（通信与信息系统专业论文）基于熵测度理论的高效频谱利用关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术和市场的飞速发展和扩大，通信服务追求的高数据速率和 大覆盖范围与现有频谱资源日益紧缺的矛盾越来越突出，造成频谱拥挤和重叠的 现象愈发严重，这种紧张的供需矛盾无论对于军事领域还是民用领域的无线通信 系统部署和应用都会形成严重的干扰、冲突，甚至通信中断。为了有效缓解这一 矛盾，众多学者和工程技术人员对高效频谱利用关键技术开展了深入的研究。目 前的研究主要集中于两个方面，一方面在现有固定频谱分配策略下，尽可能的提 高单位频带的系统传输性能；另一方面基于认知无线电思想，在准确感知无线环 境的基础上，动态的接入空闲频谱资源。但是由于无线频谱的复杂性，这些研究 都面临着诸多有待解决的问题。因此，如何利用好现有交叉学科理论工具，进一 步推动高效频谱利用关键技术研究成为一项重要的研究课题。 熵作为一种系统无序能和不确定性的测度，目前已经应用于广阔的科学研究 领域，基于熵的序列复杂度测度理论能够通过序贯数据序列的统计，测度出隐含 在序列背后的系统不确定度，或者复杂程度，有效揭示系统的本质特性和规律。 因此，作为一种有效的测度理论，其能够应用于高效频谱利用关键技术的众多方 面，特别是在频谱资源使用安全性分析，认知无线电频谱感知算法以及动态频谱 接入等领域有更加广阔的研究空间。本文基于熵测度理论对高效频谱利用关键技 术开展了研究，主要工作为： 首先，研究和介绍了应用于高效频谱利用关键技术的熵测度理论基础，提出 了新的熵概念和测度方法。针对现有熵测度理论中存在的不足和局限性，研究了 基于模糊熵( f u z z y e n ) 的序列复杂度测度，推导了其具有的两个基本定理。在此基 础上，进一步给出了模糊关系熵( f r e n ) 的定义，分析和研究了f r e n 的测度内涵和 基本性质。在对序列符号空间的适用性、对测量维度参数的敏感性、对分辨率参 数的鲁棒性和对采样点数的依赖性方面，f u z z y e n 和f r e n 具有更加优越的性能。 之后，提出和讨论了跳频扩频( f h s s ) 序列安全性能分析的熵测度新方法。将 模糊隶属函数的概念引入到f h s s 序列复杂度的统计学测度方法之中，构建了基 于f h s s 序列复杂度测度的模糊隶属函数，给出了模糊近似熵( f u z z ya p p r o x i m a t e e n t r o p y ，f a e n ) 定义，推导了其具有的两个基本定理，并将其作为f h s s 序列复 杂度测度的新标准，有效克服了基于近似熵( a p e n ) 的f i - i s s 序列复杂度分析方法 的局限性，提高了f h s s 序列安全性能分析的准确性和实用性。 进而，提出和分析了基于非均匀量化条件下的频域熵检测方案。针对噪声不 确定度对能量检测结果存在较大影响的问题，分析了时域熵和均匀量化频域熵的 2 一 基于熵测度理论的高效频谱利用关键技术研究 检测有效性问题。并在此基础上，利用离散最大熵定理，证明了在非均匀量化条 件下，频域熵的检测最优性。与均匀量化条件下的频域熵检测方案相比，该算法 有效的提高了检测性能，并且在检测中同样不受噪声不确定度的影响。 最后，研究和探索了基于熵测度理论的认知无线电动态频谱接入模型信道状 态参数预测和感知周期调整机制。构建了参数动态条件下的部分可观测马儿可夫 决策过程( p o m d p ) 动态频谱接入模型，研究和构建了基于熵测度理论的信道状态 参数预测机制和基于熵测度理论的动态感知周期调整机制，在此基础上，将这两 种预测调整机制与p o m d p 模型相结合，有效完成变参数条件下的认知频谱接入 最优化分析。与静态方式相比，基于熵预测调整机制的系统模型的吞吐量和碰撞 概率得到了较大改善。 关键词：熵高效频谱利用动态频谱接入频谱感知序列复杂度认知 无线电跳频扩频 a b s t r a c t3 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fw i r l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e e x p a n s i o no fw i t l e s sc o m m u n i c a t i o nm a r k e t ，t l l ec o n t r o d i c t i o n si so u t s t a n d i n gb e t w e e n t h eh i g hd a t at r a n s m i t i o na n d l a r g ec o v e r a g er a n g er e q u i r e db ys u b s c r i b e ra n d i n c r e a s i n gs c a r c es p e c t r u mr e s o u r c e s 删c hc a u s e st h a tt h eo v e r l a p i n ga n dc o l l i s i o no f s p e c t r u mi sm o r ea n dm o r es e r i o u s t h ei m b a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n dw i l l c a u s es e r i o u s l yi n t e r f e r e n c e ，c o l l i s i o na n di n t e r r u p to fc o m m u n i c a t i o n i no r d e rt os o l v e t h e p r o b l e m ，t h er e s o u r c ho nk e yt e c h n o l o g yo fe f f i c i e n ts p e c t r u mu t i l i z a t i o ni sm a d eb y m a n ya c a d e m i c sa n de n g i n e e r s t h e r ea r et w ow a y st oi m p r o v es p e c t r u me f f i c i e n c y o n ei st oe n h a n c et h ee x i s i n gs y s t e m s c a p a b i l i t yt om a k et h e mc a nt r a n s m i tm o r e i n f o r m a t i o ni n t h es a m eb a n d w i d t hb y u t i l i z i n g t h em o r ee f f i c i e n tt r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e 1 1 1 eo t h e ri sc o g n i t i v er a d i o ，w h i c hi st h ee m e r g y i n gt e c h n i q u et h a tr e u s e st h e l i s e n s e db u tu n d e r u t i l i z e ds p e c t r u mw i t h o u tc a u s i n gh a r m f u li n t e r f e r e n c et ol i c e n s e d s y s t e m sb ys p e c t r u ms e n s i n g b u tb e c a u s eo fc o m p l e x i t yo fw i r l e s ss p e c t r u m ，a l lo f t h e s er e s o u r c h a l w a y sf a c em a n yd i f f i c u l t i e s t h e r e f o r e ，h o wt oo v e r c o m et h e s e d i f f i c u l t i e si sai m p o r t a n tr e s o u r c hu s i n gt h e t h e o r yt o o lf r o mi n t e r d i s c i p l i n a r y c o l l a b o r a t i o n e n t r o p ym e a s u r e st h eu n c e r t a i n t ya b o u tt h ev a l u et h a tm i g h tb ea s s u m e db yt h e v a r i a b l e ，a n di tr o u g h l ym e a n sd i s o r d e r , c h a o s ，d e c a yo fd i v e r s i t yo rt e n d e n c yt o w a r d u n i f o r md i s t r i b u t i o no fk i n d s n l et e r me n t r o p yi sn o wu s e di nm a n y o t h e rs c i e n c e s 1 1 1 e s e q u e n c e sc o m p l e x i t yr l l e a s u r et h e o r yb a s e do ne n t r o p yc a l lm e a s u r et h ed i s o r d e r ( o r l c c o m p l e x i t y ) o fs y s t e mb yc a l c u l a t i o no ft h ed a t as e q u e n c e s ，a n dt h ed i s o r d e ri sa n e s s e n t i a la s p e c to ft h es y s t e m t h e r e f o r ea sa m e a s u r et h e o r y , t h ee n t r o p yc a l lb eu s e di n m a n ya s p e c t so ft h ek e yt e c h n o l o g yo fe f f i c i e n ts p e c t r u mu t i l i z a t i o n , e s p e c i a l l yi n s e c u r i t yp e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rs p e c t r u mu s e d , s p e c t r u ms e n s i n gf o rc o g n i t i v er a d i o ， d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sa n ds oo n b a s e do nt h ee n t r o p y , w ei n v e s t i g a t et h ek e y t e c h n o l o g yo fe f f i c i e n ts p e c t r u mu t i l i z a t i o n ，a n dc o n t r i b u t i o n sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： f r i s f l y , t h eo v e r v i e wo ft h ee n t r o p ym e a s u r et h e o r yu s e di nt h ek e yt e c h n o l o g yo f e f f i c i e n ts p e c t r u mu t i l i z a t i o ni s i n t r o d u c e d ，a n dt h e n o v e le n t r o p yc o n c e p ta n d c o m p l e x i t ym e t r i c a r ep r e s e n t e d w i t hc o n s i d e r a t i o no ft h e p r o b l e m so fe x i s t i n g c o m p l e x i t ym e a s u r et h e o r y , t h ec o m p l e x i t ym t r i cb a s e do nf u z z ye n t r o p y ( f u z z y e n ) i s 一4 基于熵测度理论的高效频谱利用关键技术研究 s t u d y , a n dt w ob a s i cp r o p e r t i e so fi ta r ep r o v e d o nt h i sc o n d i t i o n , t h ec o n c e p to ff u z z y r e l a t i o ne n t r o p y ( f - r e n ) i sp r e s e n t e d ，a n dt h ei t s p r o p e r t i e sa n de s s e n t i a la s p e c ti s d i s c u s e d f u z z y e na n df - r e nw o r k sh a v eo b v i o u sa d v a n t a g e si nt h ea p p l i c a b i l i t yo f s y m b o l i cs p a c e ，t h es e n s i t i v i t yo fv e c t o rd i m e n s i o n ，t h er o b u s t n e s so fr e s o l u t i o n p a r a m e t e ra n dt h ed e p e n d e n c et oo b s e r v a t i o nl e n g t h s e c o n d l y , an o v e ls e c u r i t yp e r f o r m a n c ea n a l y s i sm e t h o df o rf r e q u e n c y - h o p p i n g s p r e a d s p e c t r u m ( f h s s ) s e q u e n c e s i s p r e s e n t e d t h em e m b e r s h i pf u n c t i o n i s c o n s t r u c t e df o r t h ef h s ss e q u e n c e s ，a n df u z z ym e t r i cm o d u l ei se m b e d d e di n t o s t a t i s t i cm e t r i cf o ri m p r o v i n gp e r f o r m a n c e f u z z ya p p r o x i m a t ee n t r o p y ( f - a e n ) a sa o fc o m p l e x i t ym e t r i c t h ed e f i n i t i o no ft h e c o m p l e x i t ym e t r i co ff f u s ss e q u e n c e si s g i v e n , a n dt w ob a s i cp r o p e r t i e so fi ta r ep r o v e d t h ef u z z y e ns c h e m eh a so b v i o u s a d v a n t a g e si nt h er o b u s t n e s st or e s o l u t i o np a r a m e t e r , t h ed e p e n d e n c et oo b s e r v a t i o n l e n g t ha n dt h es e n s i t i v i t yt ov e c t o rd i m e n s i o n t h i r d l y , b yi n t r o d u c i n gt h en o n u n i f o r mq u a n t i z a t i o n ，t h es p e c t r u me n t r o p y b a s e d s p e c t r u ms e n s i n gs c h e m ei sp r o p o s e d w i t hc o n s i d e r a t i o no ft h ep r o b l e m so ft h ee n e r g y s e n s i n gt e c h n o l o g yi si n f l u e n c e db yn o i s eu n c e r t a i n t y t h ev a l i d i t yo fe n t r o p y b a s e da n d s p e c t r u me n t r o p y - b a s e dd e t e c t i o nu s i n gu n i f o r mq u a n t i z a t i o na r ea n a l y s e d o nt h i s b a s i s ，t h eo p t i m a l i t yo fs p e c t r u me n t r o p y - b a s e dd e t e c t i o nu s i n gu n i f o r mq u a n t i z a t i o ni s p r o v e du s i n gm a x i m u me n t r o p yt h e o r y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h er o b u s t n e s s a g a i n s tn o i s eu n c e r t a i n t y , a n ds h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m eo u t p e r f o r m se n e r g y d e t e c t i o nu n d e rn o i s eu n c e r t a i n t ys i t u a t i o n f i n a l l y , t h ep r e d i c t i o nm e c h a n i s mf o rc h a n n e ls t a t ep a r a m e t e r sa n dd y n a m i cc h a n g e m e c h o df o rs e n s i n gp e r i o di sp r e s e n t e di nd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s so f c o g n i t i v er a d i o b a s e do ne n t r o p ym e a s u r et h e o r y t h em o d e lo fd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sb a e do n p a r t i a l l yo b s e r v a b l em a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ( p o m d p ) i sc o n s t r u c t e di nt h ec o n d i t i o n o fd y n a m i cp a r a m e t e r o nt h i s b a s i s ，t h ep r e d i c t i o nm e c h a n i s mf o rc h a n n e ls t a t e p a r a m e t e r sa n dd y n a m i cc h a n g em e c h o df o rs e n s i n gp e r i o di se m b e d d e di n t ot h e p o m d pm o d e l t h em o d e lh a v eo b v i o u sa d v a n t a g e si nt h en o r m a l i z e dt h r o u g h o u ta n d t h ec o l l i s i o np r o b a b l i t y k e y w o r d s ：e n t r o p y , e f f i c i e n ts p e c t r u mu t i l i z a i t o n ，d y n a m i cs p e c t u ma c c e s s ， s p e c t r u ms e n s i n g ，s e q u e n c e sc o m p l e x i t y , c o g n i t i v e r a d i o ， f r e q u e n c y - h o p p i n g s p r e a d s p e c t r u m ( f h s s ) 第一章绪论 7 一 第一章绪论 随着无线电通信技术向着更加智能化的发展方向不断前进，其遇到的瓶颈问 题和系统难度也接踵而来。目前，日益增长的无线通信需求与有限的无线频率资 源间的矛盾持续加大，如何解决频谱紧缺问题成为全球通信业界共同的命题。为 了有效缓解这一矛盾，众多学者和工程技术人员对高效频谱利用关键技术开展了 深入的研究但是由于无线频谱的复杂性，这些研究都面临着诸多困难有待解决。 因此，如何利用好现有交叉学科理论工具，进一步推进高效频谱利用关键技术研 究成为一项重要的研究课题，基于熵的序列复杂度测度理论就是这样一种有效的 理论研究工具。 1 1研究背景及意义 在无线通信技术和需求飞速发展的今天，人们对于无线业务的需求与日俱增， 各种新技术不断涌现。在这种情况下，日益增长的无线通信需求与有限的无线频 率资源间的矛盾持续加大，如何解决频谱紧缺问题已经成为全球通信业界需要共 同回答的问题。 1 1 1 无线频谱资源面临的问题 “有线的资源是无限的，无线的资源是有限的”这是通信业内人士常说的的一句 话，但是通过这句话能够深刻的描述出频谱资源对于无线通信的重要性。 无线电频谱资源是自然界存在的一种物质，是一种各国可均等获得的看不见、 摸不着的自然资源，它具有以下六种特性： 第一，它是有限的。由于较高频率上的无线电波的传播特性，无线电业务不 能无限地使用较高频段的无线电频率，目前人类对于3 0 0 0 g h z 以上的频率还无法 开发和利用，尽管使用无线电频谱可以根据时间、空间、频率和编码四种方式进 行频率的复用，但就某一频段和频率来讲，在定的区域、一定的时间和一定的 条件下使用频率是有限的。 第二，它是排他性的。无线电频谱资源与其他资源具有共同的属性，即排他 性，在一定的时间、地区和频域内，一旦被使用，其他设备是不能再用的。 第三，它具备复用性。虽然无线电频谱具有排他性，但在一定的时间、地区、 频域和编码条件下，无线电频率是可以重复使用和利用的，即不同无线电业务和 设备可以频率复用和共用。 第四，它是非耗竭性的。无线电频谱资源又不同于矿产、森林等资源，它是 8 一 基于熵测度理论的高效频谱利用关键技术研究 可以被人类利用，但不会被消耗掉，不使用它是一种浪费，使用不当更是一种浪 费，甚至由于使用不当产生干扰而造成危害。 第五，它具有固有的传播特性。无线电波是按照一定规律传播，是不受行政 地域的限制，是无国界的。 第六，它具有易污染性。如果无线电频率使用不当，就会受到其他无线电台、 自然噪声和人为噪声的干扰而无法正常工作，或者干扰其他无线电台站，使其不 能正常工作，使之无法准确、有效和迅速地传送信息。 目前，除了美国联邦通信委员会( f c c ) 规定了少数认知无线电可智能接入的频 段外，无线频谱资源使用基本上采用固定分配的方式，在通信技术日新月异的今 天，为了提供更加高的传输速率和更加广阔的网络覆盖范围，新一代的无线通信 技术使用频带越来越宽，可用频谱资源越来越少。从图1 1 所示的美国频谱资源分 配情况可以看出，授权给特定用户的频谱资源日益增多，空闲频谱资源已经很稀 缺了。 图1 - 1美国f c c 频谱资源分配情况 可是我们发现，从已经被分配的频谱使用情况来看，大部分的频谱资源的使 用情况并不高。2 0 0 4 年美国s h a r e ds p e c t r u mc o m p a n y ( s s c ) 对纽约地区频谱资源 使用情况进行了现场统计测试【l 】，以下是其测试的结果数据。可以看出，在0 - 6 g h z 的频段内，存在大量使用不合理的频谱资源，例如在4 - 5 g h z 频段内频谱使用率仅 仅为0 1 2 8 ，而大量被使用的1 g h z 一下频段的使用率也仅为5 4 4 ，因此，如 何尽可能的提高频率利用率，更加合理的使用频谱资源已经成为通信界的重要研 究课题。 表1 - 1 2 0 0 4 年8 月美国纽约地区频谱利用率统计( o - 6 g h z ) 第一章绪论 9 可以看出，一方面目前可用于分配的频谱资源逐渐稀缺，另一方面被分配出 去的频谱资源的使用率并不高。因此，固定分配频谱资源的管理机制造成了目前 频谱资源的使用非常不合理。 o c ，) f t o123456 g h z 图1 20 - 6 g h z 频谱利用情况图1 3 频谱测量地域图 在通信技术不断发展和推进的过程中，提高频谱利用率一直是众多学者和工 程技术人员努力的方向。但是仅从频谱域来看，其发展途径只有两种基本形式： 一是交叉方式。交叉方式的频谱资源高效利用是指用户相互之间交叉使用不 同的频带资源，相互之间不重叠，从而保证不出现通信干扰的情况。这种方式是 目前较为常规的频谱利用形式，其对通信体制没有过多要求，只要保证不同用户 合理的使用不同的频段就能够实现频谱资源的有效利用。但是，该频谱高效利用 方式的关键在于如何尽可能的提高每一段频谱的利用效率。针对这一目标，提出 了很多相关通信技术，例如，跳频通信技术，认知无线电动态频谱接入技术( o v e r l a y ) 以及认知无线电频谱感知技术等 二是共用方式。共用方式的频谱资源高效利用是指用户相互之间在保证干扰 门限的条件下( 也就是在噪声基底之下) ，以共用的方式重叠使用频谱资源。这种方 式要求以共用方式共享频谱资源的通信用户必须采用特定的通信体制，如，超宽 带通信体制。而该方式的研究目标是如何在降低多用户干扰的条件下，尽可能的 提高共存用户的数量，以及进一步提高系统的数据吞吐量。针对这一目标，扩频 超宽带通信技术、认知无线电动态频谱接入( u n d e r l a y ) 等众多领域的研究已经得到 了深入的发展。 图1 4 交叉方式 f 图1 5 共用方式 塑 基于熵测度理论的高效频谱利用关键技术研究 1 1 2 高效频谱利用关键技术研究现状 高频谱利用率是现有通信界研究和发展的方向和目标之一，不论是现有通信 体制还是未来通信新体制都将高频谱利用率作为其性能优劣的重要评价标准。目 前，在高效频谱利用关键技术领域，人们的思路已经发生了较大的转变。已经从 原来的将频谱利用率较低的原因归咎于有限的频谱资源，转变为将其原因归咎于 频谱策略和所采用技术的的限制。因此，从这个角度来说，只有通过研究和推进 高效频谱利用关键技术的发展，进而灵活的调整频谱策略才能够有效的解决频谱 资源利用率低的问题。而从高效频谱利用关键技术研究发展的方向来看，主要存 在两个明显区别的研究方向：一是认知无线电研究。该方向是通过感知现有系统 的空闲频段，在不影响其他系统用户通信的条件下，对现有空闲频谱资源进行利 用，从而实现高效频谱利用。二是非认知技术研究。该方向是通过高效的传输体 制，提高通信链路的吞吐量，从而实现高频谱利用率。从本质上来说，这两种方 向的根本区别在于：系统能否对当前频谱环境使用情况进行实时感知，获取先验 频谱信息。前者具有这种能力，而后者不具有这种能力。当然，在技术发展融合 的大背景下，这两个研究方向是完全可以融合的。 在上述频谱资源使用不合理的情况下，j o s e p hm i t o l a 于19 9 9 年在软件无线电 的基础上提出了认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，简称c r ) 的概念，认知无线电作为一 种更加智能的利用无线频谱资源的技术体制成为近十年来通信界研究和发展的重 要内容之一。认知无线电的核心思想是：以实时准确的感知环境为基础，以智能 的学习、决策和可实时重配置为手段，以高频谱利用率和高可靠通信为目标【2 】。i t u 组织对认知无线电的定义为：对其操作环境具有感知和意识能力，并且能够根据 感知和意识结果动态和自动的调整无线电操作参数，使其与环境相匹配的无线电 或者系统。可以看出认知无线电的核心思想主要由三部分实现：感知，决策和重 配置。首先完成对当前频谱资源的感知， 行决策，最后对无线电参数进行重配置， 在此基础上对所要做出的重配置方案进 保证无线电能够与当前无线环境相适应。 目前，具有影响力的认知无线电标准和体制主要有：美国国防部d a r p a 的 x g 、w n a n 计划体制，i e e e 组织的i e e e8 0 2 2 2 、8 0 2 1 6 h 、8 0 2 1 l h 、8 0 2 1 1 y 标 准以及欧洲e u r o p e a ne n d t o e n dr e c o n f i g u r a b i l i t y ( e 2 r ) 计划体制。从目前的研究进 展来看，认知无线电较为完善的体系架构主要有两种：第一种是美国佛吉尼亚工 学院无线通信中心提出的体系架构。如图1 6 所示，该架构提出认知无线电由“三 域”构成，分别是用户域，政策域和无线域，通过各域之间的信息交互的传递完成 认知无线电的总体目标。另一种是美国国防部通信科学实验室提出的体系架构。 如果1 7 所示，该架构是在软件无线电的基础上提出的体系架构，因此，其认为认 知无线电是在软件无线电平台之上增加认知和学习能力的功能系统。 第一章绪论 可以看出，认知无线电的思想是不仅仅从技术上而且从频谱体制上对现有频 谱管理方式进行改变，进而提高频谱利用的科学合理性。近年来，其研究方向包 括：频谱感知【锎，动态频谱接入【7 - 9 1 ，m a c 层协议设计，干扰模型分析等众多热 点技术1 1 0 - 1 2 1 。 用户域 lj j l 目标的 效用函数确定 ) 应用层 、 环境信息if 推理和学 传输层 软件硬件 获取r 1 习过程 网络层 体系体系 粗翱葛i t ( 二) 产一 m a c 层 结构结构 物理层 ? y 、”“7l h 离yk 、入他从- r - 丛 m z 卜鞋r 以竺警萼呀 ?政策服务h 政策决策h 政策实施、 、 囱! 岁 f 无线域 彳丁 ： 。 政策域 l 图1 6 美国佛吉尼亚工学院认知无线电体系架构 图1 7 美国国防部认知无线电体系架构 旦 基于熵测度理论的高效频谱利用关键技术研究 尽管认知无线电经过十二年的研究已经具备了一定的基础和理论成果，但客 观的说，距离其实际部署和大规模商业或军事应用仍然还有很长的路要走。在这 种情况下，相关学者和研究人员对目前实际应用通信体制开展优化技术的广泛研 究，这种研究的基础是，在无法准确获取频谱空间使用状态信息的条件下，在现 有通信系统分配的频带范围内尽可能的提高链路数据通过率和整体网络吞吐量。 我们能够看到，除认知无线电之外，目前近乎所有的研究方向都朝着进一步 提高频谱利用率的目标前进，不论是物理层研究还是上层的协议体系架构研究均 把这个目标作为技术是否有效和领先的重要衡量标准；例如，物理层技术中的正 交频分复斥j ( o f d m ) b s a 4 1 ，超宽带( u w b ) 以及多输入多输出空时码等关键技术 研究。 1 1 3 高效频谱利用关键技术研究内容 高效频谱利用关键技术的研究涉及范围广阔，具体内容多样。从通信层次上 来说，可以分为物理层技术，m a c 层技术和网络层技术等。例如，文献【1 7 】提出 了认知无线电网络中认知用户的物理层发射功率控制方案；文献 1 8 】提出了一种基 于部分可观测马儿可夫决策过程的m a c 层感知最优化机制；文献 1 9 】提出了一种 无线频谱高效利用的多信道认知m a c 层协议；文献 2 0 1 研究了同一信道中多个信 号时频重叠物理层共存技术，该方法是基于二阶累积量的识别算法区分不同信号。 文献 2 1 1 研究和提出了一种基于高效频谱利用的a d h o c 网络层自适应路由协议。 从系统功能区分，可以分为高效调制技术、编码技术、扩展频谱技术和m i m o 技术等。例如，文献【2 2 首次提出了采用两副接收天线的方式提高频谱利用率技术， 并对其性能进行了详细的分析研究；文献【2 3 】提出了一种采用二进制伪随机序列的 d a d s 传输调制方案，能够在扩频通信得到较好的传输性能，进一步提高频谱利 用率。文献 2 4 】研究了空时块编码( s t b c s ) 采用干扰抵消技术的传输性能，通过 仿真结果分析，该技术能够得到高效的频谱利用率。文献 2 5 2 7 详细研究和分析 了m i m o 技术以及与s t b c s 技术结合使用后，该技术对系统频谱利用率及其他关 键指标的性能提升作用。 从组成结构区分，可以分为数字信号处理技术，射频处理技术和天线技术等。 例如，文献 2 8 1 提出了采用基于数字信号处理的迭代干扰抵消技术实现系统频谱利 用率的有效提高。文献【2 9 】分析和总结了近年来对于直接序列扩频码分多址系统 ( d s c d m a ) 在应对多用户干扰和窄带干扰问题的主要数字信号处理策略和手段， 通过这些技术的有效利用能够实现系统频谱利用效率的进一步提高。文献【3 0 】提出 了一种通过采用锁相环处理技术提高系统频谱利用概率的发送机制。文献【3 1 3 3 】 第一章绪论 对智能天线技术在无线通信中的应用进行了详细的分析研究，分析论证了该技术 对频谱利用率提高的有效性。 在这种情况下可以看出，不论在认知无线电研究方向，还是在非认知技术研 究方向，都存在着众多有待进一步研究的高效频谱利用技术。但是在本文中，我 们认为如何更加安全的利用频谱，如何更加灵敏的感知频谱，以及如何更加智能 的接入频谱对提高频谱利用效率具有更加重要的意义。其中，更加安全的利用频 谱相关关键技术是在现有通信体制优化研究中开展，而更加灵敏的感知频谱和更 加智能的接入频谱相关关键技术是在认知无线电研究中开展，下面对其进行具体 介绍。 1 1 3 1 更加安全的频谱利用技术 在现有无线通信系统中，由于信道干扰和恶意人为干扰带来的频谱冲突和信 道阻塞是目前各类通信体制在实际应用中存在频谱利用率不高问题的主要原因。 例如，蜂窝系统中的多用户干扰【3 4 筇】，跳频通信系统中的多址干扰以及恶意追踪 干扰f 3 6 瑚】对频谱利用率的影响。因此，对于目前各种通信体制所使用的频谱资源 来说，如何更加安全可靠的使用这些宝贵资源是提高频谱利用率的基础。 跳频通信具有良好的抗干扰、低截获概率及灵活组网能力，因此跳频技术一 f 出现，便在军事领域得到了极大的发展，采用跳频技术的各式电台在军事领域得 到了广泛应用。跳频通信信号的中心频率是一组频率的集合，在密钥的控制下产 生复杂的跳频序列，根据跳频序列保证中心频率点作出随机的跳变，若要对跳频 通信进行有效的解跳和干扰，首先要侦察到跳频序列的跳变规律，从而预测和识 别跳频通信中心频率点，完成对跳频通信的有效干扰和截获。在这种条件下，跳 频扩频( f h s s ) 序列的跳变规律能否被侦查和识别成为跳频通信抗干扰和截获的 重要指标，因此，为了更加安全有效的利用跳频通信系统的频谱资源，必须选用 难以被识别和侦查的跳频序列族。 在跳频通信系统中，f h s s 序列的构造和设计以其对于系统通信性能的重要性 和实际应用的迫切性而成为目前国内外理论研究的热点。随着该领域研究的迅速 深入和发展，越来越多的各种相关理论，诸如有限域理论、线性代数学理论、混 沌理论以及分组加密学理论等都被应用到f h s s 序列的设计之中，以期获得较理 想的综合系统性能【3 8 4 5 1 。在f h m a 多址接入通信系统中，期望所采用的f h s s 序 列在具有好的随机性、均匀性、长周期性等综合性能之外，还要具备高的复杂度。 如果序列的产生足够复杂，可以保证在观测到部分有限个频率样本点的情况下难 以获得完整的f h s s 序列，这一点对于有效提高系统频谱利用率，抵御各种干扰 和攻击，并进而能够安全使用频谱资源的跳频通信系统至关重要。 竺 基于熵测度理论的高效频谱利用关键技术研究 1 1 3 2 更加灵敏的频谱感知技术 如前所述，认知无线电系统能够大幅度的提高频谱资源的利用率，而频谱感 知技术是一项认知无线电物理层研究的基础性问题。根据上述认知无线电的介绍 可知，认知无线电的认知能力就体现在频谱感知之中，能否全面，准确，及时的 完成周围电磁频谱环境的感知，是决定认知无线电操作和决策智能性的前提基础， 因此，同样也是认知无线电提高频谱利用率的前提基础。 目前，频谱感知的实现方法可以分为检测授权用户接收机和检测授权用户发 射机两大类【4 6 】。其中，频谱感知最理想的实现方法是检测主用户接收机，但是这 种方法检测性能较差，而且需要将检测器安装在距离接收机特别近的地方，这在 实际中通常是难以实现的。实际上，在不改变主用户设备的前提下，检测主用户 的接收机是很难做到的，因此，众多的研究人员都把注意力集中到了检测主用户 的发射机。 传统的信号发射机检测方法有三种：匹配滤波器法、能量检测法和循环平稳 特性检测法 4 7 1 。其中，匹配滤波器检测是一种先验知识检测，它需要感知器具有 被检测信号的先验知识，事先根据这些先验知识配置好感知器的匹配滤波器，当 接收信号为该信号时则检测该信号出现。因此可知，其优点为检测实时性好，设 计简单；缺点为必须知道信号先验知识，应用场景受限。能量检测器是目前使用 最广泛的检测器，通过将接收信号能量与一定门限值的对比，超过门限判为检测 到信号。其优点为检测算法简单，实时性好，易于实现；缺点是受噪声不确定性 影响较大，具有信噪比墙( s n rw a l l ) 情况。循环平稳特征检测器是通过检测信号中 的循环平稳特性来确定是否检测到信号的，其优点为检测准确度高，不受噪声不 确定度影响，能够区分出信号和噪声，低信噪比条件下检测性能较好；缺点为算 法复杂度大，实时性不好。因此可以看出，研究更加灵敏频谱感知技术能够有效 提高系统的频谱利用率。 1 1 , 3 3 更加智能的频谱接入技术 在认知无线电系统中，动态频谱接入是其智能性具体体现。在频谱感知的基 础上，认知无线电对当前空闲信道采取动态的方式接入。根据文献【7 】，动态频谱 接入可以分为三种不同的方式( 如图1 8 所示) ：动态排他使用模型( d y n a m i c e x c l u s i v eu s em o d e l ) 、开放共享模型( o p e ns h a r i n gm o d e l ) 和分层接入模型 ( h i e r a r c h i c a la c c e s sm o d e l ) 。其中动态排他使用模型是在原有固定频谱分配的基础 上加入灵活的分配策略。也就是对无线用户指定其在特定频段上传输信号的权利， 前提条件是在指定的时间段内以及指定的地域范围内使用频谱，并且信号功率不 超过指定强度。而开放共享模型是将当前全部频谱资源对网络内的用户开放，使 第一章绪论 其自由的接入。分层接入模型是构建了一个主用户网络基础上，保证认知用户网 络不对主用户产生干扰的条件下，使得认知用户自由接入主用户暂时没有使用的 频谱资源。可以看出，研究更加智能的动态频谱接入技术能够保证当前系统的频 谱资源得到科学合理的分配和使用。 图1 8 动态频谱接入的分类 综上所述，高效频谱利用关键技术是一类涉及内容和领域相当广泛的通信技 术分类。严格意义上说，其不仅仅局限于更加安全的利用频谱、更加灵敏的感知 频谱和更加智能的接入频谱这三个方面。所有能够实现和推进频谱高效利用的技 术手段都可以纳入这类关键技术的研究范畴之中。因此，由于受到交叉学科研究 方法带来技术突破的启发，本文从熵的角度出发，研究和探索了基于熵的序列复 杂度测度理论在高效频谱利用关键技术中的应用研究问题。熵作为一种系统无序一 能和不确定性的测度，目前已经应用于广阔的科学研究领域，基于熵的序列复杂， 度测度理论能够通过序贯数据序列的统计，测度出隐含在序列背后的系统不确定 度，或者复杂程度，有效揭示系统的本质特性和规律。因此，作为一种有效的测 度理论，其能够应用于高效频谱利用关键技术的众多方面，特别是在频谱资源使 用安全性分析，认知无线电频谱感知算法以及动态频谱接入等领域有更加广阔的 研究空间。 1 2熵测度理论的引入 1 2 1基于熵的序列复杂度测度理论研究现状 基于熵的序列复杂度测度理论是源于非线性动力学的一种测度理论，我们也 可以将其简称为熵测度理论。其研究的目标是通过对序