基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法，实现了节点设备和终端设备功率谱密度的多窗谱估计、节点设备和终端设备间感知结果的匹配、通信信道以及备用信道的选择。宽频段范围内的频谱感知由于受到感知精度和硬件资源的限制，难以通过单次采样实现功率谱密度估计。本发明通过设置射频前端谐波滤波器组，周期性切换谐波滤波器和本振频率，实现全频段的功率谱密度估计；通过多次采样与功率谱密度分析，可以还原逼近实际的频谱信息，并有效的检测周期性突发信号；通过节点设备的信息处理实现终端设备间、节点设备与终端设备间的信道匹配；通过信道估计后选择的通信信道以及信道匹配的结果，最终实现备用信道的选择。
【专利说明】基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于认知无线电的通信设备中开机阶段的频谱感知、功率谱密度分 析、信道匹配策略、信道估计以及通信信道和备用信道的选择，特别适用于复杂电磁环境与 地理环境下战术通信设备的智能化，目的是实现通信设备开机后通信网络的自主、快速建 立，各通信链路通信频率、传输速率等传输参数的确定。
【背景技术】
[0002] 无线通信飞速发展，其显著特点可以描述为无线电新业务的高速增长和用户需求 的不断增加。如何提升频谱利用率以满足用户的带宽需求；如何使无线电智能化以致能够 灵活的使用无线资源获取信息服务；如何有效地从环境中获取信息、进行学习以及做出决 策，所有这些都是无线通信技术面临的重大挑战。认知无线电技术由于能够充分、高效的利 用有限的频谱资源，逐渐成为业界和各频谱管理机构的研究热点。基于认知无线电的无线 通信设备可以完成认知无线电网络中的频谱感知与信道认知，实现通信信道与备用信道的 智能选择，进而完成传输参数的初始化。
[0003] 认知无线电得以实现的一个重要前提是具有无线环境感知能力，以及监控有用模 型、用户需求和后续变化的能力，因此，必须在可使用的全频段范围内多维度进行频谱检 测，从而发现可使用的频段。频谱感知过程不同于一般的通信接收机的信号接收过程，它不 需要准确复原所收到的信号信息，只需检测某个频段在某一地理区域，某一时间段上是否 有信号存在。所以它的信号处理过程应该要比普通的通信接收机简单，但从另一方面看，由 于它不是针对具体的通信系统信号的感知，只是要求所检测授权频段的频谱占用信息，亦 即频谱感知的通用性和适用性要强。
[0004] 在传统的非参数频谱感知理论中，核心问题是估计偏差与方差之间的矛盾，这主 要体现在以下两个方面：（1)时间序列的功率谱估计由于旁瓣泄露现象而导致了估计偏差 的产生，这可以通过加窗来减轻；（2)加窗的代价是谱估计方差的增加，这是由于有效样本 数目的减少而导致的信息的丢失。
[0005] 为了解决由于加窗而导致的有效信息的丢失，可以采用多重正交窗。在这种方法 中，记录的数据不需要分段，并且应用了一些不同的窗。每一个窗都应用于整个记录数据 并采用快速傅立叶变换计算周期图，最后对周期图平均得到相应的谱估计。特别地，这种 方法选用Slepian序列作为窗对在固定带宽（f-c〇，f+co)内的时间序列进行线性展开。 S1印ian序列的显著特性就是在有限样本数目下其傅立叶变换的最大能量密度集中于带宽 (f-ω，f+ω)内，即St印ian序列在有限采样点时的傅氏变换具有极佳的能量集中特性。 这种特性允许折中选取谱分辨率来改善谱特性，使得在降低谱估计的方差时不影响估计偏 差。换言之，传统的估计偏差与方差之间的矛盾变为了估计偏差与频谱分辨率之间的矛盾。
【发明内容】
[0006] 本发明公开了一种基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法，实现了节点设备和终 端设备开机阶段全频段频谱的多次采样与功率谱密度分析、节点设备和终端设备间的信道 估计、通信信道以及备用信道的选取。宽频段范围内的频谱感知由于受到感知精度和硬件 资源的限制，难以通过单次采样来实现功率谱密度的估计。通过设置射频前端谐波滤波器 组，周期性的切换谐波滤波器和本振频率，实现全频段的功率谱密度估计；通过多次采样与 功率谱密度分析，可以还原逼近实际的频谱信息，并有效的检测周期性突发信号；通过节点 设备的信息处理实现终端设备间、节点设备与终端设备间的信道匹配；通过信道估计后选 择的通信信道以及信道匹配的结果，最终实现备用信道的选择。本发明完成了通信设备开 机后的精确频谱感知：节点设备和终端设备开机精确频谱感知阶段留有较长的感知时间， 可以实现全频段频谱的多次采样与功率谱密度分析、节点设备和终端设备间的信道估计、 通信信道以及备用信道的选取。
[0007] 本发明的目的在于实现基于多窗谱估计的宽频段频谱感知，包括开机阶段的频谱 感知、功率谱密度分析、信道匹配策略、信道估计以及通信信道和备用信道的选择。本发明 完全解决了基于认知无线电的无线通信设备开机阶段的频谱感知与功率谱密度分析、通信 信道以及备用信道的选择问题，为解决无线通信设备的高可靠性和高适应性提供了一种可 行的途径。
[0008] 本发明的目的是这样实现的：
[0009] 基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法，通过频谱感知获得无线频谱的环境噪声 基底信息，通过功率谱密度分析对无线信道进行排序，通过信道匹配策略得到全网匹配的 相对"干净"的信道，其特征在于包括步骤如下：
[0010] (1)通信设备开机，判断设备类型为节点设备，还是终端设备，如果是节点设备，则 开始对所有终端设备进行轮询接入；如果是终端设备，则开始等待节点设备的轮询接入信 息，收到轮询接入信息后进行回复完成接入，然后等待节点设备的开始感知信令；
[0011] (2)节点设备计时器计时结束后停止轮询，向完成接入的终端设备发送开始感知 信令；
[0012] (3)当节点设备的开始感知信令发送完毕或终端设备接收到开始感知信令后， 节点设备和终端设备开始分别通过多窗谱估计算法对全频段频谱依次进行功率谱密度感 知；
[0013] ⑷功率谱密度感知完成后，节点设备和终端设备分别对感知的功率谱密度进行 分析；
[0014] (5)功率谱密度分析结束后，如果是节点设备，则开始对接入的所有终端设备的功 率谱密度分析结果进行轮询；如果是终端设备，则等待节点设备的轮询信息，并在轮询到本 终端设备后将功率谱密度分析结果上报至节点设备；
[0015] (6)节点设备轮询结束并收到终端设备的功率谱密度分析结果后，首先通过信道 匹配策略对所有终端设备间的功率谱密度分析结果进行匹配，然后将匹配结果与节点设备 的功率谱密度分析结果进行二次匹配，并根据信道带宽得到初步的通信信道；
[0016] (7)节点设备得到初步的通信信道后，将初步的通信信道发送至各终端设备；
[0017] (8)节点设备分别与各终端设备对初步的通信信道进行两两信道估计得到最终的 通信信道；根据得到的最终通信信道，节点设备在初步通信信道结果中选择相应的信道作 为备用通信信道；
[0018] (9)最终通信信道与备用通信信道确定后，节点设备将通信信道与相应的传输参 数发给终端设备，然后经过必要的轮询注册后即开始通信。
[0019] 其中，步骤（1)中节点设备对所有终端设备进行轮询接入，具体包括以下步骤：
[0020] (1. 1)设备开机后，如果是节点设备则开始通过低速信令波形依次发送轮询接入 信息，等待终端设备的回复与接入；如果是终端设备则等待节点设备的轮询接入信息；
[0021] (1. 2)终端设备收到节点设备的轮询接入信息后，回复轮询完成接入，然后等待节 点设备发送的开始感知信令；
[0022] (1. 3)节点设备收到第1个终端设备的轮询回复后，标记该设备为接入状态，并启 动计时器；
[0023] (1. 4)节点设备在计时器结束之前继续对其它终端设备进行轮询接入；
[0024] (1. 5)计时器计时结束后，节点设备完成轮询，对所有接入的终端设备在低速信令 波形上广播发送开始感知信令。
[0025] 其中，步骤（3)中通过多窗谱估计算法对全频段频谱依次进行功率谱密度感知， 具体包括以下步骤：
[0026] (3. 1)切换节点设备与终端设备的谐波滤波器；
[0027] (3. 2)切换节点设备与终端设备的本振频率；
[0028] (3. 3)对切换后的频谱进行多次时域采样；
[0029] (3. 4)对时域采样信号分多路进行DPSS序列加窗；
[0030] (3. 5)对加窗后的信号进行多窗估计，得到对应的功率谱密度，然后判断是否为最 后一段频谱，如果是则转入步骤（3.6);如果不是最后一段频谱，则判断是否谐波滤波器， 如果需要切换，则转至步骤（3. 1)，如果不需要切换，则转至步骤（3.2);
[0031] (3. 6)对最后一段频谱感知结束后即可以得到全频段频谱的功率谱密度感知结 果。
[0032] 其中，步骤（4)中节点设备和终端设备分别对感知的功率谱密度进行分析具体包 括以下步骤：
[0033] (4. 1)将全频段频谱的功率谱密度感知结果分两路进行处理：一路最大保持，选 出每个频点多次估计中的最大值作为最大保持值；另一路逐一相加后求均值；
[0034] (4. 2)将得到的均值，乘以设定的系数作为信道门限值；
[0035] (4. 3)将最大保持值根据波道间隔每若干个点为一段与信道门限值比较，如果这 些点均低于门限值，此段设为A，反之设为B ;
[0036] (4. 4)如果连续多段均为A且这些段的带宽和等于信道带宽，则以这几段中第1段 的标号作为信道标号并标记为1，并求得这几段的均值；反之则标记为〇 ;
[0037] (4. 5)将记录的信道标号按照均值由低到高排列，标号为0时自动排至序列末端， 得到功率谱密度分析结果。
[0038] 其中，步骤（6)中的信道匹配策略主要由节点设备完成，其流程包括以下步骤：
[0039] (6. 1)在全频段范围内按频率由低到高生成信道列表；
[0040] (6. 2)依次将各终端设备的功率谱密度分析结果填入表中；如果对应信道的标记 为〇,表示该信道在对应的终端处不可使用，表中填入〇 ;
[0041] (6. 3)首先比较各条信道中非0值的个数，按照个数由多到少排序，个数较多的信 道优先选用；如果个数相同则将非0值相加后求均值，均值较小的优先选用；如果均值仍相 同，则优先选用序号较小的信道；
[0042] (6. 4)将步骤（6. 3)中选择的信道按照优先等级排序，然后与节点设备的功率谱 密度分析结果一起填入与步骤（6.2)相同的表中，并根据步骤（6.3)中的策略得出最终的 信道排序结果。
[0043] 其中，步骤（8)中节点设备在初步通信信道结果中选择相应的信道作为备用通信 信道，其流程包括以下步骤：
[0044] (8. 1)设定通信信道与备用信道以及备用信道间的最小频率间隔，节点设备根据 最终的通信信道与最小频率间隔从剩余的初步通信信道中选择排序最前的第1条备用信 道；
[0045] (8. 2)节点设备根据最终的通信信道、第1条备用信道与最小频率间隔从剩余的 初步通信信道中选择排序最前的第2条备用信道；
[0046] (8. 3)节点设备根据最终的通信信道、第1条备用信道、第2条备用信道与最小频 率间隔从剩余的初步通信信道中选择排序最前的第3条备用信道。
[0047] 本发明与现有技术相比有如下有益效果：
[0048] (1)针对现有无线通信设备在复杂地理环境和电磁环境中智能性低，通信链路建 立困难等问题，本发明提出了基于多窗谱估计的无线频谱感知功能，通过对整个通信频段 频谱进行扫描，获得背景噪声和干扰较低的通信频点；通过功率谱密度分析，得出本地推荐 的相信道。
[0049] (2)针对现有无线通信设备本地信道的差异性，基于多窗谱估计的宽频段频谱感 知方法包含了节点设备和终端设备间的信道匹配策略，实现了节点设备和终端设备间无线 信道参数的评估，可以完成通信网络频率、速率等传输参数的统一规划。
[0050] (3)针对无线通信设备地理环境和电磁环境多变性，基于多窗谱估计的宽频段频 谱感知方法不仅选择了最优的通信信道，而且根据选择的通信信道确定了备用信道，为通 信过程中环境变化时频率的调整提供了依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0051] 图1是本发明频谱感知与处理的流程图。
[0052] 图2是终端设备接入的流程图。
[0053] 图3是本DPSS序列时域波形图。
[0054] 图4是感知频率本振切换与点数选取示意图。
[0055] 图5是多窗谱估计流程图。
[0056] 图6是功率谱密度分析与信道选择流程图。
【具体实施方式】
[0057] 下面，结合附图对本发明作进一步说明。
[0058] 基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法，通过频谱感知获得无线频谱的环境噪声 基底信息，通过功率谱密度分析对无线信道进行排序，通过信道匹配策略得到全网匹配的 相对"干净"的信道，如图1所示。其特征在于包括步骤如下：
[0059] (1)通信设备开机，判断设备类型为节点设备，还是终端设备，如果是节点设备，则 开始对所有终端设备进行轮询接入；如果是终端设备，则开始等待节点设备的轮询接入信 息，收到轮询接入信息后进行回复完成接入，然后等待节点设备的开始感知信令，如图2所 /_J、1 〇
[0060] (2)节点设备计时器计时结束后停止轮询，向完成接入的终端设备发送开始感知 信令。
[0061] (3)当节点设备的开始感知信令发送完毕或终端设备接收到开始感知信令后，节 点设备和终端设备开始分别通过多窗谱估计算法对全频段频谱依次进行功率谱密度感知。 [0062] 本设计中拟采用多窗谱估计算法来实现功率谱密度估计。传统的周期图法只用一 个数据窗，而Thomson对同一数据序列用多个正交的数据窗分别求直接谱，然后求平均得 到谱估计，因而可以得到较小的估计方差。这多个数据窗必须相互正交，以阻止频谱泄漏。 [0063] 多窗谱定义如下：
【权利要求】
1. 一种基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法，实现了节点设备和终端设备开机阶段 全频段频谱的多次采样与功率谱密度分析、节点设备和终端设备间的信道估计、通信信道 以及备用信道的选取，其特征在于包括如下步骤： (1) 通信设备开机，判断设备类型为节点设备，还是终端设备，如果是节点设备，则开始 对所有终端设备进行轮询接入；如果是终端设备，则开始等待节点设备的轮询接入信息，收 到轮询接入信息后进行回复完成接入，然后等待节点设备的开始感知信令； (2) 节点设备计时器计时结束后停止轮询，向完成接入的终端设备发送开始感知信 令； (3) 当节点设备的开始感知信令发送完毕或终端设备接收到开始感知信令后，节点设 备和终端设备开始分别通过多窗谱估计算法对全频段频谱依次进行功率谱密度感知； (4) 功率谱密度感知完成后，节点设备和终端设备分别对感知的功率谱密度进行分 析； (5) 功率谱密度分析结束后，如果是节点设备，则开始对接入的所有终端设备的功率谱 密度分析结果进行轮询；如果是终端设备，则等待节点设备的轮询信息，并在轮询到本终端 设备后将功率谱密度分析结果上报至节点设备； (6) 节点设备轮询结束并收到终端设备的功率谱密度分析结果后，首先通过信道匹配 策略对所有终端设备间的功率谱密度分析结果进行匹配，然后将匹配结果与节点设备的功 率谱密度分析结果进行二次匹配，并根据信道带宽得到初步的通信信道； (7) 节点设备得到初步的通信信道后，将初步的通信信道发送至各终端设备； (8) 节点设备分别与各终端设备对初步的通信信道进行两两信道估计得到最终的通信 信道；根据得到的最终通信信道，节点设备在初步通信信道结果中选择相应的信道作为备 用通信信道； (9) 最终通信信道与备用通信信道确定后，节点设备将通信信道与相应的传输参数发 给终端设备，然后经过必要的轮询注册后即开始通信。
2. 根据权利要求1所述的基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法，其特征在于：步骤 (1)中节点设备对所有终端设备进行轮询接入，具体包括以下步骤： (1. 1)设备开机后，如果是节点设备则开始通过低速信令波形依次发送轮询接入信息， 等待终端设备的回复与接入；如果是终端设备则等待节点设备的轮询接入信息； (1. 2)终端设备收到节点设备的轮询接入信息后，回复轮询完成接入，然后等待节点设 备发送的开始感知信令； (1. 3)节点设备收到第1个终端设备的轮询回复后，标记该设备为接入状态，并启动计 时器； (1. 4)节点设备在计时器结束之前继续对其它终端设备进行轮询接入； (1. 5)计时器计时结束后，节点设备完成轮询，对所有接入的终端设备在低速信令波形 上广播发送开始感知信令。
3. 根据权利要求1所述的基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法，其特征在于：步骤 (3)中通过多窗谱估计算法对全频段频谱依次进行功率谱密度感知，具体包括以下步骤： (3. 1)切换节点设备与终端设备的谐波滤波器； (3. 2)切换节点设备与终端设备的本振频率； (3. 3)对切换后的频谱进行多次时域采样； (3. 4)对时域采样信号分多路进行DPSS序列加窗； (3. 5)对加窗后的信号进行多窗估计，得到对应的功率谱密度，然后判断是否为最后一 段频谱，如果是则转入步骤（3.6);如果不是最后一段频谱，则判断是否谐波滤波器，如果 需要切换，则转至步骤（3. 1)，如果不需要切换，则转至步骤（3.2); (3. 6)对最后一段频谱感知结束后即可以得到全频段频谱的功率谱密度感知结果。
4. 根据权利要求1所述的基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法，其特征在于：步骤 (4)中节点设备和终端设备分别对感知的功率谱密度进行分析具体包括以下步骤： (4. 1)将全频段频谱的功率谱密度感知结果分两路进行处理：一路最大保持，选出每 个频点多次估计中的最大值作为最大保持值；另一路逐一相加后求均值； (4. 2)将得到的均值，乘以设定的系数作为信道门限值； (4. 3)将最大保持值根据波道间隔每若干个点为一段与信道门限值比较，如果这些点 均低于门限值，此段设为A，反之设为B ; (4. 4)如果连续多段均为A且这些段的带宽和等于信道带宽，则以这几段中第1段的标 号作为信道标号并标记为1，并求得这几段的均值；反之则标记为〇 ; (4. 5)将记录的信道标号按照均值由低到高排列，标号为0时自动排至序列末端，得到 功率谱密度分析结果。
5. 根据权利要求1所述的基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法，其特征在于：步骤 (6)中的信道匹配策略主要由节点设备完成，其流程包括以下步骤： (6. 1)在全频段范围内按频率由低到高生成信道列表； (6. 2)依次将各终端设备的功率谱密度分析结果填入表中；如果对应信道的标记为0， 表示该信道在对应的终端处不可使用，表中填入〇 ; (6.3) 首先比较各条信道中非0值的个数，按照个数由多到少排序，个数较多的信道优 先选用；如果个数相同则将非〇值相加后求均值，均值较小的优先选用；如果均值仍相同， 则优先选用序号较小的信道； (6.4) 将步骤（6.3)中选择的信道按照优先等级排序，然后与节点设备的功率谱密度 分析结果一起填入与步骤（6.2)相同的表中，并根据步骤（6.3)中的策略得出最终的信道 排序结果。
6. 根据权利要求1所述的基于多窗谱估计的宽频段频谱感知方法，其特征在于：步骤 (8)中节点设备在初步通信信道结果中选择相应的信道作为备用通信信道，其流程包括以 下步骤： (8. 1)设定通信信道与备用信道以及备用信道间的最小频率间隔，节点设备根据最终 的通信信道与最小频率间隔从剩余的初步通信信道中选择排序最前的第1条备用信道； (8. 2)节点设备根据最终的通信信道、第1条备用信道与最小频率间隔从剩余的初步 通信信道中选择排序最前的第2条备用信道； (8. 3)节点设备根据最终的通信信道、第1条备用信道、第2条备用信道与最小频率间 隔从剩余的初步通信信道中选择排序最前的第3条备用信道。
【文档编号】H04B17/00GK104104459SQ201410386363
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】刘玉涛 申请人:中国电子科技集团公司第五十四研究所