基于多组互质采样的宽带频谱压缩感知制造技术

本发明专利技术公开了一种基于多组互质采样的无需谱重构的宽带检测方法，属于无线通信技术领域。本发明专利技术思路来源于多组互质采样带来特殊的重叠谱结构。基于重叠谱的特殊结构，我们可以直接使用少量的次奈奎斯特采样点估计个子信道的能量；因此检测无需谱重建即可进行。本发明专利技术可以大大降低计算复杂度，并且还能够保持一个好的检测性能。经验证，本发明专利技术十分适用于宽带频谱占用比较空闲的场景下的频谱检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，特别涉及基于压缩采样的宽带频谱检测技术。具体地说，是指基于次奈奎斯特压缩采样点的宽带频谱感知算法。
技术介绍
在无线通信领域中，宽带频谱感知是一项备受瞩目的研究问题。实现宽带频谱感知的难点在于需要高速的模数转换器。近年来，由于将压缩感知应用于宽带频谱感知中可以大大降低采样速率，因此压缩感知获得了极大的关注。绝大多数的基于压缩感知算法的宽带感知需要谱重构。例如凸优化算法和贪婪算法等，这些非线性重构算法基于宽带频谱的稀疏先验条件，可以使用次奈奎斯特采样点集重构原信号。Mashali和Eldar提出了多个压缩感知算法，这些算法使用多组次奈奎斯特采样机制实现了信号恢复。有研究者利用互质数对的性质，使用两组互质采样恢复了宽带功率谱。此外，还有算法利用频谱相关性，使用多组均匀采样恢复了功率谱。近期，有一个新型的采样方式－多组互质采样被提出；该文基于多组互质采样机制，使用剥离算法实现了谱恢复。多组互质采样机制使用一些并行模数转换器(采样支)，每个采样端使用次奈奎斯特采样速率，且不同端采样速率互为质数。但是该算法仅仅适用于无噪声环境。从以上介绍中，我们发现有多种多样的次奈奎斯特采样机制，并与各种不同的频谱恢复算法相结合，从而实现次奈奎斯特采样速率的宽带频谱感知。然而，以上的基于压缩感知的算法为了重构频谱使用高度非线性方法，使得计算复杂度非常高。而高的计算复杂度会带来大量的能量消耗和大空间存储需求。
技术实现思路
为了避免谱重构所带来的高计算复杂度，本专利技术提出了一种基于多组互质采样的无需谱重构的宽带检测算法。该方法直接使用次奈奎斯特采样点实现了宽带信道检测，免去了高计算复杂度的谱重构过程。本专利技术算法(NoR-MCS算法)的思路来源于多组互质采样带来的两种特殊的重叠谱结构。我们将其中一种结构命名为“不重复叠加子信道(NAS)”，该结构描述的是当两组次奈奎斯特采样端速率互为质数时，各自获得的叠加谱之间的结构关系。我们将另外一种结构命名为“几乎不相交子信道(ADFS)”，该结构描述的是一组次奈奎斯特采样端获得的叠加谱所具有的特殊结构。基于NAS和ADFS两种结构，我们可以直接使用少量的次奈奎斯特采样点估计个子信道的能量；因此检测无需谱重建即可进行。为了验证本算法的性能，我们选择经典的压缩感知算法，正交匹配追踪算法(OMP)来进行对比，该算法需要进行信号重构。通过分析和仿真，我们发现本专利技术算法相较于OMP算法吗，其计算复杂度可降低若干量级，并且能够保持好的检测性能。本专利技术提供的所述的基于多组互质采样的无需谱重构的宽带检测算法，具体步骤如下：第一步，将第i个采样端得到的次奈奎斯特采样点进行处理，对宽带谱中的每个子信道进行估计：其中Yi(k)由第i个采样端的次奈奎斯特采样点进行傅里叶变换所得；U代表宽带谱中子信道数目，Ni代表第i个采样端的采样速率下降倍数(因子)，Fi代表第i个采样端的采样点数。第二步，根据子信道估计值，通过数据结合计算得到各子信道的检验统计量：其中M为多组采样器的个数。经过分析，对每个子信道，我们可以进行如下二元假设检验：其中代表信号在第(k+nFi)个子信道上的傅里叶变换系数；σ2为噪声功率谱密度；υ2为序列的方差；κ为被占用子信道的位置标号的集合；反知κ'。第三步，根据二元假设检验，判决决定第k个子信道是否被占用：其中θk为判决门限。本专利技术的有益效果有：(1)可以省略谱重构过程，大大降低计算复杂度。(2)降低计算复杂度的同时，仍然能够保证优秀的检测性能。(3)经分析，在频谱使用不频繁的场景下，更加适合使用本专利技术实现宽带频谱感知。附图说明图1：本专利技术实施例的基于多组互质采样的宽带频谱感知技术的系统设计图。图2：本专利技术采用的多组互质采样所得叠加谱的结构说明图。图3：本专利技术中不同采样压缩率，不同信噪比下，本专利技术算法(NoR-MCS算法)与经典压缩采样宽带感知算法(OMP算法)的检测性能对比图。图4：本专利技术中不同采样压缩率下，NoR-MCS算法与OMP算法计算复杂度对比图。图5：本专利技术中不同宽带谱稀疏度下，不同信噪比下，NoR-MCS算法的检测性能分析图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术基于多组互质采样的宽带频谱检测技术。本专利技术采用如图1所示的基于多组互质采样的宽带频谱感知系统模型。由图1，我们假设x(t)是待检测宽带信号，其频谱X(f)带宽为1/T。该宽带谱由U个连续的非重叠子信道组合而成。我们使用多组互质采样对信号x(t)进行采样。多组互质采样使用多组并行模数转换器(采样器)，每组采样器使用均匀的次奈奎斯特采样间隔，但各组采样速率的下降倍数彼此互为质数。以第i个采样器为例，采样速率下降因子设为Ni,i＝0,1,…,M-1。其中M为采样端支数，且Ni,Nj(i≠j)互为质数。在实践中我们在数字域进行感知。因此从第i个采样器得到的离散采样信号可以表示为：将该宽带信号的离散频谱表示为X(k),k＝0,1,…,U-1，X(k)由x(mT),m＝0,1,…,U-1的U点快速傅里叶变换求得。假设那么根据文献【1】(见参考文献【1】：C-P.Yen,Y.Tsai,X.Wang,\WidebandSpectrumSensingBasedonSub-NyquistSampling\,IEEETrans.onSignalProcessing,vol.61,no.12,pp.3028-3040,2013.)yi(n)的U点FFT变换(U＝FiNi)与宽带信号离散谱存在如下关系：图2是公式(6)描述的叠加谱的模拟图。在多组互质采样系统中的第i个采样端将宽带离散谱X(k)成N倍折叠，由此形成折叠谱Yi(k)＝{Yi(k),k＝0,1,…,Fi。图二中的每个小格代表宽带中的第(k+nFi)个子信道。此外每一列Yi(k)代表一个叠加子频段，改叠加子频段上叠加了Ni个子信道图二中的彩色小格表示此子信道被占用。如果某个叠加子频段中存在被占用子信道，那么该叠加子频段也被认定为被占用。当多组采样端采用互为质数的次奈奎斯特速率时，所得的叠加谱具有特殊结构——NAS结构和ADFS结构，本专利技术经过数据融合方式直接对宽带子信道进行检测。定义1:不重复叠加子信道(NAS)结构当某一采样端获得的叠加谱中有两个子信道叠加在一个子频段中时，这两个子信道不会在另一个采样端获得的叠加谱中再次重叠。这种在不同采样端获得的叠加谱之间具有的特殊结构即称作NAS结构。定义2：几乎不相交子信道(ADFS)结构当一个被占用叠加子频段Yi(k)中仅存在一个被占用子信道叠加于该子频段上的其余子信道均未被占用。这种叠加谱结构被称作ADFS结构。经过分析和证明，我们得出NAS结构和ADFS结构的满足条件彼此一致：其中D为稀疏度。当NAS结构和ADFS结构被满足时，对于每个子信道，我们通过数据结合计算得到检验统计量：那么，对每个子信道，我们可以进行如下二元假设检验：其中代表信号在第(k+nFi)个子信道上的傅里叶变换系数；σ2为噪声功率谱密度；υ2为序列的方差；κ为被占用子信道的位置标号的集合；反知κ'。那么第k个子信道是否被占用可以用以下判决规则决定：在NAS结构和ADFS结构满足的情况下，经过对的分析，我们对如上判决本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于多组互质采样的无需谱重构的宽带检测算法，其特征在于：第一步，对待检宽带信号进行多组互质采样，将第i个采样端得到的次奈奎斯特采样点进行处理，对宽带谱中的每个子信道进行估计：X^(i)(k)=NiFiYi[k mod(Fi)],k=0,1,...,U-1.---(1)]]>其中Yi(k)由第i个采样端的次奈奎斯特采样点进行傅里叶变换所得；U代表宽带谱中子信道数目，Ni代表第i个采样端的采样速率下降倍数(因子)，Fi代表第i个采样端的采样点数。第二步，根据子信道估计值，通过数据结合计算得到各子信道的检验统计量：E^(k)=Σi=1M|X^(i)(k)|2=Σi=1MNiFi|Yi[k mod(Fi)]|2,k=0,1,...,U-1.---(2)]]>其中M为多组采样器的个数。经过分析，对每个子信道，我们可以进行如下二元假设检验：H0:E^(k)~N(Σi=1MNiσ2,υ2),k∈κ′H1:E^(k)~N(Σi=1ME{|S(i)(k)|2}+Niσ2,υ2),k∈κ---(3)]]>其中代表信号在第(k+nFi)个子信道上的傅里叶变换系数；σ2为噪声功率谱密度；υ2为k＝0,1,…,U‑1序列的方差；κ为被占用子信道的位置标号的集合；反知κ'。第三步，根据二元假设检验，判决决定第k个子信道是否被占用：E^(k)><H0H1θk,k=0,1,...,U-1.---(4)]]>其中θk为判决门限。...

【技术特征摘要】
1.基于多组互质采样的无需谱重构的宽带检测算法，其特征在于：第一步，对待检宽带信号进行多组互质采样，将第i个采样端得到的次奈奎斯特采样点进行处理，对宽带谱中的每个子信道进行估计：X^(i)(k)=NiFiYi[kmod(Fi)],k=0,1,...,U-1.---(1)]]>其中Yi(k)由第i个采样端的次奈奎斯特采样点进行傅里叶变换所得；U代表宽带谱中子信道数目，Ni代表第i个采样端的采样速率下降倍数(因子)，Fi代表第i个采样端的采样点数。第二步，根据子信道估计值，通过数...

【专利技术属性】
技术研发人员：任诗雨，曾志民，郭彩丽，孙学康，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11