（信号与信息处理专业论文）认知无线电中基于循环谱的合作频谱检测技术研究.pdf

摘要 摘要 受固定频谱分配方案的限制，无线频谱的利用率并不高，导致无线频谱资源紧缺。 认知无线电技术是解决频谱资源紧张的有效手段，它通过利用己分配却未获得充分利用 的频谱来提高频谱利用率，同时避免对主用户千扰。快速准确的频谱检测技术是认知无 线电实现频谱共享的关键技术之一。本文主要利用信号的循环平稳特征研究基于循环谱 的本地频谱检测和合作频谱检测问题。 论文首先介绍了认知无线电产生的背景、研究意义以及认知无线电技术在国内外的 研究状况，提出了本文研究的内容及研究意义；总结了认知无线电中现有的频谱检测技 术，包括针对发射机检测和接收机检测的本地频谱检测算法，以及合作频谱检测的系统 模型、融合准则和融合结构。 其次，根据循环谱理论和仿真图分析噪声循环谱和循环平稳信号循环谱的不同频谱 相关性，建立了基于循环谱频谱检测的检测统计量和判决准则，并通过仿真验证该循环 谱检测方法在高斯噪声背景下和非高斯噪声背景下都具有相似的检测性能。 在前面的基础上探讨合作频谱检测，并按照以下顺序对基于循环谱的合作检测方案 进行研究和改进：一、利用不同循环频率的检测概率不同，将基于不同信噪比的多用户 加权迭代思想应用到多循环频率合作中，并与传统等权合作进行比较，通过仿真验证了 该方法的检测概率明显高于等权合作。二、采用求和准则和最大准则直接对多个循环频 率上的循环谱进行合并，并在等权求和的基础上提出了基于各循环频率循环谱幅值的加 权求和准则，通过仿真分析三种准则的优缺点。三、将循环谱检测与中继合作检测相结 合实现多用户的合作检测；构造了与认知用户接收信噪比和认知用户间距离相关的两用 户中继合作信道模型，检测统计量考虑了不同用户间不同的信道衰落系数，同时利用相 关系数减小用户间阴影相关的影响；在此基础上讨论多用户认知网络中如何根据认知用 户间距离选择最佳中继用户进行合作。四、结合多循环频率合作和中继合作各自的特点， 通过理论分析和仿真结果论述多循环频率合作和中继合作联合检测对检测性能的改善。 最后，对全文的研究工作进行了总结，并给出了文章进一步研究的方向。 关键词：认知无线电频谱检测循环平稳特征循环谱检测多循环频率合作检测中继合作检 测 i a b s t r a c t a b s t r a c t b es u b j e c tt ot h er e s t r i c t i o n so ff i x e ds p e c t r u ma l l o c a t i o ns c h e m e ，t h eu t i l i z a t i o no f w i r e l e s ss p e c t r u mi sn o th i g h ，r e s u l t i n gi ns p e c t r u mr e s o u r c es c a r c i t y c o g n i t i v er a d i o ( c r ) t e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e dt ob eo n eo f t h es o l u t i o n st os p e c t r u mr e s o u r c es c a r c i t y , i tc a ne x p l o i t t h el i c e n s e db u tu n d e r u t i l i z e ds p e c t r u mt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no ft h ea v a i l a b l es p e c t r u m e f f e c t i v e l ya n da v o i di n t e r f e r i n gp r i m a r yu s e ef a s ta n da c c u r a t es p e c t r u ms e n s i n gt e c h n i q u ei s o n eo fk e yt e c h n o l o g i e st os h a r es p e c t r u mi nc r i nt h i sp a p e r ，i ts t u d i e sl o c a ls p e c t r u m s e n s i n ga n dc 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 nc y c l i cs p e c t r u mb yc y c l o s t a t i o n a r y c h a r a c t e r i s t i c so ft h es i g n a l s i nt h i sp a p e r , i tf i r s tg i v e si n t r o d u c t i o n st ot h ee m e r g e n c eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c h s i g n i f i c a n c eo fc r ，a n di t ss t u d i e ss t a t u sa th o m ea n da b r o a d ，t h e nt h er e s e a r c hi s s u eo f t h i s p a p e ra n di t sr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea r ep r o p o s e d ；i ts u m m a r i z e se x i s t i n gs p e c t r u ms e n s i n g t e c h n i q u e si nc r ，i n c l u d i n gs o m el o c a ls p e c t r u ms e n s i n gs c h e m e sw h i c hb e l o n gt ot r a n s m i t t e r s e n s i n ga n dr e c e i v e rs e n s i n g ，a n ds y s t e mm o d e l ，f u s i o nr u l e s ，f u s i o ns t r u c t u r e so fc o o p e r a t i v e s p e c t r u ms e n s i n g s e c o n d l y ，i ta n a l y z st h ed i f f e r e n ts p e c t r a lc o r r e l a t i o n sb e t w e e nc y c l i cs p e c t r u mo fn o i s e a n dc y c l i cs p e c t r u mo fc y c l o s t a t i o n a r ys i g n a la c c o r d i n gt oc y c l i cs p e c t r u mt h e o r ya n d s i m u l a t i o n s ，t h e nt e s ts t a t i s t i c sa n dd e c i s i o nr u l eb a s e do nc y c l i cs p e c t r u ms e n s i n ga r ep u t f o r w a r d ，a n dt h r o u g hs i m u l a t i o ni tv a l i d a t e st h a tt h es p e c t r u ms e n s i n gm e t h o db a s e do nc y c l i c s p e c t r u mi nt h i sp a p e rh a ss i m i l a rd e t e c t i o np e r f o r m a n c e su n d e rg a u s s i a nn o i s eb a c k g r o u n d a n dn o n g a u s s i a nn o i s eb a c k g r o u n d i td i s c u s s e sc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n go nt h eb a s i so fa b o v e ，a n di tm a k e sr e s e a r c h e s a n di m p r o v e m e n t so nc o o p e r a t i v es e n s i n gs c h e m e sb a s e do nc y c l i cs p e c t r u mi nt h ef o l l o w i n g o r d e r ：f i r s t ，d u et od i f f e r e n td e t e c t i o np r o b a b i l i t i e sa td i f f e r e n tc y c l i cf r e q u e n c i e s ，m u l t i u s e r i t e r a t i v ew e i g h t i n gm e t h o db a s e do nd i f f e r e n ts i g n a lt on o i s er a t i oi sa p p l i e dt om u l t i p l ec y c l i c f r e q u e n c i e sc o o p e r a t i o n ，a n d t h em e t h o di sc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a le q u a lw e i g h t i n g c o o p e r a t i o n ，s i m u l a t i o n sv e r i f y t h a tt h e d e t e c t i o n p r o b a b i l i t y o fp r o p o s e dm e t h o di s s i g n i f i c a n t l yh i g h e r t h a ne q u a lw e i g h t i n gc o o p e r a t i o n s e c o n d ，i ts t u d i e ss u mr u l ea n d i i a b s t r a c t m a x i m u mr u l et oc o m b i n ec y c l i cs p e c t r u ma tm f l l t i p l ec y c l i cf r e q u e n c i e sd i r e c t l y ，b a s e do nt h e e q u a lw e i g h t i n gs u mr u l e ，i td i s c u s s e sw e i g h t e ds u m r u l ed u et oa m p l i t u d e so fc y c l i cs p e c t r u m a td i f f e r e n tc y c l i cf r e q u e n c i e s ，t h e ni ta n a l y z e sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et h r e er u l e s t h r o u g hs i m u l a t i o nr e s u l t s t h i r d ，i ts t u d i e sm u l t i - u s e rc o o p e r a t i v es e n s i n gb yc o m b i n i n g c y c l i cs p e c t r u ms e n s i n ga n dr e l a yc o o p e r a t i v es e n s i n g ；i tc o n s t r u c t sc h a n n e lm o d e lo ft w o u s e r sr e l a yc o o p e r a t i o nw h i c ha r ea s s o c i a t e dw i t hc o g n i t i v eu s e r sr e c e i v e ds i g n a lt on o i s e r a t i oa n dd i s t a n c eb e t w e e nc o g n i t i v eu s e r s ，t e s ts t a t i s t i ct a k e sd i f f e r e n tc h a n n e ls h a d i n g c o e f f i c i e n t sb e t w e e nd i f f e r e n tu s e r si n t oa c c o u n t ，w h i l ei td e c r e a s e st h ee f f e c to fs h a d o w r e l a t i o nb yt a k i n ga d v a n t a g eo fc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ；b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ，i ts t u d i e s h o wt oc h o o s eb e s tr e l a yu s e ra c c o r d i n gt od i s t a n c eb e t w e e nc o g n i t i v eu s e r st oc o o p e r a t ei n m u l t i u s e rc o g n i t i v en e t w o r k f o u r t h ，b yc o m b i n i n gr e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i p l e c y c l i cf r e q u e n c i e sc o o p e r a t i o n a n dr e l a y c o o p e r a t i o n ，t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s a n d s i m u l a t i o n ，i t d i s c u s s e s c o o p e r a t i o ns e n s i n gb yj o i n t i n gm u l t i p l ec y c l i c f r e q u e n c i e s c o o p e r a t i o na n dr e l a yc o o p e r a t i o nt oi m p r o v e d e t e c t i o np e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h er e s e a r c hw o r ko f f u l lt e x ti ss u m m a r i z e d ，a n di tp o i n t so u tt h ed i r e c t i o n sf o r f u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：c 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 g ；c y c l o s t a t i o n a r yc h a r a c t e r i s t i c ；c y c l i c s p e c t r u ms e n s i n g ；m u l t i p l ec y c l i cf r e q u e n c i e s c o o p e r a t i v es e n s i n g ；r e l a yc o o p e r a t i v es e n s i n g 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 认知无线电技术的研究现状2 1 3 认知无线电频谱检测技术的研究现状3 1 4 本文的研究内容和结构安排6 1 4 1 本文主要研究内容6 1 4 2 本文的内容安排7 第2 章认知无线电中频谱检测的关键技术，8 2 1 引言8 2 2 本地频谱检测的基本技术9 2 2 1 主用户发射端检测9 2 2 2 主用户接收端检测15 2 3 合作频谱检测的关键技术17 2 3 1 合作频谱检测的系统模型17 2 3 2 合作频谱检测融合准则18 2 3 3 合作频谱检测融合结构2 2 2 4 本章小结2 4 第3 章基于循环谱的单节点频谱检测方案2 5 3 1 引言2 5 3 2 循环平稳特征的概念及循环谱的定义2 5 3 3 利用循环谱实现频谱检测的依据2 6 3 3 ，l基于循环谱的检测原理2 6 3 3 2 不同信号循环谱的仿真与分析2 7 目录 3 4 基于循环谱的频谱检测实现方法2 9 3 4 1 检测统计量及判决准则2 9 3 4 2m o n t ec a r l o 检测方法3 0 3 4 3 仿真结果及分析3 2 3 5 非高斯噪声下基于循环谱的频谱检测3 3 3 5 1 高斯混合噪声拟合非高斯噪声的原理3 3 3 5 2 检测原理3 4 3 5 3 仿真验证及分析3 4 3 6 本章小结3 5 第4 章基于循环谱的多循环频率合作频谱检测3 6 4 1引言3 6 4 2 基于判决结果置信度的多循环频率合作检测3 6 4 2 1 合作检测原理3 7 4 2 2 仿真结果与性能分析3 8 4 3 基于软判决信息融合的多循环频率合作检测4 0 4 3 1 合作检测原理4 l 4 3 2 仿真结果与性能分析4 2 4 4 两种合作方案比较4 4 4 5本章小结4 4 第5 章基于循环谱的中继合作频谱检测4 5 5 1引言4 5 5 2 认知用户间的中继合作原理4 5 5 3 多用户认知网络中的中继合作方案4 7 5 3 1 衰落信道下中继合作检测方法4 7 5 3 2 中继合作网络的检测性能4 9 5 3 3 仿真结果与性能分析5 0 5 4 基于多循环频率的中继合作检测5 2 5 4 1 合作检测原理5 3 5 4 2 仿真结果与分析5 3 5 5 本章小结5 4 t t 目录 第6 章总结与展望5 5 6 1 总结5 5 6 2 展望5 6 参考文献5 7 攻读硕士学位期间成果6 2 攻读硕士学位期间参加的科研项目6 2 致谢6 3 i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 无线频谱是无线通信中的种宝贵资源，随着无线通信技术的飞速发展，使得无线 频谱资源越来越紧缺，无线频谱己成为现代社会不可或缺的、甚至是比土地和矿藏更宝 贵的资源。为了避免通信干扰，目前频谱的分配由无线电法规部门统一管理，采用固定 频谱分配原则，由专门的频谱管理部门将特定的频段分配给不同的通信业务使用。按照 频谱分配原则，无线频谱资源分为授权频段( l i c e n s e df r e q u e n c yb a n d ，l f b ) 和非授权 频段( u n l i c e n s e df r e q u e n c yb a n d ，u f b ) ，得到授权频谱的团体或个人独占该频谱使用权； 而非授权用户一般采用竞争方式接入使用非授权频段。目前很多国家差不多已经将本国 的频谱资源分配完毕，随着不同通信网络、不同业务和不同接入方式的不断增长，新增 的业务和技术将会没有足够的频谱资源可用，工作在非授权频段的业务逐渐趋向饱和。 由于得到授权频段的用户( 称主用户，p r i m a r yu s e r , p u ) 不会在任何时段都使用其频段， 导致己授权的频谱没有得到充分利用，如图1 1 所示0 - 6 g h z 的频谱利用情况【l 】，可以 看出某些频段在大部分时间里是空闲或者基本上没有被使用( s p a r eu s e ) ，有些频段只是 有时被占用( m e d i u mu s e ) ，但也有些频段被过度使用( h e a v yu s e ) ；而非授权频段的用 户很多，业务量拥挤，造成频谱利用率不高。美国联邦通信委员会( 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 ，f c c ) 在其2 0 0 2 年出版的报告中 2 峙旨出，已分配的频谱利 用率为1 5 8 5 ；美国伯克利无线电研究中心测得的频谱利用图指出，已分配的3 g h z 以下的频谱资源中在时域及频域上多达7 0 未被充分利用【3 j ，而3 g h z 以上的频段几乎 没有被使用。由此可见，频谱资源的紧张是由固定的频谱分配政策造成的，有限的频谱 资源和低的频谱资源利用率使得亟待找到一种优化的频谱使用方式。 由于各种原因，改变现有的频谱资源分配方案在短期内很难实现，如果能够将已分 配但大量空闲的频谱利用起来将可以改善频谱资源紧张问题，从而提高频谱利用率。但 是使用己分配的频谱资源不能对有授权使用权的主用户通信产生干扰，认知无线电 ( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 提供了一种动态频谱接入方式，可以有效的解决上述问题【4 】，它 的提出引起了业界的极大关注。认知无线电是一种智能无线电系统，它能够自动检测周 围的环境情况，智能地调整系统的参数以适用环境的变化 5 | ，在不对主用户产生干扰的 情况下从空间、频率、时间等多维地利用空闲频谱资源进行通信。认知用户( c o g n i t i v e 1 第1 章绪论 u s e r ，c u ) 对某一频段进行连续监测，当检测出未被主用户使用的频段时，认知用户可 以接入这个空闲频段。一旦主用户重新开始使用该频段，认知用户必须在规定时间内退 出该频段，以免对主用户产生干扰。认知无线电在有限频谱资源条件下为提高频谱利用 率开辟了一新途径，对未来通信业的发展具有深远意义。 m a x i m la m d 融t l d c s l ； e 毽v vu s eh e a ”。驰瓣 s b 毽f s et j 辘m e d i u mu 瞬 ll 。i ，一 ll 一。 lii l墓l jl 魅l 。卜hji i 硕士学位论丈 海外军事行动提供强有力的支持。2 0 0 3 年11 月，f c c 允许未授权用户在不影响授权用 户业务的前提下可以通过认知无线电技术使用已经授权给其它用户的频段，并首先开放 了电视频段( l 。u h f ) ，为c r 技术在美国的大规模使用奠定了基础。2 0 0 4 年1 0 月， i e e e 委员会成立了基于认知无线电技术的无线区域网( w r a n ) 标准工作组一8 0 2 2 2 标准工作组。i e e e8 0 2 委员会2 0 0 6 年公布了基于认知无线电技术的8 0 2 2 2 无线区域网 协议草案，标志着c r 技术正在开辟新的应用和研究领域。国外已在认知无线电技术方 面作了大量理论性探讨，我国最近几年也开始高度关注这个领域的动态，国家自然科学 基金和国家8 6 3 高技术计划从2 0 0 6 年开始资助这方面的研究项目，从事研究的单位也越 来越多，包括大学、运营商及一些厂商。但是，目前的研究成果较少，参与的高校较多 而研究院和企业较少。由于认知无线电的技术优势和应用潜力，随着国家的高度重视和 和大力支持以及众多研究人员的努力，相信我国的认知无线电技术研究一定会取得骄傲 的成绩。 近年来，国际上有影响的国际会议如c r o w n c o m 、d y s p a n 、i c c 、w c n c 、v t c 等 已成功召开了几届有关认知无线电技术和动态频谱分配的国际学术会议，会议研究了认 知无线电和动态频谱分配及接入技术，也开辟了认知无线电专题，并累计发表了数百篇 高质量的论文。可以说认知无线电己成为一个非常热门的研究领域，并被广泛看作是未 来无线通信领域的发展方向。 1 3 认知无线电频谱检测技术的研究现状 认知无线电的核心功能包括：c r 频谱感知检测技术、c r 自适用传输技术、频谱资 源管理技术( 包括频谱分析、频谱决定等) ，基本检测周期如图1 2 所示【5 j ，c r 通过自 动检测周围无线环境，对无线环境进行理解和学习，实时改变特定系统的参数，调整其 内部状态，以适应外部无线环境的变化。 频谱检测是检测感兴趣的频段是否处于空闲状态，是认知无线电的一个关键关节， 决定其他环节的实施。频谱检测包括两个阶段：第一阶段是认知用户通过检测感兴趣的 频段中是否存在主用户信号，判断该频段是否处于空闲状态从而决定其是否可用，这要 求频谱检测具有较高的可靠性；第二阶段是认知用户在使用授权频段的过程中持续检测， 一旦主用户出现，认知用户要在第一时间内检测到并以最快的速度为其腾出信道，因此 检测时间即检测灵敏度也很重要。 第1 章绪论 ，宫 图1 - 2 频谱检测周期图5 】 f i g 1 2c y c l ed i a g r a mo fs p e c t r u ms e n s i n g 【5 】 频谱检测可以通过检测主用户的发射机或接收机来实现【9 1 。从检测主用户发射端还 是主用户接收端的角度，以及从参与检测的是单个节点还是多个节点进行合作的角度将 频谱检测算法分为如图l 一3 所示： 空闲频谱检测 本地频谱检测 主用户发射端 检测 匹酉! 冀挲器1l 能量检测 检测 “1 里1 “。 主用户接收端 检测 合作检测 环平稳特|l 本地振荡器功l 基于 堡丝型l 率泄漏检测ll 干扰温度检测 图1 3主要频谱检测算法分类h f i g 1 3 s o r t so fc e n t r a ls p e c t r u ms e n s i n gm e t h o d s 【4 】 由于主用户接收端的本振泄漏信号很难检测到，因而主用户发射端检测优于主用户 接收端检测，它是一种保守的频谱检测方式，具有很大的主用户保护区和很低的检测门 限【1 0 】【1 1 1 。主用户发射端检测的基本算法有1 ：匹配滤波器检测、能量检测、循环平稳特 征检测等。匹配滤波器检测能使信噪比最大化，达到较高处理增益所需的时间少；但是 要知道主用户信号的先验信息，若先验信息不准确，则检测性能会受到很大影响；而且 是一种相干检测，对相位同步要求很高。能量检测简单、易实现，是非相干检测，对相 4 硕士学位论文 位同步要求不高；但门限值的设定易受未后或变化的噪声影响；不能分辨出有用信号、 噪声和干扰；而且不适于扩频信号、直接序列、跳频信号。循环平稳特征检测能够区分 噪声和有用信号，完全摆脱背景噪声的影响，在区分噪声方面比能量检测好，但计算复 杂度高，要求的观测时间也较长。 虽然许多无线通信系统中的信号是不可预知的，但是调幅、调频、调相等信号是对 周期性载波的参数调制，一般具有循环平稳特性，而平稳噪声的统计特性常常是非时变 的，不具有循环平稳特性，因此尽管循环平稳特征检测具有计算复杂度高和观测时间长 的缺点，但对信号作循环平稳特性分析，对于噪声背景下的信号检测和分析有着重要意 义：循环平稳信号在其循环频率处具有明显的循环谱幅值，而噪声的自相关函数由于不 具有周期性，所以在主用户信号的循环频率处，除了零循环频率外，其它循环频率上噪 声的循环谱幅值为零。利用噪声和主用户信号循环谱的不同特点，直接将循环谱作为统 计量可以很容易实现对主用户的检测，并大大简化认知用户的信号检测结构。这是因为， 当信号特征在功率谱上被其他干扰信号掩盖时，在循环谱中这些特征仍可被清晰地辨识， 对循环平稳信号在非零循环频率处进行谱相关分析不会受到噪声的任何干扰。因此，利 用循环谱幅度进行检测具有很好的抗噪声和抗干扰性能。 由于认知用户与主用户间无任何交互信息，加上无线环境中阴影、多径、衰落、噪 声不确定等不利因素的影响【1 2 ，仅凭单个认知用户的检测通常无法满足认知无线网络系 统对微弱授权信号频谱检测的高可靠性和强实时性要求。通过认知用户间的合作检测可 以提高认知无线网络系统检测性能、缩短检测时间，同时可降低对本地检测精度以及终 端设备成本的要求。 此外，由于主用户信号通常在多个循环频率上呈现循环平稳特征，而且在不同循环 频率上的谱相关特性不同，单个循环频率的检测不能充分利用主用户信号所包含信息， 特别是当在某个循环频率上的谱相关特性较弱时其检测概率也较低，利用该循环频率进 行检测时将会造成较大的漏检概率。通过多个循环频率进行合作检测不仅可以充分利用 主用户信号的多循环平稳特征，与具有较强循环平稳特征的循环频率合作还可以提高检 测结果的可靠性。 综上所述，基于循环谱的合作频谱检测既可以抵抗干扰和噪声，还可以减小阴影和 衰落的影响，提高整个系统的检测能力和检测灵敏度，减少对主用户正常通信产生干扰 的可能性。因此对基于循环谱的合作频谱检测进行研究旨在提高频谱检测的可靠性和有 效性，具有重要的理论意义和应用前景。 第1 章绪论 1 4 本文的研究内容和结构安排 1 4 1 本文主要研究内容 本文着重研究无线频谱环境下基于循环谱的合作频谱检测问题，本文的主要内容： 1 、研究认知无线电的产生背景、研究意义以及发展现状，研究认知无线电中频谱检 测的关键技术和国内外研究现状。 2 、分别从理论和仿真结果分析噪声循环谱和主用户信号循环谱的不同谱相关性，建 立了高斯噪声和非高斯噪声中基于循环谱频谱检测的检测统计量和判决准则，并给出了 蒙特卡洛检测步骤及判决门限值的设定方法。通过仿真讨论循环频率的选取、信号采样 点数、蒙特卡洛试验次数和信噪比对检测性能的影响。 3 、利用主用户信号的多循环平稳特征，研究多循环频率的合作频谱检测，给出了两 种多循环频率合作方法的检测原理图。第一种方法用基于不同信噪比的多用户加权迭代 方法对多个循环频率的独立检测结果进行处理，讨论参与合作的循环频率个数和迭代次 数对检测性能的影响；第二种方法采用求和准则和最大准则对多个循环频率上的循环谱 进行合并，根据不同循环频率上的不同循环谱幅度，在等权求和准则的基础上提出了基 于各循环频率循环谱幅值的加权求和准则，并将三种准则进行了比较，总结了三种准则 的优缺点及应用场景。 4 、结合循环谱检测和中继合作检测的优点实现基于循环谱的中继合作，与传统中继 检测方法相比，本文的中继方法利用相关系数减少用户间阴影相关的影响，而且考虑了 不同用户间不同的信道衰落系数，更符合实际通信系统的情况；多用户中继合作中重点 分析如何根据认知用户间距离选择中继用户实现最佳中继合作，分析讨论选择中继用户 的标准，通过仿真结果讨论了中继用户间距离、中继用户的信噪比、虚警概率要求对中 继合作检测性能的影响；最后分析讨论多循环频率合作和中继合作联合进行检测的优势。 5 、结合上述研究的各种频谱检测方案的优缺点，给出文章下一步研究工作的方向。 本课题的研究来源于下列项目： 1 、南京工业大学学科基金“认知无线网络中协作频谱感知技术研究”。 2 、江苏省教育厅高校自然科学基金“基于感知m a c 的认知无线电动态频谱接入技 术研究”，项目编号：0 8 k j b 5 1 0 0 1 5 。 3 、国家自然科学基金“基于累加干扰分析的认知m e s h 网跨层优化技术研究”，项 目编号：6 1 0 0 1 0 7 7 。 6 硕士学位论文 1 4 2 本文的内容安排 第1 章回顾认知无线电技术及频谱检测技术的发展，对其研究现状作综述，分析频 谱检测的发展方向，介绍了全文的总体研究思路和主要研究工作。 第2 章对认知无线电频谱检测的关键技术进行了深入研究和讨论。首先介绍了几种 本地频谱检测算法，分析了各种检测方法的优缺点；其次研究了认知无线电中合作频谱 检测的系统模型以及合作频谱检测的融合准则和融合拓扑结构，并加以分析讨论。 第3 章首先介绍了循环平稳特征的基本理论和循环谱的定义，对噪声和常见调制信 号的循环谱进行仿真；根据噪声循环谱和循环平稳信号循环谱在非零循环频率上的不同 谱相关特性，研究了高斯白噪声下基于循环谱的频谱检测方法，构建了基于循环谱检测 的检测统计量和判决准则，通过蒙特卡洛仿真方法对检测方法的检测性能进行了仿真验 证；从理论分析和仿真结果也证明循环谱检测在非高斯噪声中也具有同高斯白噪声中同 样的检测性能。 第4 章研究多循环频率合作提出了两种改进的基于循环谱的多循环频率合作检测方 案，并分别给出两种合作方案的检测原理图、详细检测方法及仿真。第一种方法采用加 权迭代方法对多个循环频率的本地判决结果进行融合，研究循环频率的个数和迭代次数 与检测性能的关系，并与传统等权融合准则的检测性能进行了比较。第二种方法分别采 用等权求和最大准则、加权求和最大准则和最大准则对各循环频率的循环谱幅度进行融 合处理，通过仿真分析比较了三种方法的优缺点。 第5 章在研究中继合作原理的基础上，基于循环谱的多用户中继合作检测中引入相 关系数减小阴影相关性的影响，通过仿真分析了多用户中继合作网络中选择中继用户的 方法和标准，并对中继合作检测性能进行仿真；将多循环频率合作检测和中继合作检测 相结合实现多用户多循环频率的合作频谱检测，并做仿真分析。 第6 章对全文进行总结，并指出今后有待进一步研究的方向。 在本文的研究工作中，都是基于m a t l a b 仿真平台对检测算法进行仿真验证。 第2 章认知无线电中频谱检测的关键技术 2 1 引言 第2 章认知无线电中频谱检测的关键技术 空闲频谱检测是认知无线电的核心技术之一，所谓频谱检测就是认知用户对外界无 线环境进行检测来确定“频谱空洞”。“频谱空洞”是那些已分配给主用户但在特定的时 间没有被主用户使用或者被使用但是在当前考察地理区域中功率很低的频带，在频谱上 形成一段空白的地方，从而可以为认知无线电系统提供频谱资源。通常可将频谱区域分 成3 种类型【8 1 i 如图2 1 所示： 黑色区域：被主用户的原始分配业务大部分占据，常存在高功率的局部干扰，不能 被认知用户使用； 灰色区域：被主用户的原始分配业务部分占据，存在一定程度功率干扰，基本上不 被认知用户使用； 白色区域：未被主用户的原始分配业务部分占用，只存在环境噪声，没有射频干扰。 可以被认知用户使用。 图2 - 1频谱空穴示意图阎 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs p e c t r u mh o l e t s 频谱检测的研究主要围绕着如何提高检测的灵敏度和准确性两个方面来进行。要解 决上述问题，除了可以通过改进射频前端的灵敏性外，还可以通过研究具有较好性能的 本地检测算法以及采用合作频谱检测两个方向来进行。 本地频谱检测分主用户接收端检测和主用户发射端检测。一般来说，主用户发射端 检测的性能要优于主用户接收端检测，而且主用户接收端检测的难度大于主用户发射端 硕士学位论丈 检测，目前绝大多数算法研究都是集中在主用户发射端检测。 无线信道的复杂性和易变性增加了单个检测节点的检测难度，当信道处于深衰落、 多径效应或阴影衰落时，很难检测到主用户的微弱信号，不能保证单个节点能有效而准 确地检测到主用户，不可避免会对主用户造成干扰，从而很难满足保护主用户的要求。 在一定网络范围内，如果多个检测节点互相交换各自的检测信息，将检测信息再汇聚到 一个中心后，采用一定的交互规则进行合作，可以有效减小单个节点检测所造成的不确 定性，缓解信道衰落对检测结果的影响，得到更优的全局检测性能。合作频谱检测为充 分利用频谱、实现频谱动态接入和高效协作通信提供了技术保障；同时，合作频谱检测 可以进一步提高认知的准确性以及灵活性。 2 2 本地频谱检测的基本技术 2 2 1 主用户发射端检测 主用户发射端检测是假设主用户接收端位置未知情况下的检测，认知用户通过分析 侦听到的信号中是否存在主用户信号，判决感兴趣的频段是否处于被主用户占用的状态。 发射端检测中接收信号可表示为如下二元假设模型【4 】： 巾) = 蹴m 玺 ( 2 - 1 ) 式中，y ( t ) 是认知用户接收到的信号，x ( f ) 是主用户发射的信号，聆( f ) 是背景噪声， h 是主用户和认知用户间的信道幅度增益。发射端检测主要有以下四种检测方法： 1 、匹配滤波器检测 在数字通信信号和雷达信号的检测中经常采用匹配滤波器对信号进行相干检测【1 3 】， 其输出信号是输入信号的自相关函数，可实现输出信噪比最大。当主用户信号的调制类 型、帧格式、脉冲整形、载波等先验信息已知时，匹配滤波器( m a t c h e df i l i t e r ) 算法是 实现频谱检测的较优算法。匹配滤波器的检测框图如图2 2 给所示【1 j ： 图2 - 2 匹配滤波器检测框图1 1 f i g 2 2 b l o c kd i a g r a mo fm a t c h e df i l t e rd e t e c t i o n 【1 】 9 第2 章认知无线电中频谱检测的关键技术 将检测统计量】，与预设的判决门限九进行比较，如果大于门限值表示主用户信号存 在，判为h 。；如果小于门限则表示主用户信号不存在，判为h 。检测统计量为 4 】： ( 2 2 ) 在风和一两种假设下，x ( n ) 是高斯的，而】，是高斯随机变量的线性组合，所以y 也 是高斯的。利用n ( 甩) 不相关原理，可得检测统计量服从如下分布【4 】： 】，( o ，g 2 ，) 风 i n ( e ，盯2 ) h 1 根据上式可得匹配滤波器检测的虚警概率和检测概率表达式分别为m 1 ： 弓= p ( y 力j h 。) = q ( 车；) 心6 。 只：p ( y 九1 日，) = q ( 每三呈) 、6 2 其中，6 ：为噪声的方差，为信号的能量，：n - 1 y ：( ) 。q ( ) 是马库尔( m a r c u m n = o q ) 函数：q ( x ) = re x p ( t z 2 ) d t d 五= 1 一西( x ) ，西( 功是( o ，1 ) 随机变量的累积分 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 布函数。通过式( 2 5 ) 司得判决门限为： 力= 万2 q 1 ( 只)( 2 6 ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) ，可得检测概率与虚警概率的关系为： 剿 譬一居心弋驴围 陋7 ， 因为q ( ) 是单调递减函数，所以随着g ：增加，q ( ) 值减少，而b 增加。 与其它的检测算法