一种基于信号到达方向估计的频谱感知方法

技术领域

本发明涉及认知无线电中的主用户频谱感知的实现方法，属于通信技术领域。

背景技术

近几十年来，无线通信技术的发展突飞猛进，移动通信系统已经从第一代(1G)的模拟通信系统(AMPS,TACS)、第二代(2G)的全球移动通讯系统(GSM)和IS-95系统发展到已经开始商用的第三代(3G)的宽带码分多址系统(WCDM)、码分多址(CDMA 2000)和时分同步码分多址(TD-CDMA)系统，其下一个阶段将演进到后三代/四代(B3G/4G)移动通信系统。无线接入技术出现了众多标准来满足人们对数据业务的需求，比如无线个域网(WPAN)、无线局域网(WLAN)和无线城域网(WMAN)等。随着信息社会经济的快速发展，人们对移动通信及宽带无线接入业务的需求不断增长，无线频谱资源需求越来越多。然而，自然界可以利用的无线频谱资源是有限的，因此如何提高频谱的利用率是无线通信领域的主要任务。

在无线频谱管理上，目前世界上绝大部分国家的频谱资源都是采用固定分配方式，由专门的频谱管理部门将整个无线频谱划分成连续的频段，分配特定的频段给特定的通信用户使用。美国联邦通信委员会(FCC)2002年12月出版的一份频谱使用统计报告指出，有些授权频段使用非常频繁，而有些授权频段却十分空闲。另一份由美国伯克利无线电研究中心测量的频谱利用图表明在已经分配的3GHz以下的频段中有多达70%的频谱资源未得到充分利用。这种固定频谱分配方式造成了频谱资源的浪费，是频谱需求紧张的一个主要原因。怎样才能使空闲的频谱被利用起来，怎样提高频谱的利用效率，成为人们非常关注的技术问题，为了解决这一问题，1999年Joseph MitolaⅢ博士将软件无线电的概念进一步扩展，引入了认知无线电的概念。其思想是允许未授权用户（也称认知用户）在不对主用户造成干扰的前提下，享用空闲的授权频谱，其中，频谱感知是认知无线电得以实现的重要保证。频谱感知是指通过感知频谱空洞，以辨识当前可用于认知无线电用户通信的频谱机会。现有的频谱感知方法都是基于频谱机会的定义为“在特定时间特点地理区域内未被主用户使用的频带”，它仅仅开发了频率、时间、空间三个维度的频谱空洞。随着多天线技术的飞速发展，如波束成形，信号的传输是有方向性的，多用户可以在相同时间相同地区复用到相同的信道，因此可以把方向角度当成频谱空间的一部分，创造新的频谱机会。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的问题是：如何进行方向角度域的频谱感知，从而可以创造新的频谱机会。

技术方案：本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种基于信号到达方向估计的频谱感知方法，其特征在于：

首先对主用户信号是否存在进行检测；

检测结果A：主用户信号不存在，表明此刻主用户没有占用该频段，无需再做进一步感知；B：如果主用户信号存在，再进一步对该信号的到达方向进行估计。

进一步地：

首先运用广义似然比检验理论用接收信号的样本协方差矩阵的最大特征值与特征值之和的比                                                作为检验统计量，与判决门限作比较以此来判断主用户信号是否存在，如果存在，则进一步估计主用户信号的到达方向，步骤包括：计算接收信号的样本协方差矩阵、计算满足虚警概率的判决门限、计算、对信号存在与否进行判决、若判决为信号存在，估计信号到达的方向DOA。

具体的方法为：

a.计算接收信号的样本协方差矩阵：设表示认知用户从M阵元的均匀线阵接收到的经过采样后的离散信号，则接收信号的样本协方差矩阵为：

其中，N是采样数；

b.计算满足的判决门限值：

其中，是Tracy-Widom第2分布的累积分布函数，为虚警概率，M为天线阵列的阵元数，N为每个阵元信号的采样数；

c.计算：对进行特征分解，，为的Hermitia矩阵，为递减的对角矩阵，是矩阵的特征值，计算中的最大值与元素的和之比；

d.判决主用户是否存在：如果，则判决为主用户信号存在，表明此时此段频率被主用户占用，还需要进一步感知主用户信号的到达方向，如果，则判决为主用户信号不存在，表明此刻主用户没有占用该频段，无需再做进一步感知；

e. DOA估计：如果d部分的判决结果为主用户信号存在，则要估计主用户的DOA，计算Music谱：

其中，

是阵元间的距离，是载波波长是样本协方差矩阵的个最小特征值对应的特征矢量构成的矩阵，搜索MUSIC谱的峰值位置，就是估计的主用户信号到达的方向。

有益效果：本发明运用于智能天线系统，不仅能感知特定时间特定频段内主用户是否在使用信道，而且把方向角度当成一种频谱机会，当主用户在使用信道时还进一步估计主用户的到达方向，较现有的感知方法，可以增加频谱机会。

附图说明

图1是角度域频谱机会示意图；

图2是基于方向估计的频谱感知流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚明白，下面结合附图对本发明进行进一步的详细说明。

方向角度域的频谱机会，参见图1。图中主用户和认知用户都是定向传输信号，当主用户A在一个方向1与主用户B通信时，认知用户A可以在方向2与认知用户B通信。因此角度可以作为一种频谱机会进行感知。

认知设备是通过频谱感知发现频谱“空洞”来进行通信的。假设认知用户接收器有M阵元的均匀线阵，阵元间的距离为，小于PU信号载波波长的一半，有个窄带信号，载波波长为，入射角为，用表示PU信号不存在，表示PU信号存在，对主用户的检测可以归结为如下二元假设检验问题：

其中，是高斯白噪声，，是CR接收器从第根天线上接收到的信号，表示主用户发射的信号，A是方向矩阵

本发明中假定只有一个主用户待检测，即。

图2是基于到信号到达方向的频谱感知的流程图，本流程图包括以下步骤：

201：根据接收到的信号计算协方差矩阵；

202：对进行特征值分解为递减的对角矩阵，的Hermitia矩阵，计算

203：在给定的虚警概率下，计算判决门限

，

204：

如果，则判决为是，主用户信号存在

如果，则判决为否，主用户信号不存在

205：判决主用户信号存在后，计算MUSIC谱

其中，

206 搜索取得最大值的位置，就是估计的主用户到达的方向。

207：输出。204判决为否时，表示主用户不存在。即表示主用户没有在通信，输出为认知用户可以使用该主用户的信道。判决为“是”，经过搜索MUSIC谱的峰值位置，输出为主用户的到达方向，则输出表示认知用户可以选择不干扰该方向通信的其他方向通信。