實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種基于非圓信號空間譜的頻譜感知方法即最大-最小非圓信號空間譜檢測(maximum-minimum?spatial?spectrum?of?the?nc?signals,nc-mmss)，如圖1所示，包括以下步驟：

4、s1：m陣元均勻線陣獲取接收數(shù)據(jù)；

5、s2：對均勻線陣的接收數(shù)據(jù)取共軛并與原始數(shù)據(jù)合并，得到擴展的接收數(shù)據(jù)；

6、s3：根據(jù)擴展的接收數(shù)據(jù)，計算樣本協(xié)方差矩陣；

7、s4：根據(jù)樣本協(xié)方差矩陣，計算非圓信號空間譜；

8、s5：利用非圓信號空間譜構(gòu)造檢驗統(tǒng)計量t，并求解閾值γ；

9、s6：若t>γ，判決主用戶信號存在且輸出估計的信號來向角若t≤γ，判決主用戶信號不存在。

10、優(yōu)選地，步驟s1中m陣元均勻線陣的陣元間距為d，并設(shè)置d為主用戶信號的半波長，具體為：

11、d＝λ/2

12、式中，λ為主用戶信號的波長。

13、優(yōu)選地，步驟s1中所述的接收數(shù)據(jù)具體為：

14、

15、式中，x(k)＝[x1(k),x2(k),…,xm(k)]t為均勻線陣的接收數(shù)據(jù)，其標準協(xié)方差矩陣為rx＝e[x(k)xh(k)]，互補協(xié)方差矩陣為cx＝e[x(k)xt(k)]，x1(k),x2(k),…,xm(k)分別表示第1個陣元到第m個陣元的第k個接收數(shù)據(jù)。n(k)＝[n1(k),n2(k),…,nm(k)]t為圓對稱復(fù)高斯白噪聲向量。s(k)為主用戶信號，其為嚴格非圓信號。k為接收數(shù)據(jù)的采樣總數(shù)，h為信道衰減系數(shù)。h0表示主用戶信號不存在的情況，h1表示主用戶信號存在的情況。表示導(dǎo)向矢量，θ0為主用戶信號來向角。

16、優(yōu)選地，步驟s2中所述的擴展的接收數(shù)據(jù)具體為：

17、y(k)＝[xt(k),xh(k)]t

18、式中，y(k)為擴展的接收數(shù)據(jù)。

19、優(yōu)選地，步驟s3中根據(jù)擴展的接收數(shù)據(jù)計算樣本協(xié)方差矩陣，具體為：

20、

21、式中，為擴展的接收數(shù)據(jù)的樣本協(xié)方差矩陣，它包含接收數(shù)據(jù)x(k)的標準協(xié)方差信息和互補協(xié)方差信息。

22、優(yōu)選地，步驟s4中非圓信號空間譜具體為：

23、

24、式中，表示非圓信號空間譜，為擴展的導(dǎo)向矢量，其表達式為：

25、

26、式中，為導(dǎo)向矢量。將角度搜索區(qū)域定義為兩個維度的搜索角度數(shù)目分別為i和j。與常規(guī)波束形成(conventional?beamforming,cbf)算法得到的空間譜pcbf(θi)＝ah(θi)rxa(θi)相比，利用非圓信號的互補協(xié)方差信息改進后的非圓信號空間譜在主用戶信號來向角方向上的信噪比提高了3db，這有利于從噪聲中檢測出主用戶信號。

27、優(yōu)選地，步驟s5中利用非圓信號空間譜構(gòu)造檢驗統(tǒng)計量，具體為：

28、

29、式中，t為檢驗統(tǒng)計量。

30、優(yōu)選地，步驟s5中的閾值γ的求解方法具體為：

31、在h0情況即只存在噪聲的情況下，由rayleigh?ritz定理可得其中表示擴展的接收數(shù)據(jù)的樣本協(xié)方差矩陣的最大特征值；當采樣數(shù)目k足夠大時，趨近于其中表示噪聲功率。因此，當采樣數(shù)目k足夠大時，可以認為則虛警概率在認知無線電系統(tǒng)中，通常要求虛警概率的實際值小于等于其理論值。因此，我們可以將視為虛警概率的近似值。在h0情況下，是wishart隨機矩陣，根據(jù)其最大特征值的漸進分布為2階的tracy-wisdom分布。因此，虛警概率pfa的理論表達式可近似為：

32、

33、式中，f2(·)為tracy-wisdom2階分布的累積分布函數(shù)。通過預(yù)先設(shè)定的虛警概率pfa來得出閾值γ的表達式為：

34、

35、式中，為tracy-wisdom2階分布的累積分布函數(shù)的反函數(shù)。

36、優(yōu)選地，步驟s6中當判斷主用戶信號存在時，輸出的信號來向角估計值為：

37、

38、式中，為主用戶信號來向角估計值。

39、優(yōu)選地，步驟s1～s6中提出的基于非圓信號空間譜的頻譜感知方法，其檢測概率pd的理論表達式可近似為：

40、

41、式中，為參數(shù)為2mk的卡方分布的累積分布函數(shù)，為主用戶信號s(k)功率的估計值。

42、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

43、本發(fā)明提出了一種基于非圓信號空間譜的頻譜感知方法，即最大-最小非圓信號空間譜檢測(nc-mmss)。首先，利用非圓信號的互補協(xié)方差信息對信號空間譜進行改進，得到了非圓信號空間譜，這有利于從噪聲中檢測出主用戶信號。然后將檢驗統(tǒng)計量設(shè)置為非圓信號空間頻譜的最大值與最小值之比，并與設(shè)定的閾值進行比較得出判決結(jié)果，若判斷主用戶信號存在，則還需輸出主用戶信號來向角的估計值。與現(xiàn)有的協(xié)方差絕對值檢測(cav)、基于中心對稱的特征檢測(csfd)、最大-最小延遲相加譜之比檢測(mmds)、基于疊加空間譜的檢測器等方法相比，本發(fā)明所提方法具有更好的檢測性能，且可以為頻譜接入提供更準確的來向角信息。