（通信与信息系统专业论文）基于差分进化算法的认知无线电频谱感知研究.pdf

基于差分进化算法的认知无线电频谱感知研究 摘要 频谱感知是认知无线电的基础和前提，它既要保证在不影响授权用户正常使用的情 况下，认知用户充分利用授权频段传输信号，又需要保证整个认知网络中的认知用户不 会出现使用空闲频段上的冲突。频谱感知性能与系统吞吐量的关系，是频谱感知研究领 域的一个重要研究方向。认知系统的吞吐量和干扰量都受门限向量的影响，它们存在着 这样的关系：随着门限向量的变化，认知系统吞吐量越大则干扰量也会越大。 针对目前o f d m 系统多带联合频谱感知中门限向量优化方法存在收敛速度慢，收 敛精度不高的问题，本课题提出了一种基于差分进化算法的门限向量优化方法，根据 o f d m 系统的多载波数字调制原理以及良好的频率选择性能，充分利用了差分进化算法 收敛速度快、全局寻优能力强的特点，保证了在一定的主用户干扰限制下，充分考虑各 子信道信息，获得各自最佳的门限向量。 实验结果表明，本课题所提出的算法解决认知用户吞吐量和干扰量权衡问题时，在 收敛时间和收敛精度上较遗传算法都有明显提高，在干扰量一定的情况下，使认知系统 总吞吐量最大化。 在固定帧长下，感知时间的长短直接影响到认知用户的有效吞吐量。针对目前研究 感知时间和有效吞吐量权衡问题的方法存在收敛速度慢，且实时性差的问题，本课题提 出了一种差分进化算法用于有效吞吐量的优化，利用差分进化算法参数少、操作算子简 单、全局搜索能力强和收敛速度快等优点，保证了在固定帧长下，快速寻找到最优感知 时间，使认知用户吞吐量达到最大。 实验仿真表明，在同等条件下，本课题提出的差分进化算法处理认知用户吞吐量与 感知时间权衡问题时，能使认知用户吞吐量达到接近理论值的精度，且收敛速度明显优 于目前最好方法m o n t ec a r l o 方法。 关键词：多带联合频谱感知；差分进化算法；门限向量优化；感知时间；吞吐量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 基于差分进化算法的认知无线电频谱感知研究 a b s t r a c t s p e c t r u ms e n s i n gi st h ep r e m i s ea n db a s i so fc o g n i t i v er a d i o w i t h o u ta f f e c t i n gt h e n o r m a lu s eo fa u t h o r i z e du s e r s ，i ti st oe n s u r et h a tc o g n i t i v eu s e r sm a k ef u l lu s eo fa u t h o r i z e d f r e q u e n c yb a n dt ot r a n s m i ts i g n a la n dc a n th a v ec o n f l i c ta b o u tt h eu s eo fi d l ef r e q u e n c yb a n d i nt h ew h o l ec o g n i t i v en e t w o r k t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p c c m m 1s e n s i n gp r o p e a i e sa n d s y s t e mt h r o u g h p u ti s a ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef i e l do fs p e c t r u ms e n s i n g t h r e s h o l dv e c t o rc a ne f f e c tc o g n i t i v es y s t e mt h r o u g h p u ta n di n t e r f e r e n c e t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e mi st h a t 晰t l lt h ec h a n g eo ft h et h r e s h o l dv e c t o r ，t h eg r e a t e rt h ec o g n i t i v es y s t e m t h r o u g h p u ti s ，t h eg r e a t e rt h ei n t e r f e r e n c ea m o u n tw i l lb e i nt e r m so ft h ep r o b l e m so fs l o wc o n v e r g e n c es p e e da n dl o wc o n v e r g e n c ep r e c i s i o n a b o u tt h em e t h o do ft h r e s h o l dv e c t o ro p t i m i z a t i o ni nt h em u l t i - b a n dj o i n ts p e c t r u ms e n s i n go f t h eo f d ms y s t e m ，t h ep a p e rp r e s e n t sam e t h o dt h a tc a no p t i m i z et h r e s h o l dv e c t o rb a s e do n d i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h em u l t i - c a r d e rd i g i t a lm o d u l a t i o nt h e o r ya n d t h ee x c e l l e n tf r e q u e n c ys e l e c t i v i t yo ft h eo f d ms y s t e m ，t h ea l g o r i t h mm a k e sf u l lu s eo ft h e f a s tc o n v e r g e n c es p e e da n ds t r o n gg l o b a lo p t i m i z a t i o na b i l i t yo ft h ed i f f e r e n t i a le v o l u t i o n a l g o r i t h m ；a n dt h ea l g o r i t h mg u a r a n t e e st h a tt h eo p t i m a lt h r e s h o l dv e c t o ri s o b t a i n e db y c o n s i d e r i n gs u b - c h a n n e li n f o r m a t i o nw h e n t h em a i nu s e ri su n d e rc e r t a i nl i m i t e di n t e r f e r e n c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw h e ni ts o l v e st h ec o g n i t i v eu s e rt h r o u g h p u ta n d i n t e r f e r ew i t ht h ea m o u n to ft r a d e - o f f s ，t h ed i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h mc a nb eg r e a t l y i m p r o v e dc o n v e r g e n c et i m ea n dc o n v e r g e n c ep r e c i s i o nt h a nt h eg e n e t i ca l g o r i t h m ；a n du n d e r c e r t a i nl i m i t e di n t e r f e r e n c e ，t h et o t a lt h r o u g h p u to ft h ec o g n i t i v es y s t e mr e a c h e sam a x i m u m t h el e n g t ho fp e r c e i v e dd u r a t i o ni nt h ef i x e df r a m ed i r e c t l yi n f l u e n c e sc o g n i t i v eu s e r t h r o u g h p u t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo ft h es l o wc o n v e r g e n c es p e e da n dt h er e q u i r e m e n t so f r e a l t i m eu n a b l et ob em e ti nt h em e t h o do ft h es t u d ya b o u tt h eb a l a n c eo fp e r c e p t i o no ft i m e a n dt h ee f f e c t i v et h r o u g h p u t ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dad i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h mt o o p t i m i z ee f f e c t i v et h r o u g h p u t t h ep a p e ra c h i e v e dt h ep u r p o s et h a to p t i m a lp e r c e p t u a lt i m e c o u l db eq u i c k l yf o u n da n dc o g n i t i v eu s e rt h r o u g h p u tr e a c h e dt h em a x i m u mi nt h ef i x e d f l a m el e n g t hb yu s i n gt h ea d v a n t a g e so fd i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h mw i t hf e w e r p a r a m e t e r s ，s i m p l eo p e r a t i o no p e r a t o r s ，t h eg l o b a ls e a r c h i n ga b i l i t ya n df a s tc o n v e r g e n c e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a td i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h mp r o p o s e db yt h i st o p i c o b t a i n st h ee f f e c t i v et h r o u g h p u tc l o s et ot h et h e o r e t i c a lv a l u ep r e c i s i o na n dt h ea l g o r i t h m c o n v e r g e n c es p e e di sf a s t e rt h a nt h eb e s tm e t h o do fm o n t ec a r l o ，w h e nd e a l i n g 谢mt h e c o g n i t i v eu s e rt h r o u g h p u tt r a d e o f f s 、 ，i t ht h ep e r c e p t i o no ft i m eu n d e r t h es a m ec o n d i t i o n s k e yw o r d s ：m u l t i - b a n dj o i n ts p e c t r u ms e n s i n g ；d i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h m ；t h r e s h o l d v e c t o ro p t i m i z a t i o n ；p e r c e p t i o no ft i m e ；t h r o u g h p u t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题的研究意义和目的 无线频谱是无线通信的一种不可再生的有限资源，各国无线频谱管理组织都采用共 同的频谱管理方式即固定的频谱分配策略，由政府机关将频谱分为连续的频段，每个频 段分给特定的用户使用，非授权的用户无权使用已授权频段【l 】。为了保证授权用户避免 各类不利干扰，正常使用授权频段进行通信，各频带之间必须保留足够的保护带宽。随 着无线通信技术的迅猛发展和通信业务的广泛应用，人们对频谱资源的需求量越来越 大，且期望随时可以获得可靠的网络连接。特别是随着无线网络技术的快速发展和使用， 非授权频段已基本接近饱和【2 】。尽管随着先进的无线接入等技术的发展和应用，频谱资 源的利用效率得到了很大提高，然而，人们对业务量的需求在成百上千倍的提高，再加 上大部分未授权的频段基本被完全占用，已有频谱利用率的提高并没有使频谱资源匮乏 的问题得到根本性的解决。因此，通过有效的手段从根本上提高现有频谱的利用率迫在 眉睫。 事实上，频谱资源的匮乏并不是指频谱资源已经完全被占用，而是现有的固定频谱 分配制度使得授权频谱资源不能得到授权用户的充分利用，非授权用户却无法接入这些 频段。根据美国加州大学b e r k e l e y 分校对频谱利用情况的实地测量和研究可知，由于美 国联邦通信委员会( f c c ) 对频谱采用固定的授权分配政策，使得3 g h z 以上的频段利用 率极低。其中，3 - - 4 g h z 的频段全年利用率只有0 5 ；4 5 g h z 利用率只有0 3 【3 j 。另 外，即使在3 g h z 以下的频段利用率也不超过3 0 。因此，目前总的频谱资源是比较充 足的，旧的频谱分配制度是造成频谱短缺的主要原因。 虽然这种固定的频谱分配制度一定程度上保证了传统通信业务免受其它通信业务 的干扰。然而频谱资源在分配和利用上出现了极端的不平衡：有些通信业务被授权的频 谱资源相对较少，却承担着巨大的业务量；与此同时大部分己分配的频段的频谱利用率 极低。由此可见，这种固定的频谱分配方式已经不能适应当今无线通信的发展需求了。 针对当前的分配方式存在的弊端，为了使频谱资源得到更有效的利用，实现频谱的 二次利用，认知无线电应运而生。认知无线电的概念起最早于1 9 9 9 年由瑞典皇家学院 的博士j o s e p hm i t o l a 和g e r a l dq m a g u i r e ，瓜教授明确提出的1 4 , 5 1 。它是在软件无 线电基础上发展起来的智能无线通信系统，它能感知周围的无线环境，使具有认知功能 的无线通讯设备在不影响授权用户正常通讯的情况下，工作在授权频段，实现了频谱空 洞的有效利用，提高了频谱利用率。认知无线电的应用和发展为从根本上解决认知用户 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的需求与频谱资源有限之间的矛盾开辟了一条有效的途径。 认知无线电的频谱感知是国内外公认的有着重要研究价值的研究领域，目前无论在 国内还是在国外都是研究的难点和热点，有很多学者致力于这方面的研究。在国外起步 较早，2 0 0 1 年就有人开始研究；在国内，直到2 0 0 6 年才出现有关认知无线电的频谱感 知的研究成果，起步晚且基本跟从国外的主要研究方向，不仅研究人数少而且研究成果 与国外也存在较大差距。更重要的是，目前各种频谱感知技术在一定程度上，能满足需 要，解决一些问题，可是至今尚未研究出一种完善的频谱感知方法。且目前的研究方法 存在算法效率低、寻优准确度不够、甚至复杂度高等缺点。 本课题的目的就是通过广泛的查阅，对认知无线电的频谱感知中，认知系统的总吞 吐量与干扰量和认知用户的吞吐量与最优感知时间的权衡问题进行深入的研究，找到最 优的门限向量和感知时间，使吞吐量最大，干扰量最小。本课题主要进行以下两个方面 的研究： 1 基于差分进化算法的o f d m 多带联合频谱感知的研究 o f d m 技术不仅抗频率选择性衰落性能好，抗窄带干扰能力强，而且具有较高的频 谱利用率，较好的抵抗多径衰落能力，灵活地进行频率选择等优点，在认知无线电等许 多领域得到了广泛的应用，并成为频谱感知的关键技术【6 ，7 1 。在非合作频谱感知基础上引 入的一种o f d m 系统多带联合频谱感知是目前较为先进的前沿技术，它能针对各频带 不同情况，选取各自最适宜的门限值【引，保证在一定干扰量下，认知系统的吞吐量达到 最大。 目前研究o f d m 系统下多带联合频谱感知方法中门限优化问题的成果较少，其中 效果较好的是基于遗传算法( g a ，g e n e t i ca l g o r i t h m ) 的多带联合频谱感知【9 】，该算法虽 然能找到使认知系统吞吐量较大，干扰量较小的门限向量，但是由于该算法存在易陷入 局部最优，收敛速度慢等缺陷，使得优化结果并不理想。本课题提出了一种基于差分进 化算法( d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n ，d e ) 的多带联合频谱感知，利用该算法全局寻优能力强，收 敛速度快等优点寻找到了最优的门限向量，在相同条件下，认知系统可获得更大的吞吐 量和更小的干扰量，同时大大提升了算法收敛速度。 2 基于差分进化算法的认知用户有效吞吐量优化 在帧长固定下，感知时间的长短直接影响认知用户的有效吞吐量。目前对感知时间 和认知用户有效吞吐量权衡问题的研究较少，且应用效果最好的是m o n t ec a r l o 方法【1 0 】， 但是该方法存在收敛速度慢，且实时性差的问题。本课题利用收敛速度快，保持种群多 样性强的差分进化算法，在给定帧长下，实现了最优感知时间的选取，同时较大提升了 2 第1 章绪论 算法收敛速度。 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1 认知无线电的国内外研究现状 随着无线电技术的不断发展和无线设备的广泛应用，人们对频谱的需求量越来越 大，频谱短缺现象日趋严重。另一方面频谱资源利用率低且极不平衡；具体体现在：有 些频段被过分利用，有些频段大部分时间处在闲置状态。再加上无线频谱资源是不可再 生的，于是如何充分合理的利用频谱资源是摆在人们面前亟待解决的问题。在这种情况 下，人们考虑到了频谱的再度利用，于是能极大的提高频谱利用率，智能的感觉所处的 频谱状态的技术认知无线电诞生了。 目前，认知无线电的发展史很短，并且没有成熟的标准，它是由m i t r e 公司的顾 问j o s e p hm i t o l a 博士于1 9 9 9 年基于软件无线电的概念而首次明确提出的，在他的谋篇 博士论文【l l 】中，他对认知无线电的描述是这样的：认知无线电系统是对软件无线电的扩 展，并指出认知无线电能智能的探测用户的通信需求，并根据用户或网络的需求进行通 信或实现参数的重新配置，进而提供合适的业务和资源。 世界上第一个将认知无线电技术应用到空中接口技术的标准化组织，是2 0 0 4 年1 0 月，由i e e e 正式成立的无线区域网络工作组i e e e8 0 2 2 2 工作组。著名通信理论专 家s i m o nh a k i n 在2 0 0 5 年发表的关于认知无线电的综述性文章是认知无线电技术国际 性研究开始的标志。 目前，国外某些大学和有些研究机构也较早认识到认知无线电的重要性，对此投入 了大量人力、物力进行研究，并研究出不少成果，发表了一些学术著作，对认知无线电 的发展起到了举足轻重的作用。最早批准和推动使用认知无线电设备的国家是美国。其 中以系统方法和关键技术为主要研究方向，以实现基于认知无线电技术的动态频谱应用 为主要目的，由美国国防部高等研究计划署( d a r p a ) 资助的下一代无线通信计划 x g ( n e x tg e n e r a t i o np r o 酉锄) 是最具代表性的旧，目前，x g 项目已经设计了自适应频谱 系统原型，且x g 网络架构已经被成功描述，频谱感知、频谱共享、频谱管理等x g 网 络的一些功能已经得到了详细阐述；混合的无线电网络中频谱的动态分配和流量控制是 欧洲通信协会资助的d r i v e 、t r u s t 和o v e rr i v e 项目所主要关注的。另外，德国柏 林技术学院、美国加州大学伯克利分校等其它国家许多高校也对认知无线电进行了研 究。 国内的一些知名研究机构和高校也几乎与国外的相关机构同步展开了对认知无线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电技术的关注和跟踪，例如电子科技大学、西安交通大学及清华大学等等。国家8 6 3 计 划基金已经在2 0 0 5 年开始了对认知无线电关键技术研究的支持。目前国内的研究方向 主要集中在q o s 保证机制及认知无线电系统中的合作和跨层设计技术空间信号检测等， 并且目前已经取得了显著的成果。南邮卞荔等人【1 3 , 1 4 】对协作的频谱感知进行了研究，最 终使得认知无线电网络能够对主用户进行较准确的检测，从而并避免了认知用户对主用 户产生干扰。重庆大学冯文江等人 1 5 , 1 6 对在加性高斯白噪声信道环境下，能量检测方法 中，协作检测、认知用户单独检测及采用多样性技术来检测授权用户的性能进行了研究。 以上这些研究为认知无线电的频谱感知的研究和发展奠定了重要理论基础。作为无 线通信领域的新技术，认知无线电备受人们关注，为认知无线电的发展带来了很好的机 遇。与此同时，目前认知无线电技术的发展也存在许多障碍。首先，目前频谱管理政策 尚不完善，认知无线电技术大多局限在理论研究上，在实际应用上还存在很大难度；其 次，认知无线电的性能还需要不断提高，必须能够智能的感知所处环境并能实现灵活配 置；除此，认知无线电还需要硬件平台支持，但是目前的硬件条件并不能满足相关需求。 还有认知无线电网络工作的协议和语言还不够完善。因此，我们还需要在已有研究成果 的基础上进行进一步探讨。 1 2 2 频谱感知的国内外研究现状 频谱感知技术是认知无线电的核心技术之一，是认知无线电发展的基础和前提。这 也是认知无线电设备能独立的识别频谱空洞的原因。为了使主用户不受认知用户的干 扰，必须要求频谱感知时刻都能准确检测频谱空洞的状况。认知用户一般通过检测特定 频段内主用户信号的有无，来判断频谱空洞是否存在。 2 0 0 4 年有人提出三种频谱感知的算法【r 7 】：匹配滤波检测、能量检测和循环平稳特 征检测，为单用户在物理层进行频谱感知创造了条件，为后来频谱感知技术的发展奠定 了基础。此外还有人研究了在a w g n 信道环境下，噪声不确定性对能量检测性能的影 响。但这些成果仅从理论角度对三种算法的可行性进行了探讨。 在能量检测方面，该领域专家目前已做了许多方面的研究【1 8 ：有的文献分析了各 种衰落环境对能量检测性能的影响；有的文献提出可替代的能量检测法，其通过精确估 计无噪声的主用户信号功率得以实现。 在循环平稳特征检测方面，很多学者对其做了较深入的研究，并取得了一些成果， 有的文献将循环相关滤波和循环相关谱相结合达到了双重抑制噪声的效果，抗噪性能得 到增强，但是计算复杂度增加；在文献 2 4 中，当信噪比较高时，通过检测峰值信号对 4 第1 章绪论 麦克风信号和无线区域网进行检测，在信噪比较低时，通过直接寻找轮廓图上的特定图 样来检测信号；文献【2 5 】设计了在高斯或非高斯环境下都可用的非参数循环相关估计器， 且此种相关器使检测性能有了一定提高。 在匹配滤波检测方面，许多学者做了大量研究，甚至有的文献提出如果次用户知道 授权用户信号的一种导频信息，就可以只利用导频部分的信息，将匹配滤波算法简化， 采用基于导频信号的检测方法。 另外，还有一些比较瓶的研究方法，例如用接收信号协方差矩阵的特征值进行频谱 检测等；除此，有人在宽带多频谱检测法方面对频谱感知进行了研究。 目前国外这一方向仍处在很热的研究阶段，并且研究的范围较广。在国内，研究成 果主要集中在0 8 、0 9 、1 0 、11 年，由此说明在国内频谱感知是一个前沿的新方向。且 关于o f d m 多带联合频谱感知的研究成果很少，在现有成就中，学者们从不同角度对 其进行了研究，有的成果研究o f d m 系统下，多用户频谱感知；有的在o f d m 系统下， 利用循环平稳特征进行频谱感知；还有人提出利用o f d m 循环前缀中的信息进行频谱 感知，并取得一定成果；关于认知系统吞吐量的研究成果更少，在已有成果中，有人对 多用户频谱感知中吞吐量进行了研究；有学者对单用户频谱感知中吞吐量进行了研究， 并取得了一定成果。 关于在o f d m 多带联合频谱感知下，针对认知系统中吞吐量与干扰量权衡问题中， 解决各子信道最优门限向量选取问题的方案目前很少，且效果较好的是近两年有学者提 出的用遗传算去解决，但是遗传算法本身存在收敛速度慢，易陷入局部最优等缺陷使得 优化结果不够理想。 目前关于频谱感知中认知用户吞吐量、感知时间及帧长关系的研究成果在国内仅有 几篇，并且都是近几年出现的，有学者研究了感知时间一定时，寻找合适的帧长使得认 知用户吞吐量较大；有学者研究了帧长一定时，寻找最优感知时间，保证授权用户得到 充分保护下，使吞吐量达到理论值。其中目前解决后者效果较好的是用m o n t ec a r l o 方 法来解决的，此方法虽然可以使吞吐量达到理论值，但是由于需要大量的实验统计量， 所以用到的实验时间较长，不满足时实性的要求。 尽管现在频谱感知的研究成果越来越多，但是目前所提出的各种频谱感知技术在一 定程度上能满足需要，解决一些问题，却都不完善，有待进一步研究。 1 2 3 差分进化算法的研究现状 差分进化算法f 2 6 - 2 7 l ( d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n ，d e ) 是1 9 9 5 年s t o r e 等人为求解切比雪夫 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多项式而提出的一种浮点失量编码的进化算法，2 0 0 4 年被引入国内。d e 算法和粒子群 算法一样，都属于群智能优化算法，是通过群体内个体间的合作与竞争产生的新个体智 能引导群体向最优个体方向进化。为了验证差分进化算法的优劣，某些专家将d e 与其 它进化算法进行了比较，结果表明d e 的性能是最优的。它原理简单，受控参数少，保 留了种群的全局搜索策略，降低了遗传操作的复杂性。除此，d e 算法非凡的记忆能力 使其可以动态跟踪当前的搜索情况，以调整其搜索策略，具有较强的全局收敛能力和鲁 棒性，适于求解一些利用常规的数学规划方法所无法求解的复杂环境中的优化问题，且 在求解非线性、多极值、不可微和高维复杂问题中得到了广泛应用。目前，差分进化算 法在国内外得到了广泛的关注和应用。因此，d e 算法作为一种高效的群智能优化算法， 对其进行研究具有重要的理论意义和应用价值。 目前，差分进化算法已在国际智能优化算法领域到广泛关注和应用，并取得一定的 理论和应用研究成果。从算法参数选择和优化及改进方面来看，许多学者对影响算法性 能的交叉算子、变异算子等参数进行了研究，寻找到了自适应控制参数等各种参数调整 方法，同时提出算法的各种改进策略，例如文献 2 8 】提出一种基于粒子群优化算法和差 分进化算法相结合的优化算法；文献 2 9 】提出一种基于免疫基本理论的差分进化算法等。 这些研究使差分进化算法保持了种群多样性，并具有更快的收敛速度。在算法的应用领 域方面，差分进化算法已经在多目标优化、单目标、人工神经网络训练、无约束的确定 性优化问题、函数优化等十多个方向取得了很好的应用效果。 差分进化算法的研究虽然在各方面都有一定的进展，且在应用中被证明性6 日匕e _ , ，t t k e l 好， 但是尚有一些问题需要解决，例如它的数学基础比较薄弱，其应用大多依靠实验。由此 看来，算法的理论研究和应用研究仍是差分进化算法的研究重点。 目前，国内尚无人将差分进化算法应用到认知无线电的频谱感知的研究中。本课题 将借鉴现有研究成果，探讨实现基于差分进化算法的频谱感知，并进一步研究其在实际 应用中的效果。 1 3 课题研究内容及论文安排 本课题旨在研究认知无线电的频谱感知，其中主要研究了认知系统的吞吐量最大化 的问题，课题针对两个方面问题作了研究。一是在以o f d m 为背景的多带联合频谱感 知中，研究了认知系统吞吐量和干扰量的关系。目前对此问题的研究效果较好的是用遗 传算法解决的，鉴于遗传算法本身固有的缺陷和差分进化算法的优势，本课题将差分进 化算法引入到解决此问题中，目的在于寻找合适的参数，使得认知系统吞吐量最大，同 6 第1 章绪论 时干扰量最小，提高运算速度。二是研究了认知用户吞吐量与最优感知时间的权衡问题， 同时分析了频谱感知中检测概率、虚警概率和感知时间对认知用户吞吐量的影响，由于 目前研究感知时间和吞吐量权衡问题效果较好的是m o n t ec a r l o ，可是它是基于2 0 0 0 0 个检验统计量而提出的，虽然能达到接近理论值的效果，可是实时性较差，为此本课题 将收敛速度较快的差分进化算法应用其中，此方法既能使吞吐量达到理论值的精度，又 提高了算法运行速度。 本论文的具体内容安排如下： 第l 章为绪论。首先介绍了课题研究的目的和意义，然后介绍了认知无线电、频谱 感知和差分进化算法的国内外研究现状。最后，列出了本文的主要工作和内容安排。 第2 章首先介绍了o f d m 的原理及关键技术，为其在频谱感知中的应用打下理论 基础；然后介绍了认知无线电的模型及其主要功能并对现有频谱感知的几种方法做了重 点研究；最后介绍了差分进化算法，主要包括差分进化算法的提出过程、基本思想、原 理和改进及该算法的具体实现步骤。 第3 章将差分进化算法应用于解决o f d m 多带联合频谱感知中吞吐量和干扰量的 均衡问题。首先给出o f d m 数学模型和能量检测模型，然后具体列出差分进化算法用 于认知系统的吞吐量优化的实现步骤，最后以实验仿真的形式证明此种算法能够寻找到 最佳参数，使得吞吐量最大化，干扰量最小，同时提升了算法收敛速度。 第4 章将差分进化算法用于解决认知用户吞吐量和感知时间均衡的问题。首先给出 了单用户频谱感知模型和周期频谱感知的帧结构图，然后列出差分进化算法用于此问题 的实现步骤，最后以实验仿真的形式证明此种智能算法能够寻找到最佳感知时间使得认 知用户吞吐量接近理论值，同时增强了实时性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章课题相关理论知识 2 10 f d m 原理及优缺点 2 1 1 0 f d m 基本原理 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的思想是在2 0 世纪6 0 年代被 提出的；2 0 世纪7 0 年代提出的用离散傅立叶变换( d f t ) 实现多载波调制3 伽的思想，为 o f d m 后来在实际中的应用打下了理论基础；o f d m 在移动通信中的较快发展始于2 0 世纪8 0 年代，其在该领域存在的问题得到成功解决后。 o f d m 是在无线环境下的多载波频分复用技术。在无线信道方面，它在频域内把 特定信道正交分解成有许多正交子信道组成的信道；在数据传输方面，将原本串行高速 传输的数据流变为许多并行低速传输的数据流，再将其调制到分解成的各子信道上。由 于在o f d m 系统中，信号进行窄带传输，且与信道相关带宽相比，信号带宽比较小，从 而将具有非平坦信道频率响应和频率选择性的总信道变为平坦衰落的许多子信道，降低 了信号波形间的干扰。 假设o f d m 符号长度( 子载波个数) 为m ，x ( t ) 表示待调制的第f 个子载波函数，若 用a i 表示调制到该子载波上的数据符号，则经过调制的子载波的合成信号，即o f d m 符 号y ( t ) 如式( 2 1 ) 所示。 旦 y ( t ) = a ，一( f ) ( 2 - 1 ) i = 0 在o f d m 系统中，高速传输的数据流经过串并变换后变为多路并行传输的低速数据 流，经过编码映射，分配到各个正交子载波上，经载波调制后生成发射信号。在接收端， 利用相同数量的载波对发送信号进行相干解调、解码判决以及并串转换后获得原始高速 数据流。 对传统的频分复用技术而言，它不允许各子载波出现重叠，且信息的发送和接收是 由大量滤波器完成；除此，还要求各子载波间必须留有足够的间隔，以减小彼此间的干 扰，这样不仅增加了系统的复杂度，同时降低了系统的频谱利用率。而o f d m 技术通过 数字信号处理算法来产生和接收各子载波，这种情况不仅使大大简化了系统结构，而且 各子载波的频谱既相互重叠，又在整个符号周期内相互正交，这样既提高了频谱利用率， 又能不失真地恢复原始信号。 从时域上看，每个o f d m 符号周期内的各子载波都有整数倍个周期，且子载波与子 第2 章课题相关理论知识 载波间相差一个周期，这也是其正交性在时域上的体现。如图2 1 中给出了一个o f d m 符 号实例，其含有4 个相位和幅值都相同的子载波1 3 1 1 。 1 罂。 吾1 1 舞o e 1 1 怒o 鲁 1 1 器o e 1 0 1 3 41 3 6 归一化符号周期 0 0 40 6 归一化符号周期 0 0 40 60 8 归一化符号周期 d0 40 6 归一化符号周期 图2 10 f d m 符号 从频域上来看，每个o f d m 符号周期内，若一个子载波处于频谱最大值则其它子 载波的频谱值为零，因此只要使所有子载波的频率不发生偏移，相互重叠的子载波对彼 此就不会产生影响。其正交性如图2 2 ( a ) 、c o ) 所示。 趔 馨 归化符号周期 ( a ) 时域正交 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( b ) 频域正交 图2 2 子载波时频波形图 当信道是有记忆的时，当前的输出风不仅与当前输入有关，还与前一时刻输入 s 的最后几个值有关，从而导致了所谓的码间串扰i s i ，严重影响了信号的传输质量。 为了避免i s i ，通常在每个含m 点o f d m 符号块序列前，插入大于无线信道最大时延 扩展的保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) 3 2 - 3 4 】，即个0 ，保证一个o f d m 符号的多径分 量不会干扰下一个符号。如图2 3 所示。 m 个0 保护间隔 o f d m 符号快 插入保护间隔后符号块 图2 3 插入保护间隔示意图 虽然保护间隔内可以没有任何信号，但是o f d m 是多载波调制，每段时间长度的 信号有不同载波，多径衰落会给信号带来不同的时延，如果时延小于保护间隔，则不会 破坏子载波的正交性，否则子载波问的正交性会遭到破坏，从而造成载波间干扰( i c i ) ， 这种现象如图( 2 4 ) 所示。 第2 章课题相关理论知识 保护间隔 f f t 积分时间是子载波间隔的倒数 图2 4 多径引起空闲保护间隔对子载波的干扰 解决多径传播引起的子载波间干扰，有效的方法是把循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 引入到o f d m 中。它的思想是将o f d m 符号的周期扩展插入到空白保护间隔中，保护间 隔内的信号即被称为循环前缀 3 0 1 ，循环前缀内的信号和o f d m 符号尾部与保护间隔等长 的那部分信号完全相同。如图2 5 所示。 循环前缀 插入循环前缀后符号块 图2 5 循环前缀插入保护间隔示意图 加入循环前缀后，当前输出只与当前输入有关，此种方法既可以消除码间干扰，又 能保持子载波间的正交性。 2 1 2o f d m 优缺点 近几年，o f d m 技术之所以得到越来越多人的关注，是因为它有自己独特的优势， 现总结如下1 3 5 】： ( 1 ) 系统经串并变化将高速数据流变为多路正交并行的低速数据流，能减少信道 因时间弥散造成的i s i ； ( 2 ) o f d m 系统中进行的是窄带传输，因此能大大降低窄带干扰； ( 3 ) o f d m 系统中利用i f f t 和f f t 实现载波的正交调制与解调，系统较容易实 现，且有利于该技术在d s p 中应用的发展； ( 4 ) 与传统频分多路传输方法相比，鉴于o f d m 系统子载波的正交性，虽然子载 波频谱彼此重叠，但彼此不产生影响，提高了频谱利用率； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 在信息传输过程中，一般要求下行链路中信息传输速度要远大于上行链路的。 o f d m 可根据具体情况来决定正交子载波的数量，进而控制上行与下行链路的数据传输 速率，这恰好能实现物理层支持非对称高速数据的传输。 当然o f d m 技术也不是完美无缺的，也有它的一些不足之处，大致概括如下【1 】【4 】： ( 1 ) 易受载波频偏的影响。o f d m 系统中，各子载波相互叠加，这就对子载波的 正交性有较高的要求。o f d m 符号在实际传输时，可能会有破坏频率正交性的接收机与 发射机本地振荡器间的频偏或信号频偏的出现，这也是o f d m 技术致命的弱点； ( 2 ) 存在过大的峰平比。o f d m 信号由多个正交子载波信号叠加而成，倘若各个 子载波相位一致，则会导致远大于平均功率的瞬时峰值功率出现，进而导致较大的峰平 比。而峰平比过大，一方面会增加a d 和d a 的复杂性，另一方面对发射机放大器有 较高要求，对其线性范围要求较高，倘若放大器动态变化范围满足不了要求，o f d m 符 号频谱就会受到影响，从而导致各子载波的正交性遭到破坏，系统性能降低。 2 2 认知无线电 2 2 1 认知无线电的基本原理和优势 随着无线通信技术的快速发展，频谱资源出现匮乏现象。尤其随着无线局域网等技 术的发展，非授权频段的频谱已经趋向于饱和。授权频段是为了保护某些特定的通信业 务，由频谱管理部门分配给授权用户的频段。而这些已分配的频段往往大部分时间被闲 置或者利用率很低，非授权频段少却承载着巨大的通信业务量。为了解决这种现象，人 们提出了认知无线电。它具有智能、重配置等特点，可以智能的改变某些参数，充分利 用频谱资源。认知无线电网络可以在不影响授权用户的前提下，将闲置的频谱进行二次 利用，从而达到提高频谱资源利用率的目的。 认知无线电具有优于传统无线电的特有的优点 3 6 , 3 7 ，现总结如下： ( 1 ) 能够提高频谱资源利用率。认知无线电能智能的感知周围无线环境变化并能 自动调整参数，可以有效的利用空闲频谱，从而大大提高频谱利用率，有效缓解目前频 谱匮乏现象； ( 2 ) 能够提高终端用户服务质量。在认知无线电环境中，用户不需要主动参与， 认知无线电设备就可以根据用户需求，自动给用户提供最合适的网络服务。为认知用户 提供了既可靠又方便的接入方式； 第2 章课题相关理论知识 ( 3 ) 减轻频谱管理部门的负担。鉴于认知无线电技术具有灵活性和自适应接入的 特点，它不仅能提高频谱利用率，而且改变了固定频谱分配政策，客户端可以智能的接 入频谱，减轻了频谱管制部门的负担； ( 4 ) 频谱拥有者可以获得更大收益。一方面实现频谱的二次利用，在相同频段， 不同时间提供不同服务；另一方面，可以租出未被使用的频段或未被使用的时刻，从中 获取利润。 2 2 2 认知无线电的功能 目前，不同组织机构在定义认知无线电系统的认知模型时，所涉及的内容有些差异。 但是一般情况下，检测、分析、推理、学习、调整等能力是认知无线电系统必不可少的。 c r 所具有的主要功能总结如下： ( 1 ) 频谱检测 由于认知用户只能使用空闲频谱，且绝对不可以对主用户产生干扰，因此，其使用 频谱的优先权低于主用户。为了确保授权用户不受干扰，且能充分利用频谱，c r 设备 必须能随时发现频谱空洞，并且能快速准确检测到授权用户的出现，并能时刻监测授权 用户的状态。这项任务由认知无线电的频谱检测技术来实现。 ( 2 ) 频谱分析 频谱分析阶段对相关信息进行初步处理。频谱分析所进行分析和处理的对象有外部 相关数据、本身性能、网络内部状态及用户的通信需求等。认知无线电设备利用频谱检 测得到的信息分析授权用户的位置、使用的频段及使用时间，进而确定可以使用的空闲 频谱，并根据信道状况和通信需求等情况设定带宽、频率等传输参数，同时能保证不对 其它用户产生影响。 ( 3 ) 推理和学习 认知系统能智能的对无线环境进行检测、对系统功能模块进行重构。因此，c r 必 须具备智能的推理和学习能力。认知无线电还有记忆性，它能借助过去的经验对当前的 情况进行处理。c r 设备可以根据目前情况和以往经验自主选择最佳频段完成所需业务。 ( 4 ) 自适应参数调整 在白适应参数调整阶段，c r 借助频谱检测与分析的结果，运用功率控制技术、调 制技术及自适应的编解码，使认知设备选择合适的频段，从而实现信号的成功传输，并 使利用频谱资源的方式得到优化。自适应参数调整是在频谱分析和决策等频谱资源管理 技术的基础上实现的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有以上分析可知c r 的核心功能是由频谱管理技术、频谱检测技术、频谱共享技术 构成。 2 3 频谱感知 频谱感知的目的是寻找空闲频谱，它决定认知无线电其它各环节的执行情况，是认 知无线电物理层的关键技术之一，也是认知无线电发展和应用的基础。频谱感知通过对 特定频段的监视和检测，可以准确可靠的检测到频谱空