专利名称：感知无线电的宽带频谱检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及通信系统，尤其涉及一种感知无线电的宽带频谱检测装置及方法。
背景技术：
无线电频谱是一种宝贵的有限资源，由国家和特定组织统一分配授权使用。一个频段通常只能供一个无线通信系统长期独立使用，不同的无线通信系统为了不会出现互相干扰，必须使用不同的频段。但是随着无线通信技术的迅猛发展，特别是近年来随着数据通信业务的广泛普及，无时无处不在的无线通信使得人们对频谱资源的需求越来越旺盛，频谱资源变得越来越稀缺。
解决频谱资源稀缺的一个主要途径是提高无线系统的传输效率，多发送/接收天线技术(MMO)已经成了当前以及未来无线通信的必然选择。在MMO通信系统中，由于多个发送/接收天线的使用，大大地提高了系统的未知信道参数的数量，这些未知参数都需要使用已知的导频或者训练信号估计得到。额外的导频序列占用了大量的物理资源，因而多天线的使用对这些未知参数的估计提出了很大的挑战。此外，采用如卷积Turbo码、高阶调制等高级的调制编码技术也是提高信道使用效率的方法之一，但是这些方法都无法显著提高频谱资源的利用效率。
另一方面，在传统无线网络中都采用了静态的频谱资源分配策略，其中各个用户之间需要分配足够的保护频带，以避免它们之间的互相干扰，因此当没有用户数据传输时就会造成频谱资源的浪费。研究表明在一定地点的某一时刻，大量授权频段都是没有被利用的，这样导致了频谱资源的利用效率特别低下。
目前，已经出现了改变传统无线网络的静态频谱资源的分配策略，采用动态资源管理机制可以从很大程度上解决频谱资源紧张的局面。感知无线电技术首先是在2000年Mitola的博士论文中提出的,它的定义为:感知无线电是一种基于模型推理在无线电相关领域实现特定能力水平的无线电。感知无线电的基本出发点是:为了提高频谱资源的利用率，具有感知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机(Opportunistic Way) ”的方式工作在已经授权的频段内。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被统称为“频谱空洞”。
感知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并且能够合理利用所发现的“频谱空洞”的能力。感知无线电是一个可以感知无线电环境并相应改变其频谱使用方式的系统。在这样的系统中感知用户(也叫次要用户)借助感知无线电技术主动的搜索频谱以寻求可以使用的频谱空洞，然后利用这些频谱空洞进行有效的通信，在通信过程中实时动态的进行参数控制，以避免对授权用户(也叫主要用户)可能产生的干扰。基于这一特点感知无线电的首要任务就是进行频谱检测，查找能够用来进行业务传输的频谱空洞。
但是，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术的缺陷在于:由于感知无线电的首要任务之一就是探测宽带无线资源中每一块窄带频谱的占用情况，因而根据奈奎斯特(Nyquist)采样理论，宽带的信号检测将会导致A/D采样器必须具有极高的采样速率，这对数字信号处理器的处理速度的要求也会大幅提高，从而导致硬件设备复杂度的增加和成本的大幅提1 。
以下列出本发明的参考文献，通过引用将它们并入于此，如同在本说明书中作了详尽描述。
[1]E.Candes, J.Romberg, and T.Tao，“Robust uncertainty principles:Exactsignal reconstruction from highly incomplete frequency information，” IEEETrans.1nf.Theory, vol.52，n0.2，pp.489-509，Feb.2006.
[2]D.Donoho, “Compressed sensing，” IEEE Trans.1nf.Theory, vol.52，n0.4，pp.5406-5425，Apr.2006.
[3] E.J.Candes and Μ.B.Wakin，“An introduction to compressivesampling，” IEEE Signal Process.Mag.，vol.25，n0.2，pp.21-30，Mar.2008.
[4]H.Rauhut，K.Schnass and P.Vandergheynst，“Compressed Sensing andRedundent Dictionaries，” IEEE Trans.1nf.Theory, vol.54，n0.5，pp.2210-2219，May2008.
[5]J.Haupt and R.Nowak，“Signal reconstruction from noisy randomprojections, ” IEEE Trans.1nf0.Theory, vol.52，pp.4036-4048，Sept.2006
[6]Patent N0.US2010195590A1.Method and apparatus for radio spectrumsensingor monitoring.
[7]Patent N0.W02009125278A1.Method, apparatus and computer program forsensing spectrum in a cognitive radio environment.
[8]Patent N0.W02010108440A1.Device and method for cooperative spectrumsensing in cognitive radio systems.
[9]Patent N0.W02011016919A1.Spectrum sensing network for cognitiveradios.
[10]US Patent N0.7，482，962.Systems，methods，and apparatuses for digitalwavelet generators for Mult1-Resolution Spectrum Sensing of Cognitive Radioapplications.
[11]US Patent N0.7, 860, 197.Spectrum-sensing algorithms and methods发明内容
本发明实施例提供一种感知无线电的宽带频谱检测装置及方法，目的在于克服现有感知无线电系统中的宽带 频谱检测技术的不足，既能避免釆用单一釆样器时高釆样率的缺点，同时又不需要子带检测器的多个射频链路。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种感知无线电的宽带频谱检测装置，所述宽带频谱检测装置包括:
低速率釆样器，其对宽带信号以低于奈奎斯特釆样定理所要求的釆样速率进行釆样；
频谱重构器，其根据所述低速率采样器所获得的采样序列、以及预定的信号稀疏度，利用信号的稀疏特性进行信号频谱结构的重构，以感知宽带频谱资源的使用状况。
根据本发明实施例的又一个方面，提供了一种感知无线电的宽带频谱检测方法，所述宽带频谱检测方法包括:
对宽带信号以低于奈奎斯特采样定理所要求的采样速率进行采样；
根据所获得的采样序列、以及预定的信号稀疏度，利用信号的稀疏特性进行信号频谱结构的重构，以感知宽带频谱资源的使用状况。
本发明实施例的有益效果在于:通过对宽带信号以低于奈奎斯特采样定理所要求的采样速率进行采样，并利用信号的稀疏特性进行信号频谱结构的重构，可以感知宽带频谱资源的使用状况。由此，不仅大大降低了采样速率，降低了对硬件的要求，而且可以对整个宽带频谱进行检测，避免了使用多个窄带滤波器。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
图1是本发明实施例的宽带频谱检测装置的构成示意图2是本发明实施例的随机采样的示意图3是本发明实施例的随机调制积分采样的示意图4是本发明实施例的随机相乘采样的示意图5是本发明实施例的宽带无线频谱资源的一个实际占用情况的示意图6是本发明实施例的宽带无线频谱的检测结果示意图7是本发明实施例的宽带频谱检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的各种实施方式进行说明。在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，其表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，这些实施方式只是示例性的，不是对本发明的限制。相反，本发明包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。
目前，由于现有频谱资源分配策略中，低使用效率的宽带频谱总是被分成诸多的子带，如果存在频谱空洞，频谱空洞总是以窄带形式出现，不会有针状空洞的出现。同样被占用频谱也是以窄带形式出现，不会存在某一个无线系统仅仅使用非连续离散的频点进行数据通信。
通常情况下，感知无线电系统中的宽带频谱检测是在射频前端使用一系列可调谐的窄带带通滤波器实现，且每一个窄带滤波器只能对整个宽带中的其中某个子带进行检测。这种方法有一定的局限性，因为它需要大量的射频参数，而且每一个滤波器的调谐范围必须预先设定。基于以上分析，宽带感知无线电频谱检测仍然是一件具有挑战性的任务。
本发明实施例提供给一种感知无线电的宽带频谱检测装置，图1是本发明实施例的宽带频谱检测装置的构成示意图，如图1所示，所述宽带频谱检测装置包括:低速率采样器101和频谱重构器102。
其中，低速率采样器101对宽带信号以低于奈奎斯特采样定理所要求的采样速率进行采样；频谱重构器102根据低速率采样器101所获得的采样序列、以及预定的信号稀疏度，利用信号的稀疏特性进行信号频谱结构的重构，以感知宽带频谱资源的使用状况。
在本实施例中，该宽带频谱检测装置可以配置在感知用户设备侧，当感知无线电基站端存在大量的数据需要向感知用户设备传输时，感知用户设备可以通过该频谱检测装置，随时进行宽带频谱检测。
进一步地，该宽带频谱检测装置还可以包括；资源占用判决器；其中该资源占用判决器可以根据频谱重构器102得到的信号频谱结构，来判定宽带信号上的一个或多个子带是否被占用。
在具体实施时，感知用户设备可以将整个频带划分为许多子带。可以根据信号频谱结构，来判定一个或多个子带是否被占用，由此使用还没有被占用的子带。
在本实施例中，可以以远低于Nyquist采样定理要求的速率对宽带信号进行低速率采样，并能以很高的检测概率检测出被占用的子带以及频谱空洞。由此克服现有感知无线电系统中的宽带频谱检测技术的不足，既能避免采用单一采样器时高采样率的缺点，同时又不需要子带检测器的多个射频链路。
在本实施例中，可以利用频谱资源的稀疏特性，对被检测信号进行低速率采样，并基于稀疏采样信号以低复杂度的检测算法得到整个宽带频谱资源的使用状况。以下通过具体的实例对该频谱检测装置的构成、实现步骤及工作原理进行详细说明。
假设原始的宽带信号的连续时域信号表示为s (t)，在Nyquist采样速率(1/T)采样条件下，该宽带信号的离散序列可以表示为:st = [s(0),s(l),...，s (N-1) ]T，则信号的频域可以表示为Sf = [S (O)，S (I)，...，S (N-1) ] Τ，且存在关系st = FHSf，其中，F为傅里叶变换矩阵。
在一个实施方式中，对于宽带信号进行压缩采样，可以采用随机抽样的方法实现。该宽带频谱检测装置还可以包括:随机采样时钟控制器，其控制采样时钟；并且，低速率采样器101根据该采样时钟对宽带信号的离散序列进行随机抽样。
图2是本发明实施例的随机采样的示意图。如图2所示，可以对原始宽带信号的离散形式进行随机抽样，假设抽样矩阵为Q，其中Q的行数和列数分别为M和N，Q的每一行有且只有一个元素为I，且其在每一列的位置随机分布，其余元素为O,则yt = Qst = QFaSf=OSf0
在具体实施时，采样时钟的相邻两个采样时刻可以为奈奎斯特采样间隔的整数倍。此时，对应的采样矩阵为M行N列的宽矩阵,其中M行的每一行均有且只有一个元素为1，其余元素为零。由此可以得到输入为信号频谱，输出为信号时域采样序列的线性测量方程。
在具体实施时，采样时钟的相邻两个采样时刻还可以为奈奎斯特采样间隔的分数倍。此时，对应的采样矩阵为M行N列的宽矩阵,其中M行的每一行均有且只有一个元素为1，其余元素为零。此时，可以对信号的傅里叶变换矩阵做出相应的调整，使得仍可以采用yt=OSf的形式。由此可以得到输入为信号频谱，输出为信号时域采样序列的线性测量方程。
在又一个实施方式中，对于宽带信号进行压缩采样，可以采用随机调制积分的方法实现。即:用一个伪随机序列乘以原始宽带信号的时域信号，然后对乘积信号进行积分，再进行等间隔均匀采样。以此采样方法得到的采样方程构成了宽带频谱估计的线性测量方程。
图3是本发明实施例的随机调制积分采样的示意图。如图3所示，该宽带频谱检测装置还可以包括:伪随机数产生器，其产生伪随机序列；乘法器，其将宽带信号的离散序列与伪随机数产生器产生的伪随机序列相乘；积分器，其将乘法器得到的乘积序列进行积分；并且，低速率采样器101对积分器得到的积分结果进行间隔均匀采样。
在具体实施时，假设伪随机数产生器产生的伪随机序列为:p(0)，p(l)，...，P (N-1)，由其调制生成的连续信号记为P (t)，则它与时域信号相乘的结果为S (t) P (t)。
如图3所示，可以对该信号在[(1-1) X (N/M) XT0,iX (N/M) XT0]区间内进行积分(M为一小于N的整数，i = 1,2,3,...)，提取出该时间间隔内的信号能量，然后以速率I/(MXT0)进行采样，最后得到的离散信号形式可以表示为It = [y(0)，y(l)，...，y(M-l)]T°。其中，Ttl即为Nyquist采样速率(1/T)中的T。则yt等价于:
yt = HDst = HDFaSf = Φ Sf,
其中，
权利要求
1.一种感知无线电的宽带频谱检测装置，所述宽带频谱检测装置包括: 低速率采样器，其对宽带信号以低于奈奎斯特采样定理所要求的采样速率进行采样；频谱重构器，其根据所述低速率采样器所获得的采样序列、以及预定的信号稀疏度，利用信号的稀疏特性进行信号频谱结构的重构，以感知宽带频谱资源的使用状况。
2.根据权利要求1所述的宽带频谱检测装置，其中，所述宽带频谱检测装置还包括: 资源占用判决器，其根据所述频谱重构器得到的信号频谱结构，判定所述宽带信号上的一个或多个子带是否被占用。
3.根据权利要求1所述的宽带频谱检测装置，其中，所述宽带频谱检测装置还包括:随机采样时钟控制器，其控制采样时钟；其中所述采样时钟的相邻两个采样时刻为奈奎斯特采样间隔的整数倍或者分数倍； 并且，所述低速率采样器根据所述采样时钟，对所述宽带信号的离散序列进行随机抽样。
4.根据权利要求1所述的宽带频谱检测装置，其中，所述宽带频谱检测装置还包括: 伪随机数产生器，其产生伪随机序列； 乘法器，其将所述宽带信号的离散序列与所述伪随机数产生器产生的伪随机序列相乘； 积分器，其将所述乘法器得到的乘积序列进行积分； 并且，所述低速率采样器对所述积分器得到的积分结果进行间隔均匀采样。
5.根据权利要求1所述的宽带频谱检测装置，其中，所述宽带频谱检测装置包括多个采样支路，其中每一采样支路包括伪随机数产生器、乘法器、积分器和所述低速率采样器； 所述伪随机数产生器产生伪随机序列；所述乘法器将所述宽带信号的离散序列与所述伪随机数产生器产生的伪随机序列相乘；所述积分器将所述乘法器得到的乘积序列进行积分；并且所述低速率采样器对所述积分器得到的积分结果进行采样。
6.根据权利要求1所述的宽带频谱检测装置，其中，所述频谱重构器通过L-O范数优化、或者L-1范数优化进行信号频谱结构的重构。
7.根据权利要求6所述的宽带频谱检测装置，其中，所述频谱重构器采用压缩采样匹配追踪算法进行信号频谱结构的重构。
8.根据权利要求7所述的宽带频谱检测装置，其中，所述信号稀疏度为所述宽带信号的频谱总频点数目的20 %。
9.根据权利要求7所述的宽带频谱检测装置，其中，所述信号稀疏度根据检测结果确定:如果前一次频谱检测结果中存在占用频点的漏检，则将所述信号稀疏度的数值增加5% ;如果前一次频谱检测结果中存在占用频点的虚检，则将所述信号稀疏度的数值减小5%。
10.一种感知无线电的宽带频谱检测方法，所述宽带频谱检测方法包括: 对宽带信号以低于奈奎斯特采样定理所要求的采样速率进行采样； 根据所获得的采样序列、以及预定的信号稀疏度，利用信号的稀疏特性进行信号频谱结构的重构，以感知宽带频谱资源的使用状况。
全文摘要
本发明提供一种感知无线电的宽带频谱检测装置，所述宽带频谱检测装置包括低速率采样器，其对宽带信号以低于奈奎斯特采样定理所要求的采样速率进行采样；频谱重构器，其根据所述低速率采样器所获得的采样序列、以及预定的信号稀疏度，利用信号的稀疏特性进行信号频谱结构的重构，以感知宽带频谱资源的使用状况。通过本发明实施例，不仅大大降低了采样速率，降低了对硬件的要求，而且可以对整个宽带频谱进行检测，避免了使用多个窄带滤波器。
文档编号H04B17/00GK103138847SQ201110374278
公开日2013年6月5日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者李宏超, 张 杰, 周华 申请人:富士通株式会社