一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方法及装置，先联合能量检测与频域谱熵检测进行检测，当信噪比较大或信道状况较差时，进行时域能量检测；否则，进行频域谱熵检测。再根据检测结果形成空闲频段的能量池、谱熵池，池内分别按统计值大小排列，可对空闲频段信道状态的进行初次估计，有利于认知用户灵活地选择空闲频段进行通信。这样有效减少了频谱检测受噪声不确定性的影响，提高了检测准确度。此外，还采用自适应双门限法，根据检测情况自适应地调整高低门限值，这不仅降低了误判概率，提高了检测准确度，而且减少了需要重新进行频域检测的次数，降低了检测时秏，从而延长了认知用户数据传输时间。
【专利说明】一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信【技术领域】，具体涉及一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方 法及装置。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信的快速发展，人们对无线业务的需求也不断增长。然而有限的频谱 和低效固定的频谱分配政策导致了频谱资源的日益匮乏，频谱资源的稀缺成为了制约无线 通信技术发展的瓶颈之一。从目前频谱利用率来看，相当多的授权频段都未被使用，造成了 所谓的"频谱空洞"。一种智能的无线通信技术--认知无线电频谱感知技术应运而生。认 知无线电频谱感知技术通过实时监测目标频段，在对主用户不造成任何干扰的前提下，允 许认知用户"伺机"使用空闲频段。若一旦出现主用户重新使用该频段，认知用户则及时退 出。频谱感知技术是认知无线电中的关键技术之一，如何快速和准确地检测出空闲频段是 频谱感知所需解决的关键技术问题。
[0003] 能量检测法是目前使用最广泛的频谱感知方法，无需知晓知主用户信号的任何先 验知识，其实时性好，方法简单而易于实现，但受噪声不确定性影响大，具有信噪比墙情况。 信噪比墙成为了限制能量检测性能的瓶颈，而频域谱熵检测能够有效解决这一问题。
[0004] 频域谱熵检测法应用于认知无线电频谱感知技术是一个新的研究命题。其根本在 于目前频谱感知技术中普遍存在的系统噪声不确定性测度或者复杂性测度需求。当频谱占 用时，接收信号由背景噪声和主用户信号组成，其谱熵值要远小于只存在背景噪声（频谱 空闲）的谱熵值。因此，利用主用户信号的有无两种情况下谱熵值之间的差异，无需噪声功 率，可以检测到主用户是否存在。且其检测准确度高，具有高的鲁棒性，无需知晓主用户信 号的任何先验知识。但频域谱熵检测法，增加了快速傅里叶变换和谱熵估计。相对于时域 能量检测来说，数据处理量较大，硬件复杂度较高。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方 法及装置，其具有检测准确度高和检测时牦低的特点。
[0006] 为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方法，包括如下步骤：
[0008] (1)在频段池存储器的每一个存储单元中存放一个控制射频前端工作在某一个频 段的频率控制字；
[0009] (2)频段池存储器输出第一个频率控制字给射频前端，并控制射频前端工作在第 一个频率控制字所对应的频段，射频前端接收该频段内的信号；
[0010] (3)设定时域高门限λΗ、时域低门限λ,和频域门限值λ ;
[0011] (4)对射频前端输出的数字信号进行时域和频域的联合检测；
[0012] 先采用能量检测法计算射频前端输出的数字信号的时域统计能量值Τ;并将时域 统计能量值T与预先设定的时域门限λ Η、λ ^进行比较判决；
[0013] 若时域统计能量值Τ大于或等于λΗ，即τ彡λΗ时，则判决主用户存在，即频段占 用；此时，给频段池存储器发送一个控制信号，以使频段池存储器输出下一个频率控制字给 射频前端，让射频前端工作在下一个频率控制字所对应的频段，并进行下一频段的检测；
[0014] 若时域统计能量值Τ小于或等于即Τ彡λΗ时，则判决主用户不存在，即频段 空闲，并将此空闲频段的时域统计能量值Τ与其对应的频率控制字进行数据组合后，送入 能量池存储器的第一个存储单元存储；存储完后，给频段池存储器发送一个控制信号，以使 频段池存储器输出下一个频率控制字给射频前端，进行下一频段的检测；
[0015] 若时域统计能量值Τ大于^且小于λ Η，即Τ属于区间（λ u λ Η)时，则不做任何 判决；此时，再采用频域谱熵检测法计算射频前端输出的数字信号的频域统计谱熵值Η ;并 将该频域统计谱熵值Η与设定的频域门限值λ进行比较判决；
[0016] 当频域统计谱熵值Η小于频域门限值λ，即Η〈λ时，则判决主用户存在，即频段占 用；此时，给频段池存储器发送一个控制信号，以使频段池存储器输出下一个频率控制字给 射频前端，让射频前端工作在下一个频率控制字所对应的频段，并进行下一频段的检测；
[0017] 当频域统计谱熵值Η大于或等于频域门限值λ，即Η彡λ时，则判决主用户不存 在，即频段空闲，并将此空闲频段的频域统计谱熵值Η与其对应的频率控制字进行数据组 合后，送入谱熵池存储器；存储完后，给频段池存储器发送一个控制信号，以使频段池存储 器输出下一个频率控制字给射频前端，进行下一频段的检测；
[0018] (5)频段池存储器根据步骤（4)中给出的控制信号依次输出频率控制字给射频前 端，所计算的时域统计能量值Τ与其对应频段的频率控制字组合而成的数据按依次存入能 量池存储器，所计算的频域统计谱熵值Η与其对应频段的频率控制字组合而成的数据依次 存入谱熵池存储器；直至检测完频段池存储器中所有频率控制字相对应的频段；
[0019] (6)当认知用户需要使用空闲频段进行通信时，认知用户先选择能量池存储器内 所存储的空闲频段进行通信；当能量池存储器内的空闲频段全被选择完后，再选择使用谱 熵池存储器内所存储的空闲频段进行通信。
[0020] 所述步骤（6)进一步包括：对能量池存储器和/或谱熵池存储器内的数据进行排 序的过程，即将能量池存储器内的数据按照时域统计能量值Τ的大小进行由小到大排序和 /或对谱熵池存储器内的数据按照频域统计谱熵值Η的大小进行由大到小排序；此时，当认 知用户需要使用空闲频段进行通信时，认知用户先选择能量池存储器内时域统计能量值Τ 小的数据所对应的频段进行通信；当能量池存储器内对应的频段全被选择完后，再选择使 用谱熵池存储器内频域统计谱熵值Η大的数据所对应的频段进行通信。
[0021] 所述步骤（3)还进一步包括：根据设定的最大次数值Cmax或最小次数值C min，自适 应地调整时域高门限λΗ和时域低门限λ,的步骤；即
[0022] 时域统计能量值Τ每落入（λ" λΗ)内一次，则让计数器累加计数一次；而若当前 检测频段的时域统计能量值Τ处于（λ u λΗ)内，而下一次检测频段的时域统计能量值Τ处 于（λ u λΗ)之外，则计数器的计数不再累加，且计数器的计数清零；
[0023] -旦计数器内的计数值达到最大次数值Cmax时，计数器则发出信号对时域高门限 λ H和/或时域低门限λ ^的大小进行调整，以缩短两门限之间的距离，同时将计数器清零， 开始等待重新计数；
[0024] -旦计数器内的计数值小于最小次数值Cmin时，计数器则发出信号对时域高门限 λ H和/或时域低门限λ ^的大小进行调整，以增大两门限之间的距离，同时将计数器清零， 开始等待重新计数。
[0025] 所述步骤（3)还进一步包括：根据设定门限调整因子α，并利用恒虚警概率法则 确定时域高门限λΗ、时域低门限^和频域门限值λ的步骤；即
【权利要求】
1. 一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方法，其特征是，包括如下步骤： (1) 在频段池存储器的每一个存储单元中存放一个控制射频前端工作在某一个频段的 频率控制字； (2) 频段池存储器输出第一个频率控制字给射频前端，并控制射频前端工作在第一个 频率控制字所对应的频段，射频前端接收该频段内的信号； (3) 设定时域高门限λ H、时域低门限^和频域门限值λ ; (4) 对射频前端输出的数字信号进行时域和频域的联合检测； 先采用能量检测法计算射频前端输出的数字信号的时域统计能量值Τ ;并将时域统计 能量值Τ与预先设定的时域门限λ Η、λ ^进行比较判决； 若时域统计能量值Τ大于或等于λΗ，即Τ彡时，则判决主用户存在，即频段占用； 此时，给频段池存储器发送一个控制信号，以使频段池存储器输出下一个频率控制字给射 频前端，让射频前端工作在下一个频率控制字所对应的频段，并进行下一频段的检测； 若时域统计能量值Τ小于或等于即Τ彡入11时，则判决主用户不存在，即频段空闲， 并将此空闲频段的时域统计能量值Τ与其对应的频率控制字进行数据组合后，送入能量池 存储器的第一个存储单元存储；存储完后，给频段池存储器发送一个控制信号，以使频段池 存储器输出下一个频率控制字给射频前端，进行下一频段的检测； 若时域统计能量值Τ大于λ ^且小于λΗ，即Τ属于区间（λ u λΗ)时，则不做任何判 决；此时，再采用频域谱熵检测法计算射频前端输出的数字信号的频域统计谱熵值Η ;并将 该频域统计谱熵值Η与设定的频域门限值λ进行比较判决； 当频域统计谱熵值Η小于频域门限值λ，即Η〈λ时，则判决主用户存在，即频段占用； 此时，给频段池存储器发送一个控制信号，以使频段池存储器输出下一个频率控制字给射 频前端，让射频前端工作在下一个频率控制字所对应的频段，并进行下一频段的检测； 当频域统计谱熵值Η大于或等于频域门限值λ，即λ时，则判决主用户不存在，即 频段空闲，并将此空闲频段的频域统计谱熵值Η与其对应的频率控制字进行数据组合后， 送入谱熵池存储器；存储完后，给频段池存储器发送一个控制信号，以使频段池存储器输出 下一个频率控制字给射频前端，进行下一频段的检测； (5) 频段池存储器根据步骤（4)中给出的控制信号依次输出频率控制字给射频前端， 所计算的时域统计能量值Τ与其对应频段的频率控制字组合而成的数据按依次存入能量 池存储器，所计算的频域统计谱熵值Η与其对应频段的频率控制字组合而成的数据依次存 入谱熵池存储器；直至检测完频段池存储器中所有频率控制字相对应的频段； (6) 当认知用户需要使用空闲频段进行通信时，认知用户先选择能量池存储器内所存 储的空闲频段进行通信；当能量池存储器内的空闲频段全被选择完后，再选择使用谱熵池 存储器内所存储的空闲频段进行通信。
2. 根据权利要求1所述的一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方法，其特征是， 所述步骤（6)进一步包括：对能量池存储器和/或谱熵池存储器内的数据进行排序的过程， 即 将能量池存储器内的数据按照时域统计能量值Τ的大小进行由小到大排序和/或对谱 熵池存储器内的数据按照频域统计谱熵值Η的大小进行由大到小排序；此时，当认知用户 需要使用空闲频段进行通信时，认知用户先选择能量池存储器内时域统计能量值Τ小的数 据所对应的频段进行通信；当能量池存储器内对应的频段全被选择完后，再选择使用谱熵 池存储器内频域统计谱熵值Η大的数据所对应的频段进行通信。
3. 根据权利要求1所述的一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方法，其特征是， 所述步骤（3)还进一步包括：根据设定的最大次数值C max或最小次数值Cmin，自适应地调整 时域高门限λ H和时域低门限λ ^的步骤；即 时域统计能量值Τ每落入（λ" λΗ)内一次，则让计数器累加计数一次；而若当前检 测频段的时域统计能量值Τ处于（λ u λΗ)内，而下一次检测频段的时域统计能量值Τ处于 (入u λΗ)之外，则计数器的计数不再累加，且计数器的计数清零； 一旦计数器内的计数值达到最大次数值Cmax时，计数器则发出信号对时域高门限λ ,和 /或时域低门限λ J勺大小进行调整，以缩短两门限之间的距离，同时将计数器清零，开始等 待重新计数； 一旦计数器内的计数值小于最小次数值cmin时，计数器则发出信号对时域高门限λ,和 /或时域低门限λ d勺大小进行调整，以增大两门限之间的距离，同时将计数器清零，开始等 待重新计数。
4. 根据权利要求1所述的一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方法，其特征是， 所述步骤（3)还进一步包括：根据设定门限调整因子α，并利用恒虚警概率法则确定时域 高门限λ Η、时域低门限^和频域门限值λ的步骤；即
① ② λ = Hl+ σ 2Q 1 (l~Pf) ③ 式中，λΗ*时域高门限；λ ^为时域低门限；λ为频域门限值；α为门限调整因子；Sj 为预估的高斯白噪声方差；Pf为预设的虚警概率；Q函数为
& ; CT1为Q函 数的反函数；N为预设的时域采样点数；〇2为预估的高斯白噪声的谱熵方差；扎为高斯白 噪声的理论谱熵值，
，c为欧拉常数，L为熵的柱状图估计中划分 的子区间个数。
5. 根据权利要求1所述的一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方法，其特征是： 所述步骤（4)中，采用能量检测法计算射频前端输出的数字信号的时域统计能量值Τ的过 程具体为： (a) 将射频前端输出的数字信号X (η)求平方，得到X2 (η); (b) 对X2 (η)进行累加，得到
(c) 求累加后的平均值，得到
4亥平均值即为信号的时域统计能量值Τ ;即
④ 上述η = 1，2,. . .，N, N为预设的时域采样点数。
6. 根据权利要求1所述的一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知方法，其特征是： 所述步骤（4)中，采用频域谱熵检测法计算射频前端输出的数字信号的频域统计谱熵值Η 的过程具体为： (a) 对射频前端输出的数字信号χ(η)进行NF点快速傅里叶变换，将傅里叶变换的结 果的实部xMl(k)和虚部x ima(k)分别进行平方运算，求得实部的平方和虚部的平方 Ο) ，最后将(左）和? (岣相加，即得到信号的频谱功率密度Υ〇〇 ;即
⑤ (b) 求得频谱功率密度Y(k)后，采用熵的柱状图估计算法估计频谱功率密度谱Y(k)的 谱熵值H，即 首先，对频谱功率密度Y (k)序列逐个进行比较，获取其最大值Ymax和最小值Ymin ; 然后，根据频谱功率密度Y(k)序列的最大值Ymax和最小值将Ymin形成[Ymax，Y min]区间， 并将此区间[Ymax，Ymin]平均划分为L个子区间，则每个子区间长度为：
⑥
最后，将频谱功率密度Y (k)序列进行大小比较，判断其处于哪一个子区间内，并统计 数据频谱功率密度序列Y(k)落入第i个子区间的个数叫， 则频谱功率密度 9 Y(k)的频域统计谱熵值Η计算公式如下：
⑦ 上述k = 1，2, 3,. . .，NF，NF为预设的频域采样点数；i = 1，2,. . .，L, L为划分的子区间 个数；1〈L〈Nf。
7. 基于权利要求1所述频谱感知方法的一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知装 置，其特征是：主要由频段池存储器、射频前端、A/D转换模块、时域能量检测模块、频域谱 熵检测模块、能量值比较器、时域双门限判决模块、频域门限判决模块、能量池存储器和谱 熵池存储器组成；其中频段池存储器的输出端经射频前端与A/D转换模块的输入端相连， A/D转换模块的输出端分为两路，其中一路连接时域能量检测模块的输入端，另一路连接频 域谱熵检测模块的输入端；时域能量检测模块的输出端经能量值比较器连接时域双门限判 决模块的输入端；能量值比较器的输出端分为两路，其中一路与时域双门限判决模块的输 入端相连，另一路与频域谱熵检测模块的输入端相连；频域谱熵检测模块的输出端与频域 门限判决模块的输入端相连；时域双门限判决模块的输出端分为两路，其中一路连接能量 池存储器的输入端，另一路与频段池存储器的输入端相连；频域门限判决模块的输出端分 为两路，其中一路与谱熵池存储器的输入端相连，另一路与频段池存储器的输入端相连。
8. 根据权利要求7所述一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知装置，其特征是：还 进一步包括双门限自适应调整模块和计数器；能量值比较器的又一输出端经计数器与双门 限自适应调整模块的输入端相连；双门限自适应调整模块的输出端连接能量值比较器的输 入端。
9. 根据权利要求8所述一种基于时域能量与频域谱熵的频谱感知装置，其特征是：所 述自适应双门限调整模块包括比较器、加或减法器、乘法器和除法器；其中比较器的输入端 连接计数器的输出端，比较器的输出端与加或减法器的输入端相连，加或减法器的输出端 分为两路，其中一路与乘法器相连，另一路与除法器的输入端相连；乘法器输出时域高门限 值，时域低门限值由除法器的输出端输出。
【文档编号】H04W16/14GK104125579SQ201410386188
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】肖海林, 刘彩丽, 王成旭, 贺栋梁, 胡立坤, 许旻, 闫坤 申请人:桂林电子科技大学