（信号与信息处理专业论文）感知无线电网络中的协作频谱检测技术研究.pdf

感知无线电网络中的协作频谱检测技术研究 摘要 随着频谱资源日趋紧张，感知无线电技术成为无线通信领域新的研究热 点。感知无线电可以有效缓解频谱分配与利用之间的矛盾。频谱检测技术作 为感知无线电中的一个重要问题也受到了广泛的研究。对于分布式感知网络， 感知用户之间相互交换感知信息，通过相互协作对授权用户进行检测；对于 集中式感知网络，多个感知用户独自对授权用户进行检测，然后将各自的判 决结果传送至融合中心进行最后的决策。 本文首先阐述了感知无线电的定义、研究现状和频谱检测在感知无线电中 的重要作用。通过对协作频谱检测技术研究现状的分析，提出本论文准备研 究的基本问题和主要目标，从以下两个方面进行研究： 一、分布式协作感知网络。介绍了单天线感知用户g a n e s a n 协作检测模型 和多天线感知用户协作检测模型，并提出多天线感知用户协作频谱检测的算 法。该算法基于最优功率分配和协作分集，根据信道条件利用奇异值分解在 每根天线上进行功率注水，并考虑多天线情况下两用户网络协作频谱感知授 权用户的判决检测过程，利用基于指数衰减的路径损耗模型，分析多天线感 知网络的各态历经容量和检测授权用户的概率及时间。理论分析和计算机仿 真结果表明，多天线感知用户通过最优功率分配和协作频谱感知不仅使感知 网络具有最大的各态历经容量，同时改善系统的检测性能：提高了检测概率， 降低了检测时间。 二、集中式协作感知网络。介绍了传统的单门限判决检测方案；同时针对 单门限检测方案存在的问题，提出了改进的双门限检测方案，并推导了检测 概率和虚警概率之间的表达式。仿真结果证明这种改进型的双门限判决检测 方案检测性能的改善依赖于两门限的间隔大小，同时能有效减少融合的比特 数据，节约了带宽资源。 关键词：感知无线电，协作频谱感知，检测概率，虚警概率，检测时间 t h er e s e a r c ho nc o o p e r a t i v e s p e c t r u m s e n s i n gi nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k a b s t r a c t w i t hm o r el i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e ，c o g n m v er a d i ot e c h n o l o g yb e c o m e sa n e wp a r a d i g mi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sw h i c hc a nr e s o l v et h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e na l l o c a t i o na n du t i l i z a t i o no ft h es p e c t r u me f f e c t i v e l y a sa ni m p o r t a n t i s s u ei nc o g n i t i v er a d i o ，s p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g yi su n d e re x t e n s i v er e s e a r c h a st od i s t r i b u t e dc o g n i t i v en e t w o r k ，c o g n i t i v eu s e r se x c h a n g es e n s i n gi n t o r m a t m n t oe a c ho t h e r ，a n ds e n s et h ep r i m a r yu s e rb yc o o p e r a t i n g a st o c e n t r a l i z e d c o g n i t i v en e t w o r k ，e a c hc o g n i t i v eu s e rs e n s e st h ep r i m a r y u s e ri n d e p e n d e n t l y t h e d e c i s i o nr e s u l t sm a d eb ye a c ho n ea r et r a n s m i t t e dt ot h ef u s i o nc e n t e rf o rf i n a l d e c i s i o n i nt h i sp a p e r , t h ed e f i n i t i o n ，r e s e a r c hs i t u a t i o no fc o g n i t i v er a d i oa n dt h e i m p o r t a n tf u n c t i o no fc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n ga r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt o a n a l y s i so nr e s e a r c hs i t u a t i o no fc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g y , b a s i c i s s u e sa n dm a i nt a r g e t sa r ep r o p o s e d t h e nt w oa s p e c t sa r eu n d e rr e s e a r c h t h ef i r s to n ei sa b o u tt h ed i s t r i b u t e dc o o p e r a t i v es e n s i n gn e t w o r k g a n e s a n c o o p e r a t i v es e n s i n g m o d e lo ns i n g l e a n t e n n ac o g n i t i v eu s e r a n dm o d e lo n m u l t i a n t e n n ac o g n i t i v eu s e ra r ei n t r o d u c e d ，t h e nc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g a l g o r i t h mo nm u l t i 。a n t e n n ac o g n i t i v eu s e r si sp r o p o s e dw h i c hb a s e do no p t i m a l p o w e ra l l o c a t i o na n dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y i tu s e ds v dt oi m p l e m e n tp o w e r w a t e r - f i l l i n g o ne a c ha n t e n n ab a s e do nc h a n n e lc o n d i t i o n ，a n d t h ed e t e c t i o n p r o c e s so ft h ec o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gf o rt h ep n m a r y u s e rw a sc o n s i d e r e di n t h et w o u s e rn e t w o r kw i t hm u l t i a n t e n n a t h ee r g o d i cc a p a c t t y ，d e t e c t i o n p r o b a b i l i t ya n dd e t e c t i o nt i m e i n c o g n i t i v en e t w o r kw i t h m u l t i 。a n t e n n aw e r e a n a l y z e dw i t hp a t h 1 0 s s m o d e lb a s e do ne x p o n e n t i a la t t e n u a t m n t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d c o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o g n i t i v e u s e r sw i t h m u l t i a n t e n n ac a nn o to n l ym a k et h ec o g n i t i v en e t w o r kh a v em a x i m a le r g o d i c c a p a c i t y ，b u ta l s oi m p r o v ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mt h r o u g ho p t i m a l p o w e ra l l o c a t i o na n dc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g ：i n c r e a s e sd e t e c tp r o b a b i l i t y a n dd e c r e a s e sd e t e c t i o nt i m e t h eo t h e ro n ei sa b o u tt h ec e n t r a l i z e d c o o p e r a t i v ec o g n i t i v e n e t w o r k c o n v e n t i o n a ls i n g l et h r e s h o l ds e n s i n gs c h e m ei sf i r s ti n t r o d u c e d t or e s o l v et h e p r o b l e me x i s t i n gi nc o n v e n t i o n a ls e n s i n gs c h e m e ，i m p r o v e dt w o t h r e s h o l ds e n s i n g s c h e m ei sp r o p o s e d t h ec l o s e f o r me x p r e s s i o nb e t w e e nd e t e c tp r o b a b i l i t ya n d f a l s ea l a r mp r o b a b i l i t yi sa l s od e r i v e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e i m p r o v e m e n to fs e n s i n gp e r f o r m a n c ef o rt w ot w o - t h r e s h o l ds e n s i n gs c h e m e d e p e n d so nt h es i z eo fi n t e r v a lb e t w e e nt h et w ot h r e s h o l d s ，a n df u s i o nb i t sn u m b e r c a nb er e d u c e de f f e c t i v e l yw h i c hs a v et h eb a n dr e s o u r c e s k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g ，d e t e c tp r o b a b i l i t y ，f a l s e p r o b a b i l i t y ，d e t e c t i o nt i m e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：j 盈径 日期： 丝1 2 ：兰：坚 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 耖以7 搠 适用本授权书。 日期一丝! 壁：墨：尘 同期：幽：圣：! 北京m t u 学碗i 学位论文 第一章绪论 1 1 感知无线电的研究背景 第一章绪论 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。 为了缓解人们日益增长的无线接入需求，一方面人们不断开发新的无线接入技术，利用 新的频段来提供各种业务；另一方面，不断改进各种编码调制方式，提高频谱效率。然而， 由于移动终端天线尺寸和功率的限制，可以用于无线接入的频段十分有限。同时目前的频 谱分配方式在提高频谱效率方面十分有限。因此，如何解决频谱短缺问题是未来无线通信 必须面对和解决的一大难题。根据联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m t u f i c a t i o n sc o m m i t t e e f c c l 关于美国3 6 g h z 的频谱分配情况研究报告指出，授权频段的实际使用率仅为1 5 8 5 。美国加州大学伯克莱分校在伯克莱市的市区中心进行的实地频谱测量结果】更加令 人吃惊：3 4 g h z 之间的频谱利用率仅为o5 ，4 5 g h z 的频谱利用率甚至低至o 3 ， 如图1 1 所示。 x 1 矿 f r e q u e n c y g h z ) 圉l - i 美国加州走学伯克利分校对0 6 g h z 频段的额谱利用率情况测量结果 研究报告表明，频谱资源在时域及频域上有多这7 0 未被充分利用。由此可见，存在 着频谱资源利用的不平衡性。目前频谱资源管理国际上采用的通用做法是实行授权和非授 权频率管理体制。一方面，授权频段占用了整个频谱资源的很大一部分，由于在某些地区 授权用户不会在任何时间都使用其频段，因此不少授权频段存在“频谱空洞”；另一方面， 开放使用的非授权频段占整个频谱资源的根小一部分，而在该频段上的用户却很多，业务 量捌挤，无线电频段趋于饱和。静态的频谱分配原则导致授权频段利用率低下而其它用户 佃 | i 帅 一ep)id 北京邮i 乜人学硕f j ：学位论文第一章绪论 又无法使用相应频段。因此，必须寻找一种全新的、动态的频谱管理方式，以充分利用各 地区、各时间段的空闲频谱，从根本上解决频谱资源的需求矛盾。 如何迅速找出这些频谱空洞并进行有效利用昵? 瑞典皇家学院j o s e p hm i t o l a 博士提出 了感知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 概念【z 】。他把感知无线电设计为可以动态地增加网络 和个人用户的可用频谱总数，从而为频谱分配提供一个可能的解决方案。感知无线电是一 个智能的频谱共享技术，它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过 实时改变某些操作参数( 比如传输功率、载波频率和调制技术等) ，使其内部状态适应接 收到的无线信号的统计性变化，动态地检测和有效地利用空闲频谱，以达到以下目的：任 何时间任何地点的高度可靠通信，对频谱资源的有效利用。理论上允许在时间、频率以及 空间上进行多维的频谱复用，大大降低频谱和带宽限制对无线技术发展的束缚。感知无线 电正是在这样的背景下应运而生，而且正在受到越来越热的研究。 1 2 感知无线电的定义与研究现状 感知无线电概念最早是由瑞典j o s e p hm i t o l a 博士于1 9 9 9 年8 月提出的，是对软件无线 电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 功能的进一步扩展。j o s e p hm i t o l a 博士认为【3 】：“感知无 线电这个术语确定了这样一个观点，即无线个人数字助理( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，p d a ) 和相关的网络具有对于无线资源和相关的计算机与计算机之间通信足够的计算智能，包 括：作为用户环境的函数，检测用户的通信需求，并且提供满足这些需求的最适当的无线 资源和服务。s i m o nh a y k i n 则从信号处理的角度出发，认为：“感知无线电是一个智能 无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变 某些参数，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时 间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。”图1 2 为s i m o nh a y k i n 提出的感 知环。s i m o nh a y k i n 提出的感知环主要包括三部分：无线频谱探测；信道状态估计与 预测；发射功率控制与频谱管理。 2 北京邮i u 人学硕i j 学位论文 第一章绪论 接收机 图1 - 2s i m o nh a y k i n 提出的感知环 总结上述定义，感知无线电应该具备以下两个主要特征： ( 1 ) 认知能力。认知能力使感知无线电能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信 息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源( 频谱空洞) ，并选择最适当的频谱和 工作参数。这一任务包括3 个主要的步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。频谱感知的 主要功能是监测可用频段，检测频谱空洞；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性； 频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。 ( 2 ) 重构能力。重构能力使得感知无线电设备可以根据无线环境动态编程，从而允 许感知无线电设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括：工作频率、 调制方式、发射功率和通信协议等。重构的核心思想是在不对频谱授权用户产生有害干扰 的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段被授权用户使用， 感知无线电有二种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改 变发射频率或者调制方案避免对授权用户的有害干扰。 由于近几年无线业务急剧增长，频谱资源紧缺问题使人们思考传统频谱政策的缺陷， 并开始考虑使用感知无线电技术来实现动态频谱接入，合理、充分地利用频谱资源。与 m i t o l a 定义的“全感知无线电”( f u l lc o g n i t i v er a d i o ) 不同，这种感知无线电仅以无线频 谱为关注对象，因此是“频谱感知”的感知无线电( s p e c t r u ms e n s i n gc o g n i t i v er a d i o ) 。f c c 和f c a p a r 等人提出的感知无线电的定义均属于该范畴。 北京邮电人学硕 ：学位论文第一章绪论 f c c 引入了“干扰温度”( i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e ) 机制来表征感知用户在共享频段 内对授权用户接收机产生的干扰功率。f c c 认为在某频段，只要授权用户接收机处的干扰 值小于某一预先规定的干扰门限，感知无线电用户就可以接入，和授权用户同时使用该频 段【4 】。为了判断是否允许感知用户的接入，f c c 给出了三种测量“干扰温度 的方法，但 是具体的实现都存在一定困难。而且这种共享频谱方式会减小授权系统的覆盖范围、容量， 影响用户的服务质量等，因此该定义下的感知无线电目前存在很大争议。 由于f c c 提出的干扰温度共享机制的感知无线电概念存在的诸多问题，现在越来越多 的学者倾向于采用ec a p a r 等人提出的基于优先权的频谱分享方式，即授权用户拥有最高 的频谱使用优先权，若干具有低优先级的感知用户可以与授权用户分时段地分享频谱资 源。这种定义下的感知无线电较易理解和实现，并且可对授权用户实施很好的保护，因此 目前绝大多数开展的感知无线电研究都是基于此定义的，本文也不例外。 感知无线电技术( c r ) 是继软件无线电( s d r ) 技术后的又一次突破，受到了许多国 家军方、大学、研究机构以及企业的支持和推进。率先进行这方面研究的是美国国防高级 研究计划局p j 。2 0 0 3 年，从事高尖端军事设备开发的美国雷声公司从d a r p a 手中接下了 有关研发下一代无线( x g ) 通信计划的合同，进行下一代无线技术研究和开发。x g 计划将 研制系统方法和关键技术，以实现通信和传感器系统中的动态频谱应用。雷声公司称其论 证的频谱效率可使目前的频谱利用率提高1 0 到2 0 倍。该公司目前正计划在实际环境中验 证该技术，并为x g 技术向军事和潜在的商业应用移植在做准备。d a r p a 的项目经理 p r e s t o nm a r s h a l l 称，“拥有x g ，通过简单地打开一个无线电或通信设备，就可访问一个通 用无线网络。 而雷声公司在该项研究中采用的就是感知无线电技术( c o g n i t i v er a d i o ) 。目 前从事c r 研究的机构主要由伯克莱、斯坦福等大学和i n t e l 、q u a l c o m m 、c a n d e n c e 、t i 等公司。其中，伯克莱无线研究中心的研究工作最为显著。以b r o d e r s e n 教授为代表的研 究小组提出了一种基于感知无线电使用非授权频谱的c o r v u s 结构，通过用户分组放宽 了对中心控制的要求。b r o d e r s e n 等人给出了该系统的基本应用场景，描述了评估系统性能 的参数，并且建立了粗略的系统协议功能体系，还提出了与实现相关的几个具体问题【6 】， 包括：( 1 ) 跨层设计问题：认知无线电系统的设计需要同时考虑r f 前端灵敏度、利用针 对特定一级用户的信号处理增益和网络协同共享频谱检测结果；( 2 ) 提出r f 前端的基本 体系结构，指出需要在接收机的线性度、采样率、精度与功率之间合理折中；( 3 ) 提出匹 配滤波、能量检测和周期特性检测三种频谱检测方式，分析了各自的优缺点。从技术可行 性的角度对认知无线电技术进行了探讨，他们试图解决决定认知无线电技术应用的基本理 论问题。他们的研究结果表明：对于能量检测器，由于噪声的不确定性和量化误差，当信 噪比( s n r ) 低于某个门限后，信号具有绝对不可检测性问题。针对这个问题，t s a b a i 等人提 4 北京邮l 乜人学硕j ：学位论义第一章绪论 出采用导引符号( p i l o t s ) 辅助的方法进行信号检测。同时，他们还指出，可以根据一级用户 和二级用户的距离动态调整后者的发射功率，从而提高系统性能1 7 j 。 近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，包括电子科技大学、清华大学、香 港科技大学及北京邮电大学等。国家8 6 3 计划基金在2 0 0 5 年首次支持了感知无线电关键 技术的研究。目前的研究课题主要集中于感知无线电系统中的合作及跨层设计技术、空间 信号检测和分析及q o s 保证机制等。 随着感知无线电的发展，各标准化组织和行业联盟也纷纷开展相关的研究，并且开始 着手制定感知无线电的标准和协议。i e e e 对于感知无线电技术的标准化推进工作比较积 极，目前正在制定的与感知无线电相关的标准主要包括：i e e e8 0 2 2 2 、i e e e8 0 2 1 6 h 、i e e e p 1 9 0 0 、i e e e8 0 2 1 l h 等。 2 0 0 4 年1 0 月，i e e e 正式成立i e e e 8 0 2 2 2 工作组，这是第一个世界范围的基于感知无 线电技术的空中接口标准化组织。i e e e 8 0 2 2 2 也被称为w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k ( w r a n ，无线区域网络) ，该工作组的目的就是使用感知无线电技术将分配给电视广播 的v h f u h f 频带( 北美为5 4 m h z 8 6 2 m h z ) 的频率用作宽带访问线路。w r a n 设备的关 键是无需频率许可，与电视等已有的主要用户共存。当主要用户工作时，w r a n 不占用相 应频段；当检测到某些频段没有被主要用户使用时，w r a n 设备可以自动使用这些频率 资源；w r a n 设备在工作期间发现主要用户在相同频段开始工作时，将迅速退让出相应频 段。为了与t v 频道的授权用户共存，8 0 2 2 2 系统的物理层( p h y 层) 和媒体接入控制层 ( m a c 层) 协议应该允许基站根据感知结果，动态调整系统的功率或者工作频率，还应 包括降噪机制，从而避免对t v 频道的授权用户造成干扰。现有的i e e e 8 0 2 2 2 标准提案对 空中接口进行了规范，包括p h y 层与m a c 层的规范，m a c 层和p h y 层协议栈对于所有 被支持的服务都是相同的。8 0 2 2 2 标准工作组于2 0 0 5 年9 月完成了对w r a n 的功能需求 和信道模型文档，2 0 0 6 年开始对各个公司提交的提案进行审议和合并，并于2 0 0 6 年3 月 形成了最终的合并提案作为编写标准的基础，计划2 0 0 7 年下半年完成标准化作业，预计 2 0 0 8 年最终的标准将会被批准。8 0 2 2 和8 0 2 1 6 h 都只是感知无线电的简单应用，为了进 一步研究感知无线电i e e e 于2 0 0 5 年成立了i e e e l 9 0 0 标准组，进行与下一代无线通信技 术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。该工作组对于认知无线电技术的发展和与其 它无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。 北京邮l u 人学硕l ：学位论文第一章绪论 1 。3 感知无线电中的频谱检测技术 1 3 1 频谱检测技术在感知无线电中的地位 由上面对感知无线电的定义可知，感知无线电作为低优先权的用户，使用授权频谱的 前提条件是授权频段正处于闲置状态，一旦高优先权的授权用户开始使用频段，感知用户 必须立即清空。这些暂时没被使用的频谱，通常称为“频谱空穴”( s p e c t r u mh o l e s ) 。例如， 电视频段中的“频谱空穴”如图1 3 所示。 i 一彦锄夸钐，知秘，彩彦巍么。妫j 一，聊噶严光，电，嬲：五鳓 7 、 隧鲈”争黔“辑。锄 。 f 一一 、 彩”缈7 夥j 科辫蟛鳓剃锄缈狮7 一磊 2喇 貔玩。劾赫盔篇乳锄彩幺螽盎冀群釜馘；赫t ：。i 谚蠡蒯赫朝蹦菇磊勘馨易穰繇渤建端白薪缸镀么缓 ， 。，_ 一 荔僦 馨名一口拶，；露* 4 蛳? 。，祝确，勿血躺貉赫赫癌熊$ 蘸搿 一尹一一一j 一一 。 罗?习 争7 ”例戮黝缈嬲缵缪黝9 秀 锈 舷jo ：a ，j! i ：鹚 l 图1 - 3 电视频段中的“频谱空穴”【5 】 为了保护授权用户的通信质量，感知无线电必须满足两点要求：首先，在频谱接入之 前知道确切的频谱占有信息；其次，在通信过程中需要实时监测授权用户的状态，当授权 用户出现时能尽快地进行避让。鉴于授权用户没有义务改变自身的结构，感知无线电用户 只能采用可靠的方法独立地对特定时间和空间上的频谱空穴进行探测。上述工作必须依靠 感知无线电的频谱检测技术来完成。 其次，频谱检测技术的性能体现了一个感知无线电系统的优劣：频谱检测的准确度越 高，对授权用户产生干扰的可能性越小，为感知用户提供的闲置带宽也越大，对频谱的利 用程度也越充分。 由此可见，频谱检测技术是感知无线电首要的任务和通信的前提，体现了感知无线电 “见缝插针”的独特之处，是感知无线电中的核心技术之一，也是感知无线电中最具挑战 6 北京i f f | ； 【1 人学硕i j 学位论文 第一章绪论 性的工作之一。 1 3 2 频谱检测技术的分类 频谱检测技术是感知无线电应用的基础和d 订提。感知无线电设备在某时、某地能够准 确感知是否存在空闲频段，以供二级用户使用；同时还应随时监测是否有新的合法用户需 要接入该频段，以使二级用户及时退出使用该频谱资源，避免对一级用户造成干扰。在感 知无线电领域，用于检测某频段内是否有信号存在、有哪些信号存在的方法有多种。以检 测类型划分，可分为存在性检测和覆盖范围检测两类：检测出授权用户信号覆盖范围的方 法包括联合检测和区域检测，联合检测是根据各感知无线电用户的频谱感知结果来确定授 权用户存在的区域，计算复杂度低，漏检概率较小，但空间效率不高。区域检测采用基于 区域的贝叶斯检测算法，能提高空间效率。以检测节点个数划分，可分为单节点检测和协 同检测：以信息检测技术划分，主要分为匹配滤波、能量检测、周期特性检测三类；从网 络架构角度区分，协作式频谱检测有集中( c e n t r a l i z e d ) 控制和分布( d i s t r i b u t e d ) 控制两 种模式；从“信息”类型的角度而言，协作式频谱检测的融合技术分为两大类：决策融合 ( d e c i s i o nf u s i o n ) 及数据融合( d a t af u s i o n ) 。而决策融合准则中又有n p ( n e y m a n p e a r s o n ) 准则和“k 秩”融合准则( 七o u to f nf u s i o nr u l e ) 两大类。数据融合包括单天线的数据融合 和多天线数据融合，这是本论文的主要内容之一。具体如图1 4 。 图1 _ 4频谱检测技术分类 协同频谱感知，通过检测节点间的协作达到系统要求的检测门限，从而降低对单个检 测节点的要求，降低单个节点的负担。协同频谱感知的另一个优点是可以有效的消除阴影 7 北京邮电人学硕+ f ：学位论文 第一章绪论 j s s u 、旷迄白 、二7 、 一 1 3 3 频谱检测技术的主要性能指标 在筒述频谱检测技术的性能指标之前，我们先简单介绍存在性检测中的二元假设问 题，用式子表示为 8 北京邮电大学硕七学位论文第一章绪论 i 风：y ( f ) = “( f ) 【h i ：y ( t ) = h s ( t ) + u ( t ) 式( 1 1 ) 凰表示授权用户是在占用频段，凰表示授权用户不在占用频段，“( f ) 是均值为0 ，方差为矿 的加性高斯自噪声，s ( 力是均值为0 ，方差为仃；的发射信号，h 是无线信道的增益( 包括路 径损耗、阴影衰落和多径效应等因素) 。下文的理论推导和分析都基于这个前提进行。 频谱检测的主要指标参数有检测概率( d e t e c t i o np r o b a b i l i t y ) 、虚警概率( f a l s ea l a r m p r o b a b i l i t y ) 和漏报概率( m i s sd e t e c t i o np r o b a b i l i t y ) 。检测概率只表示前提是“授权用户存 在”且检测结果也是“授权用户存在 的概率，表达式是 = 以ql 蜀) 式( 1 2 ) 同理，虚警概率只表示前提是“授权用户不存在”但检测结果是“授权用户存在”的概率， 表达式是 弓= 以h i 凰) 式( 1 - 3 ) 而漏报概率己是检测概率的互补，表示为 = 1 一= 以风iq ) 式( 1 - 4 ) 由上面对三种概率的定义可知，检测概率越大( 漏报概率越小) 说明对授权用户产生 干扰的可能性越小；虚警概率越小说明感知用户对空闲频段的利用率越高，感知系统的容 量越大。因此，我们在设计频谱检测算法时应使检测概率尽可能大，而虚警概率尽可能小。 1 4 本文主要贡献、结构及内容安排 1 4 1 论文的主要贡献 本文研究的方向包括如下两个方面： ( 1 ) 单天线和多天线数据融合的算法研究。在分布式控制的感知无线电中，感知用户 之间相互协作，相互交换感知信息，每个感知用户独自做决策。感知用户是单天线的情况 下，研究如何相互协作检测授权用户。由于m i m o 系统的高传输速率和高链路可靠性，未 来的移动通信必然会引入多天线技术，甚至可能在用户终端内置多天线来获得更高的数据 速率和更好的通信性能。如果系统中有多个感知用户，而且这些感知用户都有多根天线， 那么这些感知用户基于协作分集来检测授权用户也是本文要研究的问题。 ( 2 ) 最优化集中式协同感知。在实际的网络中，存在大量的感知用户。这些用户所处 9 北京邮l 【1 人学硕l ：学位论文 第一章绪论 的环境各不一样，所经历的衰落也不同，如果让所有这些感知用户参与频谱检测，然后将 各自的判决结果送往融合中心，会浪费大量的系统带宽，而且系统的检测性能也会大打折 扣。这样，提出一种最优的融合策略，使得不必让所有的感知用户参与频谱感知，设置一 种准则让一部分感知用户参与频谱检测，而且检测性能不会比所有感知用户参与频谱检测 时的性能差，同时也能节约了带宽。 1 4 2 论文的结构及内容安排 本章首先介绍了感知无线电的研究背景和实际意义，总结了感知无线电的定义与研究 现状，阐述了感知无线电中的频谱检测技术以及频谱检测技术在感知无线电中的重要作 用。同时，详细介绍了频谱检测技术的分类和主要性能指标，确定了本文的主要研究课题。 第二章介绍了感知无线电中的单节点频谱检测技术和多节点频谱检测技术。单节点频 谱检测技术包括匹配滤波检测，能量检测和循环平稳特征检测等。分别针对上述三种单节 点检测技术的基本原理、检测模型和实现复杂度等进行了详细的介绍，同时对各自检测方 法的优缺点进行了总结。多节点检测技术介绍了集中式决策融合技术和分布式数据融合技 术，给出了这两种多节点网络架构模型。集中式决策融合技术介绍了基于似然比的n p 融 合准则和常用的“k 秩融合准则以及他们各自的优缺点，其中“k 秩融合准则重点介 绍了a n d 和o r 这两种融合准则。a n d 和o r 融合准则将在后面的章节中 用到。分布式数据融合技术介绍了经典的协作分集模型，用户之间如何进行协作用信号处 理的方法对授权用户进行检测将在第三章中进行介绍。 第三章重点介绍了分布式多用户协作频谱检测技术。首先给出了g a n e s a n 的多用户协 作检测模型和检测算法。给出了检测概率和检测时间的表达式来衡量感知网络的检测性 能。但g a n e s a n 模型限于感知用户是单天线的情形。随后介绍了多天线感知用户协作频谱 检测的算法，将单天线协作检测扩展到了多天线协作检测，在能量受限的条件下利用最优 功率分配算法在感知用户之间分配功率，使得感知网络的容量最大化。最后通过仿真验证 多天线协作频谱检测算法在检测性能上的改善。 第四章重点介绍了集中式感知网络的协作频谱检测技术。传统的判决策略是单门限决 策，并且所有的感知用户参与协作，但在感知用户数量很大的情况下分析了传统判决融合 策略的问题。随后提出改进的融合策略，即双门限决策方案，可以让一部分用户参与协作， 并对检测概率和虚警概率的表达式进行了详细的推导和阐述，仿真验证了在感知用户数量 很大的情况下，感知比特数量能得到有效的降低，同时检测性能也比传统的检测性能优越。 第五章对全文进行回顾和总结，并针对所提出方案尚需进一步完善的问题指出了下一 步研究工作。 l o 北京邮i u 人学硕王= 学位论文第二章频谱榆测技术 第二章频谱检测技术 2 1 单节点频谱检测技术 本节将对目前研究最广泛的几种感知无线电中的单节点频谱检测技术进行介绍。单节 点频谱检测包括以下两个步骤：首先对授权用户发送信号的特征( 如能量、波形等) 进行 提取，随后基于某一准则对频段的占用情况进行判断。根据提取的特征的不同，最常用的 单节点频谱检测方法有三种：匹配滤波器检测( m a t c h e df i l t e rd e t e c t i o n ) 、能量检测( e n e r g y d e t e c t i o n ) 和循环平稳特征检测( c y c l o s t a t i o n a r yf e a t u r ed e t e c t i o n ) 。本章将着重介绍各单 节点检测方法的原理、检测模型和实现复杂度等，对比各检测方法的优缺点，最后分析单 节点检测中普遍存在的问题。 2 1 1 匹配滤波检测 匹配滤波器的模型如图2 1 所示。无论对何种信号进行检测，最佳的方法都是匹配滤波 器，原因在于匹配滤波器能使接收端的信噪比最大化i l 到。由于是相干解调，匹配滤波器仅 需o ( i s n r ) 个抽样值就能达到较高的处理增益l l3 1 ，因此检测用时较短。这是匹配滤波器最 明显的优点。但是，这些优点都建立在检测者对待检测信号有先验知识的基础上。这就要 求次级用户必须知道授权用户在物理层和链路层的相关信息，例如调制类型、调制阶数、 数据包结构等。并且为了进行相干解调，次级用户必须与授权用户进行定时和载波同步， 甚至进行均衡。为了解决上述问题，我们可将授权用户的相关知识预先存入c r 的内存中； 并且我们可利用授权用户信号中的导频、同步字和扩频码等达到与原信号保持一致的目 的。然而，匹配滤波器有一个无法克服的缺点，即需要对每一种类型的p u 信号设计不同的 专用滤波器。然而在现实感知无线电环境中，极有可能存在多种类型信号共存，为所有的 信号类型设计专用滤波器需要耗费大量的资源且复杂度太高。因此，匹配滤波器在认知无 线电的检测环境中总体实用性不高，必须寻找一些更通用的次优的检测方法。 北京邮i 乜人学硕j ：学位论文第二章频谱榆测技术 2 1 2 能量检测 判决 图2 - 1 匹配滤波器检测模型 能量检测是最基本、应用最广泛的检测方法之一。能量检测方法是非相干的检测算法， 检测的对象是信号的功率，与具体信号的波形无关，因此能量检测特别适合用于检测未知 信号的有无【i4 1 。能量检测的基本思路：测量特定时间段里信号的能量，将其与预置的门限 值进行比较来判断信号的存在性。能量检测既可在频域上进行，也可在时域上进行。频域 上的能量检测必须将a d 得到的时域采样值通过f f t 变换到频域上，再对特定频域范围内的 信号功率进行测量。而在时域上的信号检测必须先让待测信号通过带通滤波器，再对目标 信号的功率进行测量。频域和时域能量检测模型如图2 2 和2 3 所示。 h ， t o , ) 乏 k 图2 - 2 频域能量检测模型 m ) 乏r 叫趸丌叫砷陌习攀f 司3 即 图2 3 时域能量检测模型 由采样定理可知，当目标信号j ，( 力的带宽为w ( 忽略带外能量) ，采样时间段为l 则 采集的样本数至少为2 t w 才能不产生频域混叠。由于时域和频域能量检测原理类似， 下面只针对时域能量检测进行分析。检验统计量及y ) ，即样本模平方和的平均值表示为 m ) = 专毫圳2 1 2 北京邮l 乜人学硕i ：学位论文 第一二章频i 年检测技术 假设能量检测中设定的判决门限值为s ，则检测概率定义为( s ) = e ( 丁( y ) 占ie ) ， 虚警概率定义为只( ) = e ( r ( y p f i 亿) 。角越大说明次级用户对授权用户可能造成的干 扰越小；p 厂越小说明次级用户对空闲频段的利用率越高。 另外，它存在几点不足之处：首先，能量检测器必须知道噪声功率才能相应地设置判 别门限值，但是实际情况中由于温度的变化、周围环境的干扰、滤波处理等原因噪声功率 总是随着时间不断变化的，这给判别门限值的设定增加了难度；其次，能量检测器不能分 辨调制信号、噪声和干扰，无法通过自适应干扰消除算法来排除次级用户的干扰，当待测 信号的功率低于噪声或干扰信号的功率时，能量检测器不能对信号的有无进行正确检测； 最后，由于能量检测器仅根据信号功率的大小进行判别，因此除非设计出更加复杂的算法， 否则能量检测器不能直接用来检测扩频和调频信号。 2 1 3 循环平稳特征检测 2 1 1 中讨论的匹配滤波器检测方法利用了信号的全部特征，因此在检测效果方面是最 好的，但是在实际情况中难以实现；2 1 2 中讨论的能量检测方法虽然简单易行，但是该方 法在处理过程中对信号和白噪声不加以任何区别，在信噪比很低的情况下检测效果很差。 循环平稳特征检测方、法1 1 6 j 介于上述两种极端之间，该方法仅利用信号普遍存在的特征，不 但具备很好的可行性，而且检测效果优于能量检测。一般情况下，调制过程都会在原信号 的基础上引入正弦载波、训练序列、调频序列、循环前缀等，因此经过调制的信号往往具 备内在的周期特性。不同类型的调制信号都有其独特的周期平稳特性。循环平稳特征检测 方法就是利用该特征将某一特定的信号类型从噪声和干扰的混沌中检测出来。这种辨别能 力在感知无线电应用背景中是十分有益处的，因为次级用户必须正确地区分授权用户和其 他次级用户的信号，这样才