（信号与信息处理专业论文）认知无线电中的频谱检测技术.pdf

摘要 摘要 在当今的无线环境中，传统的固定无线频谱分配政策因同益剧增的频谱接入 业务需求而显得不堪重负，这种压力主要是由现有的频谱分配政策使无线频谱利 用率低造成的。提高频谱利用率需要引入一种新的频谱分配机制，而认知无线电 ( c r ：c o g n i t i v er a d i o ) 正是这样一种灵活的动念频谱接入策略。认知无线电可 以使认知用户工作在最适宜的信道，并有效地提高频谱的使用效率。为了避免对 授权用户( l i c e n s e du s e r ) 鲍干拢，认知用户( c o g n i t n eu s e r ) 必需能够及时准 确地检测出授权用户的存在，因此频谱检测技术是其可以正常工作的前提和保 证，并成为认知无线电中的关键技术之一。本文针对认知无线电频谱检测技术做 了如下工作： 1 ，针对现有的判决规则无法反映认知用户所处环境对判决影响的问题，对 影响检测性能的主要因素进行分析和研究，提出一种基于能量检测的双用户合作 的频谱检测算法。接收信号信噪比低的用户寻找满足一定条件的用户进行合作， 在联合虚警概率固定的条件下，根据接收信号的信噪比对各个用户的判决门限进 行调整，增大高信噪比用户对f 确检测的影响，同时减小低信噪比用户的影响， 来提高联合检测性能。 2 提出一种基于似然比检验统计量的融合规则，从本地检测和节点融合两 个方面提高频谱检测性能。首先，对采样数据线性加权来提高各个合作用户的本 地检测性能；然后根据中心极限定理，在合作用户数比较多的情况下，利用似然 比准则来提高认知用户输出的判决结果的融合性能。 3 为使频谱检测在检测性能和节点复杂度之问有很好的折衷，在分析多门 限联合频谱检测算法的基础上，提出一种基于优化权值的多门限联合频谱检测算 法。用不同的权值来衡量判决输出的可信度，并给出确定优化权值的算法。 关键词：认知无线电，频谱检测，能量检测，联合频谱检测，信息融合。 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt o d a y sw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h ee f f e c t i v e n e s so ft h et r a d i t i o n a lf i x e ds p e c t r u m a s s i g n m e n tp o l i c yi sf o u n db e i n gs t r a i n e db yad r a m a t i ci n c r e a s ei nt h er e q u i r e m e n tt o a c c e s st ot h el i m i t e ds p e c t r u mf o rm o b i l es e r v i c e s t h ei n e f f i c i e n c yo ft h es p e c t r u m u s a g en e c e s s i t a t e san e wc o m m u n i c a t i o np a r a d i g mt oe x p l o i tt h ee x i s t i n gw i r e l e s s s p e c t r u mi na no p p o r t u n i s t i cw a y t h ec o g n i t i v er a d i oi ss u c ht h es t r a t e g yo fd y n a m i c s p e c t r u ma c c e s s i ta l l o w st h ec o g n i t i v em o b i l eu s e r st ow o r ki nt h eb e s ta v a i l a b l e c h a n n e la n de x t e n d st h eb o u n do fs p e c t r u mu s a g ee f f i c i e n t l y t h ec o g n i t i v eu s e r sn e e d t or e l i a b l yd e t e c ts i g n a l sf r o ml i c e n s e du s e r st oa v o i dh a r m f u li n t e r f e r e n c e s ot h e s p e c t r u ms e n s i n gi sak e ye n a b l i n gf u n c t i o n a l i t yi nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s i nt h i s t h e s i s ，w eh a v ed o n et h ef o l l o w i n gw o r k s ： i t h em a j o r i t yo fs p e c t r u ms e n s i n ga l g o r i t h m sa s s u m e dt h a ta l lc o l l a b o r a t i v e c o g n i t i v er a d i ou s e r sh a v et h e s a m et h r e s h o l dw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c e b r o u g h tb yd i f f e r e n te n v i r o n m e n t u n d e ra n a l y s i so ft h em a i ne l e m e n t sa f f e c t i n gt h e p e r f o r m a n c eo fs p e c t r u ms e n s i n g ，w ep r o p o s eas p e c t r u ms e n s i n gm e t h o db a s e do n e n e r g y d e t e c t i o n t h ec o g n i t i v eu s e rw i t hl o ws i g n a l t o n o i s er a t es e a r c h e sa c o l l a b o r a t i v eu s e rc o n s t r a i n e db ys o m ec o n d i t i o n s w i t hac o n s t a n t j o i n tp r o b a b i l i t yo f f a l s ea l a r m ，c o g n i t i v er a d i ou s e r sa d j u s tt h e i rt h r e s h o l d sa c c o r d i n gt os n r st o i n c r e a s et h eh i g h s n ru s e r sc o n t r i b u t i o n st ot h ep e r f o r m a n c eo fc o ll a b o r a t i v e s p e c t r u ms e n s i n ga n dc o n s t r a i nt h en e g a t i v ee f f e c t sc a u s e db yl o ws n ru s e r t h e j u d g m e n tr e s u l t s c a nb et r a n s m i t t e db y u s i n go n e b i tw h i c hc a nd e c r e a s et h e c o m m u n i c a t i o nc o s t s 2 a ni m p r o v e dc o l l a b o r a t i v es p e c t r u ms e n s i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e db a s e do n l i k e l i h o o dr a t i o w ee n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fs p e c t r u ms e n s i n gf r o mt w op o i n t s ， l o c a ls e n s i n ga n dg l o b a ld e c i s i o n al i n e a rf r a m e w o r ki sa d a p t e dt oa r r a n g ed i f f e r e n t c o n t r i b u t i o n so fs a m p l e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fl o c a ls p e c t r u ms e n s i n g a c c o r d i n gt oc e n t r a ll i m i tt h e o r e m ，a na p p r o x i m a t e l yl i k e l i h o o dr a t et e s t ，i nt h ec a s e o fal a r g en u m b e ro fc o o p e r a t i n gc o g n i t i v eu s e r s ，i sd e v e l o p e dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fg l o b a ld e c i s i o n 3 i no r d e rt oa c h i e v eag o o dt r a d e o f fb e t w e e ns e n s i n gp e r f o r m a n c ea n d c o m p l e x i t y , w ep r o p o s e dam u l t i - t h r e s h o l ds c h e m ew i t ho p t i m i z e dw e i g h t s d i f f e r e n t w e i g h t sa r ea r r a n g e dt oc o r r e s p o n d i n gd i f f e r e n ti n t e r v a l st oi n d i c a t et h e i rr e l i a b i l i t y w ea l s og a v et h em e t h o dt oc o m p u t et h eo p t i m a lw e i g h t st h e o r e t i c a ll y t h eo p t i m a l i i a b s t r a c t u s e rn u m b e rf o re a c hi n t e r v a lw a se z t i m a t e db a s e dq nm i n i m u me r r o rp r o b a b i l i t y la n d t h e nt h eo p t i m a lw e i g h t sw e r ec o m p u l e d 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 ，e n e r g yd e t e c t i o n ，c o l l a b o r a t i v e s p e c t r u ms e n s i n g ，f u s i o nr u l e 。 i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所晕交的学位论文，是本人在导帅指导下进行研究工作所取得的成果。 除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中一i 包含任何他人已经发表或撰写过的研 究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：纰 签字口期： 丕! 拿：! ：生 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申淆学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有 学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向圈家有关部fj 或机构送交沦文 的复印件和电子版，允许沦文被查阅和借阅，可以将学位沦文编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文存解密后也遵守此规定。 毗开口保密( 年) 作者躲蟊z 2 竺 签字日期：坦竺：皇：兰笪 导师签名： 签字口期： 第l 章绪论 第1 章绪论 认知无线电( c r ：c o g n i t i v er a d i o ) 技术作为软件无线电技术的一个特殊扩 展，能够与无线电环境进行交互并实时调整传输参数，可以大i 嘧度提高可用频谱 数量和频谱利用效率，有效利用有限的频谱资源：可以在原有授权不受干扰的前 提下开发二级频谱市场，在相同频段上提供不同的服务，具备认知无线电功能的 设备将更具竞争力，为设备厂商带来更多的商机；还可以带来更多带宽，为用户 提供多种无线网络高速接入的服务，因此认知无线电技术受到日益广泛的关注。 本章首先介绍认知无线电技术的研究背景及意义；然后介绍认知无线电技术基本 原理和频谱检测技术研究现状：最后简要介绍本文的主要工作内容。 1 1 研究背景及意义 近年来，无线技术领域正在进入一个高速发展的繁荣时期，各种创新无线技 术不断涌现并快速步入商用，无线应用市场异常活跃，无线技术自身也在快速演 进中不断革新。无线用户的数目激增以及每个用广的业务需求量的不断增加，再 加上语音用户向数据用户的转变，使无线技术对频谱的需求急速增长，现有的频 谱越来越难以满足无线技术和业务的发展。未来将呈现三个世界：从网络层面看 是i p 的世界，从传输层面看是光的世界，从技术层面是无线的世界f 1 1 。全球无 线移动通信技术发展的走势：宽带移动化、移动宽带化、传输i p 化、接入多样 化、网络自适应化、系统互补综合化、应用个性个体泛在化、有线无线与“三网” 融合一体化。根据市场需求研究【2 】，未来将会有1 3 0 0 m h z - - 1 7 0 0 m h z 的频谱需 求，而根据2 0 0 7 年世界无线电大会的频谱划分来看，i m t ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ) 新划分的频段只有4 0 0 m h z ，加上原先可用的6 0 0 m h z 频段， 未来我们还将面对3 0 0 m h z 一7 0 0 m h z 的频谱缺i z l 。虽然w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 与蜂巢网络已经获得巨大成功，但其它的无线新技术如f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o n d u a l ) 、w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 等也正在上路， 由于频谱资源的匮乏，使得频谱资源将愈加难以获得，甚至阻碍到新技术的发展。 而另一方频谱利用不合理，整体频谱利用效率低下是与上述问题同时存在的 事实。美国联邦通信委员会( 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 ) 公布的 数据表明，目前分配出的频段的利用率只有1 5 8 5 不等【j j ( 如图1 1 ) 。某 些频段如移动通信网络的频带处于超负荷工作中，而如业余无线电及电视频段等 诸频段并未得到充分的使用，另外，在不同的时间和审问段，频谱的利用率也有 相当大的差异。伯克利大学无线研究中心的实际测量表明，在3 g h z 以下的频带 内，有7 0 的频段可以在任意刚咳0 、任意地点被使用1 4 j 。然而，即使授权用户 第l 章绪论 认知无线电技术从根本上为解决日益增长的无线通信频谱需求与有限的无 线频谱资源之间的矛盾开辟了一条行之有效的途径，可以从根本卜解决频谱匮乏 问题【由8 1 ，因此成为未来无线通信产业发展的方向和研究的热点，并逐渐通过标 准化进入到产业领域。 1 2 认知无线电技术概述 1 2 1 认知无线电原理 认知无线电技术源于1 9 9 9 年j i l lm i t o l a 博上和gq m a g u i r e 教授的奠 基性工作，随后他们不断对认知无线电技术进行研究 9 - 1 q 。其核心思想是无线数 字设备和相关网络在无线电资源和通信方面具有充分的计算智能来探测用户的 通信需求，并根据这些需求来提供最适合的无线电资源和无线业务。认知无线电 技术连续不断的感知外部环境的各种信息，如授权用户的工作频率、调制方式、 接收端的信噪比、网络流量、传输内容等，采用无线电领域的基于模型的方法对 控制无线电频谱使用的规则进行推理，通过无线电表示语言( r k r l ：r a d i o k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ) 来描述无线电规则、设备、软件模块、点播 传播特性、用户需求和应用场景的知识，使软件无线电能更好的满足用户的需求， 保面e 整个网络能够提供可靠的通信，并达到最佳的频谱利用率。 为了实现认知无线电技术，f c c 专门成立了机构s p t f ( s p e c t r u mp o l i c y t a s kf o r c e ) 来研究认知无线电技术，提出了新的量化和管理干扰的指标干扰温 度的概念【l2 1 ，用以扩展移动和卫星频段的非授权操作，并对认知无线电进行了重 新定义：认知用户( c o g n i t i v eu s e r ) 能与周围环境交互信息，调整自己的传输参 数( 包括频率、调制方式、发射功率等) ，选择最适合的无线资源。从f c c 的定 义可以看出认知无线电技术必须具有感知频谱和重新配置参数的能力 1 3 - 1 4 】。 感知频谱的能力指的是认知无线电用户可以从无线环境中获取空闲频谱信 息并能接入该频段。这不仅要时刻检测某一频段足否有授权用户存在，还包括在 不对授权用户产生干扰的情况下使用该频段。认知用户检测和使用频谱的过程如 图1 2 所示。认知用户时刻不停的检测频谱空洞( s p e c t r u mh o l e ：是指被分配 给某授权用户使用但在特定时间或特定位置授权用户并没有使用的频带) ，使用 没有授权用户工作的频段，当授权用户重新接入时，认知用户能够快速的检测到 并跳转到其它的频谱空洞。 重新配置参数能力是指认知用户通过对所处环境的感知结果来调整自己的 传输参数，使用最适合的无线资源( 包括频率、调制方式、发射功率等) 完成无 线传输。这些参数的调整不仅仅是在传输开始时可以改变，重要的是在传输过程 中。当所使用的频带有授权用户接入时，认知用户发射和接收参数必须可以重新 3 第1 章绪论 配置，这样才能保证通信质量。这些功能的实现都需耍硬1 ：，| ：的支持【1 5 】。 图1 2 动态利用频凿过程 接 收 天 线 图l ，3 频蹭检测环 认知无线电技术在应用层的、以通信前后的环境和定位为基础的认知环模型 ( c o g n i t i v ec y c l e ) 如图1 3 所示【1 0 】。该模型主要有三个过程：频罄检测、频谱 分析和频谱决策。频谱检测是指认知用户不停的检测各个频段并得到空闲频谱的 相关参数：频谱分析是指认知用户对得到的频段进行分析、估计和预测，获得凋 制方式、频带容量等信息；频谱决策是指根据用户所需，分配合适的频带以满足 用户的传输速率、传输模式、传输带宽、功率控制等要求。 4 第1 章绪论 1 2 2 认知无线电关键技术 认知无线电技术是现在各个研究机构和学者研究的热点领域。该技术是一种 新的智能的无线通信技术，可与现有超宽带技术、无线局域网技术( w l a n ： w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、无线个人域网络技术( w p a n ：w i r e l e s s p e r s o n a l a r e an e t w o r k ) 等网络技术结合，针对功率、距离和所要求的数据率进 行频潜优化，这些能极大的提高不同时间和区域上的频谱的利用率。要实现这 智能的无线技术，必须首先实现以f 关键技术： 1 频谱感矢口【1 6 - 1 8 1 认知用户相比授权用户具有低的频谱接入优先权。认知无线电技术实现的前 提就是不对授权用户造成有害干扰。认知用户相对授权用户来说是透f ! j j 的，因此， 认知无线电用户必须时刻不停的感知所处无线环境的变化，并根据环境的分析结 果作出相应的调整。这剩- 环境的感知主要通过检测授权州户是否存在来文现。频 谱检测的主要作用是寻找可用的空闲频谱资源、估计和预测信道质量，并根据通 信的需求，设计自适应适合频谱特性的发射波形，传输数据。 2 动态频谱管理1 1 9 m 1 动态频谱管理也称为动态频谱分配，具有实现系统频谱高效利用的功能。在 认知无线电系统中，频谱管理的算法町这样描述：基于频谱空洞和功率控制器的 输出，选择一种调制方式以适应时变的无线传输环境，使系统1 二作在可靠传输的 状态下。频谱管理主要利用了频谱感知所获得的信息来进行频谱分析和频谱决 策。频谱分析主要是通过分析、估计频谱参数等信息，从而知道频谱特性，以保 证频谱的合理分配。频谱决策就是根据当前业务的q o s 需求，决定数据速率、 可接受的错误概率、时延上限、传输模式和传输带宽等重要参数，然后使用判决 规则结合已有的频普描述信息，为用户选择最适合的频段。 3 功率控制2 2 - 2 4 功率控制的功能是在认知无线电系统发送端实现。接收机把检测到的信道特 征等传输参数反馈到发送端，基于这些参数，发送端通过某些策略来实现功率控 制。在认知无线电通信系统中功率控制的实现以分布方式进行，以扩大系统工作 范围，提高接收机性能，使认知无线电系统的传输性能达到最佳。控制发送端功 率是认知无线电系统的关键技术之。口前，。般主要应用信息论和对策论来解 决其功率控制的难题 1 2 3 认知无线电研究现状 美国联邦通信委员会已经开通了5 g h z 频段的频谱资源共享，并且对频谱分 配规则作出了修改，使具备认知无线电功能的未获许可的无线终端可以使用该无 线频带。当前，认知无线电技术已经得到了各界的关注，很多著名学者和机构都 与 第1 章绪论 投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项 目。美国国防高级研究计划局( d e f e n c ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 已 经启动名为下一代( n e x tg e n e r a t i o n ) 无线通信的计划【z ”，开发提供择机频谱接 入的技术和通过灵活的政策应用管理无线行为( r a d i ob e h a v i o r ) 关键方面的长 期管理框架；美国加州大学伯克利分校无线网络研究中心开发了使用未授权频谱 的c o v u s 系统【2 6 1 ，提出了用户分组的思想，通过组内控制信道协调组内用户的 动态频谱使用，通过通用控制信道协调组闻的动态频谱分配，并提出了如何在动 态频谱接入下的可靠链路维护协议；乔治理工大学和贝尔实验室提出的通过协调 接入频段( c a b ：c o o r d i n a t e da c c e s sb a n d ) 实现频谱统计复用接入( s m a ： s t a t i s t i c a l l ym u l t i p l e x e da c c e s s ) 的网络体系结构并着手联合开发认知无线电实验 平刽”】；德国的卡尔斯鲁尔大学( u n i k a r l s r u h e ) 研究小组在德国联邦研究和技 术部移动通信项目的资助下，开发出基于o f d m 技术的中心控制的频谱池体系 等1 2 引，主要进行物理层的频谱接入检测和干扰抑制( i n t e r f e r e n c em i t i g a t i o n ) 、介 质访问控制层的调度( s c h e d u l i n g ) 和切换( h a n d o f f ) 等技术研究：除此之外， 很多无线设备厂商如英特尔、t i 等公司也已经开始着手研究。认知无线电技术 已经在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议等领域取得了一些成果。 目前，i e e e8 0 2 2 2 工作组已经制订了利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技 术标准，这是第一个引入认知无线电概念的i e e e 技术标准化活动1 2 引。 1 3 认知无线电的频谱感知技术现状 认知无线电技术能够充分地利用频谱资源，但是该技术的应用必须保证对已 有的通信系统不产生干扰，需要在最短时问内感知并分析特定区域的频段，找出 适合通信的频谱宁洞，并且时刻检测是否有授权用户的接入，以便能够及时的让 出该频段。因此，频谱检测技术是认知无线电技术需要解决的关键问题之一。现 有的频谱检测技术主要基于发射机检测p 0 1 。发射机检测针对单个用户，利用接收 到信号的波形、能量或循环平稳等特性d b 3 3 1 。发射机频谱检测方法可以分为：匹 配滤波检测、能量检测、循环平稳特性检测和基于干扰温度的检测。 匹配滤波检瓣的准则是使得输出信噪比最大，是已知信号波形情况下的最优 检测方法。但是设计匹配滤波器需要授权用户信号的先验知识，检测时需要将各 种信号的先验知识存入无线设备r l i ，增加了设备的复杂性。对于不同的授权用户 可能要设计不同的匹配滤波器。i 司时在无线环境中，为了通信安全，这些信号的 先验知识是不可能得到的，实际应用中，除了很特别的用途外，一般不会应用匹 配滤波器对授权用户进行检测。 能量检测则是在已知噪声功率的加性高斯白噪声( a w g n ：a d d i t i v ew h i t e 6 第1 章绪论 g a u s s i a nn o i s e ) 信道中检测确知信号的最佳检测器1 3 0 1 。这种方法不需要知道授 权用户发射信号的任何先验知识。其基本原理是：对带宽为的带通滤波器的 输出信号进行平方运算并在观测时间丁内进行积分得到接收信号能量的检测输 出量j ，将其与设定的门限值五进行比较以判断授权用户是否出现。基于能量检 测的频谱检测方法简单易于实现，检测的精度较高，目前大多数认知无线电频谱 感知研究都是基于这种方法。 循环平稳特性检测主要是针对调制后的信号具有类似于周期性的性质设计 的信号检测方法。这些调制信号的均值及相关函数具有周期性即循环平稳性，通 过分析频谱自相关函数可以探测出这些特征。它能够把噪声能量与已调信号的能 量区分开来，具有强的抵抗噪声功率不确定性的能力，因而能够更好地分辨出噪 声与调制信号。 干扰温度提供了在某地理位置上的某频段上接收机能够顺利工作的最差环 境的特征描述，即可接收的射频干扰的准确测度。在该频带内，任何使噪声基底 上升并超过干扰温度界线的发射都将被视为有害。认知用户的发射端需设计成在 它的射频信号被授权用户接收机接收n o , - t 需接近噪声的水准。若检测到当自订环境 的噪声比干扰温度限高时，则认为认知用户不能再使用该频段。由于认知用户无 法得知授权用户的位置和无法得知其它认知用户的影响，现在还没有算法可以实 现对干扰温度的测量。 单用户检测可能受到无线信道衰落、阴影等的影响使得检测性能下降，因此 很多研究学者提出了多个用户进行合作的联合检测算法【3 4 琊】。联合检测性能优于 单用户，不过现有的联合检测算法也有一些缺点，如没有考虑各个用户检测结果 的可信度，多用户联合会增加检测时间等。许多学者在此基础上提出了改进算法， 如考虑平均信噪比不同时，对联合检测时各用户的检测结果进行加权【3 6 。3 7 】；对认 知用户进行分簇以降低功率消耗1 3 8 - 3 9 】；检测性能和检测时间折衷【4 0 】等。根据认知 用户间共享信号的类型，联合检测算法可以分为软判决信息融合和硬判决信息融 合。在软判决信息融合中，认知用户向融合节点传递所有的观测信息，融合节点 能充分的利用每个认知用户观测到的信息，其性能比硬判决信息融合好，但会占 用很多的通信带宽；硬判决信息融合刚好相反，认知用户只需要传递判决信息， 占用的通信带宽少，但是在本地判决中损失了大量的信息，判决性能不如软判决。 为了能够在检测性能和检测复杂度之间做很好的折衷，一些研究人员提出了多门 限判决检测方法【5 6 6 6 - 7 1 1 ，这种算法能有效的检测授权用户的存在，并且减少了传 递整个观测信息带来的通信开销。 1 4 本文工作和文章组织 7 第1 章绪论 本论文通过对近年来国内外学术界对认知无线电频谱检测算法的研究成果 和最新进展进行搜集、整理和总结，分析这些算法各自的优缺点，并给出改进方 法。本文内容共分为六章，各章节的安排如下： 第一章绪论，首先介绍认知无线电技术的研究背景及意义；接着介绍认知无 线电技术基本原理：然后简要阐述认知无线电频谱检测技术研究现状：最后给出 本文的主要工作内容的安排。 第二章介绍基于能量检测的认知无线电频谱检测算法。主要介绍能量检测模 型，分析在加性高斯白噪声信道情况下的能量检测性能，给出常见无线衰落信道 情况下的能量检测性能。 第三章主要介绍单门限联合检测频谱检测算法。首先介绍认知用户联合判决 的类型：软判决信息融合和硬判决信息融合；然后简单介绍两种判决信息融合的 基本原理和常见的实现方式；最后给出各种判决的性能。 第四章在硬判决认知无线电联合频谱检测算法的基础上，提出一种通过调整 各个认知用户判决门限来提高频谱检测性能的算法；从本地判决和融合节点的融 合规则两个方面出发，提出一种提高认知无线电联合频谱检测性能改进算法。 第五章主要介绍多门限联合判决的频谱检测算法。分析一些多门限联合频谱 检测算法，在对这些算法分析和研究的基础上，提出一种基于优化权值的多门限 联合频谱检测算法。 第六章总结本论文的主要工作，并对本课题的进一步研究方向和未来发展进 行展望。 8 第2 章基于能量检测的频谱检测技术 第2 章基于能量检测的频谱检测技术 在信号检测中，若噪声服从高斯分布、信号波形已知，则最优检测机为匹配 滤波器或相关接收机1 4 。在无法得知授权用户发射信号的先验信息的情况下，对 于已知噪声功率的高斯白噪声信道，能量检测器是最优检测机【4 2 4 3 1 。实际无线环 境中，授权用户发射信号的先验知识不可能为认知用户所知，所以能量检测算法 存认知无线电频谱检测中得到了广泛应用。本章首先介绍认知无线电基丁能最检 测的频谱检测模型，然后介绢高斯白噪声信道中基于能量检测的频谱检测算法基 础知识，最后讨论几种常见无线衰落信道情况下的检测件能。 2 1 频谱检测的基本模型 认知用户需要能够准确的判断某个频段是否+ 口j + 用，必须对是否有授权用广存 在作出正确的判决。若在某个频段内没有授权用户，则认知用户可以使用该频段， 否则找寻别的可用频段。凶此频谱检测模型可以定义为如下简单的二元假设检验 问题 却) ) 蒋箸 旺” 其中，工( f ) 是认知用户接收的信号，s ( f ) 为授权刖户发射机发送的信号，疗( f ) 表 示环境噪声，在本文中考虑的是均值为0 、功率矿2 的高斯白噪声环境，而( f ) 表示 无线信道的增益。假设巩表示某个频段内没有授权用户存在，认知用户可以使 用该频段：q 表示某个频段内有授权用户，认知用户不能使用该频段。 2 2a w g n 信道中的能量检测 能量检测算法与信号的先验知识无关，只与信号的能胥= 有关。假设噪声具有 平稳的带限功率谱，能量检测器输出近似为有限时问内采样值平方的累加。当只 有噪声成分时，能量检测器的输出量服从卡方分布。当有确定信号加入时，能量 检测器的输出量服从非中心参量的卡方分布 4 4 - 4 6 1 。h a r yu r k o w z i t 给出了确定信 号的能量检测算法推导过程m j 。 能量检测器的基本思想足：对带宽为形的带通滤波器的输出信号进行平方 运算并在观测时间丁内进行积分得到接收信号能量的检测输出量y ，将其与设定 的判决门限值a 进行比较以判断授权用户是否出现，能量检测器的基本框图如图 2 1 所示。 9 第2 章基于能节检测的频谱检测技术 x ( ，) 一带通滤波器- - - 一 ( ) 2 似，) 1 2 防 图2 1 能量检测器基本框图 能量检测器包括带通滤波器、平方器和有限时间积分器三个部分。积分器的 输出为输入信号在时间r 内的平方积分和，带通滤波器抑制带外信号。由上节中 的基本检测模型可知，假设纸时，x ( t ) = 即( f ) ，设噪声双边带功率潜为0 ，噪 声带宽w ；假设q 时，z ( ，) = j l z ( f ) 5 ( ，) + 刀( f ) ，e z ( ，) = 办( 0 j ( f ) 。 为了限制噪声并归一化噪声功率，假设接收信号先由一个理想带通滤波器进 行预滤波处理，其传输函数为 叫) = | 赤l y - 1 鲥 。 ( 2 2 ) 1 0 l f - f , l w 积分器的输出量定义为】，= 吉r x 2 ( ，) 刃。其中丁为采样时间间隔。 对于一个带宽为形的信号，可以用2 t w 个样本值来近似表示【3 2 】。对于低通 信号来说，这2 t w 个值可以通过对信号进行间隔为l 2 w 采样得到：对于窄带带 通信号，可以通过对正交调制分量进行间隔1 2 w 采样得到。为了讨论方便，本 文只考虑低通信号的情况。由采样理论，胛，) 可表示为 玎( ，) = n , s i n c ( 2 w t - i ) ( 2 3 ) 黼玎，= n ( 2 万i ) “n c ( 加掣称为擗僦 显见，所有的都服从均值为0 、方差为仃2 = 0 w 的高斯分布，即 啊n ( o ，盯2 ) ( 2 4 ) 应用抽样函数的如下性质 e s i n c ( 2 耽一f ) s t n c ( 2 耽一七) 击= v 2 。w ；三主 c 2 5 ， 可以将噪声的平方积分写成以下1 互方和形式 e n 2 ( ，) - 击茎矿 泣6 ， 在时间间隔【o ，t 】内，根据上面的分析，我们可以将噪声用下式近似 1 0 第2 章基丁能鼙检测的频谱检测技术 ，? ( ，) n ，s i n c ( 2 w t i ) ，( o ，丁) ( 2 7 ) 根据噪声的估计表达式可以得到噪声能量： f ，z 2 ( ，) 西= 方南w2 善t w 砰 晓8 ) 上式的证明应用了k a r h u n e n l o e v e 展丌，文献【4 4 】中给了详细的过程。定义 以坠，则能量检测的输出检验统计量为 , ：n o w y = 如州归= 善巧2 9 ， y 可被视为2 w t 个零均值、单位方差的高斯随机变量的平方和，因此y 服从自由 度为2 w t 的卡方分布扁脚4 6 1 。 考虑所检测信道中存在信号的情况，确定信号可以用2 w t 个抽样函数近似 表示 j ( f ) h , s , s i n c ( 2 w t i ) ( 2 1 0 ) 其中= s ( 嘉) 加办( 专) o 类似于只有噪声情况下的分析，采样酬【0 啦 的信号输入为 2 i 。 x ( ，) = ( 囊+ n ，) s i n c ( 2 w t i ) ( 2 1 1 ，l l 检测机的能量输出为 y n or 州= 去2 善w 1 ( ”臻) 2 ( 2 1 2 ) 定义本地信噪比y 2 2 w n oz 砰s ； 则判决量y 服从自由度为2 f 、非中心参量 为2 y 的非中心卡方分布z ；刑( 2 y ) 。 综合上面的分析可得 y 右耄琶厂) 箸 c 2 3 ， y 的概率密窟函数为 第2 章基丁能晕检测的频谱检测技术 ( y ) = 两：高广一5 ， 风 ，w 一 ( 2 1 4 ) 妊厂p 一字h ( 厮) ，q 兵中，i 【) 为伽玛函数，。【) 为丹彤r 弟一英修j f 贝蓉刃：幽数p “。为表不万便，f 文中用代替丁形。 设判决门限为力，按以下规则求得的能量检测器的检测概率只与虚警概率 p j 为 只= p ( r 五旧) = 鳊( 历，以) ( 2 1 5 ) 纠( y 圳h o ：帮 ( 2 1 6 ) 弓= p ( y 五i ) = 击筹 ( 2 其中瓯( 口，6 ) = j c o 暑p x 2 + r 0 1l 一，( 甜) 出。 在自由度为2 w t 很大的情况下，根据中心极限定型4 7 1 ，检验统计量y 近似 服从高斯分布 n ( ( 2 n + ( 2 棚n , 4 n ( ) + y ) ) h q o ( 2 1 8 ) 2 “i n ( ( 2 + y ) ，4 ( + y ) ) q 。厶埔 检测概率只与虚警概率名可以近似为 剿( 渊 旺 弓兰q q i ( 面2 - 2 n ) ( 2 加) 其蜊垆面1f 唧产。 表示的是授权用户存在时检测到授权用户的概率，高的是认知无线电 高效通信的保证，而相反较低的尸，将导致有很大概率丢失已出现的授权用户信 息，从而增加对授权用户的干扰；尸，表示的是授权用户未出现时判决为存在的 概率，若只过高，将由于错误的检测导致频谱利用机会的丢失，降低认知无线 电的频谱利用率。能量检测的频谱检测算法简单易于实现，检测的精度较高，目 前大多数认知无线电频谱感知研究都是基于这种方法。然而能量检测的判决门限 1 2 第2 章基于能罱检测f 内频谱检测技术 易受噪声功率变化的影响，日检测器只能探测到有信号存在，而刁、：能区分信号的 类型，故容易被其它不明信号误导而产生误判。 2 3 衰落信道中的能量检测 正如我们看到的，能量检测的虚警概率只是只与噪声环境有关，与信噪比 无关的量，而检测概率，是与认知用户接收信u 的信噪比有关的。当信道增益 h ( t ) 因为信道衰落或者阴影而发生变化时，需要埘，重新进行计算。v i k o s t y l e v 从特征函数出发，给出了能量检测在瑞利信道( r a y l e i g h ) 、莱斯信道 ( r i c e ) 和n a k a g a m i 信道中的榆测概率f 4 5 , 4 6 , 4 8 。f a d e lf d i g h a m 则通过对信噪 比概率分布取平均得出衰落信道- i - 的检测概率。假设衰落情况下的信噪比概率分 布函数为f z ) ，这种情况下的检测概率只为 兄= 【q ( 2 7 ，a ) 乃( x ) d x ( 2 2 1 ) 下面对f a d e lf d i g h a m l 4 5 1 的推导结论进行简单的总结a 2 3 1 瑞利衰落信道 在瑞利衰落信道中，信号的幅度服从指数分布【4 5 】，信噪比的概率密度函数为 ( y ) 2 歹1e x p ( 一乡j ，( 7 之。) ( 2 2 2 ) 其中歹是信噪比的均值。将上式代入( 2 2 1 ) 式，可得 乞脚= j l 鳊( 痂，沥) 扣办 旺2 3 ， 根据文献【4 9 】中绋( ) 函数的性质 f e x p ( 一p 2 工2 2 胁( 巍b ) x d x = 驯粼孚件p ( 南) 南m - 2 1 i ( 尹i 寿) ”傩删 做如下变量代换x = 万，由( 2 2 3 ) 式。口j 得如下结论 e 辩) 2 + 阿1 p 。萋去褊i ( 2 _ 2 5 ) f a d e if d i g h a m 在文献中给出了( 2 2 5 ) 式与文献4 6 1 中( 1 9 ) 式结论等价 第2 章基于能量检测的频谱检测技术 的条件：将文献 4 6 1 中( 1 9 ) 式中的归一化不完全伽马函数表示成级数形式，并 设置d 2 = 歹，曰用一1 代替，并在指数部分里面加负号。 2 3 2 莱斯衰落信道 在莱斯衰落信道中，信噪比7 的概率密度函数分布为 m ，= 等唧卜半比 划 汜2 6 ， 其中k 是莱斯因子。将概率密度函数分布代入( 2 。2 1 ) 式，根据文献【4 9 申q ( ) 函数的性质 j i o e x p ( 一p 2 x 2 2 ) i m 一。( “) 锄( 烈，b ) x m d x = 捌m 唧锄( 赤，南 q 2 7 做如下变量代换工= 万，当参数= 1 时，可得检测概率为 l 。= g ( 厩，藤 当莱斯因子k = 0 ，材= 1 ，莱斯哀落信道退化为瑞利信道。 ( 2 2 8 ) 2 ，3 3n a k a g a m i 象洛1 吾遁 在n a k a g a m i 信道中，信号的幅度服从n a k a g a m 1 分布，信噪比，的概率密度 函数分布为 ( y ) = f ( 1 m ) 厂、”y m - , e x p ( 一号y ，( y 。) c 2 2 9 ， 其中朋为n a k a g a m i 信道参数。利用衰落信道中的平均检测概率公式( 2 2 1 ) 式， 并作变量代换x = 再，可得 e d n a k - 口j c o x a - le x p ( 一号囊( 觚) 级 旺3 。， 靴= 赤防 通讨积分最后可得平均检测概塞 1 4 第2 章基