（信号与信息处理专业论文）感知无线电物理层关键技术研究.pdf

北京邮电大学博生学位论文 感知无线电物理层关键技术研究 摘要 为解决频谱短缺与频谱利用率低下的矛盾，在频谱管理中将采用 动态频谱分配方式，允许多个系统在避免相互干扰的前提下动态地共 享频谱资源。感知无线电技术是实现动态频谱共享的一种主流方案。 它通过检测所处无线环境的空闲频段，选择可被自己使用的频段进行 通信。在近两年间，受到市场的强力驱动，对感知无线电技术的研究 开始展开，并不断升温。本论文就是在此背景下，选择了感知无线电 的物理层技术作为主要研究方向。 频谱检测技术是感知无线电系统实现动态频谱共享的关键，它分 为基础型频谱检测技术与增强型频谱检测技术。在基础型频谱检测技 术方面，本论文重点研究了能解决各种通信信号共存的频谱检测问题 的循环平稳频谱检测法。针对基于谱相关函数的循环平稳频谱检测， 本论文提出了谱相关函数的一种近似概率分布，这使得本论文能够对 以它为基础的增强型频谱检测技术进行准确的量化分析。在增强型频 谱检测技术方面，本论文分别研究了协作频谱检测和多天线频谱检测 技术。 协作频谱检测利用位于不同空间位置的多个感知无线电节点提 供的空间分集能力来抵抗无线信道衰落，在性能上需要兼顾检测的可 靠性与有效性。本论文首先提出用租借系统接收到的授权系统信号的 平均信噪比( s i g n a l t o n o i s ep o w e rr a t i o ，s n r ) 和频谱检测需要达 到的检测率来描述授权系统对租借系统频谱检测的要求。然后以这个 模型为基础，研究了协作频谱检测的性能与协作节点数、检测时间等 检测参数的量化关系，提出了以协作检测效率为优化目标、以协作检 测率和误检测率为限制条件的最优化问题及其算法，解决了在实际应 用中通过配置合适的检测参数使整个系统性能达最优的问题。对使用 循环平稳检测法的协作频谱检测的性能分析表明，随着协作节点数的 v 北京邮电大学博生学位论文 增加，协作检测效率也将随之增加，但当协作节点数达到一定值后， 协作检测效率不升反降。 多天线频谱检测利用多个天线提供的空间分集能力来抵抗无线 信道衰落。为了获取最大空间分集增益，感知无线电检测器需要在没 有授权系统任何先验信息的条件下，在频谱检测前对多天线信号进行 合并。针对这个问题，本论文提出了一种多天线合并频谱检测方法。 它利用信号的循环平稳特性，获取了多天线信道频域响应的一些信 息，并在频域上完成了检测前合并。本论文推导了多天线合并频谱检 测的检测率和平均s n r 的理论计算公式，证明该方法能获取多天线 提供的最大空间分集增益。仿真结果还表明，在对多天线信号进行 e g c 合并时，该方法在抵抗信道频域响应的估计误差方面具有良好 的性能，因而实用性较高。 本论文还研究了感知无线电系统的信道估计技术。由于感知无线 电系统的可用频段随时间跳变，并且不连续，信道估计技术需要适应 这些特点，并保障估计性能。本论文针对基于o f d m 的感知无线电 系统，提出了一种利用不连续频段间的频域相关性提高信道估计性能 的方法，推导了这种联合信道估计方法的均方误差的理论计算公式， 并通过了仿真验证。本论文对比了该方法与对各不连续频段分别进行 信道估计的性能，仿真结果表明不连续频段间相关性越大，联合信道 估计获得的性能增益就越高。通过仿真，本文还研究了导频方案、授 权系统带宽及信道相关带宽对该方法性能的影响。 关键词：感知无线电，动态频谱分配，频谱检测，信道估计，循环平 稳 北京邮电人学博生学位论文 r e s e a r c ho np h y s i c a ll a y e r t e c h o n o l o g yi nc o g n i t i v er a d i o a b s t r u c t t os o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h es p e c t r u mr e s o u r c es h o r t a g e a n dt h el o ws p e c t r u mu s a g e ，d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ( d s a ) s h a l l b ea d a p t e di nt h e s p e c t r u mm a n a g e m e n t ，w h i c hw i l la l l o wm u l t i p l e w i r e l e s sc o m m u n i c m i o ns y s t e mt os h a r et h es p e c t r u mw i t h o u ti n t e r f e r i n g e a c ho t h e r c o g n i t i v er a d i o ( c r ) i sak i n do fi m p o r t a n tr e s o l u t i o no f d s a ，w h i c hs e n s e st h ei d i es p e c t r u mo ft h ew i r e l e s se n v i r o n m e n ta n d t h e nu t i l i z e si t i nt h el a s tf e wy e a r s ，u r g e db yt h em a r k e tr e q u i r e m e n t ，t h e r e s e a r c ho fc ri sw a r m e da n de x p a n d e d u n d e rt h eb a c k g r o u n d ，t h i s d i s s e r t a t i o nt a k e st h ep h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g i e so fc ra st h er e s e a r c h f i e l d s p e c t r u ms e n s i n gp l a y st h ek e yr o l ef o rc rt oi m p l e m e n tt h ed s a ， w h o s et e c h n o l o g i e sc a l lb ec a t e g o r i z e dt ob a s i cs p e c t r u ms e n s i n ga n d e n h a n c e ds p e c t r u ms e n s i n g i nt h ea s p e c to fb a s i cs p e c t r u ms e n s i n g ，t h e c y c l o s t a t i o n a r i t ys p e c t r u ms e n s i n g ，w h i c hw i l li d e n t i f i e st h ec o e x i s t e n t s i g n a l s f r o md i f f e r e n t s y s t e m s f o c u s i n g o nt h e c y c l o s t a t i o n a r i t y s p e c t r u ms e n s i n gu s i n gs p e c t r u mc o r r e l a t i o nf u n c t i o n ，a na p p r o x i m a t e d i s t r i b u t i o ni sp r o p o s e dt oe n a b l et h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f c o o p e r a t i v e s p e c t r u ms e n s i n ga n dm u l t i a n t e n n as p e c t r u ms e n s i n gi nt h i sr e s e a r c h w h i c hc a nb ec l a s s i f i e dt ot h ee n h a n c e ds p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g i e s v n 北京邮电大学博生学位论文 c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gc o m b i n e st h ed e t e c t i o nr e s u l t sf r o m m u l t i p l er a d i o st or e s i s tt h ew i r e l e s sc h a n n e lf a d i n ge n c o u n t e r e db ya s i n g l er a d i oa n do b t a i nam o r ec o r r e c ts e n s i n g t h ep e r f o r m a n c es h o u l d b a l a n c et h e r e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fs e n s i n g u s i n gt h ea v e r a g e s i g n a l t o n o i s ep o w e rr a t i o ( s n r ) o fs i g n a lf r o ml i c e n s e ds y s t e m r e c e i v e db yr e n t a ls y s t e ma n dt h ed e t e c t i o np r o b a b i l i t yd e m a n d e db y l i c e n s e ds y s t e mt om o d e lt h er e q u i r e m e n to fl i c e n s e ds y s t e mu p o nr e n t a l s y s t e m ，t h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o no fd e t e c t i o np e r f o r m a n c ea n dt h e d e t e c t i o np a r a m e t e r si nc o o p e r a t i v es p e c t r u m s e n s i n g ，s u c ha st h en u m b e r o fr a d i o si n v o l v e di nt h ec o o p e r a t i o na n dt h es e n s i n gt i m eo fe a c hr a d i o ， a r e i n v e s t i g a t e d i ts t u d i e st h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo fc o o p e r a t i v e d e t e c t i o ne f f i c i e n c yu n d e rt h er e s t r i c t i o n so f p r o b a b i l i t i e so fd e t e c t i o na n d f a l s ea l a r mf o rt h e c o o p e r a t i o n ，a n dt h e np r o v i d e s a l l o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mw h i c hf i g u r e so u tt h ep r o p e rv a l u e so fd e t e c t i o np a r a m e t e r st o o p t i m i z et h es y s t e mp e r f o r m a n c ei na p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o 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 gb a s e do n c y c l o s t a t i o n a r i t y , t h e c o o p e r a t i v e d e t e c t i o ne f f i c i e n c yi su p g r a d e dw i t ht h en u m b e ro fr a d i o si s s t a r t e dt oi n c r e a s e ，h o w e v e rt h e e f f i c i e n c yi sr e d u c e da f t e rt h er a d i o n u m b e rr e a c h e sc e r t a i np o i n t m u l t i a n t e n n a s p e c t r u ms e n s i n gu t i l i z e st h es p a t i a l d i v e r s i t y p r o v i d e db yt h em u l t i p l ea n t e n n a st or e s i s tt h ec h a n n e lf a d i n g t oa c h i e v e t h ef u l l s p a t i a ld i v e r s i t y , t h ec o g n i t i v er a d i o s h o u l dc o m b i n et h e m u l t i a n t e n n as i g n a lp r e v i o u s l yt ot h ed e t e c t i o n a na p p r o a c hn a m e d m u l t i a n t e n n ac o m b i n i n gs p e c t r u ms e n s i n gi sp r e s e n t e d ，w h i c ho b t a i n s s o m ei n f o r m a t i o no ft h ec h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o n s eo fm u l t i a n t e n n aa n d p e r f o r m t h e p r e d e t e c t i o n c o m b i n a t i o n b ye x p l o i t i n gs i g n a l s c y c l o s t a t i o n a r i t y t h ec l o s e d f o r me x p r e s s i o n sa r ed e r i v e df o rt h e d e t e c t i o np r o b a b i l i t ya n da v e r a g es n ro ft h ea p p r o a c ho v e rf r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e l ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ep r o p o s e da p p r o a c hi sc a p a b l e o fa c h i e v i n gf u l ls p a t i a ld i v e r s i t yi ns p e c t r u ms e n s i n g t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ec o m b i n a t i o nu s i n ge q u a l g a i nc o m b i n i n gs u f f e r s v i l l 北京邮电大学博生学位论文 l i t t l ef r o mc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o rt h a nt h eo n eu s i n gm a x i m a l 。r a t i o c o m b i n i n g ，a n dt h u st h ef o r m e rh a sh i g hp r a c t i c a b i l i t y s i n c et h e f r e q u e n c y b a n d su s e db yc o g n i t i v er a d i ow i l lb e d i s c o n t i g u o u sa n dc h a n g e df r e q u e n t l yw i t ht i m e ，t h ec h a n n e le s t i m a t i o n s h a l la d a p tt ot h e s es p e c i a lc h a r a c t e r sa n dm a i n t a i ni t sp e r f o r m a n c e t h e c h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n o l o g y o fo f d m b a s e dc o g n i t i v er a d i oi s i n v e s t i g a t e d ，a n dam e t h o do fe x p l o i t i n gt h ec o r r e l a t i o no fd i s c o n t i g u o u s b a n d si nf r e q u e n c yd o m a i ni sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c h a n n e le s t i m a t i o ni nc o g n i t i v er a d i o t h ec l o s e f o r me x p r e s s i o no fm e a n s q u a r ee r r o r i sd e d u c e da n dv e r i f i e di ns i m u l a t i o n b ys i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s ，t h ep r o p o s e dm e t h o di sc o m p a r e d w i t ht h em e t h o do f e s t i m a t i n gt h ec h a n n e lo fe a c hb a n ds e p a r a t e l y i ts h o w st h a tt h es t r o n g e r i st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nd i s c o n t i g u o u sb a n d s ，t h eh i g h e ri s t h e p e r f o r m a n c eg a i no ft h ep r o p o s e dm e t h o d t h ei n f l u e n c eo fp i l o tp a t t e m ， b a n d w i d t ho fl i c e n s e ds y s t e ma n dc h a n n e lc o h e r e n c eb a n d w i d t ha r ea l s o i n v e s t i g a t e dw h i l es t u d y i n gt h ep e r f o r m a n c e o f p r o p o s e dm e t h o d k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ，s p e c t r u m s e n s i n g ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，c y c l o s t a t i o n a r i t y i x 北京邮电人学博生学位论文 ( ) 日 ( ) t ( ) 符号说明 矩阵或矢量的共轭转置 矩阵或矢量的转置 标量的共轭 线性卷积 e a k t r a 、 ， d i a g ( x ) l n 0 m x h 妒( z ) q ( ，) 随机变量的均值 矩阵a 第m 行第扎列对应的元素 矩阵a 的迹 求以向量z 为对角元素的对角矩阵 n n 单位矩阵 m n 零矩阵 标量z 的绝对值 复数x 的相位 m a r c u m q 函数 在本论文中，为统一描述，标量均以细斜体表示，向量用小写的粗斜体表示， 矩阵用大写的粗斜体表示。在需要区别时域信号与频域信号时，时域信号用小写 表示，频域信号用大写表示。 北京邮也人学博生学位论文 英文缩略语 b 3 g b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n c c d f 超三代移动通信系统 c 。m p l 锄e n a 巧c 啪u l a i v c d i s t r i b u i o n 累积分布函数的补函数 f u n c t i o n c i rc h a n n e l i m p u l s er e s p o n s e 信道冲激响应 c p c y c l i cp r e f i x c p c c o g n i t i v ep l i o tc h a n n e l c r c o g n i t i v er a d i o c r s i m o c r m i m o s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tc o g n i t i v e r a d i o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tc o g n i t i v e r a d i o c s ic h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 循环前缀 感知导频信道 感知无线电 单入多出感知无线电系 统 多入多出感知无线电系 统 信道状态信息 d a b d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g数字音频广播系统 d f t d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 离散傅立叶变换 d v b - t t e r r e s t r i a ld i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 地面数字视频广播系统 e g c e q u a l g a i nc o m b i n i n g 等增益合并 e 2 r e n d - t o e n dr e c o n f i g u r a t i o n端到端重配置 x v l 北京邮电人学博生学位论文 e 3e n d - t o - e n de f f i c i e n c y 端到端效率 f c c f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n 美国联邦通信委员会 f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r n l 快速傅立叶变换 h i p e r l a n 2h i g l lp e r f o r m a n c el a n t y p e2第二类高性能局域网 i b i i c i 块间干扰 载波间干扰 i d f t i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 离散傅立叶反变换 i s i 符号间干扰 i s m i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l 工业，科学和医用频段 n u i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n 国际电信联盟 l m m s el i n e a rm i n i m a lm e a ns q u a r ee r r o r 线性最小均方误差 l o sl i n eo fs i g h t l sl e a s ts q u a r e m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l 直达径 最d x - - 乘 媒体接入控制 s i m o s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t单输入多输出 x v n 北京邮电人学博生学位论文 m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 m m s em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 最小均方误差 m s em e a ns q u a r ee r r o r n l o sn o nl i n eo fs i g h t o f d m 均方误差 非视线传播环境 o r t h 。g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n 正交频分复用 m u l t i p l e x i n g p s kp h a s es h i f tk e y i n g相移键控 r s r e n t a ls y s t e m 租借系统 s c f s p e c t r a lc o r r e l a t i o nf u n c t i o n 谱相关函数 s c f m a c s p e c r a l c 。r r e l a t i 。nf u n c i 。n o i 多天线合并谱相关函数 m u l t i a n t e n n ac o m b i n i n g s i s o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t 单输入单输出 s n r s i g n a l t o - n o i s ep o w e r r a t i o 信号与噪声功率比 w s s u s z m c s c g u n l i c e n s e d n a t i o n a l i n f r a s t r u c t u r e i n f o r m a t i o n 免授权国家信息设施频 段 w i d e s e n s e s t a t i 。n a 巧 u n c 。盯e l a e d 广义平稳非相关散射 s c a t t e r i n g z e r om e a nc y c l i cs y m m e t r i cc o m p l e x 零均值循环对称复高斯 g a u s s i a n 分布 x v i i i 北京邮电大学博生学位论文 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。 一p 口 本人签名：e 墨：墨 日期：卫翌量：竺 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：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 盟：墨! 导师签名： 1 1 1 日期：塑争：! _ _ 汕、 日期：乒锔7 每狮 北京邮电人学博生学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 移动通信的不断发展为人们提供了越来越强大、便捷的通信手段，它深刻地 改变着我们的生产与生活。以实现无处不在、高质量、高速率的移动多媒体传输 为目标的第三代移动通信系统已在部分国家和地区进入商用阶段。但是随着全球 范围内移动用户数的快速攀升、互联网业务的迅猛增长以及便携计算设备的广泛 使用，第三代移动通信系统在通信容量与质量等方面也将远远不能满足用户的需 求。 目前，各国研究者正致力于研究未来移动通信系统，其目标是使无线通信的 容量和速率有十倍甚至百倍的提高。为了实现这一目标，不能仅仅依靠在各个技 术领域的孤立的革新，而需要在更深层次的概念和更广阔的系统、网络框架上寻 求创新与突破。动态频谱分配( d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ) 1 6 1 7 1 9 就是 其中的一个富有前景的研究方向。 1 1 1动态频谱分布与感知无线电 频谱是无线通信最宝贵的资源。现在世界各国主要采用传统的固定频谱分配 方式，通过授予频率使用权，把一个频段分配给一个特定的通信系统使用，不允 许其它系统占用该频段。虽然这种频谱分配方式杜绝了系统间干扰，但却导致频 谱利用率低下。受频谱短缺的压力，在局部频段上各国也允许多个特定的系统共 享频谱，甚至开放2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 和5 - 一, 6 g h z 的 u n i i ( u n l i c e n s e d n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 等频段为不需授权的频段， 允许通信系统自由地占用。但由于缺乏控制系统间干扰的机制，通信质量得不到 保障，因而开放频段往往只能用于小范围的通信，如w l a n 系统。 为解决频谱短缺与频谱利用率低下的矛盾，频率管理者开始考虑采用动态频 谱分配方式。它允许多个系统共享一个频段，在保证不影响其它系统通信的前提 下，允许后接入的系统占用频率。这种控制干扰的频谱共享机制，能大幅提高频 谱利用率，并使频谱短缺的现象得到明显缓解。为与现有通信系统兼容，在已分 配频段，动态频谱分配给拥有频率使用牌照的现有通信系统( 又称为授权系统， l i c e n s e ds y s t e m ，l s ) 赋予频谱使用的最高优先级，其它通信系统在授权系统不 使用频段时可租借频率，这些系统称为租借系统( r e n t a ls y s t e m ，r s ) 。当授权 北京邮电大学博生学位论文 系统重新占用频段时，租借系统必须及时地归还频段，尽量降低对授权系统的通 信质量的影响。 感知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 【l 】 1 9 技术是实现动态频谱共享的一种 主流方案。它通过检测空中信号占用的频谱，探知所处无线环境中空闲的频谱资 源，然后选择可被自己使用的频率进行通信。租借系统采用感知无线电技术，就 能实时地跟踪授权系统占用频率的状况，及时地使用、及时的释放频段，在保障 授权系统通信的前提下，与授权系统动态共享频谱。由于采用频谱检测的方式获 取频谱信息，感知无线电技术能适应无线环境频谱使用状况的短期变化，实现频 谱的高效利用，并且它不要求改造现有系统，对无线信道环境和用户需求都将具 有较好的适应性。 感知无线电技术实现动态频谱共享可以看作是自适应传输技术的思想在频 谱分配领域的推广。自适应传输使无线通信系统的数据传输适应信道传输能力的 变化，通过提高数据传输速率来改善频谱利用率。而感知无线电使无线通信系统 占用的频谱适应无线环境频谱使用状况的变化，通过增加共享同一频段的系统 数、用户数来提高频谱利用率。不管是自适应传输技术还是感知无线电技术，其 思想的核心都是无线通信系统能自动地适应外界环境和自身需求的变化。 感知无线电的思想也被推广至移动通信的其它层面。从低层到高层，要求未 来的移动通信系统能检测系统各层的参数与状态，如链路质量、网络拓扑、业务 负载、甚至用户需求，并能适应这些变化。从通信的端到端，在存在重叠覆盖的 多种无线电通信环境下，要求移动设备能够在异构网络间切换，实现包括终端、 网络和业务在内的端到端重配置。这也就是所谓的认知网络( c o g n i t i v e n e t w o r k ) 。 1 1 2 感知无线电技术的发展与应用 j o s e p hm i t o l ai i i 1 9 在1 9 9 9 年首先提出了感知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 的 概念，他从应用层的角度提出用人工智能的方法使通信系统的无线资源及业务能 力适用用户需求的变化。2 0 0 3 年美国联邦通信委员会( f c c ，f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 提出利用感知无线电技术实现动态频谱共享 1 7 】， 将感知无线电与提高频谱利用率联系起来，为感知无线电技术找到了最具市场推 动力和实现可能性的方向。2 0 0 4 年f i e d r i c hj o n d r a l 教授领导的研究组提出了频 谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 【2 0 的概念，并开展了相关研究。频谱池为多个系统共 享同一段频率提供了一种方案，包含系统框架、基本机制等。除了美国国防部高 级研究计划署( d a r p a ) 资助的下一代网络( n e x tg e n e r a t i o n ，x g ) 研究项目 9 0 】 2 北京邮电大学博生学位论文 从军方的角度提出的解决方案，其它研究者后续提出的解决方案都或多或少地与 频谱池方案有一些共同点，例如美国加州大学伯克利分校的b r o d e r s e n 教授领导 的研究组提出的c o r v u s 体系结构 2 1 】。 从2 0 0 5 年开始，感知无线电的研究逐渐升温，目前它已成为学术界在移动 通信领域的一个重要研究课题。例如，欧盟第七工作大型重点合作项目e 3 ( e l a d t o e n de f f i c i e n c y ) 8 6 在第六工作组的e 2 r ( e n d t o e n dr e c o n f i g u r a t i o n ) 【8 7 项目的基础上，研究在b 3 g 系统中应用感知无线电和认知网络技术，将现有 的异构无线系统演变为一个统一的、能适应环境变化的、高频谱利用率、高无线 资源利用率的b 3 g 感知系统框架( b 3 gc o g n i t i v es y s t e mf r a m e w o r k ) 。 目前，各标准化组织也正在进行动态频谱分配和感知无线电系统标准化工 作。2 0 0 7 年3 月i e e e 成立了标准协调组s c c 4 1 7 7 ，代替之前的p 1 9 0 0 标准组， 其工作范围包括动态频谱接入、感知无线电、干扰管理、无线网络协调、动态频 谱管理，以及关于未来无线网络的政策问题，并且负责i e e e 内与此相关的工作 组间的协调工作。i e e e8 0 2 2 2 工作组 6 9 】从2 0 0 4 年开始制定在电视频段( 4 7 - 9 l o m h z ) 上与电视广播和无线麦克风业务共享频谱的感知无线电无线区域网络 ( w r a n ) 的空中接口物理层和媒体接入控制层( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 技术标准，目前已完成标准草案 7 0 】。i e e e8 0 2 1 9 工作组正在研究的免授权频段 下不同无线电网络的共存问题也与感知无线电相关。i e e e8 0 2 1 l h 7 8 】、 8 0 2 1l y 7 9 和8 0 2 1 6 h 7 6 任务组则分别在研究w i f i 网络和w i m a x 网络中的动 态频谱分配问题。 r r u 在2 0 0 7 年1 1 月的世界无线电大会( w r c 0 7 ) 上通过了决议 c o m 6 1 8 】 【8 0 ，决定研究引入软件无线电和感知无线电技术的相关规划措施，并作为2 0 1 1 年世界无线电大会( w r c 1 1 ) 的1 1 9 议题。该项工作由删r 的s t u d yg r o u p1 下属的w o r k p a r t y1 b 负责。 3 g p p 把频谱聚合( s p e c t r u ma g g r e g a t i o n ) 作为l t e a d v a n c e d 的候选技术 之- - 1 0 8 ，其目标是把总带宽高达1 0 0 m h z 的不连续频段聚合在一起。通过频 谱聚合，可降低系统开销，对各频段进行联合调度，并最终为用户提供几倍于 l t e 的数据速率。频谱聚合是3 g p p 实现动态频谱分配的一个步骤。 总体来看，感知无线电及认知网络的研究还处于初级阶段，无论是系统架构、 协议体系、应用场景，还是具体的关键技术、功能机制，都有许多问题亟待研究。 虽然也有象i e e e8 0 2 2 2 这样的距离商用较近的标准，但也只是将解决在对感知 无线电技术要求较低的广播频段上的动态频谱共享【3 7 】，而感知无线电最终的目 标是在整个无线通信频率范围内实现多种通信系统间的高效率的动态频谱共享。 北京邮电大学博生学位论文 i e e e8 0 2 2 2 只是感知无线电技术最简单的应用实例。 作为移动通信领域的长期发展目标之一，感知无线电乃至认知网络将在今后 由简到难、由小范围到大范围地逐步实现。但目前，最基本、最重要的任务仍然 是适应无线环境频谱变化的功能( 本文称为频谱自适应) ，这也是实现其它功能 的基础。 1 2 论文的主要工作、研究内容 本论文作者针对实现动态频谱共享的感知无线电系统，研究其物理层技术。 本论文的主要工作和研究内容如下： ( 1 ) 研究感知无线电技术的基本问题 感知无线电是一项还处于早期发展阶段的新兴技术，无论是基本概念，还是 应用场景，甚至对很多问题的定义都还处于争议之中，有待统一。尤其是在本论 文研究之初，可获得的文献资料较少，而有参考价值的更少。为保证后续研究的 价值，避免进入歧途、死角，通过广泛的调研，本论文作者深入学习并研究了感 知无线电的一系列基础性问题，例如感知无线电的基本原理、网络架构、协议体 系，确定了本论文各项研究内容所基于的系统方案。 ( 2 ) 研究基础的频谱检测技术 频谱检测是感知无线电系统区别于其它通信系统的主要功能，并且也是感知 无线电实现动态频谱共享的关键。仅管感知无线电系统可采用多点协作、多天线 合并、多次检测结果合并等方法来提高频谱检测的性能，但最基本的检测能力仍 由感知无线电接收设备采用的基础的频谱检测技术决定，如是否有分辨频谱重叠 的不同信号的能力。因此，通过对各种基础频谱检测技术进行调研，本论文选择 检测能力全面、检测性能优良的循环平稳频谱检测技术进行了深入研究。针对基 于谱相关函数的循环平稳频谱检测，提出了谱相关函数的一种近似概率分布，为 量化分析循环平稳频谱检测的性能提供了可能。 ( 3 ) 研究协作频谱检测技术 受无线信道衰落的影响，单个感知无线电节点的频谱检测结果可靠性较低。 协作频谱检测是一种具有较高实用性的抵抗信道衰落影响的频谱检测技术。通过 合并多个节点的频谱检测结果，获取空间分集增益，能得到可靠性更高的频谱检 测结果。除了提高检测可靠性，多点协作还能降低单个节点的频谱检测负担，如 减少检测时间。本论文研究了协作频谱检测的检测性能与检测节点数、检测时间 等检测参数的量化关系，提出了一种以检测效率为最优化目标的最优化算法，解 4 北京邮电人学博生学位论文 决了在实际应用中确定协作频谱检测相关检测参数的问题。 ( 4 ) 研究多天线频谱检测技术 未来移动通信系统中将广泛应用多天线技术，将多天线引入频谱检测也是一 种提高频谱检测效率的重要手段。通过合并多天线接收信号，也能获取空间分集 增益。但由于感知无线电的应用环境要求在没有授权系统任何信息的条件下进行 频谱检测，检测器无法用一般的方法对授权系统进行信道估计，因此只能对各天 线信号分别进行频谱检测，然后再对检测结果进行合并。这种检测后合并方案将 不能充分利用多天线提供的空间分集增益。本论文提出了一种多天线频域检测方 法，利用多天线信号的循环平稳统计量，获得多天线信道频域响应的信息，并在 频域上对信号进行合并，从而实现了检测前合并。理论分析和仿真结果表明，该 方法能充分利用多天线的空间分集能力。 ( 5 ) 研究感知无线电系统的信道估计技术