1.一种离散共享频段的频谱感知系统,其特征在于:所述系统包括:至少一个基站、至少一个边缘计算设备以及若干感知终端,每个感知终端至少设置两根接收天线、双通道放大和滤波电路、双通道数模转换器以及内部数据处理模块,内部数据处理模块包括依次连接的同相正交信号解调模块、二次混频模块、滤波抽样模块、快速傅里叶变换模块、选频分组模块、频谱感知模块以及感知结果发送模块,其中,多个感知终端采集频谱数据并进行频谱感知,并将感知结果发送至基站,基站再将感知结果转发至边缘计算设备进行多个感知结果融合处理,边缘计算设备将多个感知结果融合后通过一个预训练的二元预测模型预测后续多个时间步长的频谱占用情况,并将频谱预测结果发送至基站,基站根据频谱预测结果筛选空闲频谱频点与感知终端进行通信;
每个感知终端内部采集两路射频数据,射频数据来自两根天线接收射频信号,经过双通道放大和滤波电路进行放大和滤波后使用双通道数模转换器采样得到时域射频信号,再由同相正交信号解调模块对时域射频信号进行IQ解调得到IQ数据,IQ数据传递至二次混频模块进行二次混频,将信号频谱划分为两个子频段;快速傅里叶变化模块分别对两个子频段的信号进行快速傅里叶变换,得到两天线的频谱数据;通过频谱感知模块对频谱数据按照频点选频分组,再由频谱感知模块进行频谱感知,最后通过感知结果发送模块将频谱感知结果和感知时间信息发送至基站。
2.根据权利要求1所述的一种离散共享频段的频谱感知系统,其特征在于:每个感知终端中的同相正交信号解调模块对离散共享频段射频信号进行IQ解调得到IQ数据,其中,同相正交信号解调模块将双通道模转换器采集的天线1和天线2的两路射频信号数据分别与一次混频载波频率fc1相乘得到两路信号的采集IQ数据,混频载波频率fc1记为本地载波1,其包括频率为fc的I路载波和Q路载波,其分别表示为cos(2πfc1ns/fs1)和‑sin(2πfc1ns/fs1),其中,ns=1,2,…,Ns,Ns表示ADC一个采样周期内采集的数据长度,fs1是ADC采样频率;IQ解调模块输出IQ数据经过滤波抽样后生成基带信号IQ数据,记为baseBandSignal[m],其中m表示天线号,值为1,2。
3.根据权利要求2所述的一种离散共享频段的频谱感知系统,其特征在于:每个感知终端的二次混频模块对得到的IQ数据baseBandSignal中基带信号进行二次混频,二次混频载波频率fc21,fc22,记为本地载波2,其中,二次混频模块将天线1的baseBandSignal与本地载波2的两个载波fc21,fc22分别相乘,得到天线1对应的子频段1和子频段2的混频IQ数据,记为mixFreqSignal[m1][1]和mixFreqSignal[m1][2],其中m1表示天线号,值为1;
二次混频模块将天线2的baseBandSignal与本地载波2的两个载波fc21,fc22分别相乘,得到天线2对应的子频段1和子频段2的混频IQ数据,记为mixFreqSignal[m2][1]和mixFreqSignal[m2][2],m2表示天线号,值为2;
其中,本地载波2分别为:
其中,n1=1,2,…,N1,N1是基带信号IQ数据长度,fs2是基带数字采样频率,其值等于N1除以采样周期。
4.根据权利要求3所述的一种离散共享频段的频谱感知系统,其特征在于:每个感知终端的滤波抽样模块包括滤波抽样模块1和滤波抽样模块2,其分别设于IQ解调模块和二次混频模块的输出端,以滤除无关频段的频率信号,并抽样降低IQ数据速率,其中,滤波抽样模块1使用巴特沃斯低通数字滤波器对IQ解调模块输出IQ数据分别滤波,再使用抽样模块对滤波后IQ数据进行抽样,其抽样倍数等于ADC采样频率除以FFT点数再除以子载波间隔再除以2,滤波抽样后的IQ数据即为基带信号IQ数据baseBandSignal[m];
滤波抽样模块2使用巴特沃斯低通数字滤波器对二次混频模块输出IQ数据进行滤波,二次混频模块输出IQ数据的IQ数据表示为mixFreqSignal[m][nf],其中m表示天线号,值为
1,2;nf表示子频段号,值为1,2;使用抽样模块对滤波后IQ数据进行抽样,其抽样倍数为2;
滤波抽样后的IQ数据记为subBandSignal[m][nf]。
5.根据权利要求4所述的一种离散共享频段的频谱感知系统,其特征在于:每个感知终端的快速傅里叶变换模块将subBandSignal[m][nf]中子频段1和子频段2中的两天线IQ数据分别进行FFT变换,得到天线1和天线2的频谱数据,记为subCarrierData[m][nf]。
6.根据权利要求5所述的一种离散共享频段的频谱感知系统,其特征在于:每个感知终端的选频分组模块以单个频点带宽B为分组基准对subCarrierData中子频段1和子频段2中两天线对应的频谱数据进行选频分组,分组后不同组的频谱数据承载不同频点的频谱信息,同一组内包含一个或多个采样周期的两天线对应的频谱数据,其处理过程如下:
1)计算第l个频点的频谱数据起始位置startposl,l表示频点编号;
2)在第T个采样周期内,同时从两天线的频谱数据subCarrierData中选取位置为startposl,startposl+1,…,startposl+B‑1的频谱数据集合x(l)1T(1,2,…,B)和x(l)2T(1,
2,…,B)作为一组数据存入spectrumDataSet数据缓存器的一个单元;
3)按照频点编号l从小到大的垂直扩展方向存放,然后按照符号采样周期数T从小到大的水平扩展方向存放其他信号采集周期各频点频谱数据。
7.根据权利要求6所述的一种离散共享频段的频谱感知系统,其特征在于:每个感知终端的频谱感知模块应用频谱感知算法计算出各频点频谱数据的检测统计量,再与判决门限进行比较,进而判断各频点是否被占用,其具体处理过程为:
1)在spectrumDataSet数据缓存器水平方向上取出第l个频点的一个或T个采样周期的一组数据直接拼接成一个两行N列的数组,该数组第一行数据是天线1的频谱数据,第二行数据是天线2的频谱数据,计算该数组相关矩阵Rx,其计算公式如下:H
其中,x1和x2均是维度为1×N的数组,对应天线1和天线2的频谱数据,[·]表示矩阵的共轭转置,Rx是一个2×2的复矩阵;
2)根据Rx矩阵中的自相关和互相关值计算检测统计量Det,公式如下:
其中,r11,r22是Rx矩阵的主对角线元素,表示两天线频谱数据的自相关值,r12,r21是Rx矩阵中其他元素,表示两天线频谱数据的互相关值,|·|表示复数的模值;
3)采用一次频谱感知的所有频点中被误判为“占用”的频点数占实际空闲频点总数的比例近似估计虚警概率,再根据目标虚警概率和检测统计量计算式,得出判决门限,其过程为:a)根据检测统计量计算式,设定判决门限的理论值,记为threshold_theory;
b)根据已知空闲频点信息进行频谱感知,得出判决结果,计算出虚警概率;
c)比较目标虚警概率与当前虚警概率的大小,微调判决门限值,并记录判决门限临时值,记为threshold_tmp;
d)重复步骤b)和c)预设次数后计算一部分判决门限临时值threshold_tmp的均值作为后续频谱感知所使用的判决门限;
4)将检测统计量与当前判决门限进行比较,如果检测统计量大于判决门限则认定此频点被用户“占用”,反之,则认定此频点“空闲”;
5)重复步骤1)至步骤4)直至检测完频段内所有频点。
8.根据权利要求7所述的一种离散共享频段的频谱感知系统,其特征在于:在频谱感知模块能够根据目标虚警概率与当前虚警概率修正判决门限,其中,检测统计量Det只与天线间噪声相关系数ρ有关,与噪声功率无关,则将Det值作为理论判决门限值,设定一个理论判决门限的近似值Th,Det>Th的统计概率是固定不变的,将其称作虚警概率Pf,Th值与Pf值为负相关,即Th值越大Pf值越小,Th值越小Pf值越大;设定判决门限Th的初始值为1,然后根据已知的空闲频点信息进行频谱感知,计算出虚警概率,并根据目标虚警概率与当前虚警概率修正判决门限,其过程为:步骤1、感知终端首先获取空闲频点信息,然后将两接收天线当前采集信号的频谱数据进行缓存;
步骤2、感知终端按照上述步骤计算检测统计量Det,将Det与新判决门限newThreshod进行比较;
步骤3、对空闲频点进行统计,如果Det大于新的判决门限,则虚警计数器加1,扫描完频谱所有空闲频点后,当前虚警概率等于虚警计数器值除以扫描频点总数;
步骤4、确定修正因子,其中,修正因子的当前值根据前一次感知的修正因子值以及当前虚警概率和目标虚警概率的大小关系确定;
步骤5、新判决门限newThreshod等于修正因子乘以Th。
9.根据权利要求1所述的一种离散共享频段的频谱感知系统,其特征在于:基站进行系统频谱资源管理和协调各终端的通信服务,其中,在频谱感知业务中,基站接收各感知终端连续多个感知时间的频谱感知结果,并将其发送给边缘计算设备;
在数据通信业务中,基站获取来自边缘计算设备的空闲频点预测结果,并确定与终端进行数据通信的频点,在感知终端请求获取空闲频点信息的情况下,基站将空闲频点信息发送给对应感知终端;
边缘计算设备与基站进行数据交互,接收频谱感知结果以及发送空闲频点预测结果;
其中,边缘计算设备将各终端感知结果按照其时间区间进行分组融合,融合规则为同一时间区间下,对于某个频点,如果感知结果为“占用”终端数占所有感知终端总数的比例大于或等于设定比例V,则融合结果为“占用”,否则融合结果为“空闲”;
边缘计算设备使用长短期记忆神经网络模型作为基本模型,根据历史感知数据和当前频谱感知数据训练一个二元预测模型;
边缘计算设备再根据二元预测模型以及最新的感知结果,预测后续一个或多个时间区间内的频点占用情况;
最后将需求时间区间内的空闲频点预测结果发送给基站。
10.一种基于前述权利要求1‑9任一所述的离散共享频段的频谱感知系统的感知方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:通过多个感知终端采集频谱数据并进行频谱感知,并将感知结果发送至基站;
再通过基站将感知结果转发至边缘计算设备进行多个感知结果融合处理;
采用边缘计算设备将多个感知结果融合后通过一个预训练的二元预测模型预测后续多个时间步长的频谱占用情况,并将频谱预测结果发送至基站;
最后,基站根据频谱预测结果筛选空闲频谱频点与感知终端进行通信;
其中,每个感知终端内部采集两路射频数据,射频数据来自两根天线接收射频信号,经过双通道放大和滤波电路进行放大和滤波后使用双通道数模转换器采样得到时域射频信号,再由同相正交信号解调模块对时域射频信号进行IQ解调得到IQ数据,IQ数据传递至二次混频模块进行二次混频,将信号频谱划分为两个子频段;快速傅里叶变化模块分别对两个子频段的信号进行快速傅里叶变换,得到两天线的频谱数据;通过频谱感知模块对频谱数据按照频点选频分组,再由频谱感知模块进行频谱感知,最后通过感知结果发送模块将频谱感知结果和感知时间信息发送至基站。