基于压缩感知的加权宽带谱重构算法

压缩感知利用宽带无线信号的频域稀疏特性,能够在低于奈奎斯特速率的采样下利用少量观测数据实现宽带频谱估计和空穴检测。但相关频谱压缩感知算法的性能并不理想,为了实现宽带信道的快速准确感知,本文基于宽带信道的时频统计特性,在去噪基追踪算法(BPDN)的基础上提出了一种优化的加权去噪算法(WBPDN)。该算法利用子频段历史平均功率密度水平来构建各子频段权重以优化目标函数,改善算法性能。实验结果表明:该算法能通过少量观测数据准确重构宽带信道的谱估计,且比传统的BPDN和OMP算法具有更好的压缩性能及更小的重构误差;另外加权后的算法收敛速度更快,显著减少了算法所需的运行时间。      

一种基于子频带匹配选择的宽带压缩频谱感知方法

基于压缩感知的宽带频谱感知技术能有效降低过高的采样率和频谱感知复杂度.为了增强频谱感知中频谱信号的重构性能,根据宽带频谱信号具有的块稀疏特性,利用宽带频谱子频带划分的边界信息,提出一种改进OMP(MOMP)子频带匹配选择的宽带频谱重构算法,该算法旨在减少传统的OMP算法在频谱重构中的迭代次数,增强频谱重构的稳定性.仿真结果表明,基于该算法的宽带频谱感知方法不仅提高了频谱重构的准确性,而且有效缩短了频谱重构时间,具有很好的宽带频谱感知性能.     

基于OMP算法的宽带频谱感知

频谱感知是认知无线电的一项关键技术,其能够检测出未被主用户占用的频谱空穴供次用户接入使用,提高频谱利用率.宽带频谱感知要求对数GHz 的带宽进行检测,过高的采样速率、大的数据量对现有的硬件设备提出了巨大的挑战.本文利用宽带频谱的稀疏性提出一种基于OMP算法的宽带频谱感知方法.该方法利用MWC采样实现对宽带模拟信号直接压缩采样;利用自相关矩阵对称分解特性和主用户信号独立性,得到有限维压缩采样信号模型,利用AIC/MDL准则估计稀疏度作为OMP算法迭代停止的条件,大大减少了算法复杂度;该方法不需要重构接收信号的PSD,直接在时域根据低速率采样信号,检测被占用信道.仿真结果表明,当带内信噪比大于9dB时,频谱检测概率高于90％.     

基于加权一致优化的宽带分布式协作压缩频谱感知算法

宽带分布式协作压缩频谱感知不仅降低过高的采样速率,而且改善在低信噪比环境下的频谱感知性能。为进一步提高频谱感知性能,提出一种基于加权一致优化的宽带分布式协作压缩频谱感知算法。该算法根据当前迭代重构出的频谱信号设定下一次迭代重构的权值,促使频谱信号上存在授权用户的子频段产生信号值,降低重构出错的可能性。仿真结果表明,该算法不仅能够增大频谱重构的准确性,而且能够降低感知过程的时间和通信开销,改善频谱感知性能。     

基于压缩感知信道能量观测的协作频谱感知算法

压缩感知为认知无线电宽带频谱感知提供了一种新思路。基于压缩感知原理,该文提出一种不需要重构宽带频谱本身,而是直接重构各信道能量的协作频谱感知方法。多个次用户使用宽带随机滤波器组获取信道能量的观测值。融合中心同步接收多个用户的能量观测,并利用同步稀疏自适应匹配追踪协作重构算法重构所有次用户的信道能量。仿真结果表明加性高斯白噪声环境下该协作感知方法所需的滤波器数目仅为传统方法的20%左右,瑞利衰落信道下也仅需传统方法的40%,有效降低了系统复杂度并改善感知性能。同时,该文提出的同步稀疏自适应匹配追踪算法对比经典的同步正交匹配追踪算法在重构精度及算法复杂度两方面都有所提升。     

分布式的1 bit压缩频谱感知算法

由于频谱感知中信道稀疏度动态变化,导致分布式频谱感知网络中节点间信息传输频繁,消耗感知网络通信带宽。为了缓解网络通信带宽压力,提出分布式的1 bit压缩频谱感知算法。各节点对感知数据进行压缩采样并1 bit量化,然后融合节点采用JSM-2模型对数据进行融合,最后通过BIHT算法重构信号频谱,实现频谱感知。仿真结果表明,在低信噪比和较少的采样数目下,分布式的1 bit压缩频谱感知算法能具有较好的频谱检测性能,是一种可实用的频谱感知方法。     

动态稀疏频谱的自适应压缩感知与跟踪算法研究

在宽带频谱感知、通信侦察等应用中信号稀疏度往往是动态变化的。首先证明了重构误差随压缩比的增加单调减小,在此基础上,提出了一种压缩比随频谱稀疏度自适应调整的压缩采样新算法。新算法由压缩采样与压缩比自适应调整两部分组成,其中,压缩采样部分用于恢复原信号,并估计恢复信号与原信号之间的误差;压缩比自适应部分根据误差与压缩比之间的近似线性函数关系,自适应调整下一时刻的压缩比。计算机仿真结果表明:新算法能够以近似“最优”的压缩比对稀疏度慢变的频谱进行有效感知,并跟踪频谱稀疏度的变化;与传统压缩采样方法相比,在保证频谱感知精度的前提下,新算法能够总体上进一步显著降低采样速率。      

用于调制宽带转换器压缩频谱感知的重构失败判定方法

调制宽带转换器(Modulated Wideband Converter, MWC)压缩采样应用于频谱感知的一个基本前提是信号在频域上的稀疏性。如果信号不稀疏,将导致MWC重构结果不正确。该文提出了一种MWC压缩采样重构成败的判定方法。该方法利用连续两次重构得到的子带能量之间的相关性进行判决。仿真结果表明,该方法能够较准确地判断重构是否成功,应用于认知无线电频谱感知中能够避免频谱不稀疏时认知用户对主用户造成干扰,达到保护主用户的目的。     

基于时频点集特征提取方法的宽带频谱感知

提出了一种基于调制宽带转换系统(MWC)和信号时频点集特征提取的宽带频谱感知方法。首先,利用MWC实现宽带模拟信号的低速率数字采样,对采样序列进行频谱重构得到各子带信号,同时宽带信道被划分为互不重叠的子带;其次,对各子带信号进行时频聚集性分析,提取时频点集特征,完成各子带信号检测,定义宽带感知向量以确定宽带频谱的具体占用情况,实现宽带频谱感知;最后进行仿真实验,结果表明了时频点集特征提取方法的可行性,以及其对噪声的不敏感特性,验证了该宽带频谱感知方法的有效性。     

基于MWC宽带压缩采样信号的DSP重构

高速宽带数字通信系统是无线通信的发展趋势,需要高质量的通信信道保证。在无线通信领域,存在着频谱资源日益匮乏、信道不稳定、利用率低造成数据传输质量不高的问题。基于压缩感知技术的宽带调制转换器(MWC)能够用于无线频谱的快速检测,为频谱资源的合理配置和监管提供了一种新的实现途径。本文通过研究MWC及其实现技术,在调制宽带转换器采样的基础上提出了一种改进多重信号分类算法的宽带频谱快速感知方法,基于DSP芯片设计实现了MWC宽带采样信号的重构系统。整个感知过程无须重构原始波形,无须计算频谱,大大降低了计算量,提高了感知效率。仿真结果表明,在低信噪比的情况下,该算法仍具有很好的检测性能。测试表明,该系统可以准确地感知实时频谱占用和频谱空洞位置。     

An adaptive measurement scheme based on compressed sensing for wideband spectrum detection in cognitive WSN

An Adaptive Measurement Scheme (AMS) is investigated with Compressed Sensing (CS) theory in Cognitive Wireless Sensor Network (C-WSN). Local sensing information is collected via energy detection with Analog-to-Information Converter (AIC) at massive cognitive sensors, and sparse representation is considered with the exploration of spatial temporal correlation structure of detected signals. Adaptive measurement matrix is designed in AMS, which is based on maximum energy subset selection. Energy subset is calculated with sparse transformation of sensing information, and maximum energy subset is selected as the row vector of adaptive measurement matrix. In addition, the measurement matrix is constructed by orthogonalization of those selected row vectors, which also satisfies the Restricted Isometry Property (RIP) in CS theory. Orthogonal Matching Pursuit (OMP) reconstruction algorithm is implemented at sink node to recover original information. Simulation results are performed with the comparison of Random Measurement Scheme (RMS). It is revealed that, signal reconstruction effect based on AMS is superior to conventional RMS Gaussian measurement. Moreover, AMS has better detection performance than RMS at lower compression rate region, and it is suitable for large-scale C-WSN wideband spectrum sensing.     

基于混合匹配追踪算法的MIMO雷达稀疏成像方法

多输入多输出(MIMO)雷达作为一种新型的雷达体制,其成像兼具高分辨率与实时性的优点。由于观测区域的稀疏性,MIMO雷达成像可以用压缩感知的方法进行处理。而现有的MIMO雷达稀疏成像的贪婪恢复算法中,正交匹配追踪算法(OMP)存在成像图像有伪影的缺点,子空间追踪算法(SP)则受到低分辨率的困扰。针对上述问题,该文提出一种称为混合匹配追踪算法的压缩感知贪婪算法以实现MIMO雷达稀疏成像。通过将两种贪婪恢复算法结合起来,利用OMP 算法选择基信号的正交性和SP 算法具有基信号选择的回溯策略,来重构出高分辨率且没有伪影的雷达图像。仿真实验验证了所提算法的有效性。     

基于随机滤波的探地雷达成像方法

探地雷达是一种超宽带雷达系统,若按传统的奈奎斯特采样,雷达回波信号需要大量空间存储。压缩感知可以实现利用少量的测量值对稀疏信号进行重构,其中最为关键的是测量矩阵和重构算法的选择。本文将压缩感知应用于探地雷达成像,并利用随机滤波的思想选择测量矩阵,可以有效减少测量矩阵中非零值的个数。利用正交匹配追踪算法对信号进行重构,算法简单,降低了数据的存储量和运算复杂度,该算法同样可以对时间和空间上同时压缩的数据进行成像。最后,本文给出基于时间连续信号的GPR接收机一种CS实现方案。仿真结果表明,本文提出的成像方法可以以少量数据精确地对信号进行重构,并且运算量少。      

块稀疏广义正交匹配追踪算法

基于广义正交匹配追踪,提出了一种在压缩感知框架下,适用于任意块稀疏信号重构的算法。该算法以贪婪迭代为核心,在迭代过程中利用一种新的方法寻找非零块,达到了非零块估计方法优化的目的,提升了算法重构概率。理论分析表明在恰当的受限等距特性常数约束下,该算法能够保证重构原始信号。仿真实验从稀疏度、算法估计步长、测量值数目、迭代次数等方面证明了该算法的有效性与优越性。     

毫米波系统中基于压缩感知的波束空间信道估计

波束空间信道估计中大多为窄带信道模型,因此,将基于天线开关网络(Antenna Switching Network, ASN)的导频分组方案应用到宽带信道中,将信道估计构建为稀疏信号恢复问题。针对稀疏信号重构算法中基于广度优先准则的多径匹配追踪算法(Breadth First Based Multipath Matching Pursuit, MMP-BF)需要已知稀疏度的问题,使用分段弱正交匹配追踪算法(Stagewise Weak Orthogonal Matching Pursuit, SWOMP)的阈值准则代替MMP-BF算法的相关性准则,并在每一次迭代结束后根据估计值再次采用阈值准则进行回溯以提高原子选择的准确性。仿真结果表明,在信噪比为0 dB时,改进算法在低导频开销下相比正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit, OMP)等传统算法估计精度提高了至少2 dB,相比MMP-BF算法在不同路径个数下具有更好的鲁棒性。     

基于压缩感知理论的多普勒解模糊处理

多目标的多普勒解模糊处理是低脉冲重复频率(PRF)雷达的关键技术之一,论文提出一种新的基于压缩感知(CS)理论的多普勒解模糊处理方法,利用多重PRF方式下相参处理间隔内的时域欠采样特性及多普勒频谱的稀疏特性,构造了多普勒解模糊的CS模型,采用正交匹配追踪(OMP)算法直接估计出无模糊多普勒谱的幅度响应,可实现PRF分组参差方式下对多个目标的解多普勒模糊处理,仿真结果验证了算法的有效性。     

基于矩阵分解的压缩感知算法研究

奈奎斯特采样定律是长久以来具有指导意义的经典信号处理技术,它提出信号在采样过程中,当且仅当采样率大于信号带宽的2倍时,才能精确重构信号。压缩感知理论突破了奈奎斯特采样定理对信号采样率的限制,以更低采样率采样信号,并通过适当的重构算法恢复信号。文中以压缩感知理论为基础,结合目前广泛采用的正交匹配追踪算法,基于矩阵分解思想,提出2种改进算法,在运算复杂度方面取得优化,并且满足信号处理时对重构精度的要求。     

基于OMP的非合作宽带脉冲压缩雷达信号的压缩感知研究

压缩感知技术可以用来实现对非合作宽带信号的欠采样快速处理。宽带脉冲压缩雷达能够有效解决雷达探测距离和距离分辨力的矛盾,在探测领域得到了广泛应用,为实现对非合作宽带脉冲压缩雷达信号的快速欠采样接收处理,本文首先开展了信号稀疏分解与重构算法研究,通过对贪婪算法、凸松弛类算法、组合类算法三大算法进行对比分析,选用了运行速度快且重构精度高的正交匹配追踪(OMP)算法针对非合作宽带脉冲压缩雷达信号进行压缩感知仿真分析。仿真结果表明:在一定信噪比条件下,OMP算法完全能够实现对非合作宽带脉冲压缩雷达信号的欠采样和信号重构,从而实现了对非合作宽带雷达信号的欠采样处理,为处理非合作超宽带雷达信号提供了很好的理论指导。     

Cooperative wideband spectrum sensing based on sequential compressed sensing

Compressed sensing offers a new wideband spectrum sensing scheme in Cognitive Radio (CR). A major challenge of this scheme is how to determinate the required measurements while the signal sparsity is not known a priori. This paper presents a cooperative sensing scheme based on sequential compressed sensing where sequential measurements are collected from the analog-to-information converters. A novel cooperative compressed sensing recovery algorithm named Simultaneous Sparsity Adaptive Matching Pursuit (SSAMP) is utilized for sequential compressed sensing in order to estimate the reconstruction errors and determinate the minimal number of required measurements. Once the fusion center obtains enough measurements, the reconstruction spectrum sparse vectors are then used to make a decision on spectrum occupancy. Simulations corroborate the effectiveness of the estimation and sensing performance of our cooperative scheme. Meanwhile, the performance of SSAMP and Simultaneous Orthogonal Matching Pursuit (SOMP) is evaluated by Mean-Square estimation Errors (MSE) and sensing time.