一種適用于高維有限樣本條件的多天線頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于大規(guī)模多天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)中頻譜感知的方法，屬于無 線通信中的認(rèn)知無線電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 多天線認(rèn)知無線電技術(shù)是無線通信領(lǐng)域的研宄熱點，而有效的多天線頻譜感知算 法是實現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。在多天線頻譜感知場景中接收數(shù)據(jù)向量的維數(shù)M在數(shù)值 上等于天線的根數(shù)，而樣本容量N(即接收數(shù)據(jù)向量的個數(shù)）則由感知時間內(nèi)對接收信號進(jìn) 行取樣的次數(shù)決定。在傳統(tǒng)的多天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)中感知節(jié)點上配置的天線數(shù)目M往往 很少，因此傳統(tǒng)的多天線頻譜感知方法的研宄聚焦于在M遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于N的條件下考慮算法的 設(shè)計問題。
[0003] 在具體的算法設(shè)計方面，基于接收信號相關(guān)特性的多天線全盲頻譜感知方法因其 優(yōu)良特性引起了廣泛關(guān)注。經(jīng)典的多天線頻譜感知方法包括：基于對角線與非對角線元素 絕對值之比的檢測方法（CAVD)、基于最大特征值與最小特征值之比的檢測方法（MMED)以 及基于接收信號能量與最小特征值之比的檢測方法（EMED)。上述三種方法克服了能量檢測 方法遭遇噪聲不確定性現(xiàn)象時感知性能急劇惡化的致命缺點，并且在多天線接收信號存在 相關(guān)性時表現(xiàn)出優(yōu)良的檢測性能。然而，CAVD、MMED和EMED三種方法均著眼于解決接收數(shù) 據(jù)向量維數(shù)M遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樣本容量N條件下的頻譜感知問題。
[0004] 為了進(jìn)一步提高無線頻譜效率，增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋和系統(tǒng)容量，大規(guī)模MMO(多輸入 多輸出）技術(shù)正成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研宄熱點。在這種背景之下，可以預(yù)見將來的大規(guī) 模多天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)中次級用戶或者專用感知設(shè)備上配置的天線數(shù)目勢必非常之大。 此時，在感知時間嚴(yán)格受限的感知應(yīng)用當(dāng)中，將出現(xiàn)高維（即M很大）有限樣本（即N有 限）的新情況：多天線接收數(shù)據(jù)向量的維數(shù)M變得與樣本容量N可比，甚至于M大于N。在 這樣的條件之下，CAVD、MMED和EMED等經(jīng)典的多天線頻譜感知算法在應(yīng)用過程中將遭遇實 際的難題：一方面，上述三種經(jīng)典方法的理論感知判決門限的精度在新的條件下無法保證 實現(xiàn)可靠感知的需要。其原因在于，由于無法求解得到精確的解析判決門限，以上方法所對 應(yīng)的判決門限均是在M遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于N的假定條件下采用近似的手段獲得。當(dāng)M接近N，甚至 于M大于N時，近似判決門限的應(yīng)用條件變得不再成立，導(dǎo)致在感知判決過程中無法獲得可 靠的感知結(jié)果；另一方面，在常規(guī)的M遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于N的條件下，上述三種經(jīng)典的多天線頻譜感 知方法的計算復(fù)雜度主要取決于N的大小。而在M接近N，甚至于M大于N的條件下，M的 大小相對于N來說不可忽略，此時算法的計算復(fù)雜度將隨著接收數(shù)據(jù)向量維數(shù)M的增大而 急劇增加。以MMED和EMED為例，在感知判決過程中進(jìn)行特征值分解所帶來的運算量為M3 階，顯然在大規(guī)模多天線認(rèn)知無線電等高維有限樣本的感知條件下由維度M的增加所帶來 的計算復(fù)雜度的急劇增加將嚴(yán)重限制傳統(tǒng)算法的應(yīng)用。
[0005] 綜上所述，在大規(guī)模多天線認(rèn)知無線電等高維有限樣本條件下高效多天線頻譜感 知算法的設(shè)計將面臨新的挑戰(zhàn)。正是在這種背景之下，本發(fā)明提出了一種基于接收信號相 關(guān)特征的適用于高維有限樣本應(yīng)用場景的多天線全盲頻譜感知方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 技術(shù)問題：本發(fā)明提出了一種適用于高維有限樣本條件的多天線頻譜感知方法。 該方法具有實現(xiàn)簡單、計算復(fù)雜度低、可以在主用戶信號、無線信道以及噪聲的統(tǒng)計信息缺 乏條件下實現(xiàn)高效全盲檢測、以及感知結(jié)果可靠等優(yōu)點，可以很好地應(yīng)用于解決大規(guī)模多 天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)等高維有限樣本條件下的頻譜空洞檢測問題。
[0007] 技術(shù)方案：本發(fā)明提出的一種能夠適用于高維有限樣本條件的多天線頻譜感知方 法，其利用多天線接收信號分量之間的相關(guān)性來構(gòu)造感知判決量，并基于隨機矩陣?yán)碚撛O(shè) 計感知判決門限：首先對多天線接收信號進(jìn)行連續(xù)采樣，并形成接收信號數(shù)據(jù)矩陣X;然后 在此基礎(chǔ)上計算多天線接收信號分量之間的相關(guān)性度量指標(biāo)，并由此計算得到感知判決量 1;其次基于隨機矩陣?yán)碚摰慕Y(jié)果計算感知判決門限T;最后實施感知判決：當(dāng)感知判決量 1大于設(shè)定的門限值T時，則判定頻譜空洞不存在，反之則判定頻譜空洞存在。
[0008] 所述基于多天線接收信號相關(guān)性特征的適用于高維有限樣本條件下的多天線頻 譜感知方法，其具體步驟為：
[0009] 1)感知節(jié)點在時刻n對其配置的第1根到第M根接收天線上的信號進(jìn)行采樣，得 到接收信號數(shù)據(jù)向量X(n) = [Xl(n)，X2 (n)，…，xM(n)]T，其中，上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)置操作符；
[0010] 2)重復(fù)步驟1)，感知節(jié)點對多線接收信號共實施N次連續(xù)采樣，得到N個接收信 號數(shù)據(jù)向量X(I)、X(2)、…、X(N)，并將這些接收信號數(shù)據(jù)向量排列成矩陣的形式：
【主權(quán)項】
1. 一種適用于高維有限樣本條件的多天線頻譜感知方法，其特征在于該方法利用多 天線接收信號分量之間的相關(guān)性來構(gòu)造感知判決量，并基于隨機矩陣?yán)碚撚嬎愀兄袥Q口 限；首先對多天線接收信號進(jìn)行采樣，并形成接收數(shù)據(jù)矩陣；然后在此基礎(chǔ)上利用多天線 接收信號分量之間的相關(guān)性度量指標(biāo)構(gòu)造感知判決量；其次基于隨機矩陣?yán)碚撚嬎愀兄?決口限；最后實施感知判決；當(dāng)感知判決量大于設(shè)定的口限值時則判定頻譜空洞不存在， 而當(dāng)該感知判決量小于該口限值時則判定頻譜空洞存在。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高維有限樣本條件的多天線頻譜感知方法，其特征在 于該方法具體步驟為； 1) 感知節(jié)點在時刻n對其配置的第1根到第M根接收天線上的信號進(jìn)行采樣，得到 MX1維接收信號數(shù)據(jù)向量x(n)=片1(11)，義2(11)，'''，義"(11)]了，其中，上標(biāo)1'表示矩陣轉(zhuǎn)置操 作符； 2) 重復(fù)步驟1)，感知節(jié)點對多線接收信號共實施N次連續(xù)采樣，得到N個接收信號數(shù) 據(jù)向量；x(l)、x(2)、…、x(N)，并將該些接收信號數(shù)據(jù)向量排列成矩陣的形式：
3) 對1《i《M和i《j《M分別計算出第i根和第j根天線接收信號分量之間的相 關(guān)性度量指標(biāo)
4) 計算感知判決量：
W計算感知判決口限；r =去+去+萬以1 + 2(-3化;,：)}，其中，Pfa為目標(biāo)虛警概率， Q4(Pm)為逆馬庫姆函數(shù)在Pm處的取值； 6)實施感知判決： 如果感知判決量1大于判決口限T，則判定頻譜空洞不存在；如果感知判決量1小于 判決口限T，則判定頻譜空洞存在。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高維有限樣本條件的多天線頻譜感知方法，其特征在 于所述基于隨機矩陣?yán)碚撚嬎愀兄袥Q口限的方法是；在高維有限樣本條件下，基于隨機 矩陣?yán)碚撟C明感知判決量1服從均值為1/化1/M+1/MN、方差為4/(MN) 2的實高斯分布，當(dāng)目 標(biāo)虛警概率給定為Pm時對應(yīng)的感知判決口限T通過+ ^ + 谷I計算 得到，其中，(Pm)為逆馬庫姆函數(shù)在Pm處的函數(shù)值。

【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于高維有限樣本條件的多天線頻譜感知方法，該方法利用多天線接收信號分量之間的相關(guān)性來構(gòu)造感知判決量，并基于隨機矩陣?yán)碚撛O(shè)計感知判決門限：首先，對多天線接收信號進(jìn)行連續(xù)采樣，并形成接收信號數(shù)據(jù)矩陣X；然后，在此基礎(chǔ)上計算多天線接收信號分量之間的相關(guān)性度量指標(biāo)，并由此計算得到感知判決量l；其次，基于隨機矩陣?yán)碚摰慕Y(jié)果計算感知判決門限τ；最后，實施感知判決：當(dāng)感知判決量l大于設(shè)定的門限值τ時判定頻譜空洞不存在，反之則判定頻譜空洞存在。該方法在高維有限樣本容量的感知應(yīng)用中表現(xiàn)出實現(xiàn)簡單、計算復(fù)雜度低、可以實現(xiàn)主用戶信號、無線信道以及噪聲的統(tǒng)計信息缺乏條件下的高效全盲檢測，具有感知結(jié)果可靠等優(yōu)點。
【IPC分類】H04B17-382
【公開號】CN104601264
【申請?zhí)枴緾N201510090137
【發(fā)明人】楊喜, 雷可君, 彭盛亮, 曹秀英, 鄧瑜, 楊世江, 舒婷
【申請人】吉首大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年2月27日