[发明专利]宽带频谱感知方法和装置及相应的用户设备和基站

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络技术，具体地，涉及基于欠奈奎斯特采样和循环特性检测的宽带频谱感知方法和装置以及相应的用户设备和基站。

背景技术

如今，认知无线电(Cognitive Radio：CR)由于其能够更有效的利用有限的频谱资源而得到越来越普遍的关注。实现认知无线电的一项关键的技术便是宽带频谱检测：认知无线电用户需要从一个很大的带宽范围内识别出空闲的子频带供其使用。传统的宽带频谱检测技术设置一组可调的窄带带通滤波器来识别各个子频带的占用情况，这样的方法一次只能识别一个子频带是否被占用，给频谱检测过程带来了较大的延时。为了一次能检测多个子频带是否被占用，一种方法是设置多个窄带射频通道，这为系统带来了巨大的开发成本和增加了的系统复杂度。另一种方法是采用一个宽带的射频通道来处理整个带宽上的信号。根据奈奎斯特远离，这种方法要求的采样频率必须是整个带宽的2倍以上。而认知无线电通常需要检测很宽的带宽，因此所需的采样频率会非常高，这时则必须使用高速的模数转换和数字信号处理设备，为系统的实现带来了成本方面的不利影响。

为了避免因满足奈奎斯特原理而产生的高采样率带来的不利影响，基于压缩感知(Compressive sensing：CS)的欠奈奎斯特采样技术是不错的选择。这项技术基于以下事实：宽带频谱的占用通常是稀疏的。利用压缩感知技术，稀疏信号检测所需的采样率可以大大低于奈奎斯特采样率。因此压缩感知能显著地降低宽带频谱检测的采样率，从而大大降低对模数转换及数字信号处理设备的要求。在基于压缩感知的欠奈奎斯特采样技术中，调制宽带转换器(Modulated Wideband Converter：MWC)技术是其中较为卓越的一种。如图1所示，输入信号经调制宽带转换器处理后生成一组窄带信号，这组窄带信号能用较低的采样率来采样。在理想情况下(没有噪声影响)，我们可以从调制宽带转换器输出的窄带信号中恢复出原始的稀疏宽带信号，从而实现了欠奈奎斯特采样率下的宽带频谱感知。

然而，实际系统中，由于输入信号中不可避免地带有诸如高斯白噪声的噪声，而且这些噪声由于调制宽带转换器的频谱叠加作用而累积，从而使得输出信号的信噪比远小于输入信号的信噪比。为了不对主用户产生干扰，认知无线电用户通常需要具有识别非常微弱的主用户信号的能力。当主用户信号非常微弱时，调制宽带转换器的噪声累积作用将使情况进一步恶化，使输出信号中的主用户信号完全淹没在噪声信号之中而变得不可识别。因此，调制宽带转换器技术在实际应用中由于噪声的累积而变得无法正常工作。

发明内容

根据上述对背景技术以及存在的技术问题的理解，本发明设计了一种在使用调制宽带转换器利用其欠奈奎斯特采样的优点的同时又能去除调制宽带转换器的噪声叠加的影响，从而有效地进行宽带频谱检测的技术，即基于欠奈奎斯特采样和循环特性检测的宽带频谱感知方法和装置。

根据本发明的第一方面，提出了一种基于欠奈奎斯特采样和循环特性检测的宽带频谱感知方法，包括：

a.输入信号经欠奈奎斯特采样模块转换为第一输出信号；

b.由循环交叉谱密度或循环交叉相关函数产生器计算所述第一输出信号的第一循环交叉谱密度向量或第一循环交叉相关函数向量；

c.利用稀疏信号恢复技术根据所述第一循环交叉谱密度向量或所述第一循环交叉相关函数向量计算出所述输入信号的经过频谱搬移及低通滤波后的信号的第二循环交叉谱密度向量或第二循环交叉相关函数向量；以及

d.所述第二循环交叉谱密度向量或所述第二循环交叉相关函数向量经阈值化处理得出被占用的子频带的估值。

在一个实施例中，所述欠奈奎斯特采样模块为调制宽带转换器。调制宽带转换器(Modulated Wideband Converter)为欠奈奎斯特采样技术的一种形式，该技术具有低计算复杂度和对模型的不匹配及硬件非理想等因素的鲁棒性等优点。

在一个实施例中，所述输入信号的信噪比低于-3dB。本发明所述的方法即使是在-10dB甚至更低的信噪比情况下均能很好地工作。

根据本发明的第二方面，提出了一种基于欠奈奎斯特采样和循环特性检测的宽带频谱感知装置，包括：

欠奈奎斯特采样模块，其用于将输入信号转换为第一输出信号；

循环交叉谱密度或循环交叉相关函数产生器，其用于计算所述第一输出信号的第一循环交叉谱密度向量或第一循环交叉相关函数向量；