一種基于群稀疏的協(xié)作頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種協(xié)作頻譜感知方法，具體涉及一種基于 群稀疏的協(xié)作頻譜感知方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線頻譜是無線通信系統(tǒng)及其寶貴的資源，而當(dāng)前的無線頻譜存在著資源極度稀 缺與利用不充分的困境，認(rèn)知無線電（CR)是解決該問題的有效技術(shù)。頻譜感知是認(rèn)知無線 電的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)帶寬，頻譜感知可分為窄帶頻譜感知與寬帶頻譜感知。寬帶頻譜感 知的目的是：在寬頻帶范圍內(nèi)找到頻譜空穴。寬帶頻譜感知可以大致分為兩類：基于奈圭 斯特率采樣的寬帶頻譜感知與基于壓縮感知（CS)的寬帶頻譜感知。根據(jù)香農(nóng)采樣理論，傳 統(tǒng)的寬帶頻譜感知的采樣頻率需要大于等于奈圭斯特率，這就導(dǎo)致高采樣率與復(fù)雜度。
[0003] 由于寬帶頻譜存在大量頻譜空穴，使得寬帶頻譜具有天然的稀疏性。CS是解決稀 疏問題的有效方法。CS允許寬帶信號(hào)以欠奈圭斯特率（低于奈圭斯特率）進(jìn)行采樣，比傳統(tǒng) 的寬帶頻譜感知所需的樣本數(shù)大大降低，這樣就降低了寬帶頻譜感知的成本。利用CS解決 寬帶頻譜感知問題的常用方法是：第一步，利用頻譜的稀疏性進(jìn)行寬帶頻譜恢復(fù)；第二步， 對寬帶頻譜的每個(gè)子頻帶進(jìn)行檢測判決，判斷該子頻帶是否被主用戶占用。但是這種方法 需要對已恢復(fù)的頻譜再次進(jìn)行判決才能獲得主用戶占用的頻帶以及主用戶的地理位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種基于群稀疏的協(xié)作頻譜 感知方法，該方法不需要對已恢復(fù)的頻譜再次進(jìn)行判決就得到主用戶占用的頻帶以及主用 戶的地理位置。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的基于群稀疏的協(xié)作頻譜感知方法包括以下步驟：
[0006] 設(shè)主用戶能夠占用的寬頻譜范圍為BHz，將所述寬頻譜范圍劃分為v= 1，2, . . .，Nb個(gè)子頻帶，在位置Xm處，Nm個(gè)主用戶及Nt個(gè)認(rèn)知用戶均分布于地理區(qū)域A內(nèi)，根 據(jù)基擴(kuò)展模型（basisexpansionmodel，BEM)，主用戶的近似發(fā)射功率譜密度①m(f)為：
[0007]
[0008] 其中，為一組不重疊的單位高度的矩形基底，n"為主用戶m在第v個(gè) 頻帶上〇m(f)在單位高度矩形基底下展開的展開系數(shù)；
[0009] 認(rèn)知用戶t在位置xt的接收功率譜密度〇t (f)為：
[0010]
[0011] 其中，Ymt為主用戶m與認(rèn)知用戶t位置之間的路徑損耗，〇 t2為接收端的噪聲方 差；
[0012] 將地理區(qū)域A劃分為離散的網(wǎng)格點(diǎn)G{xgeAri，使主用戶分布于&個(gè)網(wǎng)格點(diǎn) 上，所述乂個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)均位于A}g的虛擬網(wǎng)格，則認(rèn)知用戶t在位置&的接收功 率譜密度〇t(f)為：
[0013]
[0014] 其中，Ygt為網(wǎng)格點(diǎn)g與認(rèn)知用戶t位置之間的路徑損耗，Ygt=Y(IIxg_xt| |)， <(/)為lXNbN#|l矢量，<(/)中的每一項(xiàng)均為ygt *bv (f)，（5)式為認(rèn)知無線電接收功 率譜密度的近似式。再由周期圖估計(jì)方法得出認(rèn)知無線電接收功率譜密度的估計(jì)值，將估 計(jì)值與（5)式聯(lián)立得：
[0015]
[0016]
[0017]其中，識(shí)為NX1維接收功率譜密度估計(jì)矢量，是對估計(jì)值在頻率Z2/T/M:}。 做N點(diǎn)采樣值后疊加成列，Bt矢量中的每一項(xiàng)為6f(/A)，1nSNX1維全1矢量，et為誤 差，
[0018] 利用對群稀疏NbNgXl維矢量n進(jìn)行分組，再根據(jù)NbNgXl維矢量n的分組結(jié)果 利用F0⑶SS算法求解群稀疏NbNgX1維矢量n，然后將群稀疏NbNgX1維矢量n的求解結(jié) 果代入式（9)及（10)中，并根據(jù)式（9)和式（10)完成協(xié)作頻譜感知。
[0019] 設(shè)Nm個(gè)主用戶的位置集合AT:= {x", €A^，在寬頻帶范圍BHz內(nèi)，設(shè)認(rèn)知用戶在 地理區(qū)域A的位置\是已知的，主用戶發(fā)射機(jī)的位置是未知，hmt(n;1)為主用戶位置xjlj認(rèn)知用戶位置xt的第1徑信道脈沖響應(yīng)，um(n)為第m個(gè)主用戶的發(fā)射信號(hào)，um(n)與信道 hmt(n;1)獨(dú)立，貝丨J認(rèn)知用戶t接收的信號(hào)yt(n)為：
[0020]
(1)
[0021] 其中，v(n)為加性高斯白噪聲。
[0022] 將式⑵代入式（3)中，則認(rèn)知用戶t在位置xt的接收功率譜密度〇t(f)轉(zhuǎn)換 為：
[0023]
[0024] 根據(jù)式⑷得認(rèn)知用戶t在位置xt的接收功率譜密度〇t (f)為：
[0025]
[0026] 利用對群稀疏NbNgX1維矢量q進(jìn)行分組的具體操作為：
[0027] 按主用戶的候選位置將G:= eA 分為Ng個(gè)組{ng:g= 2,? ? ?，Ng}，每個(gè) 候選位置對應(yīng)Nb個(gè)子頻帶，每組中有Nb元素{ngv:v= 1，2，...，\}，當(dāng)1個(gè)主用戶不位 于候選位置xg，則對應(yīng)該組的Nb個(gè)元素全部為0 ;當(dāng)Nm個(gè)主用戶位于候選位置xg，則對應(yīng)該 組的Nb個(gè)元素中至少有一個(gè)為非零的，主用戶占用的子頻帶對應(yīng)的元素為非零，其余全部 為0〇
[0028] 引入正則項(xiàng)| |n| |m，p，其中，m=l/2，p= 1，內(nèi)層m范數(shù)引入組內(nèi)稀疏，外層p范 數(shù)引入組間稀疏，則有正則項(xiàng)11nIU的優(yōu)化模型為：
[0029]
[0030] 上述式（11)為非凸優(yōu)化問題，F(xiàn)0⑶SS算法適用于解決這類含有Lm(m〈l)正則化的 問題；
[0031] 通過F0CUSS算法求解式（11)，得群稀疏NbNgX1維矢量q。
[0032] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0033] 本發(fā)明所述的基于群稀疏的協(xié)作頻譜感知方法在使用時(shí)，將主用戶可能占用的寬 頻譜范圍劃分為Nb個(gè)子頻帶，并將地理區(qū)域劃分成離散的網(wǎng)格點(diǎn)，從而通過將頻譜感知這 個(gè)二元假設(shè)檢驗(yàn)問題轉(zhuǎn)化為稀疏矢量估計(jì)問題，再利用群稀疏的分組方法及F0CUSS算法 求解NX 1維接收功率譜密度估計(jì)矢量，再根據(jù)NX 1維接收功率譜密度估計(jì)矢量進(jìn)行協(xié)作 頻譜感知，因此不需要對已恢復(fù)的頻譜再次進(jìn)行判決就可以獲取頻譜的信息，簡化了感知 過程，更加直觀的顯示寬帶頻譜的占用情況，同時(shí)估計(jì)出主用戶的位置。另外本發(fā)明根據(jù)稀 疏系數(shù)矢量所具有的組內(nèi)稀疏與組間稀疏的群稀疏特性對主用戶功率譜密度的展開系數(shù) 進(jìn)行恢復(fù)，提高了恢復(fù)的效率和準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明方法估計(jì)得到的主用戶與認(rèn)知用戶的地理位置圖；
[0035] 圖2為本發(fā)明與對比算法的歸一化MSE對比曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0037] 本發(fā)明所述的基于群稀疏的協(xié)作頻譜感知方法包括以下步驟：
[0038]設(shè)I個(gè)主用戶分布在地理區(qū)域A內(nèi)，N個(gè)主用戶的位置集合為M:= {x",eA丨么， Nt個(gè)認(rèn)知用戶也分布在地理區(qū)域A中，在監(jiān)測寬頻帶B，設(shè)認(rèn)知用戶在地理區(qū)域A的位置xt 是已知的，主用戶發(fā)射機(jī)的位置是未知，信道hmt(n;l)為主用戶位置Xm到認(rèn)知用戶位置xt 的第1徑信道脈沖響應(yīng)，um(n)為第m個(gè)主用戶的發(fā)射信號(hào)，um(n)與信道hmt(n;l)獨(dú)立，則 認(rèn)知用戶t接收的信號(hào)yt(n)為：
[0039]
[0040] 其中，v(n)為加性高斯白噪聲，將接收樣本yt(n)劃分成多個(gè)相干塊，每塊包含N 個(gè)樣本，n個(gè)樣本劃分為n=iN+q,q= 0, 1，. . .，N-l，i個(gè)相干塊。
[0041] 監(jiān)測寬頻帶B被劃分為V= 1，2, ...，Nb個(gè)子頻帶，根據(jù)基擴(kuò)展模型，每個(gè)主用戶 的近似發(fā)射功率譜密度為：
[0042]
[0043]其中，執(zhí),(/)!么是一組不重疊的單位高度的矩形基底，n"為發(fā)射功率譜密度在 單位高度矩形基底下展開的展開系數(shù)。
[0044] 假設(shè)，hmt(n;1)是0均值的，頻率響應(yīng)為Hmt(n;f)，路損模型為ymt=E|Hmt(n;f) |2 =丫（I|xm-Xt| |)，其中為主用戶m與認(rèn)知用戶t位置之間的路徑損耗，在沒有噪聲的 情況下，單個(gè)主用戶發(fā)射機(jī)存在時(shí)，認(rèn)知用戶t的接收功率譜密度為〇t(f) =Ymt〇m(f)， 在噪聲存在的情況下，認(rèn)知用戶t在位置xt的接收功率譜密度〇t(f)為：
[0045]
[0046]其中，< 為接收端的噪聲方差，將⑵式代入到⑶式中，得到：
[0047]
[0048] 設(shè)主用戶發(fā)射機(jī)分布在Ng個(gè)候選位置上，這N 8個(gè)候選位置位于G:=eA}么的 虛擬網(wǎng)格，地理區(qū)域A被劃分為離散的網(wǎng)格點(diǎn)，主用戶發(fā)射機(jī)位于&個(gè)候選位置中的Nm個(gè) 位置，假設(shè)ngv為相對于位置Xg的擴(kuò)展系數(shù)，Ygt為候選位置Xg到認(rèn)知用戶位置^的路徑 損耗，相對于凡個(gè)主用戶候選位置，認(rèn)知用戶在位置xt的接收功率譜密度：
[0049]
[0050]其中，<(/)為lXNbN#|l矢量，lXNbN#|l矢量中的每一項(xiàng)均為ygt.bv(f)，將ngv按列疊加，形成NbNgxi維矢量n。
[0051] 通過估計(jì)矢量n就可以估計(jì)出可用的頻帶與主用戶發(fā)射機(jī)的位置，要估計(jì)n就 要通過對(f)進(jìn)行譜估計(jì)，認(rèn)知用戶t處的接收信號(hào)yt (n)的傅里葉變換為}^(/)，在每 個(gè)相干塊i計(jì)算周期圖々以/) := (1 /A〇I>；$(/)I2，為了減小小尺度衰落的影響，位置xt的認(rèn) 知用戶采用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均（EWMA)對每個(gè)相干塊的周期圖按下式進(jìn)行平均：
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