基于循环谱对称性的频谱感知算法

１ 引言
随着移动通信的快速发展和大规模普及 ， 为解决 频 谱 资源 贫 乏 和利 用情 况极 不 平衡 的 问题 ，Ｊｓｐ ｏｅｈ
Ｍｉ ｌ ｔ ａ在软 件无 线 电的基础 上提 出了认知 无线 电的 ｏ
收稿 日期：２ １—７２ ；修 回 日期：２ １。１１ ０ １０ ．４ ０ １１—１
ｈ ｏ ｃｎ ｓ ｕ ｅ ｒ ｙｏ ｅ ａｇ ｒ ｔ ｅ ｃ ｒｅ ｔ ｅ ｓａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｐ ｒｏ ｔ ｆｎ ｗ ｌ ｏ ｔ ｍｓ Ｕｓｎ ｙ ｎ ｈ ｉ ｉ ｉ ｈ ． ｉ ｇ ｓ ｍｍｅ ｒ ｔ ｉ ｒ ｖ ｓｔ ｅ ｓ ｃ ｅ ｓｕ ｅ ｅ ｔ ｎ ｐ ｏ ａ ｉ ｔ ｏ ｙ ｍｐ ｏ ｅ ｕ ｃ ｓ ｆ ｌｄ ｔ ｃｉ ｒ ｂ ｂ ｌ ｙ ｆ ｒ ｈ ｏ ｉ ｌ ｗ ＮＲ ｎ ｅ ｕ ｅ ｅ ｃ ｍｐ ｔ ｔ ｎ ｌ ｏ ｌｘ ｔ ． ｏ Ｓ ａ ｄｒ ｄ ｃ ｓ ｏ ｕ ａ ｏ ａ ｍｐ ｅ ｉ ｈ ｔ ｉ ｃ ｙ Ｋ ｅ ｒ ｓ ｃ ｃｉ ｐ ｃｒ ｌ ｏ ｅａ ｉ ｎ ｓ ｅ ｔｕ ｓ ｎ ｉ ｇ ｓ ｐ ｓ ｅ ｔ ｌ ｏ ｒ ｌ ｔ ｎ ａｇ ｒ ｈ ； ｙ ｙ ｗｏ ｄ ： ｙ ｌ ｓ ｅ ｔａ ｒ ｌｔ ； ｐ ｃ ｒ ｍ ｅ ｓ ； ｔ ｐ ｃ ａ ｒ ｅａ ｉ ｌ ｏ ｔ ｍ ｓ ｍ ｃ ｃ ｏ ｎ ｉ ｒ ｒ ｃ ｏ ｉ ｅｒ ｆＣＳ ｔ ｏ Ｃ ｙ
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基金项 目：国家重点基础研究发展计划 （９ ３ “ ７ ”计划 ）基金 资助项 目 （０ ７ Ｂ １６ １ ；中央高校基本科研业务费专项基金 ２０Ｃ ３００ ）
资助项 目 （ Ｔ Ｒ Ｆ ０ ２ １ ） ＨＩＮＳ Ｉ２ １０ ８
Ｆ ｕ ｄ ｔ ｎＩｅ ：Ｔ ｅＮａｏ ａ Ｂ ｓ ｅｅ ｃ ｒｇａ ｏ ｈｎ ９ ３Ｐｏｒｍ）２ ０ Ｃ １６ １； Ｔ ｅ ｕ ｄ ｅｔ ｅｅ ｃ ｏ ｎ ａｉ ｔｍｓ ｈ ｔ ｎｌ ａｉ Ｒ ｓａ ｈＰｏ ｒｍ ｆ ｉａ（７ ｒｇａ （ ０ ７ Ｂ３０ ０ ） ｈ ｎ ａ ｎａ Ｒ ｓａ ｈ ｏ ｉ ｃ ｒ Ｃ Ｆ ｍ ｌ ｒ
谱对称性为判断依Βιβλιοθήκη Baidu进行频谱感知以提高算法在低 信 噪 比的检测 性能 。 文 内容 的安排如下 ：第 ２节 为 本 了减少基于循环谱的频谱感知算法的计算量， 对现有 的循 环谱算法 进行算法 和 改进 ； ３节介 绍提 出的基 第
于循环谱对称 性 的频谱 感知算 法 的思路 ； ４节 分析 第 和 仿真提 出算法 的性 能 ；第 ５节是结束 语 。
（ ｎ ａｃｍｕａｏ ｔｏ） ｃｕ ｌｔ ｎｍｅ ｄ，频 域平 滑算 法 有 Ｆ Ｍ ｉ ｈ Ｓ （ｅｕｎｙｓ ｏｈ ｄｍｅ ｏ） ｆ ｑ ｅｃ ｍｏ ｔｅ ｔ ｄ。文 献 【４对 ３ 算 法 ｒ ｈ １】 种
的计算量进行了比较 。图 １ 给出循环谱 ３ 种平滑算
法 的运算 量 。
对其进行阐述 。 】 而基于循环谱的频谱感知算法由于
２ 循环 谱算法选择及 改进
目前 ， 采用循环谱进行频谱感知的不足就是计 算量大，因此本节主要对循环谱算法进行选择 以及 利用 以前 的研 究 成 果对 算 法 进 行 改进 以达 到 减 少 计算量的 目的 。根据循环谱 的理论 ，有 限长数据 的循 环 周 期 图 不 能 直接 作 为 循 环 谱 的 估 计 值 ， 因
Ｆ ｎ ｓ ｏ ｅ ｅ ｔ ｌ ｉｅ ｓ ｅ （ Ｔ Ｒ Ｆ ０ ２ １ ） ｕ ｄ ｒ ｈ ｎ ａ Ｕｎｖ ｒｉ ｓ ＨＩ ＮＳ Ｉ ２ １ ０ ８ ｆ ｔ Ｃ ｒ ｉ ｔ
通
信
学
报
第３ ２卷
统 的无 线规则 与输 入的无线 电激励变 化相适应 ， 用 使 户 自动选 择最好 的、最廉价 的服务 ， 使用 最适合 的无 线资源 完成无线传输 。因此 ，认知无 线 电是从根 本 Ｊ 上提 高无线通信 的频谱效率 、功率效率 、系统容量 的 技术手 段 ， 能满足未 来高速 高质 量信息服 务对 宽带无 线通信 的需求 ，是实现通信 系统具有 可扩展 、 重构 可 功 能的技术之 一 。通 常 ，认 知无线 电系统 的通信环境 是 比较复杂和 恶劣 的 ，要求作为认知无线 电核心和基 础 的频谱感知算法在低信 噪比下也要有好 的性能［ Ｊ ３， ， ４
第 ３ ２卷 第 １ 期 １
通
信
学
报
Ｖｏ －２ ｌ Ｎｏ． １ ３ １ Ｎｏ ｅ ｅ ０ ｖ ｍｂ ｒ １ ２ １
２１ 年 １ ０１ １月
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｎ Ｃｏ ｏ ｒ ａ ｍｍｕ ｉ ａｉ ｎ ｏ ｎｃ ｔ ｓ ｏ
基于循环 谱对称性 的频谱感 知算法
高玉龙 １ ，陈艳平 ，管修挚 ，张中兆 ，沙学军
Ｈ Ｙ Ｉ Ａ Ｋ Ｎ Ｓ提出 ３种频谱感知的算法即匹配滤
波 、能量检测 以及周 期特 性检测 Ｌ。匹配滤波器 法 因 ｚ Ｊ 为需要知道很 多 的先验 信息而很 少被采用 ，而对于 认知无线电， 主要使用不需信号先验信息的能量检测 法 和循环平 稳检测法 。 于能量检 测法 ，由于其理论 对 较 为清 晰，算法步骤较 为简单 ，因此只有不 多的文献
（．哈尔滨 工 业大 学 通信 技 术研 究所 ，黑 龙江 哈尔滨 １０ ８ ； １ ５００ ２ 哈 尔滨 工程 大学 计 算 机科 学与 技术 学 院，黑 龙江 哈尔滨 １０ ０ ） ． ５０ １
摘
要 ：针对 现有 基于循环谱的频谱感知算法的不足 ，利用改进 Ｓ Ｃ Ｓ Ａ算法计算接收信号 的循环谱 ，减少算法的
计算 量；利用循环 谱的对称 性，选择 非零循环频 率处的循环 谱抵抗干扰和噪声 ，结合对称性搜索策略进行频谱感 知。分析 并仿真 了循环 谱的参数对频谱感知算法 的影响 ，仿真结果证明 了所提出算法克服 了传统算法 的不足 ，提 高了低信噪 比下的正确检测性能 。 关键 词：循环谱 ；频谱 感知；分段谱相关算法；循环谱对称性
构想 ，通过从 时间和空 间上充分利 用空闲频谱 资源 ， 从而有 效解决上述 难题 。以软件无线 电为扩展平 台 ¨ 的认 知无 线 电是 一种新 的智能无线通信 技术 ， 它可 以 感知 到周围 的环境 特征 ， 并通 过无线 电知识 描述语 言
与通信网络进行智能交流， 实时调整传输参数 ， 使系
Ｇ ｒ ｅＷ ａ ｎｒ Ａ等人对循环平稳基础理论和谱相关理论 ｄ
做 了详细研 究 ， 并运用循 环平稳理论 建立 了对 弱信号 检测 的统一 理论框架 ， 环平稳理论 建立起 了所 谓 的 循 循环频 率— 谱 频率 的二维 频谱平 面 开辟 了更 为丰 富的信 号分析 领域 ， 因其 更强 的抗 干扰 、 噪声能 又 抗 力 以及 反 映信号 更 多参数 的优 点满 足 了频谱 感知 技 术 的研 究需要 。
为 它不 是无 偏 估 计 ， 为 了得 到 较 好 的 估 计 值 ，需 要进 行 平 滑 处 理 。现 在 一般 有 ２种平 滑 处理 方法 ， 即 时 域 平 滑 与 频 域 平 滑 。 时 域 平 滑 算 法 主 要 有
Ｓ Ｃ ｓ ｉ ｐ ｃｒｌ ｃｒｅ ｔ ｎ ａｇ ｒｈ 和 Ｆ Ｍ Ｓ Ａ（ ｒ ｓｅｔ ｏｒｌ ｉ ｌｏｉ ｍ） ｔｐ ａ ａｏ ｔ Ａ
ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ａｇ ｒｔ ｍ ｓ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ｌａｇ ｒｔ ｍｓｂ ｉ ｕ ｆｓｍｕ ａ ｉ ｎ Ｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓｐ ｏ ｅ ｒ ｓ ｎ ｅ ｏ ｈ ｗａ ｏ ａ ｅ ｔ ｔ ｏ ｖ ｎ ｉ ａ ｏ ｈ ｌ ｉ ｈｈ ｏ ｌ ｉ ｙ ｖｒ ｅ ｏ ｉ ｌｔ ． ｉ ｌｔ ｅ ｕ ｔ ｒ ｖ ｄ ｔ ｏ ｏ
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中图分类 号：Ｔ ９ ３ Ｎ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ．３Ｘ（０ １１．０ １０ ００４ ６ ２ １）１０ ２ ．６
Ｓ ｅ ｔ ｕ ｅ ｓｎ ｌ ｏ ｉ ｍ ａ ｅ ｎ ｓ ｍ ｍ ｅ ｒ ｆ ｐ ｃ ｒ ｍ ｓ ｎ ｉ ｇ ａ ｇ ｒｔ ｈ ｂ ｓ ｄ ｏ ｙ ｔｙ ｏ ｃ ｃｉ ｐ ｃ ｒ ｌ ｏ ｒ ｌ ｔｏ ｙ ｌ ｓ ｅ ｔ ａ ｒ ｅａ ｉ ｎ ｃ ｃ
ｒｌｔ ｎ（ Ｓ ） ｓ ｓｄｔ ｅ ｃ ｅｉｌ ｓｅｔ ｍ， ｒｅ ａａｄｍｅ ｏ ｆ ｅ ｃｉｇａｄｊｄ ｉｇｓｍｍｅｒ ｒ ｒ— ｅａ ｏ Ｃ Ｃ ｗａ ｅ ｄ ｔ ｔｈ ｅ ｐ ｃ ｕ ｃ ｔ ｎ ｔ ｄｏ ｌ ｔ ｇｎ ｙ ｉ ｕ ｏ ｅ ｔ ｄ ｒ ｉ ｒ ｉ ｈ ｓｅ ｎ ｎ ｕ ｔ ｗｅｅｐｏ ｙ
其突 出的抗干扰 、 噪声的优 点，并且涉及 的理论较 抗 为复杂 ，所 以相关 的研究文献 较多 。前 期的文献大 Ｊ 多是综述性 质 的， 没有给 出具体的算法描 述 。 并 后续 的有些 文 献对其 进 一步研 究 ，取得 了较好 的研 究成
Ｇ ｕｌｎ Ｃ Ｅ ａ ．ｉｇ， ＡＮ Ｘｉ—ｈ Ｚ ＮＧ ｈ ｎ ．ｈ ｏ， ＨＡＸｕ － ｎ ＡＯ Ｙ — ｇ， Ｈ Ｎ Ｙ ｎｐｎ ＧＵ ｕｚ ｉ ＨＡ ｏ ， Ｚ ｏ ｇｚ ａ Ｓ ｅ ｕ ｊ
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