一种基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知方法及系统

本发明属于无线通信，尤其涉及一种基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知方法及系统。

背景技术：

1、随着无线流量与连接数量的爆炸式增长，现有频段可用的频谱资源不足以支撑日益增长的频谱需求。动态频谱接入技术通过使次用户接入主用户频谱实现高效的频谱共享，能够有效缓解频谱短缺的问题。在动态频谱接入系统中，次用户在接入主用户的频谱的同时需要保证对主用户的信息传输不产生影响或者将影响限制在一定范围内，因此需要频谱感知技术实现对主用户频谱占用状态的精准检测。

2、在频谱感知系统中，当主用户频谱为占用状态时，如果次用户处接收到主用户的信号强度远弱于背景干扰及加性噪声的强度，次用户很难实现对主用户频谱占用状态的精准感知，导致主次用户的信息传输过程容易发生碰撞，互相干扰。对于现有频谱感知系统，次用户只能通过增加感知时间以保证频谱感知的准确度，从而实现对主用户信息传输过程的保护。然而，过长的感知时间虽然能够有效保护主用户的信息传输，但同时也会挤占次用户在主用户频谱中的接入时间，限制了动态频谱接入系统频谱效率的提升空间。这本质上是因为无线环境中信道的不可控性，以至于只能通过牺牲次用户的接入时间来消除感知结果的不确定性。

3、近年来，智能反射表面的出现使得重构和改善无线信道成为。在智能反射表面的基础上，主动式智能反射表面通过在引入信号放大功能，能够在相同的反射单元数目下实现更高的性能增益。此外，智能反射表面还具有环境友好、易部署、高兼容性等特点，几乎能够直接部署在各种无线通信系统中并取得显著的性能提升。因此，上述现有频谱感知系统中存在的问题也有望通过引入智能反射表面得到解决。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、现有频谱感知系统中，次用户只能通过增加感知时间以保证频谱感知的准确度，从而实现对主用户信息传输过程的保护。然而，过长的感知时间虽然能够有效保护主用户的信息传输，但同时也会挤占次用户在主用户频谱中的接入时间，限制了动态频谱接入系统频谱效率的提升空间。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知方法及系统。

2、本发明是这样实现的，一种基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知方法，所述基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知方法包括：

3、步骤一，基于假设和对存在相关噪声的感知信号样本进行白化处理；

4、步骤二，建立主动式智能反射表面的总功耗模型；

5、步骤三，建立主动式智能反射表面的反射系数矩阵优化问题；

6、步骤四，最大化假设下总体协方差矩阵的最大特征值，得到最优的反射系数配置方法。

7、进一步，所述步骤一，两个假设分别是主用户不活跃和主用户活跃，记为和在一个感知周期内，这两种假设下的第t个信号样本可以表示为

8、

9、其中表示主用户的发送信，p0表示主用户的发送功率；表示干扰者k发送的信号，pk表示干扰者k的发送功率；表示主动式智能反射表面处的热噪声；是次用户处的加性高斯白噪声；αk是一个二元指示变量，其中αk＝1表示第k个干扰者活跃，αk＝0表示该干扰者不活跃，ζk＝pr(αk＝1)表示干扰者k活跃的概率。

10、进一步，所述步骤一，对存在相关噪声的感知信号样本进行白化处理，具体过程如下：

11、x[t]＝q-1y[t]， (2)

12、其中

13、

14、两种假设下白化后的信号样本可以写成

15、

16、

17、其中

18、进一步，所述步骤二，主动式智能反射表面的功耗主要包含三个部分：第一部分是反射单元的控制和相移转换电路的功耗，记为pc；第二部分是支撑各个反射单元放大能力的直流功耗，记为pdc；第三部分是放大信号能量导致的功耗，记为pout，因此，主动式智能反射表面的总功耗模型为

19、paris＝m(pc+pdc)+pout. (5)

20、进一步，所述步骤三，主动式智能反射表面的反射系数矩阵优化问题可以写成如下形式

21、

22、

23、am≤amax, (6)

24、其中目标函数是假设下总体协方差矩阵最大特征值，限制条件分别是主动式智能反射表面的功耗约束和各反射单元的最大放大倍数限制。

25、进一步，所述步骤四，把问题p1等价转换为

26、p2:minφ,u,ωω∈(u,φ)-logω

27、

28、am≤amax. (9)

29、问题p2对于每个优化变量φ，u，ω都是凸问题，通过交替优化算法来求解问题p2，即在固定其他两个变量的同时对一个变量进行优化，其中，在给定φ和u的情况下，最优的ω为

30、

31、在给定φ和ω的情况下，最优的u为

32、

33、在给定u和ω的情况下，最优的φ可以通过求解如下问题获得：

34、p2-1:minφ∈(uopt,φ)

35、

36、am≤amax. (12)

37、其中

38、

39、然后，记fk＝diag(fk)，φ＝[φ1,…,φm]t，则有

40、

41、

42、其中问题p2-1可以等价转换为

43、

44、

45、

46、

47、其中，

48、

49、

50、问题p2-2可以使用cvx工具箱求解。

51、本发明的另一目的在于提供一种基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知系统，所述基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知系统包含一个单天线的主用户，k个单天线的干扰者，一个装配m个反射单元的主动式智能反射表面，和一个装配n根天线的次用户，由三个模块组成：

52、信号处理模块，用于对感知信号样本进行白化处理；

53、模型建立模块，用于主动式智能反射表面的总功耗模型；

54、频谱感知模块，用于使用最大特征值检测方法得到最优的反射系数配置方法。

55、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知方法的步骤。

56、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知方法的步骤。

57、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知系统。

58、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

59、第一、传统频谱感知系统中，在主用户信号比较弱时，次用户只能通过牺牲传输时间来提高感知准确率以保护主用户传输，导致次用户有效传输时间减少。该问题本质原因是无线信道的不可控性，因此在传统系统中无法解决。本发明提出一种基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知方法及系统，通过引入主动式智能反射表面改变无线信道，在增强次用户处接收到主用户的信号强度的同时，也能够有效抑制影响感知结果准确度的背景干扰强度，从而最大幅度提高有限感知时间内的频谱感知准确度。因此，次用户无须再通过牺牲自身传输时间来提高感知性能，提高了次用户的有效传输时间。

60、第二，本发明提出一种基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知方法及系统，通过引入主动式智能反射表面改变无线信道，增强次用户处接收到主用户的信号强度，同时抑制影响感知结果准确度的背景干扰强度，能够大幅减小实现目标频谱感知准确度所需的感知时间，提高了次用户的有效接入时间。

61、第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明首次将主动式智能反射表面整合到频谱感知系统中，并提出了能够兼顾增强次用户处接收到主用户的信号强度和抑制影响感知结果准确度的背景干扰强度的配置方法，在保证感知准确度的同时能够减少所需的感知时间，填补了国内外业内技术空白。

62、本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：传统频谱感知系统中，在主用户信号比较弱时，次用户只能通过牺牲传输时间来提高感知准确率以保护主用户传输，导致次用户有效传输时间减少。该问题本质原因是无线信道的不可控性，因此在传统系统中无法解决。本发明提出一种基于主动式智能反射表面的增强型频谱感知方法及系统，通过引入主动式智能反射表面改变无线信道，在增强次用户处接收到主用户的信号强度的同时，也能够有效抑制影响感知结果准确度的背景干扰强度，从而最大幅度提高有限感知时间内的频谱感知准确度。因此，次用户无须再通过牺牲自身传输时间来提高感知性能，提高了次用户的有效传输时间，解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题。