专利名称：基于单比特压缩感知技术的多用户协作频谱感知方法
技术领域：
本发明涉及一种基于单比特压缩感知技术的多用户协作频谱感知方法，属于认知无线电的技术领域。
背景技术：
首先介绍认知无线电与频谱感知技术。随着无线通信需求的不断增长，用户要求无线通信技术支持的数据传输速率也越来越高。根据香农信息论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得越来越稀缺。因此，日益稀少的频谱资源成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有无线通信系统使用的频谱资源通常都在时间和空 间上存在不同程度的闲置，例如虽然移动通信系统与广播系统都被分配了专用无线频谱资源进行通信，但是，这些频谱仅在系统工作时才会被利用，在系统不工作或处于等待状态中时，大部分被分配的频谱资源处于空闲状态，这也就降低了频谱的使用效率。为了从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，人们提出了认知无线电CR(Cognitive Ratio)技术来解决频谱利用率低下的问题。认知无线电技术主要是指具备认知能力的无线终端通过其对周围无线环境的检测和认知后，利用相应检测结果来调整传输参数，以便使用最适宜的无线频谱资源(如频率、发送功率等)完成无线传输。其基本方案是利用空闲的频谱资源(或称为“频谱空洞”)进行通信。当然，其前提是这些已授权频段未被使用，或者其只有很少的通信业务时；即当非授权通信用户使用已授权的频谱资源时，必须保证其通信不会影响其他已授权用户的通信。认知无线电技术的关键主要包括频谱感知技术、认知无线电的频谱资源分配技术及其频谱资源管理技术等。其中，频谱感知的成功与否决定了认知无线电的整体性能，本发明就是针对频谱感知技术提出的创新方法。在对频谱进行检测时，尤其是在检测常见的宽带频谱时，根据奈奎斯特(Nyquist)采样定理进行检测的带宽越宽，其包含的频谱范围越大，恢复频谱所需的采样频率也就越高，对相关设备的要求也就越高，这就大大增加了频谱感知技术应用的成本与难度。为了降低感知过程中的采样难度，降低采样频率，同时保证频谱预测的准确度，一种将压缩感知技术CS (Compressive Sensing)与频谱感知技术融合的压缩频谱感知技术CSS (CompressiveSpectrum Sensing)被应用于认知无线电的场景中。下面先简单介绍压缩感知CS技术。在传统的数字信号处理领域，发送端设置的采样率要遵从Nyquist采样定律，以使接收端能够正确恢复数据。但是，随着数字采样技术的不断发展，目前，这个传统理论已
经遭遇极大的挑战。近年来，一种新的采样理论-压缩采样或压缩感知CS (compressed
sampling or compressive sensing)技术推翻了米样率必须大于Nyquist米样率的要求。该方法是在采样的同时，实现信号的压缩即发送端以低于Nyquist速率的采样率对信号进行采样，而接收端依然能够以极高的准确率恢复原始信号，这样就大大降低系统在数据采样和存储上的开销(参见《Compressed sensing》，刊于IEEE Transactions onInformation Theory, vol.52,Apr. 2006)。利用CS技术处理的信号必须具备稀疏性。例如，给定NXN维的矩阵V = [￥j ￥2|. . . I ￥j. . . I VN],式中，￥为N维空间中的一组基底，自然数下标i是这组基
底￥中的基向量序号，每个长度为自然数N的实数信号X都可表示为
权利要求
1.一种基于单比特压缩感知技术的多用户协作频谱感知方法，其特征在于基于无线频谱资源的实际占用率较低的现状，每个感知用户CU分别利用单比特复数信号压缩感知技术，对主用户发送的宽带模拟基带信号进行压缩采样后，分别将其获得的压缩采样结果传递给融合中心Fe，并由FC对宽带模拟基带信号对应的频域信号进行协作重构，以获得频谱资源的占用情况；所述方法包括下述操作步骤 (1)每个CU分别采用单比特压缩感知方法对接收到的有噪宽带模拟基带信号进行压缩采样，选取欠采样值的符号位作为最终的压缩采样结果，因宽带模拟基带信号和采样矩阵的元素均为复数，故得到的压缩采样结果是包括实部与虚部两部分符号位的复数信号；然后，每个CU将压缩采样结果传送给融合中心FC，以减少存储与传输的数据量，降低感知设备的采样难度，减少功耗并延长设备使用时间； (2)FC将接收到的来自各个CU的压缩采样结果表示为实数形式，并采用单比特压缩感知的恢复算法对宽带模拟基带信号对应的频域信号进行协作重构，得到当前的频谱资源占用情况。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述方法的应用场景如下该认知无线网络中有数量为J个感知用户协作进行频谱感知，主用户发送的宽带模拟基带信号X为长度为N的一维向量，且该X的频域响应为S，即S=Fx ;式中，F为N点的酉DFT矩阵，则X=F4Sf1是F的逆矩阵；所有CU使用相同的测量矩阵Φ，每个CU对其接收到的有噪信号I· = x + n；分别采用单比特压缩感知技术进行压缩，以尽可能降低每个CU的数据传输速率；其中，自然数下标j是感知用户序号，其取值范围为[1，J] ;Φ SMXN维矩阵，M为测量向量的维度，N是宽带模拟基带信号X的长度是第j个⑶处的均值为O和方差为<的正态分布的噪声。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(I)中，每个感知用户的采样操作包括下列具体步骤 (11)将接收到的有噪信号I乘以测量矩阵Φ，得到接收信号的欠采样值自然数下标j是感知用户序号，其取值范围为[1，J]; (12)提取该接收信号的欠采样值的符号位，得到每个CU的压缩采样结果值f j = sign{^^j)，其中，运算符sign (a)代表取a的符号位,若a〈0,则其值为-I,若a彡O,则其值为I ,的长度为测量向量的维度M。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(2)中，FC对宽带模拟基带信号对应的频域信号进行协作重构的操作包括下列操作内容 (21)初始化设定迭代运算计数器的初始值I = I ;FC将接收到的每个⑶的压缩采样结果_用实数形式表示为;由于传送过程会受到新的噪声n' ^的影响，故 -~ I ,.FC将恢复矩阵表示为实数形
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述步骤(22)中，计算子梯度的第一种方法包括下列操作步骤 (22A)因传输环境被噪声污染的程度不同，FC对其接收的每个CU的压缩采样值的权重
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述步骤(22)中，计算子梯度的第二种方法包括下列操作步骤 (22a)根据压缩采样值的质量高低，FC对CU进行分类，分为两个子集合质量高的子集合Ah和质量低的子集合Ad，相应地将采用第一种方法加权后的^也对应分成两个子集合 Vi 和y￡Ai，(22b)先定义目标函数
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤(22Α)中，FC计算每个CU的权 重系数的计算公式为
全文摘要
一种基于单比特压缩感知技术的多用户协作频谱感知方法，是基于无线频谱资源的实际占用率较低的现状，多个CU分别利用单比特复数信号压缩感知技术，对主用户发送的宽带模拟基带信号进行压缩采样后，分别将其获得的压缩采样结果传递给FC，并由FC对宽带模拟基带信号对应的频域信号进行协作重构，以获得频谱资源的占用情况。与传统的感知方法相比较，本发明充分考虑实际量化操作的简便性，进一步降低了压缩频谱感知所需的比特速率，且降低了每个感知用户的计算复杂度，多用户协作频谱感知与单用户独立感知相比较，可以获得更好的感知效果。
文档编号H04W28/06GK102984711SQ20121047537
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者徐文波, 牛凯, 韩笑, 孙健行, 田耘 申请人:北京邮电大学