（通信与信息系统专业论文）基于高效利用资源的协作感知方法的研究.pdf

1 掣唧m 9 洲7 叭4 m 7 洲2 1 1 1 1 4 my 1 由于无线通信技术的快速发展以及对无线通信需求的增大，频谱资源如同其 他不可再生资源一样越来越稀缺，已成为无线通信发展的巨大瓶颈。但是经过大 量科研人员的研究却表明目前频谱资源的稀缺是由频谱资源未得到充分利用并 且存在大量“频谱空洞所导致的。认知无线电技术( c r ：c o g n i t i v er a d i o ) 能利用 暂时空闲的授权频段，被认为是解决当前无线频谱资源稀缺的最有效及可靠的技 术，已经越来越受到人们的关注。 要利用空闲的授权频段首先要进行准确而快速的频谱识别。一方面快速找到 空白频谱供自己使用，以提高频谱利用率；另外一方面，一旦初级用户回到授权 信道次级用户能够快速退出，从而不对初级用户产生干扰。频谱感知作为一种快 速而方便的频谱识别方式，成为研究认知无线电技术的焦点，在认知无线电技术 中已处于重要的地位。人们研究了很多种不同的频谱感知方法，在众多的频谱感 知技术中，协作感知被认为是一种在不提高单个认知用户感知性能要求的前提下 增加感知结果可靠性的有效途径。但，同时也由于多个用户同时参与感知过程而 带来感知开销的增加。如何降感知开销成为协作感知技术中的热点课题。 本文的主要研究内容是协作感知算法中感知节点数、感知的授权信道数与协 作感知精度以及感知开销之间的关系，并给出了协作感知开销的具体计算公式。 文章提出了一种联合考虑选择最佳的感知节点数以及感知的信道数来降低协作 感知开销的方法。 该方法为在不干扰授权用户的情况下满足认知用户的需求，以搿满意度 作 为一个重要参数。定义的满意度由认知网络中参与协作感知的节点数和每次感知 的信道数来确定，反映的是初级系统对次级用户接入其频段的满意程度。通过满 意度来确定节点数和信道数的范围，同时考虑网络中的感知开销问题，最终确定 优化的感知用户数以及每次感知的信道数，以减低系统的感知开销，达到高效协 作感知的目的。由于满意度的计算公式较复杂，要采用穷举法来完成算法的计算 部分，故本文也开展了一些降低计算量的方法。并且通过仿真论证了优化算法的 可行性，并将仿真结果与其他算法做了比较。 关键字：认知无线电、协作感知、感知开销、能量检测、满意度 a b s t r a c t b yt h ef a s td e v e l o p m e n to f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya sw e l la st h e d e m a n do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no fp e o p l e , t h ef r e q u e n c ys p e c t r u m 佗s o u i c e sh a v e b e c o m em o r ea n dm o r es c a r l i k eo t h e rn o n - r e n e w a b l er e s o u r c e s ，a n di th a sb e c o m e t h eg i a n tb o t t l e n e c ko fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t b u t , b yt h er e s e a r c ho f m a n y s c i e n t i f i cw o r k e r s a c t u a l l yi n d i c a t et h a tt h er e a s o no f t h es c a r c eo f t h ef r e q u e n c y s p e c t r u mr e s o u r c e si st h ee x i s t e n c eo f t h ee m p t yf r e q u e n c ys p e c t r u m ，a n dn o tf u l l u s i n go ft h ef r e q u e n c ys p e c t r u mr e s o u r c e s t h ec o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yc a n o p p o r t u n i s t i c a l l yu t i l i z et h ew h i t es p a c eo fl i c e n s e ds p e c t r u mb a n d s ，a n di th a sb e e n c o n s i d e r e dt h em o s te f f e c t i v ea n dr e l i a b l es o l u t i o no ft h es c a r c eo fw i r e l e s sf r e q u e n c y s p e c t r u mr e s o u r c e s ，h a sa l r e a d yr e c e i v e dt h ea t t e n t i o no fm o r ea n dm o r ep e o p l e u s i n gt h ei d l el i c e n s e df r e q u e n c yb a n d sm u s tt oc a r r yo na c c u r a t ea n df a s t 丘e q u e n c ys p e c t r u mr e c o g n i t i o n o nt h eo n eh a n d ，廿l a tc a nf m dt h eb l a n kf r e q u e n c y s p e c t r u mf a s ta n du s ef o rs e c o n d a r yu s e 瑙，a n dr a i s et h eu t i l i z a t i o nr a t eo ft h e f r e q u e n c ys p e c t r u m o nt h eo t h e rh a n d , o n c et h ep r i m a r yu s e r sr e t u r nt ot h el i c e n s e d c h a n n e l s ，t h es e c o n d a r yu s e r sm u s tb ea b l et ow i t h d r a wf a s t , t h u sd on o td i s t u r bt h e p r i m a r yu s e r s t ob ea l ( i n do ff a s ta n dc o n v e n i e n tw a y , t h ef r e q u e n c ys p e c t r u m s e n s a t i o nb e c o m e st h ef o c a lo ft h ec o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g y , a n di th a sb e e na tt h e i m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ef i e l do fc o g n i t i o nr a d i ot e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，p e o p l eh a v e d e v e l o p e dm a n yd i f f e r e n tm e t h o d so ff r e q u e n c ys p e c t r u ms e n s i n g i nt h en u m e r o u s m e t h o d s ，t h ec o o p e r a t i v ef r e q u e n c ys p e c q l u i i ls e n s i n gw 嬲c o n s i d e r e dt h er e l i a b l ea n d e f f i c i e n t p a t ht o e n h a n c et h e s e n s i n gp e r f o r m a n c e b u t ,b e c a u s em a n yu s e r s s i m u l t a n e o u s l yp a r t i c i p a t ei nt h i ss e n s i n gp r o c e s s , i tw i l li n c r e a s et h es e n s i n g o v e r h e a d h o wt of a l lt h es e n s i n go v e r h e a dh a sb e c o m et h eh o ts p o tt o p i ci nt h e c o o p e r a t i v es e n s a t i o nt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n ti st h en u m b e ro fu s e r s ，t h en u m b e ro fl i c e n s e dc h a n n e l ， c o o p e r a t i v es e n s i n gp r e c i s i o n , s e n s i n go v e r h e a da n dt h e i rr e l a t i o n sb e t w e e ne a c h o t h e r , a n dh a sg i v e nt h ec o m p u t a t i o n a lf o r m u l ao ft h eo v e r h e a do fc o o p e r a t i v es e n s i n g p r o p o s ea m e t h o dt or e d u c et h es e n s i n go v e r h e a dt h a tc a nc h o i c et h eb e s tn u m b e ro f s e n s i n gp o i n t sa n dt h es e n s i n gc h a n n e l s t h i sm e t h o dc a ns a t i s f yt h ed e m a n do fs e c o n d a r yu s e r si nt h es i t u a t i o nt h a tn o tt o d i s t u r bt h ep r i m a r yu s e r s ，a n dp r o p o s et h ec o n c e p to fd e g r e eo fs a t i s f a c t i o n t h e d e g r e eo fs a t i s f a c t i o ni sd e t e r m i n e db yt h eu s e 俗n u m b e rt h a tp a r t i c i p a t ei nt h e c o o p e r a t i v es e n s i n ga n dt h en u m b e ro fc h a n n e li n t h ec o g n i t i v en e t w o r k t h r o u g ht h e d e g r e eo fs a t i s f a c t i o nw ec a nd e t e r m i n et h es e n s i n gn u m b e ra n dt h ec h a n n e ln u m b e r s s c o p ea b o u tc o o p e r a t i v es e n s i n g ，s i m u l t a n e o u s l yb yc o n s i d e r i n gt h eq u e s t i o no ft h e s e n s i n go v e r h e a do ft h ec o g n i t i v er a d i on e t w o r k , t h e r e f o r ew ec a nd e t e r m i n et h e o p f u n i z e ds e n s m gn u m b e ro fu s e r sa n dt h ec h a n n e l sf i n a l l y s ow ec a l ld e c r e a s et h e s y s t e m ss e n s i n go v e r h e a d , a n da c h i e v et h eg o a lo fh i g h l ye f f e c t i v ec o o p e r a t i v e s e n s i n g b e c a u s et h ef o r m u l ao fd e g r e eo fs a t i s f a c t i o ni sv e r yc o m p l e x ，i tm u s tu s et h e m e t h o do fe x h a u s ts e a r c ht oc o m p l e t et h ec o m p u t a t i o np a r to ft h e a l g o r i t h m t h e r e f o r e ，a l s od e v e l o ps o m em e t h o d st or e d u c et h el o a do fc o m p u t a t i o n h a v e p r o v e nt h ef e a s i b i l i t yo ft h eo p t i m i z e da l g o r i t h mt h r o u g ht h es i m u l a t i o n , a n d c o m p a r e st h es i m u l a t i o nr e s u l tw i 廿lo t h e ra l g o r i t h m s k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ( c r ) ，c o o p e r a t i v es e n s i n g , s e n s i n go v e r h e a d , e n e r g y d e t e c t i o n ，d e g r e eo f s a t i s f a c t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景介绍 随着无线通信技术的发展，以及对无线通信需求的增大，频谱资源和地球上 其他不可再生资源一样已经变得越来越稀缺，严重制约了无线通信行业的继续发 展。如根据统计，未来无线频谱的需求初步估计将超过1 7 0 0 m h z ，但是现有的 频谱资源基本满足不了这样大的需求。2 0 0 7 年召开了世界无线电大会，从会后 公布的频谱划分来看，可以新划分的频段目前只有1 0 0 0 m h z 左右。可见频谱资 源稀缺已是不可争辩的事实，而且人们的需求还在继续增长，这种资源稀缺和需 求的增大之间的矛盾越来越突出。 但与以上反映的情况不同的是，根据美国联邦通信委员会( f c c ) 经过长期 的测量和研究结果却表明业已分配的频段的频谱利用率却仅为1 5 8 5 ，而且 存在严重不平均的现象【，如图1 1 所示。从图中我们可以看出2 g h z 以下的频 段占用率较高达到3 0 - 6 0 ，而2 g h z 以上被分配出去的频段占用率却很低， 部分频段甚至占用率连1 都不到如3 g h z - - - 4 g h z 频段，另外其他机构和人员所 做的大量频谱使用状况测量也得出了类似的结论【2 4 】。 图1 1 美国伯克利分校所测频段占用状况 这就表明目前制约无线通信发展的频谱资源稀缺并不是真正意义上的资源 稀缺，而是由各国普遍采用的固定频谱资源分配机制所导致的大量已被划的频段 的利用率极低造成的。目前已被划分的频谱在时域和频域上都可以进行重新开发 利用。这种固定频谱分配机制虽然可以避免不同无线通信系统之间的相互干扰， 基于高效利用资源的协作感知方法的研究 但是同样也带来了很低的频谱资源利用率。 在无线通信发展的初步时期，由于对无线通信需求较低，这方面的缺点完全 被掩盖，当时甚至直接采用随机的方法分配频谱资源。而如今随着无线通信需求 激增，对通信速率要求的提高，根据香农定理给出的结论也就意味着对带宽的需 求越来越大，其低频谱利用率的弊端表现的越来越突出，已经变得不合时宜，急 待更好的频谱分配技术，以提高频谱资源利用率，满足当今世界对无线通信的需 求。 为了提高频谱资源的利用率，各国无线电管理部门和研究机构都做了大量的 工作。现在有越来越多的人认为要从根本上解决频谱供需矛盾，只能在无线电频 谱政策上做出相应调整，不能继续使用低效的固定频谱分配方式。为此开始了各 种尝试，开发了很多种频谱利用率更高的技术，如正交频分复用技术( o f d m - o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、多入多出技术( m i m o ： m u l t i p l e i n p u ta n dm u l t i p l e - o u t p u t ) 等高效率的传输技术、在3 一i o g h z 频段上开发 的超宽带( u w b ：u l t r a - w i d eb a n d ) 技术、以及采用工业科学和医用( i s m ： i n d u s t r i a l 、s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段无授权接入，但是以上技术都存在各种各样 的缺点，不是以牺牲设备复杂度和成本以作为代价来换取频谱利用率的提高，或 者仅仅受限于短距离无线通信领域，就是增加了新的干扰，限制了无线通信系统 的兼容性，不能真正实现动态的频谱资源分配。 为了更好的解决频谱资源稀缺以及利用率低下的问题，认知无线电技术被提 了出来【5 - 刀，认知无线电的概念最早是由美国著名的科学家j i i im i t o l a 博士提出 的。随后，f c c 也根据多方面研究给出了自己对认知无线电的定义：认为它是 能够在工作工程中周期性的感知其周围工作环境的变化，并能做出相应的调整即 改变工作参数的无线电通信技术，如发射的功率、工作的频段范围等等。 认知无线电技术的特点如图1 2 所示，其中认知无线电技术最突出的特点是 环境的感知和学习能力，这也是和其他无线通信技术的最大区别，通过对周边环 境的感知，如对授权系统的工作频段、信噪比等等参数的感知，再通过一定的判 断标准找到空白的频谱资源实现认知用户的通信需求，达到提高频谱利用率的目 的。 2 第一章绪论 图1 2 认知无线电系统特点 认知无线电的另外一个突出特点就是通信的优先权较低，认知用户一般被称 作次级用户( s e c 0 i l d a 巧u s e r ) ，只有在授权用户也就是初级用户( p r i m a r yu s e r ) 不使 用频谱资源的时候，次级用户才能以伺机方式接入授权频段开展业务，一旦发现 初级用户接入要能够快速退出，为初级用户空出频谱资源，这就是所谓的认知用 户低通信优先权。由于无线通信环境的千变万化，认知无线电技术还必须具备能 够自适应这种变化，并做出相应的调整。 总之，认知无线电作为一种目前为止最有效的频谱共享技术，在依靠人工智 能的支持下，通过不断感知用户周边无线通信环境的变化，并且根据事先确定的 算法，理论上说可以在空间、时间以及频率上利用暂时空白的频谱资源，达到动 态频谱分配的最终目的。这将大大的缓解带宽资源稀缺对无线技术发展的制约和 束缚。因此这一技术也越来越受重视，被称之为今后最有前景的无线通信技术之 一。 从认知无线电技术的特点可以看出其目的是在不影响授权用户的前提下，次 级用户可以和初级用户共用无线频谱来最终实现动态的频谱分配，如图1 3 所示。 图中所示“白空间”即为空白频谱资源，次级用户只能在此空间内传输数据。同 时为避免对初级用户的干扰，要求认知设备对授权用户信号有足够高的辨识能 力。 3 基于高效利用资源的协作感知方法的研究 频彰 信道3 信道2 信道i y 初级用户 传输 vt 白空问 图1 3 认知无线电实现动态频谱分配 从图中还可以看出为了保证认知无线电用户不对初级用户产生干扰，需要用 到高效，快速的频谱探测方法。一方面，认知无线电用户需要探测授权频段的使 用情况，来识别能供自己使用的频谱空洞或频谱机会【引，以便快速接入，提高频 谱利用率。另一方面，认知无线电用户还必须及时检测出初级用户信号的重新出 现，以便在初级用户重新使用该信道时进行信道切换，为初级用户空出信道，防 止对初级用户产生有害干扰。为解决以上两个问题，需要用到带内检测和带外检 测。如上图所示，假设认知无线电用户工作在信道1 ，则对信道1 的检测即为带内 检测，对信道2 、3 的检测则为带外检测。带内检测是为了识别出初级用户信号， 而带外感知则是为了一旦发现初级用户能够快速找到新的空白信道以便从原先 的信道中退出。 为了降低认知用户对初级用户的有害干扰，认知无线电技术对频谱探测方法 提出了很高的要求，频谱探测技术也自然而然成为了认知无线电技术中的一门关 键技术，吸引了大量国内外研究者的关注，并得到了丰硕的成果。一般人们认为 频谱感知是最好并且性价比最高的识别空白频谱的方法。从参与感知的节点数目 上看，频谱感知可分为单节点感知和多节点协作感知。在单节点感知方面，目前 研究主要集中在能量检测算法、匹配滤波器检测算法、周期平稳检测算法【9 j 。另 外，大量研究表明协作频谱感知可提高认知无线电系统的检测性能，缩短检测时 问，同时降低对本地检测精度以及终端设备等方面的要求，成为感知技术发展的 一个重要方向和热点【10 1 1 】，国内外学术期刊中关于协作感知方面的论文数量也呈 上升趋势。 门 第一章绪论 1 2 认知无线电技术的应用场景 认知无线电技术虽然是较新的概念，但由于其突出的优点，使其有广泛的应 用前景，而且在进一步扩大，涉及到了军事、商业、以及无线局域网( w l a n ： g r l r c l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、公共安全、无线区域网( w a r n ：w i r e l e s sr e g i o n a l a r e an e t w o r k ) 等等领域。 ( 1 ) 战场环境 在战场环境下，形式千变万化，有可能战争双方多种电子设备都集中在某个 狭小的空间区域，造成此区域内频谱资源紧张。认知无线电技术能够根据环境的 变化自我调整参数，提高频谱利用率，而且认知无线电技术能够实现不同标准的 多种无线电设备间的通信，使其备受各国军方研究机构的青睐，尤其是以美国为 首的西方国家，在这方面也投入了巨大的人力、物力进行细致的研究，走在了最 前面。 ( 2 ) 商业及民用领域 认知无线电技术的应用不仅仅局限在军事领域，在商业领域也有大量使用。 如：已经开发使用的工作频段在4 5 m h z 的无绳电话就是采用类似认知无线电原 理，可以自动规避已占用信道：在现在备受关注的已经商用的第三代移动通信技 术中，如c d m a 2 0 0 0 ，也采用了认知无线电技术进行认知调制，根据环境的变化 的需求来选择传输参数，达到更好的通信质量。 ( 3 ) 无线局域网 在无线局域网中也可以使用认知无线电技术，带有认知功能的w l a n 可以通 过网络中的节点对频谱的扫描，找出最佳的通信信道，获得最好的通信效果。另 外，当网络中的节点在进行正常的通信的同时进行工作频段内外进行检测分析即 带内感知和带外感知，找出干扰所在，做出相应调整，进一步提高系统的性能以 及安全性。 ( 4 ) 公共安全及突发事件领域 当发生人类无法避免的重大突发事件后如地震、火灾、海啸等等时，预先分 配给公共安全的频段往往会因为短时问内使用量的激增而造成通信严重阻塞，无 法开展业务。但，随着认知无线电技术概念的提出，可以很好的解决这个问题。 一旦发生重大事件造成了公共安全频段不够使用时就可以先进行频谱感知，使用 5 基于高效利用资源的协作感知方法的研究 感知到的其他空闲频段来弥补和缓解公共安全频段的阻塞【1 2 1 。 ( 5 ) 无线区域网络 认知无线电在w a r n 的应用就是i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) 8 0 2 2 2 开展的无线区域网络项目，目的是利用y r t f o n f f - 播电视频段 中的空白频谱资源，其网络构成如图1 4 所示，w a r n 主要适用于农村等偏远地 区的无线宽带接入，因为经实际测量表明这些区域相对人口稠密的城市环境，广 播电视频段利用率比较低，并且这部分频段有很好的传输特性。 图1 4w a r n 拓扑结构 1 3 国内外对认知无线电的研究现状 当前，随着认知无线电技术的发展，很多著名的学者带领着他们的科研团体 相继投入到认知无线电技术的研究中，各类研究主要集中认知无线电三大关键技 术上，分别为频谱感知【1 3 ，1 4 1 5 1 、动态频谱管理1 1 6 , 1 7 , 1 8 】、功率控制1 蛇o 】。同时随着 研究的深入，标准化工作变的越来越迫切。于是各标准化组织和行业联盟也加入 了进来，展开了相关研究并开始制定认知无线电的标准和协议。认知无线电技术 迎来了一个又一个的大事件。 首先，f c c 业已开通了5 g h z 频段的频谱资源共享，并且在相关规定中说明 了在用户具有认知功能的通信设备情况下可以以不授权的方式使用此频段，以解 决目前频谱资源紧张的问题，在2 0 0 4 年又继续发布通告，允许认知无线电系统中 的次级用户使用广播电视频段在时域及频域上的空白频谱以开展通信业务，这就 意味着认知无线电技术已经开始了从实验室走上实际应用的道路。而且，美国高 科技研究局为进一步推进认知无线电的发展也随即启动了下一代无线通信项目， 囝 第一章绪论 研究具有动态频谱接入和灵活频谱管理技术的系统【2 。德国的卡尔斯鲁尔大学的 f k j o n d r a l 教授及其领导的研究小组经过持续不懈的努力开发了“频谱池一系 统捌，该系统主要进行的是介质访问层以及物理层相关方面的研究，已经取得了 丰富的研究成果。 再次，在标准化方面，最引人注目的是i e e e 为进行认知无线电技术的空中 接口方面的标准化工作而成立的i e e e 8 0 2 2 2 - v 作组，这也是全球第一个世界范围 内的相关标准化组织。该组织的工作的首要目的就是制定认知无线电用户接入广 播电视频段，即v h h u h f 频段的相关技术标准。该组织目前已经取得了较大进 展，在2 0 0 5 年完成相关初始提案文档，随后针对不同的提案分别进行分析并综合 各自的优点，为最终制定认知无线电的标准打下坚实的基础。随着认知无线电的 进一步发展，i t 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) 也无法 忽视认知无线电技术的重要性，并在其i ，i u r & a s e 作组中专门开设了认知无线 电研究课题，开展认知无线电技术标准的研究工作。同时国际上也开始出现越来 越多的认知无线电论坛，早在2 0 0 6 年著名的软件无线电论坛专门就认知无线电召 开了工作组会议，与会的专家经行了广泛的交流。 ， 国内也相继展开了认知无线电技术的研究工作。如在相关专家的大力推动下 国家自然科学基金委员会在2 0 0 8 年就设立了关于认知无线电技术的重点项目群， 并且在重点项目群下设立了四个分课题，以此来细化认知无线电的研究。国家重 大专项( “8 6 3 项目) 也开展了认知无线电方面的研究项目，该项目旨在开发“频 谱资源共享无线电系统 。计划在资源共享无线通信系统的关键技术上产生重大 突破，开展一些实际的应用研究，并进行相关技术的验证。2 0 0 9 年在北京召开了 张平教授主持的“认知无线网络基础理论与关键技术研究力项目的启动会，该 项目的目标就是进一步推动我困在认知无线电领域的研究进程，提出一些创新的 技术和我国自己的发明专利，使我国在此领域有重大突破，从而在认知无线电标 准化方面取得更多的话语权。在国家主要科研机构的推动下，我国的认知无线电 技术突飞猛进，国内越来越多的研究机构和大学相继开始了认知无线电方面的研 究工作，我国在此领域跻身世界一流水平为期不远。 1 4 国内外在协作感知方面的研究现状 协作感知算法可分为集中式、分散式两判2 3 1 。集中式协作感知是指各个感知 7 基于高效利用资源的协作感知方法的研究 节点将本地感知结果送到基站或接入点统一进行数据融合做出决策，随后再将判 决结果发送给网络中的各个节点；分散式协同感知则是指不同感知节点间相互交 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 生一定影响。 协作检测方法通过多用户合作的方式对授权信号进行检测，能够提高系统的 检测能力，同时解决了单个用户受到遮挡影响而导致频繁发生误检的问题，被认 为是一种比单节点感知更有效的频谱感知方法1 2 4 , 2 5 。然而，协作感知方法在每次 感知的过程中都有多个节点参与感知一定数目的信道，因此系统总的感知开销要 远远大于非协作感知方法i 凋。针对此问题国外学者最先开展研究，对协作感知算 法进行改进，以降低协作感知中的感知开销。在对协作感知算法改进中，研究主 要集中在最佳感知节点数、融合准则、降低能耗等方面。文献 2 6 1 最先提出在协 作感知中选择最优数目的感知用户，为以后在这方面的研究确定了方向，但遗憾 的是仅仅给出了目标函数。文献 2 7 ，2 8 贝t 1 分别通过选择最优的感知节点数以及最 佳的融合准则，以达到在满足较小误检概率的条件下降低认知无线电系统的能量 消耗。文献 2 9 ，3 0 l 中，m a n s o u r in 等提出了一种迭代式协作感知方法，该方法首 先确保认知系统的感知精度在初级系统允许范围内，通过最小化协作感知的节点 数目，降低资源消耗文献 3 1 1 着重分析了主用户、次级用户的业务负载以及协 作等级对最优化感知信道数的影响，却没有考虑优化的协作等级，即参与协作感 知的节点数的问题。 在协作感知技术方面国内学者们也展开了广泛的研究，特别是为了解决协作 感知中的资源开销过大问题，展开了大量研究，并提出了一些好的解决方法，取 得了大量成果。文献 3 2 1 提出一种独特的融合方法，根据每次检测过程中测量到 的初级用户信号状况动态调整融合用户数，取得了非常好的效果。文献 3 3 1 首先 研究了硬判决的软判决两种本地决策的优缺点，并对不同协作方法的误检概率和 算法难易度进行了分析和比较。文献【3 4 】比较了“与 准则、“或准则、最大 后验概率准则和贝叶斯准则等数据融合方法的性能，并做了相关其他的研究。文 献【3 5 】给出了一种很好的改进型协作感知算法，该算法推导了在信噪比相近的 情况下，为达到最大效率利用资源所需要的最优的感知用户数目，以降低系统感 8 第一章绪论 知开销，但是计算公式较复杂并且仅局限于采用与、或准则的协作感知算法。文 献【3 6 】通过一种迭代式协作计算方法在感知精度满足一定要求的同时，计算出了 参与感知的最优化节点数目，从而达到非常好的系统增益，并且大大减低了算法 复杂度，但没有考虑授权信道数对系统性能的影响。文献【3 7 】提出了一种新的基 于大维矩阵理论的协作感知算法，该算法对传统的协作感知算法有很大改进。文 献 3 8 】提出了一种本地感知采用基于“双阀值 能量检测的改进型协作感知算法， 结果证明能够显著提高认知网络的检测能力。 1 5 本文的主要研究内容 综上所述，协作感知现在已经成为了人们研究认知无线电技术的重点。在集 中式协作感知算法中，每次感知过程都有多个节点参与感知一定数目的授权信 道，再将感知结果发送给融合中心( 基站) 。因此参与感知的节点数与每次感知的 信道数对协作感知算法性能有很大的影响。文章将就这方面内容展开研究，提出 新的改进型协作感知的算法。 文章主要研究集中式协作感知算法中感知节点数、感知的授权信道数与协作 感知精度以及感知开销之间的关系。根据对协作感知算法的调研，发现现有对协 作感知算法的改进主要是在融合准则优化以及最优感知节点数方面，很少有在针 对授权信道数方面的研究。基于此将联合考虑最佳感知节点数以及最佳授权信道 数方面对协作感知算法进行改进。 本文通过考虑授权信道被占用的先验概率以及认知用户的业务需求，提出了 高效利用资源的协作感知方法。该方法可以通过优化参与感知的节点数以及感知 的信道数，降低系统的感知开销，同时保证了检测结果的可靠性。 具体的做法如下，以往的做法是基于授权用户的先验信息p ( 授权用户存在 的概率) ，分析出最佳参与感知的节点数以及融合准则。为在不干扰授权用户的 基础上满足认知无线电用户的需求，在算法中用“满意度 来划定参与感知节点 数以及每次感知的授权信道数范围。满意度反应的是认知用户对初级系统的干扰 状况。满意度低说明认知用户对授权系统的干扰很严重，而满意度高则说明认知 用户能够和授权用户很好的共存。文章还对次级感知开销进行了研究，给出了感 知开销的具体公式。通过划定满意度范围就能够确定信道数以及节点数的范围， 再根据感知开销公式确定最能减少能量消耗的感知节点数和信道数。 9 基于高效利用资源的协作感知方法的研究 1 6 本文的内容安排 第一章是绪论部分，阐述了认知无线电技术的发展背景和发展面貌，以及认 知无线电技术的应用前景，说明了认知无线电技术对于目前频谱资源稀缺的重要 性。着重介绍了目前国内外关于认知无线电技术中的协作感知方面的研究现状， 由此引入文章的主要研究内容，以及开展此类研究的意义，并给出了文章的总体 框架。 第二章介绍认知无线电中感知算法的基本概念，首先简单介绍了感知技术中 的单节点感知方法，并针对其中不同的检测方法做了相应的介绍，分析了它们各 自的优缺点。本章着重介绍的部分是全文的主要研究对象，即多节点协作感知算 法，通过介绍一些背景知识和优缺点引出了协作感知所面临的一些问题以及人们 做出改进的方向。 第三章着重介绍本文对协作感知算法所面临的问题的解决方法，提出了高效 利用资源的协作感知方法。在本章中首先介绍了系统环境，即认知无线电系统知 识以及分析的重点。本章还就认知无线电系统的协作感知开销问题做了详细分 析，提出了具体的计算公式。其次，对改进方法做了详细的论述，涉及了认知无 线电系统的满意度，并给出了计算公式，根据划定满意度的范围来最终确定优化 的节点数以及信道数，以此达到高效利用资源的目的。针对算法所涉及到的一些 问题还做了一定的介绍。 第四章主要通过系统仿真对提出的算法进行验证，针对仿真结果进行分析并 和相关算法进行比较，说明改进算法的优缺点。 第五章对全文进行总结，并提出未来工作的方向。 1 7 本章小结 本章是绪论部分，首先通过描述目前无线通信的发展形势以及在高速发展中 所面临的一些问题，介绍了认知无线电技术产生的背景，国内外各主要研究机构 对于认知无线电的评价以及其重大意义，即认知无线电对于解决目前频谱资源稀 缺和人们越来越大的无线通信需求的重要性。再通过对认知无线电技术特点的分 析，介绍了认知无线电技术的应用前景和发展趋势。然后着重就认知无线电技术 的研究现状做了详细论述，提出目前空白频谱识别方法是其中研究的重点，并分 别介绍了国内外的各项研究项目的开展情况以及取得的研究成果。由此得出的结 1 0 第一章绪论 论是协作感知技术是目前频谱感知技术中的热点，于是介绍了在这方面的研究方 向、所取得的研究成果以及所面临的问题，并就本文的研究重点、方法以及成果 做了总体性的描述，为以后面章节的详细说明做了铺垫。在本章的末尾，给出了 文章的总体结构以及内容的简单介绍。 基于高效利用资源的协作感知方法的研究 第二章频谱感知技术综述 为了保证认知无线电用户不对初级用户产生干扰，需要用到高效，快速的辨 别空白频谱的方法。一方面，认知无线电用户需要探测授权用户使用的情况，来 识别频谱空洞或频谱机会，供自己使用。另一方面，认知无线电用户还必须及时 检测初级用户信号，以便在授权用户重新使用该信道时进行信道切换，为授权用 户空出信道。 有三种方法能够进行辨别空白频谱，第一种是数据库等级法，初级系统把自 己的频谱利用状况生成一个可查询以及修改的文件存放在数据库系统中供次级 用户根据自身的需求随时查询空白频谱信息。第二种是信标信号法，此种方法初 级系统通过事先定义好的信标告诉次级用户自己的频谱使用状况，在这种方法中 认知用户需要及时接受信标信号。第三种为频谱感知方法，次级系统首先通过监 测初级系统信号来主动判别空白频谱是否存在，然后再根据需求选择合适的空白 频谱。 在这三种方法中，频谱感知方法有着其他两种方法所没有的优点。首先初级 系统不需要任何的改动，不需要构建的数据库系统以及事先定义信标信号，仅需 要提高次级用户收发机的性能即可，并且能够很好与初级系统融合，在实际操作 上更加可行，这些优点成为了频谱感知方法在学术和实际应用上都很受关注的原 因。 认知无线电的感知过程是一个循环的学习过程，如图2 1 所示。认知无线电 首先会根据对外部环境相关信息进行提取，并根据获得信息通过一定的方法做出 决策，进行合理规划，调整系统的通信状态使得系统获得最好的增益。然后再开 始下一个感知过程，一旦外部环境又发生变化，再次进行各方面调整，这就是图 中所描述的感知循环过程。下面将详细介绍各种感知方法，文章从单节点频谱感 知和多节点协作感知两个方面来详细介绍。 1 2 第二章频谱感知技术综述 图2 1 认知循环 2 1 单节点频谱感知 以发射机检测为例，对于接收机检测本文不做研究。基本的接收信号模型设 为： i册：妁= 哟 汹：妁= 蚴枣瑚+ 哟( 2 - 1 ) 其中s ( 0 、x ( t ) 、n ( 0 代表t 时刻认知设备接收到的信号，初级用户发送的信 号，a w g n ( 加性高斯白噪声) ，h ( t ) n 为信道增益，h 0 表示初级用户不存在，信 道为空白信道，h 1 则表示存在初级用户。另外，一般假设信道增益h ( 0 在采样 中保持不变。 按照检测方式的不同，感知方法有很多种，如能量检测、匹配滤波、周期平 稳检测等等。在以上各种检测方法中，能量检测是在无法得知用户先验信息的情 况下的最佳检测方法f 2 。 2 1 1 能量检测 能量检测由于自身的一些特点，目前已经成为一种使用最广泛的感知方法。 其检测器的基本框图如图4 ： 1 3 基于高效利用资源的协作感知方法的研究 图2 2 能量检测框图 能量检测方法的基本原理是利用接收到的信号的强度与判决门限九( 根据信 噪比来进行选择) 作比较。如果接受到的信号强度大于九，就认为信道已经被初 级用户占用，否则就认为初级用户不存在。根据能量检测理论，认知用户接收到 的能量强度如公式2 2 ： 2 。 秒= z i x ( o l i - - - - o ( 2 2 ) n 为认知设备针对初级用户信号的采样点数。由此可知能量检测的虚警概率 p 厂和漏警概率表达式如下： i 尸厂= ( 秒 纠删 1 砌= 徊 kh 1 儿善u i t ：二刖( 2 - 6 ) 当k = i 是就是o r 准则的，k = n 则是a n d 准则，k = n 2 是大数准则。同 时还有一些改进型的融合准则，这里不做详述。 2 2 3 协作感知的缺点及常见改进方法 上面讲到协作感知的优点是能够在单个感知用户的检测精度的要求相对单 节点感知可以大大降低的基础上，同时又能保证整体的检测精度。但是，不幸的 是同样也会带来一个缺点，那就是由于每次感知都是由多个节点共同参与完成 的，无形之中就增加了系统的感知开销。而且随着网络中的节点数的增加，这种 劣势更加突出，以致影响整个系统的性能。于是，针对此种情况开始了各种改进 1 8 1 9 基于高效利用资源的协作感知方法的研究 2 3 本章小结 本章主要介绍了认知无线电中的各种不同的频谱感知方法，首先描述了频谱 感知的定义以及工作原理。频谱感知是一种很有效的空白频谱识别方法，相对于 其他识别方法有突出的优点，例如不需要初级系统做出任何的改变、便于实际操 作等等。然后分别就感知算法中的单节点感知和多节点协作感知做了详细描述。 其中主要描述的是协作感知算法，介绍了协作感知的背景知识以及相对于单节点 感知的优缺点，其相对于单节点最大的优点是在不提高感知用户设备要求的情况 下提高系统的检测精度，但同时也会由于每次感知都有多个节点参与导致的感知 开销急剧增加。由此引出了目前关于协作感知的研究方向，并分别介绍了目前针 对协作感知改进的几种方法，阐述了一个重要观点即信道数对于协作感知系统的 性能有很大影响，为下一章的内容做出铺垫。 第三章高效协作感知算法 第三章高效协作感知算法 上一章分析到协作感知算法所面临的问题是每次感知都有多个节点参与，虽 然能带来感知精度的提高但同时也带来了感知开销的增大。现有对协作感知算法 的改进主要是在融合准则优化以及最优感