申请/专利权人：北京邮电大学

申请日：2018-08-27

公开（公告）日：2020-07-21

公开（公告）号：CN108988969B

主分类号：H04B17/382(20150101)

分类号：H04B17/382(20150101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.21#授权;2019.01.04#实质审查的生效;2018.12.11#公开

摘要：本发明公开了一种基于能量检测的频谱感知方法和装置。所述方法包括：接收目标频段的信号得到接收信号；对接收信号抽样得到抽样信号；计算抽样信号的能量值；将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及系统吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算目标函数最优情况下的检测阈值；根据能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。本发明所述基于能量检测的频谱感知方法和装置采用能量检测的手段，并综合考虑决定感知性能多个影响因素，从而判断出频段的状态。该方法相比于现有技术中以牺牲其他方面的系统性能为代价获得最佳感知性能的频谱感知方法，本发明所述方法能够同时保证检测概率、虚警概率以及系统吞吐量，能够适用于复杂网络环境。

主权项：1.一种基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，包括：接收目标频段的信号得到接收信号；对所述接收信号抽样得到抽样信号；计算所述抽样信号的能量值；将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及系统吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；所述目标函数为： 其中，Pd表示检测概率，表示最低检测概率，Pf表示虚警概率，表示最大虚警概率；当γ≥1.5时，计算所述目标函数最优情况下的所述检测阈值ε为： 其中，γ表示信噪比；根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。

全文数据：一种基于能量检测的频谱感知方法和装置技术领域[0001]本发明涉及认知无线电技术领域，特别是指一种基于能量检测的频谱感知方法和装置。背景技术[0002]由于在无线通信中的重要作用，无线电频谱是一种被严格管控的珍贵资源。随着无线通信技术的快速发展，以移动互联网、物联网、云计算为代表的新一代信息技术与传统产业的深度融合，无线电技术宽带、泛在、移动的应用特点越发明显，带来频谱需求的爆发式增长，造成频谱资源的极度短缺。根据联邦通信委员会FCC:FederalCommunicationCommission的报告，授权无线频谱的利用率大约只有30%。另外，根据2014年7月我国无线电检测中心和全球移动通信系统协会发布的《450MHz-5GHz关注频段频谱资源评估报告》，5GHz以下大部分关注频段的频谱使用率远远小于10%。有效提高用频效率是缓解频谱稀缺问题，丰富大众业务体验的客观要求。[0003]认知无线电（CognitiveRadio,CR的概念起源于1999年JosephMitola博士的奠基性工作，其核心思想就是通过频谱感知（SpectrumSensing和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配DSA:dynamicspectrumallocation和频谱共享（SpectrumSharing，并限制和降低冲突的发生。作为认知无线电的关键技术，频谱感知对整个认知网络起着先导作用，是频谱分配和频谱共享的基础。[0004]频谱感知的目标函数融合了影响频谱感知性能的主要因素，是频谱感知性能的优化方向，对感知性能上限起着决定性作用。目前主流频谱感知方法所使用的目标函数大多是汇集影响频谱感知性能的部分因素而形成的局部目标函数，降低了认知系统的适应性和鲁棒性，不利于频谱感知在复杂网络环境下的应用和推广。发明内容[0005]有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种基于能量检测的频谱感知方法和装置，综合考虑影响频谱感知性能的主要因素，有效提高了频谱检测的精度。[0006]基于上述目的本发明实施例提供的一种基于能量检测的频谱感知方法，包括：[0007]接收目标频段的信号得到接收信号；[0008]对所述接收信号抽样得到抽样信号；[0009]计算所述抽样信号的能量值；[0010]将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及系统吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；[0011]根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。[0012]可选的，所述接收信号r⑴为：[0013]r⑴=h⑴s⑴+w⑴，[0014]其中，s⑴为来自授权用户的信号，w⑴为噪声，s⑴的方差为2W，W表示带宽，Ho表示所述目标频段空闲，压表示所述目标频段中授权用户存在，η表示抽样点序号。[0018]可选的，所述目标函数为：[0019][0020]其中，Pd表示检测概率，^表示最低检测概率，Pf表示虚警概率，g表示最大虚警概率。[0021]可选的，当γ多1.5时，计算所述目标函数最优情况下的所述检测阈值ε为：[0022][0023]其中，表示CR接收机所在位置的信噪比。[0024]可选的，所述根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态包括：[0025]若所述能量值大于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于忙碌状态；[0026]若所述能量值小于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于空闲状态。[0027]本发明还提供一种基于能量检测的频谱感知装置，包括：[0028]信号接收模块，用于接收目标频段的信号得到接收信号；[0029]抽样模块，用于对所述接收信号抽样得到抽样信号；[0030]能量计算模块，用于计算所述抽样信号的能量值；[0031]检测阈值计算模块，用于将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及系统吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；[0032]判断模块，用于根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。[0033]可选的，所述接收信号rt为：[0034][0035]其中，s⑴为来自授权用户的信号，wt为噪声，s⑴的方差为f，wt的方差为〇,则[0126]4-32[0127]即：当γ彡1.5时，目标函数4-16中G=PdPf优于目标函数4-5。[0128]综上所述，考虑检测概率、虚警概率和系统吞吐量，当γ多1.5时，所提目标函数4-16优于目标函数4-5。需要注意的是，如果抽样点数足够多（Tfs20，设管+1‘则在兼顾检测概率、虚警概率和系统吞吐量的情况下，目标函数4-16和目标函数4-5共同拥有最佳的检测性能。[0129]可选的，步骤105中所述根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态包括:若所述能量值大于所述检测阈值，则所述目标频段处于忙碌状态;若所述能量值小于所述检测阈值，则所述目标频段处于空闲状态。[0130]图3a_3c分别表示本发明所提目标函数与公式4-3、（4-4、（4-5所示目标函数虚警概率、检测概率和吞吐量性能对比。需要注意的是，图3a_3c及后面图4a_4b的各个检测性能均为各个目标函数取得最优解时取得的。另外，图3a-3c的采样点N=100，而图4a-4b中的采样点均为N=20。从图3a-3c可以看出，在同等条件下，目标函数4-3的虚警概率明显较高，表明目标函数4-3的较高的检测概率是以牺牲虚警概率为代价的；目标函数ΜΑ的检测概率明显较低，说明目标函数4-4较高的吞吐量是以降低检测概率为代价的。很明显，在兼顾检测概率、虚警概率和系统吞吐量的情况下，目标函数4-3和目标函数4-4均为次优化方案。相比而言，目标函数4-5和本发明实施例所述目标函数4-16兼顾了检测概率、虚警概率和系统吞吐量，具有更好的技术效果。[0131]图4a_4b展示了本发明实施例所述目标函数4-16与目标函数4-5的性能对比。可以看出，在同等条件下，本发明所述目标函数4-16的检测概率和虚警概率均明显高于目标函数4-5，说明本发明实施例所述目标函数4-16增加了保护主用户正常工作的能力而在一定程度上降低了CR用户的信息传输能力。根据前面的理论推导，当环境信噪比大于1.5时，本发明实施例所述目标函数4-16的整体性能优于目标函数4-5。[0132]本发明实施例还提供一种基于能量检测的频谱感知装置，参照图2所示，所述装置包括：[0133]信号接收模块11，用于接收目标频段的信号得到接收信号；[0134]抽样模块12,用于对所述接收信号抽样得到抽样信号；[0135]能量计算模块13,用于计算所述抽样信号的能量值；[0136]检测阈值计算模块14,用于将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及系统吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；[0137]判断模块15,用于根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。[0138]可选的，所述接收信号rt为：[0139][0140]其中，s⑴为来自授权用户的信号，wt为噪声，s⑴的方差为，wt的方差为4，h⑴为信道增益[0141]可选的，所述抽样信号rη为：[0142][0143]其中，对所述接收信号抽样的采样率为fs，fs多2W，W表示带宽，Ho表示所述目标频段空闲，压表示所述目标频段中授权用户存在。[0144]可选的，所述目标函数为：[0145][0146]其中，Pd表示检测概率，^表示最低检测概率，Pf表示虚警概率，表示最大虚警概率。[0147]可选的，当γ多1.5时，计算所述目标函数最优情况下的所述检测阈值ε为：[0148][0149]其中，γ表示信噪比。[0150]可选的，所述判断模块15还用于实现:若所述能量值大于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于忙碌状态;若所述能量值小于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于空闲状态。[0151]所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围（包括权利要求被限于这些例子;在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。[0152]另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路（IC芯片和其它部件的公知的电源接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的（即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内）。在阐述了具体细节例如，电路）以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。[0153]尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构例如，动态RAMDRAM可以使用所讨论的实施例。[0154]本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，包括：接收目标频段的信号得到接收信号；对所述接收信号抽样得到抽样信号；计算所述抽样信号的能量值；将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及系统吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。2.根据权利要求1所述的基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，所述接收信号r⑴为：其中，S⑴为来自授权用户的信号，w⑴为噪声，s⑴的方差为σ〗，W⑴的方差为，ht为信道增益，t为时间。3.根据权利要求2所述的基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，所述抽样信号rη为：其中，对所述接收信号抽样的采样率为fs，fs多2W，W表示带宽，Ho表示所述目标频段空闲，压表示所述目标频段中授权用户存在，η表示抽样点序号。4.根据权利要求3所述的基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，所述目标函数为：其中，Pd表示检测概率，^表示最低检测概率，Pf表示虚警概率，^表示最大虚警概率。5.根据权利要求4所述的基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，当γ多1.5时，计算所述目标函数最优情况下的所述检测阈值ε为：其中，γ表示信噪比。6.根据权利要求4所述的基于能量检测的频谱感知方法，其特征在于，所述根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态包括：若所述能量值大于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于忙碌状态；若所述能量值小于所述检测阈值，则判定所述目标频段处于空闲状态。7.—种基于能量检测的频谱感知装置，其特征在于，包括：信号接收模块，用于接收目标频段的信号得到接收信号；抽样模块，用于对所述接收信号抽样得到抽样信号；能量计算模块，用于计算所述抽样信号的能量值；检测阈值计算模块，用于将兼顾约束条件检测概率、虚警概率以及系统吞吐量的优化问题表达成目标函数，计算所述目标函数最优情况下的检测阈值；判断模块，用于根据所述能量值与所述检测阈值的关系判断目标频段的状态。8.根据权利要求7所述的基于能量检测的频谱感知装置，其特征在于，所述接收信号r⑴为：其中，S⑴为来自授权用户的信号，Wt为噪声，S⑴的方差为4，W⑴的方差为，ht为信道增益。9.根据权利要求7所述的基于能量检测的频谱感知装置，其特征在于，所述抽样信号rη为：其中，对所述接收信号抽样的采样率为fs，fs多2W，W表示带宽，Ho表示所述目标频段空闲，压表示所述目标频段中授权用户存在。10.根据权利要求7所述的基于能量检测的频谱感知装置，其特征在于，所述目标函数为：其中，Pd表示检测概率，表示最低检测概率，Pf表示虚警概率，表示最大虚警概率。

百度查询： 北京邮电大学 一种基于能量检测的频谱感知方法和装置

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