（信息与通信工程专业论文）认知无线电自适应调制技术.pdf

中文摘要 摘要 随着无线电设备的日益增多，频谱资源显得越来越紧张。认知无线电就是对 此提出的一种解决方案。认知无线电技术改变了传统的由政府授权使用无线电频 谱的方式，允许非授权用户机会式地利用授权用户的频谱空穴进行传输，从而提 高频谱实际利用率。自适应调制技术是自适应传输技术中的一种重要技术，这种 技术是根据信道情况的变化来动态地调整调制模式，它的目的是为了最大限度地 利用无线信道，提高传输的可靠性和传输速率，并改善频谱效率。因此把认知无 线电技术与自适应调制技术结合起来，将十分有价值和意义。 本文对认知无线电中的自适应m q a m 技术进行了研究，主要集中在对其吞 吐量和误码率性能分析上。论文共有五章，主要工作如下： 第二章对认知无线电中的一种关键技术频谱感知技术做了介绍和总结， 并对常用的频谱检测技术匹配滤波检测和能量检测的性能做了仿真和分析。在瑞 利衰落信道和数据包传输条件下，第三章分析了理想信道估计和有信道估计错误 的自适应m q a m 的吞吐量性能，分析表明数据包大小和信道估计对吞吐量的影 响十分敏感。第四章研究了在认知无线电中的两种自适应m q a m 方案。第一种 是无主用户干扰，在这种方案下，根据信道估计结果选择星座点m 的大小，对它 的速率和误码性能进行了分析，与理想信道估计下的性能相比，其性能都有一定 的降低；第二种是有主用户干扰，对它的误码性能进行了定性的分析，可以发现， 主用户的干扰对其影响相当明显，传输可靠性很差，此时采用分集技术可以显著 改善误码性能从而达到实际传输要求。本文每个部分都设计适当的m a t l a b 仿真 程序获得了相应的数据或曲线，从而更能验证文中理论分析的正确性。 关键词：认知无线电；自适应调制；m q j w ；信道估计 英文摘要 c o g n i t i v e r a d i oa d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fr a d i oe q u i p m e n t s ，t h es p e c t r u mr e s o u r c e sa r e b e c o m i n gm o r ea n dm o r es t r i n g e n t c o g n i t i v er a d i oi sak i n do fm e t h o d st os o l v et h e p r o b l e m c o g n i t i v er a d i oh a sc h a n g e dt h ew a yo fu s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u m w h i c hi sl i c e n s e db yg o v e r n m e n t sa n di ta l l o w su n l i c e n s e du s e r st oo p p o r t u n i s t i c a l l y a c c e s ss p e c t r u mh o l eo fl i c e n s e du s e r st oi m p r o v ea c t u a ls p e c t r u mu t i l i z a t i o nr a t e a d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u et h a tc a l ld y n a m i c a l l ya d j u s tt h em o d eo fm o d u l a t i o n b a s e do nc h a n n e l sc o n d i t i o n si sv e r yi m p o r t a n ti na d a p t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e i t a i m sf o rm a k i n gf u l lu s eo fw i r e l e s sc h a n n e l st oi m p r o v er e l i a b i l i t yo ft r a n s m i s s i o n ， t r a n s m i s s i o nr a t ea n ds p e c t r u me f f i c i e n c y t h e r e f o r ec o m b i n i n gc o g n i t i v er a d i ow i t h a d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u ei sv e r yu s e f u la n ds i g n i f i c a t i v e t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h ea d a p t i v em q a mt e c h n i q u e si nc o g n i t i v er a d i oa n d m a i n l ya n a l y z e sp e r f o r m a n c eo ft h r o u g h p u ta n ds y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) t h e r ea r e a l t o g e t h e rf i v ec h a p t e r si nt h ep a p e r i t sm a i nw o r k s a r ea sf o l l o w ： s p e c t r u ms e n s i n gt e c h n i q u et h a ti sak e yt e c h n i q u eo fc o g n i t i v er a d i oi si n t r o d u c e d a n ds u m m a r i z e d ，a n dm a t c h e df i l t e rd e t e c t i o na n de n e r g yd e t e c t i o nw h i c ha r eu s u a l s p e c t r u md e t e c t i o nt e c h n o l o g ya r es i m u l a t e da n da n a l y z e di nc h a p t e r2 p e r f o r m a n c e s o fs y s t e mt h r o u g h p u tw i t ha d a p t i v em q a mf o rp a c k e tt r a n s m i s s i o ni nr a y l e i g hf a d i n g c h a n n e lw i t hi d e a lc h a n n e le s t i m a t i o na n di n a c c u r a t ec h a n n e le s t i m a t i o na r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r3 ，a n dt h er e s u l t ss h o wp a c k e ts i z ea n dc h a n n e le s t i m a t i o na r eq u i e t l y s e n s i t i v ef o rt h et h r o u g h p u t c h a p t e r4a n a l y z e st w oa d a p t i v em q a ms c h e m e si n c o g n i t i v er a d i o t h ef i r s ts c h e m ew i t h o u ti n t e r f e r e n c eo fp r i m a r yu s e r sc h o o s e st h es i z e o fc o n s t e l l a t i o nm a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc h a n n e le s t i m a t i o n i nt h es c h e m et h e p e r f o r m a n c e so ft r a n s m i s s i o nr a t ea n ds e ra r es t u d i e d ，a n dc o m p a r i n gw i t ht h a to f i d e a lc h a n n e le s t i m a t i o nt h ep e r f o r m a n c e sf a l lo f f i nt h e s e c o n ds c h e m ew i t h i n t e r f e r e n c eo fp r i m a r yu s e r ，s e ri sq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h e e f f e c to fi n t e r f e r e n c eo fp r i m a r yu s e ro ns e ri sq u i e t l yo b v i o u sa n dt h er e l i a b i l i t yo f t r a n s m i s s i o ni sv e r yp o o r i nt h i sc a s es e ri se v i d e n t l yi m p r o v e db yd i v e r s i t yt e c h n i q u e t oa c h i e v et h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n to ft r a n s m i s s i o n i no r d e rt ov a l i d a t et h ec o r r e c m e s s 英文摘要 t oa c h i e v et h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n to ft r a n s m i s s i o n i no r d e rt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s s o ft h et h e o r e t i c a lr e s u l t s ，s o m er e l a t e dd a t ea n dc u r v e sa r ea c q u i r e db yd e s i g n i n gt h e a p p r o p r i a t em a t l a bp r o g r a m si ne a c hp a r to f t h ep a p e r k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ；a d a p t i v em o d u l a t i o n ；m - q a m ；c h a n n e le s t i m a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：丛翅玉绫电自适应遢剑蘧盔：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： ! 瓷燃 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。，本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、 中国学位论文全文 数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和 提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密矾请在以上方框内打t ) 论文作者签名；低炙珞导师签名：职笺筑 日期：呷年占月2 罗臼 认知无线电自适应调制技术 第1 章绪论 随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。目前频谱分配制 度为固定频谱分配方式，将频谱分为2 个部分：授权频段和非授权频段【1 1 。大部分 的频谱资源用来作为授权频段，如电视广播频段。非授权频段的频谱资源很少， 而且无线局域网络( w e a n ) 技术、无线个人域网络( w p a n ) 技术和无线城域网络 ( w m a n ) 技术大多工作在这些非授权频段，这些网络工作的非授权频段已经趋近 饱和。而另一方面，相当数量的频谱资源的利用率却非常低。以美国为例，根据 联邦通信委员会( f c c ) 【2 】提供的数据来看，已分配的频谱利用率为1 5 8 5 。有限 的可用频谱和低的频谱利用率决定了需要一种新的通信方式开发现有频谱【3 】3 。为了 解决这些问题，基本思路就是尽量提高现有的频谱的利用率。于是，认知无线电 ( c o g n i t i v er a d i o ) 的概念应运而生。认知无线电的基本思想是：在不影响授权频段 正常通信的基础上，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“机会方式接 入授权的频段内，并动态地利用频谱。而自适应调制技术是根据信道情况的变化 来动态地调整调制模式，它的目的是为了最大限度地利用无线信道，提高频谱效 率。因此在这一背景下，研究认知无线电自适应调制技术有很重要的理论和现实 意义。 1 1 认知无线电概念 认知无线电的概念最初由j o s e p hm i t o l a 博士提出，他在1 9 9 9 年发表的一篇学 术论文中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识表示语言( r r _ r l ) ”的新语 言提高个人无线业务的灵活性。随后，他在2 0 0 0 年瑞典皇家科学院举行的博士论 文答辩中详细探讨了这一理论。 在认知无线电的发展过程中，对于认知无线电的定义和其功能的认识存在不 同的观点。其中具有代表性的是m i t o l a 博士和美国联邦通信委员会( f c c ) 的观点， 其他的还有如维吉利亚技术中心和软件无线电论坛的观点。m i t o l a 对认知无线电的 理解是从认知无线电是软件无线电的智能代理的角度出发，f c c 的观点是从无线 网络的工业实现的角度出发，两种观点各有偏重，相互补充。 第1 章绪论 1 1m i t o l a 的观点 m i t o l a 认为软件无线电( s d r ) 是实现认知无线电的理想平台，认知无线电是 s d r 的智能化。认知无线电可以通过无线电知识表示语言r k r l ，基于模式的推 理方式与网络进行智能的交流。m i t o l a 对认知无线电的认识强调其学习和推理能 力，认为认知无线电系统能够通过学习，不断感知无线电环境的变化，并通过自 适应地调整自身内部的通信机理来适应无线环境的变化。m i t o l a 在参考文献 4 q h 提出认知循环的概念，包括一系列认知学习步骤：检测、分析、调整、推理、学 习等能力。 ( 1 ) 检测由特殊应用环境所决定，认知无线电必须具备精确的无线频谱检 测能力，必须在可使用的全频段范围内多维度进行频谱检测，从而发现可使用的 频段。由于是免许可应用，认知无线电必须具备迅速发现主要用户的能力，在工 作过程中时刻检测主要用户是否处于活动状态，从而确保不对其产生干扰。 ( 2 ) 分析认知分析包括对自身性能、网络内部状态、外部相关数据( 包括 频谱使用、策略使用等) 和用户自身需求等相关知识的分析。如果说检测是信息的 获取，那么，分析就是对相关信息的初步处理。认知无线电设备通过所获取的频 谱检测结果分析主要用户的位置、使用的频点和发射时间，同时分析可用频点位 置、可用带宽、信道状况、自身传输可能会对其他用户产生的影响以及完成业务 传输所需的带宽和时间。 ( 3 ) 调整调整能力是完成传输的关键，根据检测和分析的相关结果，认知 无线电设备通过先进的功率控制技术、不同的编解码以及调制技术，选择合适的 频点和发射时机，从而成功地完成传输。这就要求认知无线电设备具备较强的性 能，能够在较宽的频段内实现不同的传输方案之间的切换，并且在突发事件发生 之后，能够及时暂停或恢复传输，确保在不干扰主用户的情况下，获取最大限度 的传输能力。 ( 4 ) 推理和学习由于当前无线频谱环境的复杂性，简单的检测、推理和分 析可能无法获得较好的传输性能。如何根据无线背景环境的相关数据进行分析预 认知无线电自适应调制技术 测是一个非常重要的课题。根据历史数据进行推理，获得一定的参考信息，在此 基础上进行调整是一个较好的解决方案。一般来讲，这种推理和学习分为三种： 第一种是基于固定规则，即输入、输出可以预测；第二种是基于较为复杂的模型， 运用一些模糊规则，输出结果不可以完全预测；第三种是基于学习型的模型，系 统运行过程中能够不断地调整模型及其参数，从而获得较好的预测效果。 2 ) f c c 的观点 相对m i t o l a 对认知无线电的认识，f c c 对认知无线电的定义更能为业界所接 受。f c c 认为，认知无线电技术是能使认知无线电网络以一种动态方式使用频谱 资源的关键技术，f c c 在2 0 0 3 年1 2 月发布的一则通告【l 】中对认知无线电做了如下 定义：认知无线电是一种能够根据与它的操作环境进行交互而改变传输参数的无 线电。 从这个定义可以得到认知无线电的两个主要特点1 5 】：认知能力和重配置能力。 ( 1 ) 认知能力认知能力指的是无线电技术能够从它的无线环境中捕捉和感 知信息。这种能力并不能简单地通过侦测某些感兴趣的频带的功率得到，而需要 更复杂的技术来捕捉无线环境中时间的和空间的变化以及避免对其他用户产生干 扰。通过这种能力，一些在特定时间和位置上的未使用的频谱就会被侦测出来， 接着就可以选择最好的频谱和合适的操作参数。 认知无线电的认知能力表现在能实时与它所处的环境中进行交互，从而决定 合适的通信参数并适应动态的无线环境。这个任务要求在公开频谱中的自适应操 作，如图1 1 所示【6 】，把它称为认知循环。认知循环包括三个主要步骤：频谱感知、 频谱分析、频谱决策。 频谱感知的功能是检测可用频带，得到信息，然后发现频谱空穴。频谱分析 是估计通过频谱感知得到的频谱空穴的特征。频谱决策是指认知无线电决定数据 速率、传输模式和传输带宽，然后根据频谱特征和用户需求选择适当的频段。 第1 章绪论 图1 1 认知循环 f i g 1 1c o g n i t i v ec y c l e 一旦工作频段选定，通信就可以在该频段上进行。然而，由于认知无线电环 境是随时间和空间在不断变化，认知无线电须追踪无线环境的变化。如果目前正 在用的频段变得不可用了，频谱移动性管理功能会提供一个无缝传输。在传输过 程中的任何环境变化比如主用户的出现、用户移动或者交通变化都能引发这种调 整。 ( 2 ) 重配置能力重新配置是一种传输过中在不改变任何硬件组件的情况下 调整操作参数的能力。有许多可以重置的参数，如下所示： 工作频谱：认知无线电有能力改变工作频谱。基于认知环境的信息，可以确 定最适合工作的频谱，然后可以在这个频谱上进行动态的通信。 调制：认知无线电应当根据用户需求和信道环境重置调制机制。举例来说， 对于那些对时延敏感的，数据速率要比差错概率重要。因此，要选择有较高频谱 效率的调制机制。相反的，对于那些丢包敏感的应用来说，主要关注差错概率， 认知无线电自适应调制技术 要选择具有低误码率的调制机制。 传输功率：传输功率可以在功率限制内重新配置。功率限制保证了动态的功 率重置在允许的能量极限以内。如果不必要用高功率操作，认知无线电就会降低 传输功率来允许更多的用户共享频谱并且减少干扰。 通信技术：认知无线电也能用来在不同的通信系统中提供协同工作的能力。 认知无线电的传输参数不但在传输开始时而且在传输过程中都能够重置，根 据频谱的特征，能够重置这些参数，使得认知无线电转移到另一个频段上去，可 以重置发射机和接收机的参数，使用合适的传输协议参数和调制机制。认知无线 电提供了频谱感知和重配置能力，使得无线电可以根据无线环境动态操作。更确 切地说，认知无线电可以在多种频谱上进行发射和接收，使用由它的硬件设计支 持的不同的传输接入技术。 1 2 自适应技术概述 人们对自适应传输技术的研究始于二十世纪六七十年代，不过研究热潮没有 持续多长时间，原因是硬件的限制，缺少好的信道估计技术。随着计算机技术和 数字信号处理技术的高速发展，这些限制逐渐消失，发展到3 g 无线系统时，自适 应技术的研究又开始活跃起来。包括g s m 、c d m a 等蜂窝系统及其无线局域网在 内的许多无线系统都已经采用了自适应传输技术【7 ，8 1 。 自适应技术f 9 】的基本思想是改变发射功率、每个子信道的符号传输速率、调制 方式、编码效率等参数或这些参数的某种组合以维持恒定的误码率。自适应技术 大大减少了对均衡和交织的依赖，提升了系统的性能。无线通信有别于有线通信 很重要的一点是信道的动态性，主要是指信道传播环境的开放性与信道参量的时 变性，引起信道频率选择性衰落和时变衰落，用户的移动也导致了接收环境( 室内、 市区、郊区及农村) 的复杂性和接收地点的随机性。如果采用固定技术，为了保证 通信的可靠性就只能按照信道性能较差的情况按最低要求设计，而当信道较好时 就会造成很大的资源浪费，在无线通信中，频谱、功率等资源都是相当宝贵的。 因此，根据信道与业务要求的变化改变系统中某些参数的自适应方法，是无线通 第1 章绪论 信系统中提高频谱利用率的重要手段。因此，自适应技术显得十分重要。自适应 技术通常包含三个部分：对变化情况的测量、估计或预测；所需改变参数的选择； 给其他部分的信令信息。要适应变化，首先要了解变化的情况，这是自适应技术 的前提，因此要对时变信道作出质量估计。 自适应调制技术是自适应传输技术中的一种重要技术，一般我们将数据特定 的调制级别和编码方式组成不同级别的突发脉冲格式。每种突发脉冲格式都有不 同的数据速率和抗干扰能力( 激活该格式的最小s n r 值) 。自适应调制的目标就是 在时变的信道环境下，保证总能使用最有效的脉冲格式。在较差的信道环境下使 用抗干扰性能较强的脉冲格式( 调制级别和编码速率较低) ，以保证通信的正常进 行；在较好的信道环境下则使用频谱效率较高的脉冲格式( 调制级别和编码速率较 高) ，以增加系统的吞吐量。 1 3 课题研究意义 随着无线业务的不断增长，频谱资源变得越来越紧张，无线通信的发展面临 着前所未有的挑战。但是实际上频谱资源的分配一般是由政府授权，这种管理方 式导致频谱资源的不平衡性越来越突出，有些频段的频谱利用率相当低，只是偶 尔被使用。认知无线电技术的兴起和发展为解决无线频谱资源紧缺的问题提供了 全新的途径。它通过允许频谱非授权用户( 认知用户) 自适应地感知授权频段在时间 和空间上的频谱空洞，机会式地利用空洞进行传输，提高了频谱的实际利用率。 它又使得无线通信系统可不经授权地使用传输特性更好、带宽更宽的频段，有利 于平衡通信的成本和性能：同时，宽带无线通信系统通常所具有的大动态范围的 业务流量特性，正适合于在较宽的动态可用频段内进行机会式传输。因此，引入 认知机制不仅是提高未来无线通信系统频谱利用问题的有效途径，也是技术和应 用上的迫切需求。 自适应调制技术是根据信道的变化改变调制模式，从而增强传输的可靠性并 能提高频带利用率。在移动时变信道中，自适应调制技术能提高频谱利用率和信 息传输速率，改善系统的通信性能。而认知无线电的重配置能力也要求认知无线 认知无线电自适应调制技术 电通信系统要根据信道的特点和频谱环境改变调制模式，从而达到最好的通信效 果；此外，认知无线电在感知到有授权用户( 主用户) 存在时，有时也可以继续使用 原来主用户频段，但需要通过调整传输功率或者调制机制来避免或减小干扰。 因此研究认知无电通信系统中自适应调制技术具有相当重要的理论意义和现 实价值。 1 4 研究内容及安t - i 本文首先研究了自适应m q a m 在理想信道估计和信道估计存在误差时的性 能，主要侧重于吞吐量性能的研究；然后是在认知无线电中，分别对无主用户干 扰和有主用户干扰的自适应m q a m 性能进行了研究。全文的内容结构安排如下： 第二章主要介绍了认知无线电的频谱感知技术，并对常用的频谱感知技术能 量检测和匹配滤波检测做了m a t l a b 仿真，并进行了分析比较。 第三章首先介绍了m q a m 的原理和性质，并讨论了自适应调制技术的原理 和自适应m q a m 判决门限的选取方法。然后在平坦瑞利衰落信道条件下对有精 确信道估计的自适应m q a m 的吞吐量和有信道估计错误的吞吐量进行了深入研 究。 第四章首先介绍了认知无线电中的信道估计技术。然后在无主用户干扰条件 下，根据信道估计结果自适应选择m q a m 星座点的大小，从而保证在一定的目 标误比特率( b e r ) 下，最大化数据传输速率。接着将该技术扩展到有主用户干扰的 认知无线电中，通过m a t l a b 仿真对自适应m q a m 的误码性能做了定性的分析， 并研究了有主用户干扰条件下分集技术对误码性能的影响。 第五章对全文做了总结，并指出下一步继续要进行的研究工作和研究方向。 第2 章频谱感知技术 第2 章频谱感知技术 频谱感知是认知无线电系统的基本功能，是实现频谱管理、频谱共享的前提。 作为一种以软件无线电为扩展平台的新型无线通信技术，认知无线电需要感知到 周围环境的电磁特征，并依据感知结果，智能决策，自动调整其设备的发射和接 收参数。所谓的“感知 【5 】，就是在时域、频域和空域多维空间，对分配给主用户 的频段不断进行频谱检测，检测这些频段内主用户是否工作，从而得到频谱的使 用情况。如果该频段未被占用，那么该频段称为频谱空穴。 频谱感知的目的是发现频谱空穴，同时不能对主用户造成有害干扰。对频谱 空穴的使用，主用户比认知用户具有更高级别频谱接入优先权。因此，认知用户 在利用频谱空穴通信过程中，必须能够快速感知到主用户的再次出现，及时进行 频谱切换，腾出所占用频谱给主用户使用，或者继续使用原来频段，但需要通过 调整传输功率或者调制机制来避免或减小干扰【1 】。这就需要认知无线电系统具有频 谱检测功能，能够实时地连续地侦听频谱，以提高检测的可靠性。 随着认知无线电技术的不断发展和新技术的引用，频谱空穴检测方法在不断 发展。一般来说，频谱检测技术可以分为发射源检测、合作检测、本振泄露检测、 干扰检测，如图2 1 所示。 图2 1 频谱感知技术的分类 f i g 2 1s o r t so fs p e c t r u ms e n s i n gt e c h n i q u e s 认知无线电自适应调制技术 下面主要介绍分析了几种频谱感知技术：发射源检测、本振泄露检测、干扰 检测、合作检测。 2 1 发射源检测 发射源检测通常可分为匹配滤波检测、能量检测和周期平稳过程特征检测。 本节对其从原理算法上进行了分析，并重点对匹配滤波检测和能量检测做了仿真， 分析和验证了它们的性能。 认知无线电中把信号的存在性检测归结为一个二元假设问题： 像x “( t 截h ( t ? ps q ) 州，) 。 ( 2 1 ) 【且： ) =) p+ 刀( f ) 。 、7 其中，力( ，) 表示加性高斯白噪声，是s ( f ) 为发射信号，办( ，) 表示信道衰落因子， 9 表示卷积，凰、蜀分别表示信号s ( f ) 不存在、存在两种情况。 2 1 1 匹配滤波检测 所谓匹配滤波检测器是指输出信噪比最大的最佳线性滤波器。理论分析和实 践都表明，如果滤波器的输出端能够获得最大信噪比，我们就能最佳地判断信号 的出现，从而提高系统的检测性能。 如图2 2 所示，匹配滤波器的输入信号为r ( t ) = s ( f ) + n ( t ) ，其中s ( r ) 为有用通 信信号，门( f ) 表示加性高斯白噪声，功率谱密度为0 2 。 s “) + ，z “) 线性滤波器 s o ( t ) + n o ( t ) h ( f f o ) 图2 2 线性滤波器 f i g 2 2l i n e a rf i l t e r 当传递函数为： h ( j c o ) = c s ( c o ) e j e o t o 此时，输出信号的最大信噪比为： ( 2 2 ) 第2 章频谱感知技术 2 赢 ( 2 3 ) 其中s ( c o ) 为s ( f ) 的频谱函数，e 为信号s ( ，) 的能量。 匹配滤波器的主要优点是能够在短时间里获得高处理增益。但从式( 2 2 ) 中可 以看出，匹配滤波器的设计需要知道被检测的主用户的先验信息【1 0 l ，比如调制类 型、脉冲波形和数据包格式。如果这些信息不准确就会严重影响其性能，同时匹 配滤波器的计算量也会非常大。因此可以用它来检测些特定的信号，但是每 个主用户接收机都需要一个单独的匹配滤波器，这就增加了系统的资源耗费量和 复杂度。 下面是匹配滤波器的仿真结果及分析，频率调制信号广泛用于r m 广播、t v 音频广播等领域。假定需要检测的主用户信号是线性调频信号，定义为： 如) = 厅，一t 2 吩) ( 2 1 2 ) 检测概率办为： p a = p v 巧f i - i , = p ( z t 2 2 挪 巧 ( 2 1 3 ) 在瑞利信道下，接收信噪比的概率密度函数( p d l o h 艮从指数分布，可表示为： 厂( 7 ) ：= 1e _ r 歹，7 0 ( 2 1 4 ) 7 其中，y 是平均信噪比。瑞利衰落信道下的平均检测概率为： 乃胁= i p a ( y ) f ( y ) d y ，y 0 ( 2 1 5 ) 以下是在高斯信道和在瑞利信道下能量检测的仿真结果和分析，图2 6 对加性 高斯信道下虚警概率为o t l 、o 0 1 、0 0 0 1 时的检测性能做了比较；图2 7 对瑞利信 道下虚警概率为0 1 、0 0 1 、o 0 0 1 时的检测性能做了比较；图2 8 给出了虚警概率 为0 0 1 时瑞利信道和高斯信道的检测性能。 从图2 6 、2 7 可以看出，无论在高斯信道下还是在瑞利信道下，检测概率和 信噪比与虚警概率都有很大的关系，信噪比越大，检测性能越好，虚警概率也对 检测性能有一定的影响。在信噪比为8 d b 的高斯信道下，虚警概率为o 1 时检测 概率达到o 9 8 以上，虚警概率为o 0 1 时检测概率大约为o 8 2 ，虚警概率为0 0 0 1 时检测概率只有o 5 9 。虚警概率大，相应的判决门限就变小，检测概率虽然会提 高，然而过大的虚警概率也会使得认知用户错过许多频谱利用的机会，我们必须 第2 章频谱感知技术 找到一个折中得到一个最佳判决门限。从图2 8 可以看出，高斯信道下的检测性能 优于瑞利信道下的检测性能，例如信噪比为6 d b 和虚警概率为o 0 1 时，高斯信道 下检测概率可以达到o 9 9 ，而瑞利信道下检测概率仅为0 4 5 左右。这是因为信号 经过瑞利信道后发生了衰落，检测器有时无法确定是深度衰落还是频段未被使用。 图2 6 高斯信道下的能量检测性能 f i g 2 6p e r f o r m a n c eo fe n e r g yd e t e c t i n gu n d e rg a u s sc h a n n e l 图2 7 瑞利信道下的能量检测性能 f i g 2 7p e r f o r m a n c eo f e n e r g yd e t e c t i n gu n d e rr a y l e i g hc h a n n e l 认知无线电自适应调制技术 s n r ( d b ) 图2 8 高斯信道和瑞利信道的能量检测性能比较 f i g 2 8c o m p a r i n g o fp e r f o r m a n c eo fe n e r g yd e t e c t i n gu n d e rg a u s sc h a n n e la n dr a y l e i g hc h a n n e l 2 1 t 3 周期平稳过程特征检测 周期平稳过程特征检测可以提取出调制信号的特有特征，如正弦载波、符号 速率以及调制类型等。这些特性均通过分析频谱相关性函数来检测，频谱相关性 函数为二维变换，相比较而言，功率频谱密度为一维变换。频谱相关性函数的主 要优势是，它可以从调制信号功率中区别噪声能量，前提是该噪声为不相干广义 平稳信号，而调制信号是在信号周期中插入冗余后形成的周期平稳频谱相干信号。 对于一个零均值的离散时间信号x ( n ) 而言，如果它的自相关函数只，( ”，k ) 的周 期是尸，就说x ( 疗) 是循环平稳的，如下所示： 疋( 刀，k ) = e x ( n ) x ( 豇) 】= 疋( 刀+ p ，k + 尸) ( 2 1 6 ) 定义循环自相关函数为 ( 舻熙赢善z v 瞰枞) e - j m ( n + k ) 】【咖) 俨】( 2 1 7 ) 对自相关函数进行离散傅立叶变换，就得到循环功率谱密度，即 ( 厂) = 砰( 七弦哪艰 ( 2 1 8 ) 第2 章频谱感知技术 其中参数口叫做循环频率，每个循环频率都是信号持续时间丁的整数倍。不同的 信号具有不同的循环功率谱，可以利用此特性来检测输入信息。其判决方法为： 当口= o 时， 譬c 门= 篱孑+ 霹。门，雾暑喜 c 2 ，9 ， 当t 2 0 时， f 0 ， 无信号 厂2t h ( f + 詈) h 。( 厂一号) ( 厂) ，有信号 2 2 。 式( 2 1 9 ) 和式( 2 2 0 ) 中日( 门是信道冲激响应办内的傅立叶变换，霹( 厂) 是口= o 时信 道中没有信号时的功率谱密度，( 厂) 是被检测到的信号的循环功率谱密度， 酃( 厂) 是要检测的输入信号的循环功率谱密度。 2 2 本振泄露检测 文献 1 3 】提出了一种利用直接测量主用户本振( l o ) 泄露信号的方法来检测主 用户的存在。为了检测本振泄露出来的微弱信号，在主用户接收端附近需要放置 传感器节点。这些传感器节点直接检测本振泄露信号，并计算主用户所用信道。 图2 9 本振泄露检测结构的一般模型 f i g 2 9g e n e r a lm o d e lo fl o c a lo s c i l l a t o rl e a kd e t e c t i n g 认知无线电自适应调制技术 图2 9 为本振泄露检测的一般模型。利用超外差接收机接收信号时，往往需要 将信号从高频转换到中频，在这个过程中就要使用本地振荡器( l o ) ，它的作用就 是将射频信号的射频带宽降低到一定的中频带宽。在这个转换频率的过程中，一 些本地振荡器的能量会通过天线泄露，我们将微小、低功耗的传感器节点放置在 主用户的接收机附近，这些节点可以检测到本地振荡器的能量泄露，从而决定接 收机正在使用的信道情况，传感节点以低功耗通过控制信道反馈给认知用户。这 种方法是基于对主用户主动检测的前提。 2 3 干扰检测 对认知无线电检测采用一种功率检测法，它使用的是非常典型的“干扰温度 机制【l4 1 。干扰温度可以看作是频段内的干扰功率谱密度，它的设定是用来量化和 管理无线环境中的干扰问题。针对经过谱估计得到的干扰温度，可以给出干扰温 度界限。通过干扰温度界限可以对观测的“频谱空洞 进行选择，超过界限的干 扰或其他噪声都是不符合通信要求的频谱。 通常的无线电环境是以发送端为中心考虑的，但经常存在不可预测的干扰源， 从而使噪声基准增大，引起信号传输性能的下降。为了避免这种情况，美国联邦 通信委员会( f c c ) 提出了干扰的估测过程，从以发送端为中心到以发送端和接收端 的自适应实时交互为中心的转变，为了确定和控制无线电环境中的干扰源，出现 了新的度量标准干扰温度，干扰温度门限规定了在某频带和特定地理位置满 足接收者需求的最差场合的无线传输环境特征。上述建议的用途可表述为：幻在某 段感兴趣的频带内，接收天线处测量到的干扰温度为可接受的无线电干扰提供了 精确的量度标准，如果噪声基准超出了干扰温度门限，将认为在该频带内的通信 性能是很差的。b ) 给定任一个频带，测得通信系统接收处干扰温度不超过一定界限， 等待服务的用户就能使用它，干扰温度门限将作为该频带的无线电频率能量的上 限。 在认知无线电领域进行干扰温度估计时，为了能够更好地感知待测区域内的 干扰温度，在频谱分析算法中引入了空间的概念，通常会用大量的传感器分布在 第2 章频谱感知技术 该区域内，进行无线信号的接收。这些传感器可以是指专门设置的接收天线，也 可以是认知无线电系统的各个无线用户终端。针对来自多个传感器测量得到的多 组接收信号，经过恰当的频谱分析算法，即可得到对应于特定空间、时间和频段 的干扰温度估计值。将该干扰温度估计量和设定的干扰温度门限比较，若在连续 的几个时段内均小于门限要求，即可认为出现了“频谱空洞。总之，干扰温度 用来表征非授权用户在共享频段内对授权用户接收机产生的干扰功能。系统设定 一个保证授权用户正常运行的干扰温度门限，该门限由授权用户能够正常工作的 最坏信噪比水平决定。非授权用户被当作为授权用户的干扰，一旦包括非授权用 户信号在内的积累干扰超过了干扰温度的门限，授权用户系统就无法正常工作。 反之，可以保证授权用户与非授权用户同时正常工作。 “干扰温度 机制需要解决3 个问题：曲以某种方式准确地测量出系统的干扰 温度：b ) 设置一个合理的干扰温度门限，只要引入非授权用户后产生的附加干扰温 度不超过预先设定的门限，系统就可以正常工作；c ) 有效控制非授权用户的积累干 扰，使干扰温度不超过即定门限。 为了成功的通信，非授权用户必须保证在共享频谱资源的同时不造成干扰， 然而，不幸的是干扰温度方法不能提供这种保证。其原因是“干扰温度 机制存 在一些问题，例如：( 1 ) 非授权用户工作机会小；( 2 ) 干扰温度值检测困难；( 3 ) 影响 授权用户的服务质量。 2 4 合作检测 上面介绍的几种频谱感知方法都是独立完成检测频段的使用情况。在认知无 线电系统中，认为临近节点的感知信息是可以互相传递的，在阴影衰落信道环境 下，单用户检测方法会对检测结果造成不确定性，合作感知f 1 5 , 1 6 】相对单用户感知 在保护主用户的性能上会有所提高。 目前，认知无线电中多节点联合检测研究主要基于中心控制方式，如图2 1 0 所示。分布于不同位置的多个检测节点次级用户( s u ) 独立运行对主用户( p u ) 信号的 本地检测算法并做出信号存在与否的判决：判决结果取值范围为 o ，1 ) ( 0 表示没 认知无线电自适应调制技术 有信号存在，l 表示有信号存在) ；中心接入点( a p ) 根据收到的来自各个节点的判 决结果综合做出信号存在与否的最终判决，主要有“与”逻辑、“或 逻辑两种 判决方式。 图2 1 0 合作检测 f i g 2 1 0c o o p e r a t i v ed e t e c t i n g s u “与 逻辑判决，顾名思义，即a p 将每个s u 的判决结果口用逻辑“与”的 方式进行判决。从物理意义上可以理解为：当所有的节点认为有信号存在时才最 终判决有信号存在，否则判决没有信号存在。 假设第f 个节点的检测概率与虚警概率分别为如、既，则可得到采用“与” 逻辑后得到的虚警概率r 与检测概率j 分别为： 一，= 兀既 ( 2 2 1 ) i = 1 一d = 兀如 ( 2 2 2 ) j = l 其中，表示节点个数。 “或”逻辑判决，顾名思义，即a p 将每个s u 的判决结果d 。用逻辑“或的 方式判决。从物理意义上可理解为：当任何