認知無線電中空域的幹擾溫度估計方法

2023-09-18 01:55:25

專利名稱：認知無線電中空域的幹擾溫度估計方法
技術領域：
本發明涉及無線通信技術領域，具體地說是一種認知無線電技術中空域的幹擾溫度估計方法，用於判定認知無線電系統使用頻段在空域上的頻譜空洞的可用性狀況。
背景技術：
在認知無線電技術中，需要分析考察頻段並且根據一定的衡量標準判定它是否屬於白空，其中一個很重要的問題就是對考察頻段的幹擾溫度的估計。在文獻「Cognitive RadioBrain-Empowered Wireless Communications」中提出了一種在考察區域內計算某個考察頻段的幹擾溫度的方法，首先在考察區域內放置足夠多的傳感器對空間信號進行接收，然後通過多窗譜估計MTM算法或者其它的譜估計算法對考察區域內所有傳感器接收到的信號合起來進行頻域特性的分析，再利用奇異值分解SVD算法進行特徵值的提取與合併，最後形成一個明確的在考察頻段上的幹擾溫度估計值。將該唯一的幹擾溫度估計值與設定的幹擾溫度限進行比較，來確定在該考察區域內考察頻段是否為白空。
上述的對考察區域的幹擾溫度的估計方法存在一些問題。首先，在幹擾溫度估計過程中，考察區域在考察頻段上的幹擾溫度只用一個值表示，這樣的操作忽略了幹擾溫度在空域的變化特性，將整個空域劃分為若干個獨立的考察區域，每個考察區域具有黑空或者白空的特性，相當於將幹擾溫度在空域內進行了離散化，使其在空域的精細程度變差，這樣將會導致該考察區域內的某些子區域的白空被漏掉。其次，該方法採用考察區域內的傳感器接收信號，只能分析得到該考察區域內的幹擾溫度值，而無法同時得到其鄰接區域的幹擾溫度值，不能為其鄰接區域的幹擾溫度特性分析提供相應指導和輔助。若想要判定鄰接區域頻譜白空，只能通過在鄰接區域內放置傳感器來分析獲得，這將需要大量的傳感器。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有技術存在的問題，採用該方法用來估計考察區域內各點在考察頻段的幹擾溫度值，及其鄰接區域內各點在考察頻段上的幹擾溫度值。
本發明的技術方案是對考察區域內各個傳感器接收到的信號分別進行處理，推算出該區域內幹擾源的信息，利用獲得的幹擾源的信息進行計算，就可以估計出該區域及其鄰接區域內各點在考察頻段的幹擾溫度值。這就是認知無線電中空域的幹擾溫度估計方法，該方法的具體操作步驟如下(1)在一個考察區域內，對每個傳感器接收到的信號xm(t)分別進行處理，得到各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度Tm(f，Δf)。其中，f和Δf分別為考察頻段的中心頻率和頻段寬度，xm(t)具有N個時域採樣點，傳感器的空域位置為(um，vm)。
(2)對現有的無線場景進行分析，對可能出現的以下三種情況分別進行處理，得到幹擾源的信息。該三種情況如下a.已知幹擾源的位置(xl，yl)和數量L，但未知其在考察頻段上的發射功率Pl(f，Δf)。這裡的幹擾源可以是進行認知無線電業務通信所在區域的原有授權用戶，也可以是其它能夠影響認知無線電系統空洞可用性的信號發射源。在這種情況下，傳感器的數量M應不小於幹擾源的數量L。根據獲得的各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度值，並利用信號傳播模型，如Hata模型、Egli模型或者自由空間傳播模型，以及已知的幹擾源的數量和位置，列方程組，方程組的矩陣形式如下T=T1TMW(d11)W(dL1)W(d1M)W(dLM)P1(f,f)PL(f,f)=WP]]>其中W(dlm)是與信號傳播模型有關的量，dlm=(xl-um)2+(yl-vm)2]]>是第l個幹擾源與第m個傳感器之間的距離。計算出幹擾源在考察頻段上的發射功率；b.已知幹擾源的數量L，但未知其空域位置(xl，yl)和在考察頻段上的發射功率Pl(f，Δf)。在這種情況下，傳感器的數量M應不小於幹擾源數量L的三倍。同樣根據獲得的各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度值，並利用信號傳播模型，如Hata模型、Egli模型或者自由空間傳播模型，以及已知的幹擾源的數量，列方程組，方程組的矩陣形式如下T=T1TMZ(x1,y1)Z1(xL,yL)ZM(x1,y1)ZM(xL,yL)P1(f,f)PL(f,f)=ZP]]>其中Zm(xl，yl)是第l個幹擾源的空域位置(xl，yl)的函數，它的形式與信號傳播模型有關，計算出幹擾源的位置及在考察頻段上的發射功率；c.幹擾源的數量L、位置(xl，yl)和在考察頻段上的發射功率Pl(f，Δf)均未知。在這種情況下，首先需根據所在區域的具體情況設立一個較大的幹擾源個數估計值Lmax，然後根據獲得的各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度值，利用信號傳播模型，如Hata模型、Egli模型或者自由空間傳播模型，結合Lmax，利用出現b的情況的處理方法，進行幹擾源在考察頻段上的發射功率、位置的估計。
(3)根據估計得到的考察區域內幹擾源的信息，利用公式計算該區域及其鄰接區域內任意一點(x，y)在考察頻段上的幹擾溫度估計值T(f，Δf，x，y)。計算公式如下T(f,f,x,y)=l=1LF(Pl(f,f),xl,yl,x,y,f)]]>其中，α為幹擾溫度與幹擾功率的比例係數，F(Pl(f，Δf)，xl，yl，x，y，f)表示考察頻段內第l個幹擾源在點(x，y)的幹擾功率，該幹擾功率與所用的信號傳播模型有關，並且這裡使用的傳播模型必須與計算各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度值時所用的信號傳播模型相同。如果採用自由空間傳播模型，則F(Pl,xl,yl,x,y,f)=Pl(f,f)c2(4f)2[(xl-x)2+(yl-y)2]g]]>其中c為光速，g是天線增益。
上述的認知無線電中空域的幹擾溫度估計方法，所說的對每個傳感器接收到的信號xm(t)分別進行處理，得到各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度是這樣實現的如果利用MTM算法進行譜估計，則第m個傳感器的幹擾溫度計算公式如下Tm(f,f)=fSm(f)=fk=1K|Ymk2(f)|]]>其中，Tm(f，Δf)為第m個傳感器的在考察頻段上的幹擾溫度，Sm(f)為第m個傳感器接收信號在考察頻段上的功率譜，Δf·Sm(f)為傳感器在考察頻段上的幹擾功率，K為MTM算法中窗序列的個數，Ymk為傳感器接收信號xm(t)的特徵譜函數Ymk(f)=t=1Nwt(k)xm(t)e-j2ft]]>其中，wt(k)為第k個窗序列，那麼，在已知各個傳感器接收信號xm(t)的前提下，就可以得到這些傳感器的幹擾溫度估計值。
本發明與現有技術相比，具有如下優點1.本發明針對區域內各點在考察頻段上的幹擾溫度分別進行相應的估計，體現出良好的空域性能。這樣，在與幹擾溫度限比較判定白空的時候，會得到更多空間區域上的白空，進而更加有效且充分地利用了頻譜資源。
2.該發明利用估計考察區域內幹擾源信息的方法，能夠估計出該區域及其鄰接區域內各點在考察頻段上的幹擾溫度值。這樣，在與幹擾溫度限比較判定考察頻段是否為白空的時候，不僅能夠判定出該區域內的白空，而且可以判定出其鄰接區域內的白空，因此，該發明既擴大了可判定白空的空間範圍，又節省了傳感器。


圖1是本發明的工作流程2是認知無線電應用場景示意3是採用現有的方法對設定區域的劃分示意4是採用現有的方法對設定區域內幹擾溫度估計獲得的結果仿真5是採用本發明提出的空域的幹擾溫度估計方法獲得的結果仿真圖具體實施方式
參照圖1，它是本發明的工作流程圖，現結合圖1說明其基本工作過程1.在一個考察區域內，對每個傳感器接收到的信號xm(t)分別進行處理，計算出各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度Tm(f，Δf)，計算公式如下Tm(f,f)=fSm(f)=fk=1K|Ymk2(f)|]]>其中，f和Δf分別為考察頻段的中心頻率和頻段寬度，xm(t)具有N個時域採樣點，Tm(f，Δf)為第m個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度值，Sm(f)為第m個傳感器接收信號的功率譜，K為MTM算法中窗序列的個數，α為幹擾溫度與幹擾功率之間的比例係數，Δf·Sm(f)為傳感器在考察頻段上的幹擾功率，Ymk為傳感器接收信號xm(t)的特徵譜函數Ymk(f)=t=1Nwt(k)xm(t)e-j2ft]]>其中，wt(k)為第k個窗序列，那麼，在已知各個傳感器接收信號xm(t)的前提下，就可以得到這些傳感器的幹擾溫度估計值。
2.對現有的無線場景進行分析，針對不同的無線場景，可以分別採用不同的方法進行處理。以下是三種可能出現的無線場景及其處理方法
a.已知幹擾源的空域位置(xl，yl)和數量L，但未知其在考察頻段上的發射功率Pl(f，Δf)。例如，移動通信的基站的位置和數量是固定的，但是此時，各個幹擾源的工作情況是未知的，即各個幹擾源在考察頻段上的發射功率Pl(f，Δf)未知。面對這種情況，設幹擾源的個數為L，每個幹擾源的位置坐標為(xl，yl)，且有當i≠j時，xi＝xj與yi＝yj不能同時成立。由於幹擾影響是由幹擾源的發射信號造成的，可以採用以下的公式得到第m個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度Tm(f,f)=l=1LF(Pl(f,f),xl,yl,um,vm,f)]]>其中，(um，vm)為第m個傳感器的空域位置坐標，F(Pl(f，Δf)，xl，yl，um，vm，f)表示第m個傳感器檢測到的第l個幹擾源在考察頻段上的幹擾功率，該幹擾功率與所用的信號傳播模型有關，傳播模型可以根據實際情況自行選擇，如Hata模型、Egli模型或者自由空間傳播模型，如果採用自由空間傳播模型，則F(Pl(f,f),xl,yl,um,vm,f)=Pl(f,f)c2(4f)2[(xl-xm)2+(yl-vm)2]g]]>其中c為光速，g是天線增益。利用步驟1中算出的M個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度估計值，可以形成由M個方程組成的方程組T1(f)=l=1LF(Pl(f,f),xl,yl,u1,v1,f)=l=1LW(dl1)Pl(f,f)TM(f)=l=1LF(Pl(f,f),xl,yl,uM,vM,f)=l=1LW(dlM)Pl(f,f)]]>方程組中W(dlm)為已知量，dlm=(xl-um)2+(yl-vm)2]]>是第l個幹擾源與第m個傳感器之間的距離，未知量就是各個幹擾源的發射功率Pl(f，Δf)。通過解方程組就可以確定各個幹擾源的發射功率，將方程組表示為矩陣形式T=T1TMW(d11)W(dL1)W(d1M)W(dLM)P1(f,f)1PL(f,f)=WP]]>為了能夠獲得方程組的正確解，即解得矢量P中的各個元素，需滿足rank(W)＝rank(B)＝L，其中B＝[WT]，表示該方程組的增廣矩陣，rank(W)表示矩陣W的秩，rank(B)表示矩陣B的秩。由於放置傳感器位置的隨機性，可以認為矩陣W中的各行互不相干。那麼此時只要要求M≥L，即傳感器的個數不小於幹擾源的個數，就可以正確解出矢量P中的各個發射功率。
b.已知幹擾源的數量L，但未知其空域位置(xl，yl)和在考察頻段上的發射功率pl(f，Δf)。在認知無線電系統的應用中，有時也會出現這種情況。在這種情況下，同樣使用步驟1中計算出的在考察頻段上的幹擾溫度Tm(f，Δf)，在採用確定的信號傳播模型的前提下，如Hata模型、Egli模型或者自由空間傳播模型，仍然能夠形成上述的方程組，將它表示為矩陣形式T=T1TMW(d11)W(dL1)W(d1M)W(dLM)P1(f,f)PL(f,f)=WP]]>但是由於此時幹擾源的位置坐標(xl，yl)未知，因此矩陣可以變化為T=T1TMZ1(x1,y1)Z1(xL,yL)ZM(x1,y1)ZM(xL,yL)P1(f,f)PL(f,f)=ZP]]>其中Zm(xl，tl)表示與第l個幹擾源位置(xl，yl)和第m個傳感器位置(um，vm)有關的函數，在這樣的一個矩陣中，未知量是L個幹擾源的位置坐標和發射功率，即xl、yl和Pl，未知量的個數為3L個。相應的，求解這些未知量的前提是要求M＞βL，其中因子β通常取不小於3的值。通過這樣的限定條件，傳感器的個數大於未知量的個數，就能夠在解方程組時獲得唯一解。通過求解方程組，可以確定L個幹擾源的位置坐標和發射功率。
c.幹擾源的數量L、位置(xl，yl)和在考察頻段上的發射功率Pl(f，Δf)均未知。這是最為常見的一種情況，面臨這種情況，進行幹擾源的定位非常困難，此時需要利用之前已知幹擾源數量情況下計算方式的結論進行處理。在幹擾源數量已知為L的情況下，能夠進行幹擾源定位的條件是接收傳感器的個數M≥βL。這也就表明，如果放置的傳感器的個數為M，就能夠成功地估計出L≥M/β個幹擾源的信息。
在此，根據所在區域的具體情況設立一個較大的幹擾源個數估計值Lmax，要求Lmax＞L。同時放置M≥βLmax個傳感器。那麼利用出現b的情況的處理方法，可以進行Lmax個幹擾源的定位和在考察頻段上的發射功率估計。但是由於此時真實存在的幹擾源僅有L個，這說明尚有Lmax-L個幹擾源實際是虛擬幹擾源。虛擬幹擾源的引入將會使得在方程組的求解過程中出現非唯一解的情況。這主要是由於虛擬幹擾源的發射功率為0導致。當幹擾源的發射功率為0時，其所在位置可以是任意的。因此我們能夠從解得的幹擾源中去除發射功率為0的幹擾源，剩餘的解即為真實存在的幹擾源，從而獲得幹擾源未知的三個信息。
3.根據估計得到的考察區域內幹擾源的信息，利用公式計算該區域及其鄰接區域內任意一點(x，y)在考察頻段上的幹擾溫度值T(f，Δf，x，y)。計算公式如下T(f,f,x,y)=l=1LF(Pl(f,f),xl,yl,x,y,f)]]>其中，F(Pl(f，Δf)，xl，yl，x，y，f)表示考察頻段內第l個幹擾源在點(x，y)的幹擾功率，該幹擾功率與所用的信號傳播模型有關，並且這裡使用的傳播模型必須與計算各個傳感器的幹擾溫度值時所用的信號傳播模型相同。如果採用自由空間傳播模型，則F(Pl(f,f),xl,yl,x,y,f)=Pl(f,f)c2(4f)2[(xl-x)2+(yl-y)2]g]]>其中c為光速，g是天線增益。
參照圖2～圖5，通過這些示圖，可以看出本發明與現有技術相比產生的優異效果。圖2是認知無線電技術的應用場景示意圖，它表示一個大的設定區域，其內放置了若干傳感器，使用現有技術估計在考察頻段[890.1M，890.3M]上的幹擾溫度時，將該設定區域分為7個考察子區域，如圖3所示，對每個考察子區域分別算出一個在考察頻段上的幹擾溫度值，則該大區域內各點在考察頻段上的幹擾溫度值如圖4所示，可以看出整個區域內僅有7個幹擾溫度值，而且不能得到該設定區域外的各點在考察頻段上的幹擾溫度；如果使用本發明提出的方法，將圖2所示的設定區域整個看作考察區域，不再劃分為子區域，並採用Hata模型作為信號傳播模型，則該大區域內各點在考察頻段上的幹擾溫度如圖5所示，可以明顯看出，提出的方法更好地體現了幹擾溫度隨地理位置的變化而發生的變化，幹擾溫度在空域的精細程度要比現有技術好的多，並且，提出的方法還預測出了該大區域的鄰接區域內各點在考察頻段上的幹擾溫度值。
權利要求
1.一種認知無線電中空域的幹擾溫度估計方法，該方法的具體操作步驟如下(1)在一個考察區域內，對每個傳感器接收到的信號xm(t)分別進行處理，得到各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度Tm(f，Δf)，其中，f和Δf分別為考察頻段的中心頻率和頻段寬度，xm(t)具有N個時域採樣點，傳感器的空域位置為(um，vm)；(2)對現有的無線場景進行分析，對可能出現的以下三種情況分別進行處理，得到幹擾源的信息，該三種情況如下a.已知幹擾源的位置(xl，yl)和數量L，但未知其在考察頻段上的發射功率Pl(f，Δf)，這裡的幹擾源可以是進行認知無線電業務通信所在區域的原有授權用戶，也可以是其它能夠影響認知無線電系統空洞可用性的信號發射源，在這種情況下，傳感器的數量M應不小於幹擾源的數量L，根據獲得的各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度值，並利用信號傳播模型，如Hata模型、Egli模型或者自由空間傳播模型，以及已知的幹擾源的數量和位置，列方程組，方程組的矩陣形式如下T=T1TM=W(d11)W(dL1)W(d1M)W(dLM)P1(f,f)PL(f,f)=WP]]>其中W(dlm)是與信號傳播模型有關的量，dlm=(xl-um)2+(yl-vm)2]]>是第l個幹擾源與第m個傳感器之間的距離，計算出幹擾源在考察頻段上的發射功率；b.已知幹擾源的數量L，但未知其空域位置(xl，yl)和在考察頻段上的發射功率Pl(f，Δf)，在這種情況下，傳感器的數量M應不小於幹擾源數量L的三倍，同樣根據獲得的各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度值，並利用信號傳播模型，如Hata模型、Egli模型或者自由空間傳播模型，以及已知的幹擾源的數量，列方程組，方程組的矩陣形式如下T=T1TM=Z1(x1,y1)Z1(xL,yL)ZM(x1,y1)ZM(xL,yL)P1(f,f)PL(f,f)=ZP]]>其中Zm(xl，yl)是第l個幹擾源的空域位置(xl，yl)的函數，它的形式與信號傳播模型有關，計算出幹擾源的位置及在考察頻段上的發射功率；c.幹擾源的數量L、位置(xl，yl)和在考察頻段上的發射功率Pl(f，Δf)均未知，在這種情況下，首先需根據所在區域的具體情況設立一個較大的幹擾源個數估計值Lmax，然後根據獲得的各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度值，利用信號傳播模型，如Hata模型、Egli模型或者自由空間傳播模型，結合Lmax，利用出現b的情況的處理方法，進行幹擾源在考察頻段上的發射功率、位置的估計；(3)根據估計得到的考察區域內幹擾源的信息，利用公式計算該區域及其鄰接區域內任意一點(x，y)在考察頻段上的幹擾溫度估計值T(f，Δf，x，y)，計算公式如下T(f,f,x,y)=l=1LF(Pl(f,f),xl,yl,x,y,f)]]>其中，α為幹擾溫度與幹擾功率的比例係數，F(Pl(f，Δf)，xl，yl，x，y，f)表示考察頻段內第l個幹擾源在點(x，y)的幹擾功率，該幹擾功率與所用的信號傳播模型有關，並且這裡使用的傳播模型必須與計算各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度值時所用的信號傳播模型相同，如果採用自由空間傳播模型，則F(Pl,xl,yl,x,y,f)=Pl(f,f)c2(4f)2[(xl-x)2+(yl-y)2]g]]>其中c為光速，g是天線增益；
2.根據權利要求1所述的認知無線電中空域的幹擾溫度估計方法，其特徵在於所說的對每個傳感器接收到的信號分別進行處理，得到各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度是這樣實現的如果利用MTM算法進行譜估計，則第m個傳感器的幹擾溫度計算公式如下Tm(f,f)=fSm(f)=fk=1K|Ymk2(f)|]]>其中，Tm(f，Δf)為第m個傳感器的在考察頻段上的幹擾溫度，Sm(f)為第m個傳感器接收信號在考察頻段上的功率譜，Δf·Sm(f)為傳感器在考察頻段上的幹擾功率，K為MTM算法中窗序列的個數，Ymk為傳感器接收信號xm(t)的特徵譜函數Ymk(f)=t=1Nwt(k)xm(t)e-j2ft]]>其中，wt(k)為第k個窗序列，那麼，在已知各個傳感器接收信號xm(t)的前提下，就可以得到這些傳感器的幹擾溫度估計值。
全文摘要
本發明公開了一種認知無線電中空域的幹擾溫度估計方法，它涉及無線通信技術領域，該方法用於估計考察區域內各點在考察頻段上的幹擾溫度值，及其鄰接區域在考察頻段上的幹擾溫度值，可用於判定認知無線電系統使用頻段在空域上的頻譜空洞的可用性狀況。該方法的實施步驟為在考察區域內，對每個傳感器接收到的信號分別進行處理，得到各個傳感器在考察頻段上的幹擾溫度值；根據實際的無線場景，通過分析幹擾源的個數、位置和在考察頻段內的發射功率的已知情況，選擇一種合適的處理方法，計算出幹擾源的信息；根據估計得到的幹擾源的信息進行計算，得到該區域及其鄰接區域內任意一點在考察頻段上的幹擾溫度估計值。
文檔編號H04B7/005GK1878013SQ20061004307
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月30日 優先權日2006年6月30日
發明者劉勤, 張雯, 李建東, 楊家瑋, 李維英, 趙林靖, 楊志偉, 黃鵬宇, 盛敏, 李紅豔, 陳彥輝 申請人:西安電子科技大學