（通信与信息系统专业论文）多天线认知中继网络中断性能研究.pdf

摘要 认知中继网络将中继技术认知网络融合，覆盖范围大频谱利用率高；但同时 因为认知中继节点处于次要地位并不总是获得频谱，因而对频谱检测的检测概率 提出了更高的要求。空间分集可以有效对抗衰落，是通信中的一种用相对较低廉 的投资就可以大幅度地改进无线链路性能的强有力的接收技术。在认知中继系统 中使用空间分集技术，一方面提高认知中继节点检测概率，另一方面接收端的分 集接收提高了系统的可靠性。本文将认知中继网络接收端的单天线扩展为多天线， 并对系统在n a k a g 锄i m 衰落下的中断性能进行了分析。研究表明，多天线的应用 大大提高了中断性能：认知用户的内部协作和信道参数的不同也会对中断性能产 生影响，参与合作的数目越多，信道质量越好，中断性能将越好。最后，m a t l a b 仿真结果验证了理论分析。 关键词：认知中继多天线中断概率协作检测 a b s t r a c t ac o g n i t i v er e l a yn e t w o r kc o m b i n e st h er e l a yt e c h n i q u ea n d t h ec o g n t i v en e t w o r k s t o g e t h e r ，w h i c hh a sl a r g ec o n v e r g e n c ea n dh i g hs p e c t 眦lu t i l i z a t i o n h o w e v e r ，a tt h e m e a n w h i l et h es u b o r d i n a 巧c o g n i t i v er e l a yn o d en o ta l w a y sa c q u i r e st h es p e c t m mt h a t m e a n sh i 曲e rs p e c t r u md e t e c t i o np r o b a b i l i 够i sn e e d e d s p a c ed i v e r s i 够i so n e o ft h e p o w e r 凡l r e c e i v i n gt e c h n i q u e si m p r o v i n gt 1 1 ep e r f o m a n c eo f w i r e l e s sl i n l ( s i g n i f i c a n t l y w i t hc o m p a r a t i v el o wi n v e s 臼1 1 e n t ，t h u sc a ne 伍c i e n t l yc o m b a tc h a r m e lf a d i n g o n c e i n 仃0 d u c i n gt h es p a c ed i v e r s i t ) ，i n t 0ac o g n i t i v er e l a yn e 铆o r k s ，n o to m y t h ed e t e c t l o n p r o b a b i l 时o ft h ec o g n i t i v er e l a yn o d e s w i l li m p r 0 v eb u ta l s om er e c e l n gd l v e r s n y w i ui m p r o v et h er e l i a b i l 时o ft h ew h o l es y s t e m i n “sp 印e r ，w ei 1 1 v e s t i g a t e dt h e o u t a g ep e 雨n n a n c ef o rt h ec o g n i t i v er e l a yn e t w o r k su n d e r n a k a g a m i 。mf a d i n g ，a n d e 硪e n d e dt h es i n 9 1 er e c e i v i n g 舳t e n n at ot h em u l t i p l e o n e s i ti ss h o w e dt h a t 位 e m p l o y m e n to fm u l t i p l e a n t e 彻a si m p r o v e st h eo u t a g ep e r 士o m l a n c cs l g m t l c a n t l y b e s i d e s ，t h ei n t r a - c l u s t e rc o o p e r a t i o na s 、e l l 舔t h ed i 低r e n t 伽i n gc h a 肌e la i s o h a s i 棚u e n c eo ni t t h em o r en o d e sp a r t i c i p 啦c o o p e r a l i n g a n dt h eb e n e ro fc h a n n e lq u a l i 职 t h eb e 他ro ft h eo u t a g ep e 而彻a n c e 州nb e f i n a l l y ，m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e d o l 】rt h e o r e t i c a ls o l u t i o n k 哪7 0 r d s ：c o g n i t i v er 电l a y m u i t i p i ea n t e n n a o u t a g ep r o b a b i h 够 c o o p e r a t i o nd e t e c t i o n 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 日期 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的背景和意义 伴随无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，下一代通信系统要求具备高 数据速率、高频谱利用率、低发射功率和灵活的业务支撑的能力，以便能够为广 大用户提供更丰富的业务种类、更广泛的覆盖范围以及更快捷的接入方式。然而 无线资源，尤其是频谱资源变得越来越紧张，如何更高效地利用有限的通信资源 成为无线通信新技术发展的焦点所在。认知无线科卜3 】允许未授权用户动态接入授 权用户暂不使用的频段，通信终端通过感知环境和调节发射参数来进一步利用已 被授权给主用户的信道。这种通信方式可以对抗固定分配信道使用不足的现象， 有效提高信道的使用效率，因此得到了全世界的普遍关注。 中继通信m 是用户合作通信中最普遍有效的一种合作方式。l a n e m a n 【4 】对多种 中继机制进行了讨论，其中利用平行解码( p a r a l l e ld f ) 策略可有效改善系统性能， 提高信道容量。在认知通信中引入中继传输方式，可以改善认知通信系统的性能， 提高认知传送速率。如果存在某个认知中继节点，认知用户可先将信息发送给这 个节点，再由该节点将信息中继给目的端。如果该节点传送信息时对主用户的干 扰相对较小，则其用于抵消干扰的功率较小，剩余传送自身信息的功率较大。在 使用相同发射功率时，利用这个节点中继传送信息会提高总的传送速率，降低认 知通信的中断概率。如果认知用户需采用固定速率传送，采用这个节点中继传送 信息可降低总的消耗功率。在认知用户能源不足的情况下，采用这种中继传送的 方式恰好可以平衡认知用户之间的能量，不但可以提高总的传送速率，还解决了 个别节点能源枯竭、造成整个通信网络失效的问题。因此，对认知中继系统各个 方面的研究已经成为研究的热点。 在认知通信中引入中继传输方式的主要问题是认知用户相比主用户具有更低 的频谱接入优先权，因此对其检测可靠性提出了更高的要求。为不对主用户造成 有害干扰，认知用户需能够独立地检测出空闲频谱及主用户的出现。这就要求认 知用户能够实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。为对主用户不造成有害 干扰，要求可靠检测概率要求达到9 9 9 。主流的检测方法主要有能量检测、匹配 滤波器检测和特征检测，但检测性能会随着多径和阴影衰落引起的接收信号强度 的减弱而降低，另外检测能力本身也有一定的限制i 7 1 ，因此为实现可靠检测需要探 索新的方法。在检测方面探索的方法有很多，研究表明，采用合作分集的方法可 达到上述可靠检测概率的要求。合作侦听允许多个认知用户之间相互交换侦听信 息，这可显著提高频谱的侦听和检测能力【s j 。此外，采用物理层和m a c 层联合侦 多天线认知中继网络中断性能研究 听的跨层设计方法提高频谱侦听能力【9 】。这种方法通过增强无线射频前端灵敏度， 同时利用数字信号处理增益及用户间的合作来提高检测能力。 在众多方法中，本文关注的是基于多天线的接收分集算法，旨在提高系统可 靠性。该算法利用认知用户多个接收天线的感知信息，根据认知用户与主用户之 间信道的差异，充分利用多天线的空间分集，将接收端将信号合并处理，提高认 知用户的检测概率【1 0 】【l l 】。多天线技术【1 2 】应用到认知中继系统，重点考虑如何在认 知中继系统中利用多天线技术改善系统的中断性能。在认知中继系统中使用多天 线技术，可以提高认知中继的检测概率以及中继节点的接收分集最终提高系统中 断性能。 本文重点将研究多天线技术对认知中继的检测概率的影响以及接收端多天线 带来的空间分集收益对系统中断性能的影响，为进一步的理论研究和工程应用提 供了参考依据。 1 2 研究现状 认知中继网络是指具备频谱获得能力的认知中继节点协助源节点将信息传送 至目标节点的新型网络【1 3 】【1 4 】。该网络是认知无线电与中继网络结合的产物，继承 了中继通信的可靠性和认知无线电高效动态频谱利用特性，现已成为下一代无线 通信的发展方向。对该网络不同方面的研究已经成为研究热点。 认知无线叫1 3 1 ，可以检测到空白频谱，并且可以在可用频谱间跳跃。认知中 继基于认知用户对同一段频谱协作检测【l5 1 ，为了最大化吞吐量，其应用已经由单 中继拓展到了多中继【1 6 】，尽管现存的文献关注的是认知用户的干扰，但是也有研 究得到有一个主用户的多中继系统的可达速率范围【l 7 j 【l8 1 。文献【1 4 】对认知中继信道 进行了研究，定义并分析了认知中继信道。在满足主用户传输速率并假设中继传 输策略为d f 平行编码的情况下，计算了认知中继网络的信道容量。在分析了认知 中继信道的基础上，提出认知中继策略，证明了认知中继的可行性和传输速率优 越性。 d e v r o y e 等人和g a m b i n i 等人【1 9 】【2 0 】【2 1 1 ，提出了可以减轻干扰以及中继系统检 测错误的策略。在文献 1 8 ，2 2 】中，s r i d h 牡a n 等人和j o v i c i c 等人研究的是多通道信 息合作解码。这些工作的共同特征是为了提高认知无线通信。并且把注意力更多 地放在物理层，而非m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t 】词) 层。尽管m a c 层同步检测后 的冗余会降低吞吐量的效率，但是这个潜在的问题已经在之前的文献中通过合作 解决掉。在s i m e o n e 等人的第一篇关于认知中继的文献【2 2 】中，提出m a c 层协议 应该适应物理层被重新设计。它在每个分组包中应用a c k ( a c l m o w l e d g e ) 交换解 决潜在的多中继冗余问题。z h a n g 等人【2 3 j 提出一个启发式的模型，该模型不仅考虑 第l 章绪论 了多中继情形也考虑了m a c 层合作带来的影响。该模型利用a p ( a c c e s sp o i n t ) 作 为个中心控制基站可以解决任何m a c 层里的可能问题。但同时注意到，这种避 免冗余中继的合作策略会带来额外消耗。于是有人研究通过网络编码而非合作避 免了冗余中继问题，文献 2 4 】提出一种新的网络编码协议用来解决基于多跳8 0 2 1 l 的机会路由冗余。文献 2 5 中协助编码将注意力集中于认知中继装置，认知用户作 为主用户传输信息的中继，利用网络编码在m a c 层提出一种新的模式，只要目的 节点接收到足够的编码包就能保证中继转发信息包是有用的并可恢复。 也有人研究应用合作中继技术提高认知信道容量，改善认知通信系统性能。 其中，文献【2 6 】考察了认知中继的网络容量。研究了通过网络编码后c r s ( c o g n i t i v e i 湖i os y s t e m ) 和p 飚( p r i m a r yr a d i os y s t e m ) 之间的干扰。文献 2 7 】将中继传送机 制应用于认知通信网络，在保护主用户传送速率不变的前提下，使认知用户相互 合作刑用脏纸编码技术【2 8 】传送信息，实现了在认知环境下的中继通信。而文献 1 3 】 研究了瑞利信道下单天线认知中继系统的中断概率性能，在高s n r 情况下，得出 了中断概率的极限表达式，并据此分析了系统性能。但是单天线的检测概率以及 系统可靠性较之多天线性能较差，而且瑞利衰落具有一定的特殊性。文献【2 9 】、【3 0 】 也对认知多中继在合作下的中断概率进行了研究，但都是在高s n r 下得出的概率 极限表达式。 多天线【1 2 】【3 l 】的优良性能表现为可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损的情 况下大幅地增加系统的资料吞吐量及传送距离，其核心概念为利用多根发射天线 与多根接收天线所提供之空间自由度来有效提升无线通信系统之频谱效率，以提 升传输速率并改善通信品质。m i m o 技术应用于无线中继网络为频谱利用率和链 路可靠性的提高带来丰厚的增益【3 2 】。将多天线技术应用于认知无线电频谱检测中， 可极大提高其检测概率i jo 】。本文的贡献是将认知中继系统由单天线拓展至多天线 情形，并将信道建模为对实测数据具有很好的拟合性的n a i ( a g a m i m 衰落。在有限 的s n r 区间，得出了精确的中断概率闭合形式，随后分析了接收端为多天线情况 下该系统的性能。可以看到，多天线的应用大大提高了中断性能，认知用户内部 协作更进一步提高了网络中断性能。 1 3 论文的主要工作 本课题主要目的是提高认知中继系统中断概率。在接收端加入多天线，实现 空间分集接收，分析了该模型下多天线对中断性能的影响以及更进一步的合作对 中断性能的影响。本文的主要研究工作有： 1 对认知中继系统进行了简要的分析，阐述了其中存在的问题。 2 研究了多天线情况下认知节点在衰落信道n a k a g 锄i 下的频谱检测概率以 4 多天线认知中继网络中断性能研究 及虚警概率，并展示了在该信道下检测概率随天线个数和信道参数的变化而改变 的情况。 3 针对认知中继节点获得频谱的能力，分三种情形研究了该模型中断率性能： 完全获得频谱，不完全获得频谱及基于内部合作获得频谱，推导出了相应中断概 率精确闭合表达式，并分析了中断概率随天线个数和内部协作以及信道参数的变 化情况。 4 仿真验证了多天线加入以后认知中继节点检测概率以及系统中断概率的提 高，并进一步考察了内部协作以及信道参数的改变对检测概率和对最终系统中断 性能的影响。 1 4 论文内容安排 本文主要研究了多天线认知协作中继系统中断性能，推导出了相应的中断概 率闭合表达式以及得出了影响中断概率性能的主要参数。论文主要包括五章内容。 第l 章介绍了认知中继网络产生的背景，分析认知节点作为中继存在的问题 以及引入多天线的原因。介绍对认知中继网络国内外研究现状以及本文要研究的 切入点，最后给出了本论文的内容安排。 第2 章介绍认知中继系统以及多天线的发展概况。 第3 章研究引入多天线后认知中继系统的中断性能，推出了相应的认知节点 检测概率和中断概率闭合表达式。 第4 章仿真验证了检测概率性能和中断概率性能，分析了不同的天线个数， 不同的信道参数，不同的内部合作参与数目对中断概率的影响。 第5 章对全文进行总结，并指出还未解决的问题，提出下一步的工作计划。 第2 章认知中继系统与多天线的结合 第2 章认知中继系统与多天线的结合 2 1 1 中继协同通信 2 1 认知中继系统 无线中继的基本思想【】是使用中继节点将基站的信号重新处理后再发送 出去。应用多跳中继可以扩展小区的覆盖范围，减少通信中的死角地区，同时 还可以平衡负载，转移热点地区的业务。另外，引入无线中继还可以节省终端 的发射功率，从而延长电池寿命。 1 中继协同通信系统介绍 中继辅助通信系统可以由多个中继形成一个虚拟阵列相互协同工作，如图 2 1 所示。引入中继技术后宽带无线通信的组网方式与传统的无线接入最大的差 异就是接入方式的多样性。移动终端可以直接通过中继站接入无线网络，也可 以在中继站的协作下通过基站接入无线网络。作为一种能有效改善网络覆盖质 量的技术，无线中继技术为在高频段实现宽带无线接入提供了一种高性价比的 解决方案。概括来说，中继辅助通信系统作为一种新型组网技术具有以下优势： ( 1 ) 多个中继同时使用相同的时隙和频谱资源，从而节省无线电资源。 ( 2 ) 多个中继间可以利用空间分集空间复用提高系统传输容量。 ( 3 ) 中继辅助通信系统不必明显改变现有主干网结构，可实现与现有通信 网络的平滑过渡。 o 基站与用户问通信 图2 1中继增强型中继网络 2 中继辅助通信系统研究进展 对于中继辅助通信网络最早源于三终端的中继信道模型，随后又陆续出现 6 多天线认知中继网络中断性能研究 了多中继并行传输的模型以及多跳的模型等。由于用户所处位置的差异，其与 基站间的通信可以通过一个中继站的协作完成，也可以通过多个中继站的联合 协作完成。下面从网络结构的角度分别介绍三种典型的中继辅助通信系统的传 输模型以及用于其中的典型技术。 ( 1 ) 三终端传输模型 三终端传输模型最早由v a n d e rm e u l e n 提出【5 1 ，c o v e r 和e lg a m a l 陋】对其做 了详细的理论推导和性能分析。近年来，陆续有文献对不同信道衰落环境下的 三终端通信系统做了一些具体的分析。 在三终端传输模式下，除了具体的信道衰落特性会影响系统的性能，中继 端具体工作模式的选择也至关重要。按照信号处理的方式，中继的工作模式可 以分为放大( a f ) 模式、解码( d f ) 模式、选择( s r ) 模式以及编码协作( c c ) 模式等。 按照接收发送信号的关系，也可以把它们分为两种基本模式：模拟模式和 数字模式。在中继模拟模式中，信号不需要经过数字化的处理就被中继发送出 去，因此又被称为“非再生中继”，如a f 模式。相对地，在中继数字模式下，中 继需对信号进行解码、编码后再发送出去，因此又被称为“再生中继”，如d f 和c c 模式。 在各种模式之间选择时，可以根据中继所处位置的不同来选择不同的中继 模式以提高通信质量。如果中继距离用户较近，则采用a f 模式，然后利用基 站或者中继站处理能力强的特点来进行正确检测和解码；如果中继距离基站较 近，为了对抗衰落，则采用d f 模式来提高分集度。 ( 2 ) 两跳多中继并行传输模型 基站通过多个并行中继与多个用户进行通信。这里的中继可以由普通用户 来承担，也可以是专门用于转发数据的中继站。用户型中继与中继站相比最大 的差别在于，用户型中继在协作传输其他用户信息的同时，本身也有通信需求： 而中继站只需要转发用户的数据，本身并不需要发送数据，只需要收发少量的 控制信令，用于信道同步和传递信道信息等。 基于中继站的两跳多中继并行传输网络可以利用多中继站间的空间分集， 同时为多个用户提供多数据链路。这样的网络也可以看成是一个分布式多天线 系统。与传统分布式多天线系统不同的是，中继站与基站间的通信是通过无线 链接的，而不是通过有线的光纤网络传播。采用高效的发送和接收机制，以确 保第一跳的传输性能将是影响整个系统传输能力的关键。 ( 3 ) 多跳多中继网络传输模型 如前所述的两种模型都是两跳中继情况，实际中，通常引入自组织网络的 思想形成多跳多中继的网络传输模型。它可以提高蜂窝中基站的通信覆盖面， 增强了抗毁性。图2 2 就是这种模型的示意图。这种多跳多中继网络传输模型的 第2 章认知中继系统与多天线的结合 构建源于m e s h 网络，但又不同于m e s h 网络。在m e s h 网络中，网络中的任意 节点都可以进行直接通信，而在图2 2 的多跳多中继网络传输模型中，仍然保留 了每一跳间层与层的关系。这时，由于每一个中继站都需要在上层和下层通信 节点中寻找通信目标并与之建立通信链路，因此要求每个中继站都必须具备路 由的功能。 t 1 。t 蚕工 t 。壬 | ! j 卜 t1 乞 j t l 第l 跳 第2 跳 第3 跳第n i 跳第阁e 图2 2 多跳中继网络传输模型 ( 4 ) 分布式空时码的研究 分布式空时码是指空时编码系统的天线不再只装置在发射端或接收端，而 是分布在各个中继上，由中继间的相互协作或基站与中继站间相互协作来构建 空时信号。基站借助中继站来构成虚拟发射天线实现发射分集，这时中继站可 以看成是基站的远程天线。图2 3 以分布式空时分组码多输入多输出( m i m o ) 为 例给出了具体的解释。 b s b s ；基站r s ：中继站m s ：移动台 图2 3 分布式空时码 昌 m s 2 占m 多天线认知中继网络中断性能研究 在图2 3 中，基站以两种方式将数据通过中继发往用户。第一种，基站( b s ) 先将未编码数据发往r s l ，r s l 再以传统方式发送空时码至m s l ；第二种，b s 先将未编码数据分别发给两个中继r s 2 和r s 3 ，再由两个中继分别编码后协作 共同发往用户m s 2 。 中继的个数可以扩充至多个，形成分布式天线阵列。研究表明，通过中继 发送空时码时，空间分集增益正比于中继的个数。在一个给定的服务质量( q o s ) 要求( 目标接受信噪比( s n r ) 或误码率( b e r ) ) 的系统中，总发送功率与中继个数 成反比，因此使用多个中继可以节省功耗。 ( 5 ) 中继管理的研究 使中继协作网络发挥最大效用离不开中继管理。中继管理的研究主要集中 在两个方面：中继选择和功率分配。中继选择是指如何在众多中继中选择一个 或几个中继用来辅助传输。中继节点的选择策略主要基于以下几类信息：物理 距离、路径损耗和瞬时信道状态。中继协同网络的功率分配是指如何在信源中 继信宿之间合理分配功率以解决远近效应、增加系统容量和提高系统误码率性 能的问题。 基于中继的网络结构及其协作分集和协作多路技术已经得到了国内外学者 的广泛重视。在未来移动通信( 3 g p p 、3 g p p 2 、b 3 g 、4 g ) 、无限局域网( w l a n ) 和宽带无线网络( 8 0 2 16 j ) 【3 3 】【3 4 】等标准的制订中，都引入了中继的概念并考虑了 中继辅助通信中存在的问题。欧盟无线世界开创新无线电( w 啪r ) 计划【3 5 】 3 6 1 也对宽带移动无线中继网络做了详细的规划。 2 1 2 认知中继系统 基于中继技术的多跳传输系统已经得到了广泛的关注。在现有的网结构中 引入中继的中继辅助通信系统被认为是下一代移动通信主流的网络拓扑结构之 一。为进一步提高通信系统的传输速率与可靠性，认知和中继通信技术受到广 泛关注。 1 认知中继系统组成 认知中继网络是具备频谱获得能力的认知中继节点协助源节点将信息传送 至目标节点的新型网络f 1 3 】f l4 】。该网络是认知无线电与中继网络结合的产物，继 承中继通信的可靠性和认知无线电高效动态频谱利用特性。对于认知网络的研 究如果认知用户距离主用户很近就会对其产生很强的干扰。这就意味着认知用 户要等到主用户完成通信才能传输信息。在这种情况下，如果认知用户是紧急 通信的话，中继就可以起到很大的作用。另外一个应用场景是如果认知中继信 道比认知用户信道质量好。在这种情况下，利用中继可以以很小的功率传送信 第2 章认知中继系统与多天线的结合 9 息，中继网络就可以节省发送功率。最后，当认知用户能量不足时，中继可以 供给额外的功率来传送信息，这在w l a n 和a dh o c 网络中尤其有用【1 4 】。 本文所建系统模型是在文献【1 3 】基础上进行了改进，改进后的系统模型如图 2 4 所示。该模型包括一个源、宿节点各及m 组中继簇。图中，每个簇由地理 位置相近的，个认知中继节点和一个主要用户组成。这里包含三个方面的信息。 首先，在发射端和接收端配置多天线可以构成多输入多输出( m i m o ) 系统，进一 步结合空时编码，可获得空间复用与空间分集，提高信道容量并有效对抗衰落； 其次，对于某些由于移动终端的体积、复杂度以及功耗等方面的限制而难以安 装多天线的系统，分布在不同地点的终端通过协作传输也可以获得空间分集， 提高用户的可达速率，增强通信系统的鲁棒性，并通过协作终端之间资源共享 达到节约整个网络资源的目的。最后，认知无线电允许未授权用户动态接入授 权用户暂不使用的频段，有效提高频谱利用率。 如图2 4 所示，每一个簇中选择一个认知节点作为潜在中继节点用以获取本 簇中主要用户暂不使用的频谱并转发信息。如果潜在的认知中继同时满足以下 两个条件：( 1 ) 成功获得主要用户暂不使用的频谱空穴；( 2 ) 成功地将来自源 节点的信息解码转发( d f ) 至目标节点，则称这样的潜在认知中继节点为成功 的潜在中继节点，由此组成的集合称为成功的潜在中继集合，记作c 。假定主 用户使用的频谱互不重叠，且主用户在通带内通过广播信号告诉中继频谱是否 可用。需要注意的是，尽管广播信号需要额外的频带和功率，但是它却为中继 节点不必扫描整个频带节约了资源。 眦要用户节点口相邻用户节点。潜在中继节点 图2 4 认知中继系统 通信过程分为两个阶段。第一阶段，源节点广播信息，目标节点和中继节 点接收信息。第二阶段，成功中继节点转发信息至目标节点。 1 0 多天线认知中继网络中断性能研究 为保证传输的正交性，本文考虑了具有m + 1 个时隙的时分多址接入 ( t d m a ) 【3 7 】。第一个时隙内信息由源节点传至宿节点，同时该信息被所有合 作的中继簇分享。接下来的m 个时隙，成功的认知中继节点按预定的方式在允 许的频谱上转发源信息。 2 信号模型 定义认知中继用户第f 个天线在第一个时隙内接收到的信号为 髟= q ，鼍+ 乙 ( 2 一1 ) 式中，露= ( 瑶。，髟：，。，) 1 ，墨是来自源节点的信号，它满足零均值且具有 归一化功率e ，屈，= ( 以。，磁：，) 。表征源节点与第j 个中继节点之间的 信道增益复向量，而乏= ( 乏，z 二：，) 1 则表示它们之间的加性高斯白噪 声。 目标节点在第一个时隙接收到的信号向量为 匕= 虬k + 乙 ( 2 2 ) 式中，瓦= ( 岛。，匕：，k ) 。，瓦= ( 。，比：，埘叫) r ，乙= ( 乙，乙。，) 。 在接下来的肘个时隙中，目标节点接收来自成功的潜在中继节点的信息。 来自第f 个成功潜在中继节点的信号为 玢= 霸z + 乙 ( 2 3 ) 式中，霸= ( 巧。，：，) 。，霸= ( 觋。，以：，) 。， 露= ( 乙。，乙：，) 。，且掣是来自第，个成功潜在中继节点的信号，零均值 归一化功率为e 。 上面，毛，露和乏是均值为零方差为一的白高斯随机变量，忍，瓦和玩 为同服从参数为码与乃的n a k a g 锄i 随机变量。 假定传输信息的信道增益独立同分布，多天线装置在认知用户接收端和目 标节点接收端，分别记为札和，。发射端则均为单天线。并假设在中继和目标 位置的接收机己知信道状态信息，而源位置和中继位置的发射机对信道信息未 知。考虑到潜在中继节点是认知用户，所以首要问题就是要解决其检测频谱空 穴的情况。下一小节中将对认知用户频谱检测技术进行介绍并着重对如何智能 化地检测空白频段进行分析。 2 2 认知中继频谱获得情况 虽然认知无线电技术能以更灵活的方式来管理有限的频谱资源，但是真正 将其应用实际通信系统还需要解决包括频谱检测，自适应频谱资源分配等问题。 为了使认知无线电技术在未来的日子里得到长足的发展，要求其能够感知并分 第2 章认知中继系统与多天线的结合 析特定区域的频段，找出适合通信的“频谱空洞”利用某些特定的技术和处理， 在不影响已有通信系统的前提下进行工作。因而，从认知无线电工作流程上可 以看到，为了在某个地域上应用认知无线电技术，最先进行的工作是对该地无 线信道环境的感知，即频谱检测和“空洞”搜寻与判定。 2 2 1 认知无线电频谱检测技术 如果将待查的频段分为三种不同的情况。黑空：存在高功率的干扰；灰空： 存在低功率的干扰；白空：仅存在环境噪声量，包括热噪声、瞬时反射、脉冲 噪声等。那么频谱检测的任务就是查找适合认知无线电业务的白空，同时对工 作频段在黑空( 或灰空) 和白空之间的转变进行监测。 在认知无线电技术中，进行频谱检测就是对所观察的频段进行干扰温度的 估计。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。 认知无线电检测就是在各频段连续不断的检测是否有授权用户在发射信 号，若检测授权用户存在，非授权用户暂时不使用该频段；反之非授权用户可 以利用该频段传送信息。认知无线电所提出的频谱利用思想，频谱利用率将会 提高。在认知无线电网络中，认知动态频谱处理的第一个任务是无线环境下频 谱空洞的检测。认知无线电系统中频谱感知的作用是尽量快而准确地确定未被 占用的频段，不准确或者延时的频谱感知结果会给主用户带来有害干扰，因此， 频谱感知的速度和准确性是极其重要的。频谱感知技术是c r 应用的基础和前 提。现有的频谱感知技术分类如图2 5 所示。 图2 5 频谱感知技术分类 单节点感知是指单个c r 节点根据本地的无线射频环境进行频谱特性标识， 多天线认知中继网络中断性能研究 而协同感知则是通过数据融合，基于多个节点的感知结果将进行综合判决。单 节点感知技术包括匹配滤波、能量检测和周期特性检测3 种。由于这些方法各 有优缺点，实际应用时通常结合使用。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效应的影响，可以采用 集中或者分布式的方式进行。集中式协同感知是指各个感知节点将本地感知结 果送到基站( b s ) 或接入点( a p ) 统一进行数据融合，做出决策，分布式协同感知 则是指个节点间相互交换感知信息，各个节点独自决策。影响协同频谱感知的 关键因素除了参与协同的单节点的感知性能外，还包括网络拓扑结构和数据融 合方法，另外，在协同频谱感知中，不同感知节点的相关性和单个节点的不可 靠性也会对频谱感知的性能产生重要影响。 下面主要介绍了几种频谱感知方法，如接收信号能量检测【3 8 】【3 9 】、循环平稳 信号的谱相关检测、本地振荡器的能量泄漏检测和协同频谱感知【l 儿4 0 】等，并对 各种方法的性能做出了评价。 1 匹配滤波器法( m a t c hf i l t e r ) 匹配滤波器是信号检测中的一种比较常用的方法，它能够使接收信号的信 噪比最大化。在认知无线电设备中使用匹配滤波器，实际上完成的是解调授权 用户的信号，这样认知无线电用户就要知道授权用户的物理层和媒体控制层的 信息：调制方式、时序、脉冲形状、封装格式等，利用这些信息来实现与待检 测信号在时域和频域上的同步，从而解调信号【4 。这些信息可以被存放在c r 的存储器里面。匹配滤波器的优点是可以在很短的时间内完成同步而提高信号 的处理增益；缺点是要求认知用户掌握每一类授权用户的各种信息。匹配滤波 器法可应用于对授权用户信息比较了解的频谱环境当中，例如超高频的电视频 段等等。 2 能量检测( e n e r g yd e t e c t i o n ) 传统的信号检测方法都是基于能量检测的，对接收信号做n 点f f t ，转换 到频域，然后对频域信号求模平方，检测判决方法是先设置一个门限，然后将 设置的能量计算值与设置的门限相比较，超过判决门限，就认为该频段内有授 权用户的存在。能量检测法的优点是不需要知道信号的先验知识，在实现上非 常的简单，它的缺点是：首先判决门限比较难确定，门限很大程度上受到未知 噪声的影响；其次在低信噪比的情况下，信号淹没在噪声中，用能量检测法局 限性很大；最后，能量检测只是计算信号的能量，不能分区出调制信号、噪声 和干扰，因而就无法判断出究竟是噪声还是其他的次用户。 能量检测是一种非连贯性的检测，通过对特定频带的频谱能量进行测量达 到频谱检测的目的。能量检测的基本实现原理和过程：在相同的时间间隔段对 第2 章认知中继系统与多天线的结合 1 3 频谱进行取样，然后对取样信号进行快速傅立叶变换，对于窄带信号检测可以 通过加大快速傅立叶变换的抽样频率来实现，从而提高检测精度。 能量检测的一般模型，如图2 6 所示。模型中将检测信号进行模数变换，然 后通过快速傅立叶变换，在等时间间隔输出结果值，对这个结果值进行信号携 带能量的分析检测信号。 图2 6 能量检测的一般模型 下面介绍一种改进的能量检测方法多分辨率频谱检测方法【2 9 】通过改变扫频 信号的时间间隔针对不同类型的输入频谱分别进行粗略检测和精确检测量。利 用小波变换的检测性能，使输入信号和小波脉冲相乘进行小波变换，在检测的 过程中将输入信号的相关变换的结果值作为输入信号的频谱值进行检测，使用 小波变换的基础方程代替常用的傅立叶变换，从而能够多路检测信号的特征， 最后的频谱检测是基于能量检测的过程，以达到更好的检测性能。 多路径频谱检测方法原理框图，如图2 7 所示。它由微波脉冲形成器和相关 器等组成。 图2 7 多路径频谱检测的基本原理模块 相关器由一个乘法器，一个积分电路，一个等时取样模块，一个放大器和 相关值计算模块组成。射频输入信号为小波脉冲，小波脉冲由扫描振荡器和小 波基函数相乘构成，小波脉冲带宽设定为l ，通过改变瓦值，频谱检测带宽值 1 4 多天线认知中继网络中断性能研究 吼随着改变，频谱检测间隙值设为厶即，通过改变厶。印的值可以实现精确检 测和粗略检测。对这个基本模块进行多路的重复并行连接，就完成了多路径频 谱检测的系统实现。 3 特征检测( f e a n l r ed e t e c t i o n ) 调制信号一般都具有某种程度上的周期性，其统计特性诸如均值和自相关 都呈现出周期性，而噪声没有这个特性，所以可以利用调制信号的循环平稳特 性来进行检测。 特征检测主要是基于平稳信号在一些运算值上的周期性特点，如均值、统 计值和自相关值等。通过对频谱相关方程( s p e c 姚lc o r r e l a t i o n 缸l c t i o n ) 对信号 进行分析。 谱相关检测法的优点是基于信号特征离散地分布在循环谱的循环频率中， 而背景噪声和干扰在非零循环频率处不会呈现谱相关特性，因而有较高的信号 辨识能力；谱相关的局限在于算法要进行2 次傅里叶变换对信号进行处理，它 所能提供的只能是对傅立叶频谱的补充，此外它的计算量很大，约为d f t 的两 倍。 与能量检测所不同的是对信号的相关函数值在等时间内的取样分析。对不 同类型的调制信号可以采用不同的相关函数方程。由于静态噪声和部分干扰是 没有相关函数值的，所以特征检测抗噪性能相对较好。最后的特征检测模块可 以对信号的调制类型，信号特征机率和携带的干扰信号进行检测而实现。特征 检测的一般模型如图2 8 所示。 模数变换 +f f t 一相关函数分析卜 平均 特征 取样 检测 时间t 图2 8 特征检测的一般模型 4 本地振荡器的能量泄漏检测 本地振荡器的能量泄漏检测的一般模型，如图2 9 所示。 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 c a lo s c i l l a t o r ) ，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，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c r 。这种方法是基于主用户主 动检测的前提。在接收机结构图中，假设每一个检测器是匹配滤波器，匹配滤 第2 章认知中继系统与多天线的结合 1 5 波器这种相关检测，相位同步是至关重要的，在大多数广播信号如电视信号， 都利用导频信号的传输来辅助相位同步。 图2 9 本地振荡器的能量泄漏检测的一般模型 5 协同检测( c o l l a b o r a t i v ed e t e c t i o n ) 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，认为邻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，协同感知相对独立节点感知在保护授权用户的性能上会有所提高。 通过建立一个简单的模型来说明协同机制的原理，如图2 1 0 所示。接收机 r 距离授权发送机p 很远，只能从p 用户功率边缘上接受信号，即接收极弱的 信号。此时c l 进行频谱检测后，极有可能误认为该频带是频谱空穴。为了防止 对授权用户p 造成干扰，引入协同机制。假设存在认知用户c 2 满足条件：c 2 处于p 发射的功率主瓣范围内，并且c 2 与p 之间的距离相对于r 与p 更近。 这时，由c 2 作为c l 的中继点来感知p 的发射功率，则能比较准确地分辨出p 是否在和r 进行通信。c 1 将数据包发送给c 2 ，由c 2 来转发，如果p 与r 正 在通信，c 2 就返回给c l 个信息，由c 1 决定是否等待或是寻找另外的频谱 空穴。这样，c 1 和c 2 就构建了协同关系，使c 1 更快更准确地感知频谱环境。 图2 1 0 认知无线电中的协同机制 多天线认知中继网络中断性能研究 上述的模型是比较简单的情况，只考虑了两个认知用户。当模型更复杂些， 例如多用户的感知网络时，就必须考虑怎样建立协同机制的问题了。两两绑定 的协同机制是比较实用的，即每两个认知用户为一组，相互协同完成频谱环境 的感知f 3 1 1 。该协同机制在很大程度上提高了感知频谱环境的准确性与效率，并 且实现起来也比较容易。 6 检测技术比较 单节点感知技术包括匹配滤波、能量检测和周期特性检测3 种，这三种技 术的比较见表2 1 。由于这些方法各有优缺点，实际应用时通常结合使用。 表2 1 单节点频谱感知技术的比较 检测算法 适用范围优点缺点 匹配算法c r 节点知道授权用检测时间短需要先验信息 户信号的信息 能量检测c r 节点不知道授权实现简单，不需要先受噪声不确定性影 用户信息 验信息响，不能区别信号类 型，检测时间长 周期特征检测c r 用户信号具有周可以区别噪声和信号计算复杂度高 期自相关特性类型 2 3 空问分集 无线衰落信道由于遭受多径衰落、时变性等的影响而使其传输性能变得很 差。要把误码率从1 0 七降低到1 0 一，在a w g n 信道中信噪比仅需要增加1 2 d b 就可以了，但在无线衰落信道中则要付出大约l o d b 的代价【4 2 1 。同时这种信噪 比的提高不能简单通过发射功率或额外增加信号带宽来获得，因此对于无线衰 落信道，需要寻找其他方法来提高传输的可靠性。分集接收就是为了克服各种 衰落，提高无线传输系统性能而发展起来的一项重要技术。 2 3 1 分集的基本原理 分集技术是无线通信系统中对抗各种衰落、提高传输性能的一项基本技术 1 4 3 舶】。其基本原理是：间接受到的多个不相关的信号( 时间、频率或者空间) 的能量按照一定规则合并起来，使得组合后得到的有用信号能量最大化。对数 字系统而言，使接收端的误码率最小；对模拟系统而言，提高接收端的信噪比。 如果不采用分集技术，在噪声受限条件下，发射机必须提高发射功率，才 能保证信道情况较差时，链路能够正常连接。在移动无线环境中，由于手持终 第2 章认知中继系统与多天线的结合 1 7 端的电池容量非常有限。采用分集技术可以降低发射功率，这在移动通信中非 常重要。蜂窝网络的容量大多数情况下会受到干扰限制，因此通过采用分集技 术对抗信道衰落就意味着：分集技术可以减小载波干扰比( c i ) 的可变性，反 过来就是c i 的容限较低，这样就可以提高不用系数，进而提高系统容量】。 根据信号传输的方式，分集可以分为两类：一类是显分集技术，它直接利 用提供的多个信号副本来实现分集，如时间分集、频率分集、空间分集等，很 明显这种分集技术会降低传输效率或者增加额外的发射功率；另一类是隐分集 技术，信号只被传送一次，但可通过其他途径间接获得信号副本，如交织编码、 c d m a 中的r a k e 接收技术等。采用分集技术时需要对通信链路进行仔细的设 计。在显分集中，需要利用不同时间、不同