一種基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線電通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜 感知方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)頻譜感知方法包括能量檢測感知、匹配濾波感知和循環(huán)平穩(wěn)特 征感知，中國國內(nèi)外的科技文獻(xiàn)和專利文獻(xiàn)中介紹的頻譜感知方法屬于上述幾類。隨著寬 帶無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，無線通信系統(tǒng)工作于更高更寬的頻段上，感知設(shè)備必須具有寬帶 頻譜檢測能力，帶寬可能高至吉赫茲。傳統(tǒng)方法不具備寬帶頻譜范圍上的感知能力，檢測頻 帶越寬，所需的采樣速率和處理速度越高，硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度和成本也越大，限制了頻譜 感知技術(shù)的應(yīng)用。近年來，人們基于寬帶無線信號頻譜固有稀疏性的考慮，將壓縮采樣理論 (Compressed Sensing Theory)思想引入到頻譜感知領(lǐng)域，以遠(yuǎn)低于奈奎斯特速率的速率 對信號進(jìn)行欠采樣，再利用重構(gòu)算法恢復(fù)原始信號。Z. Tian在國際會議ICASSP 2007上發(fā) 表了《Compressed Sensing for Wideband Cognitive Radios》，首次米用壓縮感知技術(shù)進(jìn) 行寬帶頻譜感知；西安電子科技大學(xué)提出《基于自相關(guān)矩陣重構(gòu)的壓縮頻譜感知方法》的發(fā) 明專利，利用自相關(guān)矩陣特性實(shí)現(xiàn)快速、低復(fù)雜度的頻譜感知。壓縮頻譜感知方法有效解決 了難以在寬帶頻譜上進(jìn)行感知的問題，但仍存在感知效率不高、對環(huán)境適應(yīng)性不強(qiáng)、感知頻 譜范圍與感知分辨率、算法復(fù)雜度相矛盾的缺點(diǎn)。
[0003] 為解決感知效率和對環(huán)境適應(yīng)性的問題，Y. Wang在2010IEEE Globecom會議發(fā) 表的文章《A two-step compressed spectrum sensing scheme for wideband cognitive radios》中提出了一種具有自適應(yīng)感知思想的兩步式壓縮頻譜感知方法，第一步估計(jì)接收 頻譜信號的頻譜稀疏度，第二步根據(jù)頻譜稀疏度調(diào)整信號重構(gòu)所需的樣點(diǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)自適 應(yīng)的壓縮頻譜感知。專利申請?zhí)?01310544294. X，發(fā)明名稱為"一種基于漸進(jìn)步長的稀疏 度自適應(yīng)壓縮頻譜感知方法"提出了類似的觀點(diǎn)，不同之處在于利用閉環(huán)結(jié)構(gòu)根據(jù)稀疏度 判決調(diào)整觀測統(tǒng)計(jì)量。上述方法具有自適應(yīng)的特性，能夠一定程度上提高感知效率，具有 對環(huán)境頻譜稀疏度的適應(yīng)性，但兩種方法都需要額外對頻譜稀疏度進(jìn)行估計(jì)再進(jìn)行頻譜感 知；此外該類方法對頻譜稀疏度估計(jì)的精度和門限值較敏感，在實(shí)際應(yīng)用中不夠直接、難度 較大、可靠性不高。
[0004] 未來無線通信系統(tǒng)將容納越來越多的用戶，提供更高性能、更多內(nèi)容的服務(wù)，業(yè)務(wù) 量不斷增大與無線頻譜資源緊張的矛盾日益突出，為了解決頻譜資源短缺和頻譜利用率低 的問題，人們提出了認(rèn)知無線電（CR，Cognitive Radio)的概念。認(rèn)知無線電在保證授權(quán)用 戶正常通信的前提下，允許未授權(quán)用戶動(dòng)態(tài)接入已分配給授權(quán)用戶但未被其使用的空閑頻 譜，從而提高系統(tǒng)頻譜利用率。為了確保授權(quán)用戶對授權(quán)頻段的使用不受影響，認(rèn)知用戶必 須能夠快速、準(zhǔn)確地對授權(quán)頻段進(jìn)行感知，檢測哪些頻段被占用或處于空閑。因此，頻譜感 知是認(rèn)知無線電中最為關(guān)鍵的技術(shù)和首要任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供了一種基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜感知方 法，實(shí)時(shí)根據(jù)頻譜感知重構(gòu)結(jié)果主動(dòng)的終止感知過程，更好適應(yīng)不同的寬帶頻譜占用率和 接收信噪比狀況，節(jié)省頻譜感知所需時(shí)間，提高設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸效率，該方法同時(shí)采用了寬帶 軟件無線電架構(gòu)和自適應(yīng)感知頻段選擇，在保證超寬頻帶感知范圍的同時(shí)，頻譜感知結(jié)果 更加精細(xì)、準(zhǔn)確，方法實(shí)現(xiàn)更為簡單。
[0006] 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜感知方 法，所述方法包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :劃分感知時(shí)隙，對周期出現(xiàn)的感知時(shí)隙進(jìn)行頻譜感知，將所述感知時(shí)隙劃 分為一個(gè)固定感知子時(shí)隙和若干個(gè)自適應(yīng)感知子時(shí)隙；
[0008] 步驟2 :將頻率范圍劃分為若干寬頻段，確認(rèn)待感知可選寬頻段，將寬至吉赫的頻 率范圍劃分為若干個(gè)可選頻段，每個(gè)所述可選頻段仍占據(jù)幾十或幾百兆赫的寬頻帶，根據(jù) 通信需求和已知的頻譜資源情況，每次只自適應(yīng)的選擇一個(gè)可選頻段作為待感知頻段，通 過射頻端混頻與濾波處理，將所述待感知頻段的寬帶模擬信號搬移到低頻或中頻并分離出 來，用于后續(xù)感知分析；
[0009] 步驟3 :固定感知子時(shí)隙上壓縮采樣，在步驟1所述固定感知子時(shí)隙上對自適應(yīng)選 擇的待感知頻段信號進(jìn)行壓縮采樣，獲得固定感知子時(shí)隙上的觀測向量；
[0010] 步驟4 :對步驟3所述固定感知子時(shí)隙上的觀測向量進(jìn)行粒子群優(yōu)化算法的信號 頻譜重構(gòu)；
[0011] 步驟5 :在所述自適應(yīng)感知子時(shí)隙上壓縮采樣，更新觀測向量，進(jìn)行基于共軛梯度 算法的頻譜重構(gòu)；
[0012] 步驟6 :判斷該自適應(yīng)感知子時(shí)隙上的頻譜重構(gòu)結(jié)果是否滿足收斂條件，不滿足 則返回步驟5進(jìn)行下一個(gè)自適應(yīng)感知子時(shí)隙的壓縮感知，滿足則進(jìn)入步驟7 ;
[0013] 步驟7 :輸出最終頻譜感知結(jié)果，利用剩余自適應(yīng)感知子時(shí)隙，在"空閑"子頻段上 進(jìn)行正常通信。
[0014] 進(jìn)一步地，所述方法中步驟4包括以下步驟：
[0015] 1)根據(jù)固定感知子時(shí)隙上的觀測向量％重構(gòu)頻譜4，可以轉(zhuǎn)換為求I1-范數(shù)最小 二乘優(yōu)化問題的最優(yōu)解，如式（1)所示：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜感知方法，其特征在于，所述方法包括以下步 驟： 步驟1:劃分感知時(shí)隙，對周期出現(xiàn)的感知時(shí)隙進(jìn)行頻譜感知，將所述感知時(shí)隙劃分為 一個(gè)固定感知子時(shí)隙和若干個(gè)自適應(yīng)感知子時(shí)隙； 步驟2 :將頻率范圍劃分為若干寬頻段，確認(rèn)待感知可選寬頻段，將寬至吉赫的頻率范 圍劃分為若干個(gè)可選頻段，每個(gè)所述可選頻段仍占據(jù)幾十或幾百兆赫的寬頻帶，根據(jù)通信 需求和已知的頻譜資源情況，每次只自適應(yīng)的選擇一個(gè)可選頻段作為待感知頻段，通過射 頻端混頻與濾波處理，將所述待感知頻段的寬帶模擬信號搬移到低頻或中頻并分離出來， 用于后續(xù)感知分析； 步驟3 :固定感知子時(shí)隙上壓縮采樣，在步驟1所述固定感知子時(shí)隙上對自適應(yīng)選擇的 待感知頻段信號進(jìn)行壓縮采樣，獲得固定感知子時(shí)隙上的觀測向量； 步驟4 :對步驟3所述固定感知子時(shí)隙上的觀測向量進(jìn)行粒子群優(yōu)化算法的信號頻譜 重構(gòu)； 步驟5 :在所述自適應(yīng)感知子時(shí)隙上壓縮采樣，更新觀測向量，進(jìn)行基于共軛梯度算法 的頻譜重構(gòu)； 步驟6:判斷所述自適應(yīng)感知子時(shí)隙上的頻譜重構(gòu)結(jié)果是否滿足收斂條件，不滿足則 返回步驟5進(jìn)行下一個(gè)自適應(yīng)感知子時(shí)隙的壓縮感知，滿足則進(jìn)入步驟7 ; 步驟7 :輸出最終頻譜感知結(jié)果，利用剩余自適應(yīng)感知子時(shí)隙，在"空閑"子頻段上進(jìn)行 正常通信。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜感知方法，其特征在于，所述 方法中步驟4包括以下步驟： 1) 根據(jù)固定感知子時(shí)隙上的觀測向量y〇重構(gòu)頻譜，可以轉(zhuǎn)換為求lr范數(shù)最小二乘 優(yōu)化問題的最優(yōu)解，如式（1)所示：
其中A是正的權(quán)值系數(shù)，式（1)的另一種表達(dá)式為：
為PSO算法的目標(biāo)函數(shù)，
2) 初始化粒子群優(yōu)化算法參數(shù)，令粒子群優(yōu)化算法迭代變量為k，最大迭代次數(shù)K_， 種群粒子數(shù)Np，慣性因子《和學(xué)習(xí)因子分別為Yl，Y2; 3) 令k= 0,在解空間初始化％個(gè)粒子，定義其2N維的位置向量和速度向量分別為
位置向量分別代入式（2)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值nfb=i,2，...,&)，比較找到粒子自身歷史最優(yōu) 解向量
和種群中所有粒子比較獲得的歷史最優(yōu)解向量
5) 根據(jù)本次迭代的最優(yōu)解向量更新粒子群的速度向量和位置向量：
，參數(shù)《，ypy2根據(jù)具體應(yīng)用 選擇[〇，1]區(qū)間的數(shù)； 6)k=k+1，當(dāng)滿足k=Kmax時(shí)終止粒子群優(yōu)化算法迭代，固定感知子時(shí)隙上的解向量
，滿足則進(jìn) 入所述步驟5,不滿足k= 1(_時(shí)，用初始化粒子群優(yōu)化算法繼續(xù)迭代，返回到所述步驟4中 的第4)步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜感知方法，其特征在于，所述 方法中步驟5包括以下步驟： 1) 先設(shè)定初始化參數(shù)1 = 1 ; 2) 在第1個(gè)自適應(yīng)感知子時(shí)隙上進(jìn)行壓縮采樣，自適應(yīng)感知子時(shí)隙寬度為Ta，獲得一 組Tafs個(gè)采樣值的向量％，將I與第1-1個(gè)子時(shí)隙用于壓縮感知處理的觀測向量yi_i合并， 得到第1個(gè)自適應(yīng)感知子時(shí)隙上的M1=(TJlTj4維觀測向量
，觀測向量
.Wi為高斯白噪聲向量，
為隨著自適應(yīng)感知子時(shí)隙更新的IXN維 觀測矩陣，
同樣地，優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為一 種表示形式：
，太和Ai可以很容易在y'h和A^基礎(chǔ)上更新獲得； 3) 設(shè)共扼梯度算法迭代變量為t，最大迭代次數(shù)at是步長因子； 4) 令t= 0,解的初始值r/°) = ; 5) 采用共軛梯度算法計(jì)算：
6)t=t+1，當(dāng)滿足t= 時(shí)終止CG迭代，第1個(gè)自適應(yīng)感知子時(shí)隙上的解向量 $ =if.?、，頻譜重構(gòu)結(jié)果為
，則進(jìn)入步所 述驟6 ;不滿足時(shí)，共軛梯度算法繼續(xù)迭代，返回到所述第5)步驟。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜感知方法，其特征在于，所述 方法的步驟6包括以下步驟： 先判斷是否滿足條件
e為最優(yōu)解收斂時(shí)的最小容忍誤差，若滿足條件， 終止感知過程，進(jìn)入步驟7 ;不滿足條件，則1 = 1+1，返回到所述步驟5中的第2)步驟進(jìn)行 下一個(gè)自適應(yīng)感知子時(shí)隙上的壓縮感知。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜感知方法，其特征在于，所述 步驟7包括以下步驟： 1) 輸出獲得的最終頻譜重構(gòu)值# = $，計(jì)算待感知頻率范圍內(nèi)各子頻段信號的功率值
2) 用門限法判斷哪些子頻段是空閑或被占用；利用剩余自適應(yīng)感知子時(shí)隙，在空閑子 頻段上進(jìn)行正常通信。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜感知方法，其特征在于，所述 方法的步驟3中使用模擬信號信息化轉(zhuǎn)換器進(jìn)行壓縮采樣。
【專利摘要】本發(fā)明涉及無線電通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于自適應(yīng)壓縮感知的寬帶頻譜感知方法，包括劃分感知時(shí)隙，將感知時(shí)隙劃分為一個(gè)固定感知子時(shí)隙和若干個(gè)自適應(yīng)感知子時(shí)隙；將頻率范圍劃分為若干寬頻段，根據(jù)通信需求和已知的頻譜資源情況，每次只自適應(yīng)的選擇一個(gè)可選寬頻段作為待感知頻段；在固定感知子時(shí)隙上壓縮采樣，獲得固定感知子時(shí)隙上的觀測向量，進(jìn)行初次信號頻譜重構(gòu)；在自適應(yīng)感知子時(shí)隙上壓縮采樣，更新觀測向量，利用上一個(gè)感知子時(shí)隙上的結(jié)果進(jìn)行頻譜重構(gòu)；判斷是否滿足收斂條件，不滿足繼續(xù)在下一個(gè)自適應(yīng)感知子時(shí)隙上進(jìn)行壓縮感知，滿足則終止自適應(yīng)感知過程；最終輸出頻譜感知結(jié)果，剩余的自適應(yīng)感知子時(shí)隙資源仍可用于正常通信。
【IPC分類】H04B17-382
【公開號】CN104780008
【申請?zhí)枴緾N201510195483
【發(fā)明人】須彬彬, 楊宏, 洪向宇
【申請人】公安部第一研究所, 北京中盾安全技術(shù)開發(fā)公司
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月23日