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桀十最小儿叶斯风险的频谱感知技术的研究中文摘要 基于最小贝叶斯风险的频谱感知技术的研究 中文摘要 随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源同渐紧缺，如何在有限的频谱资源条件 下提高频谱利用率成为亟待解决的问题，认知无线电技术则提供了很好的解决途径。 频谱感知技术是认知无线电技术应用的前提和基础。认知用户通过对无线网络的频谱 感知来发现可机会使用的频段，从而提高频谱利用率，但又要避免对主用户造成干扰。 因此，频谱感知技术的研究有着重要的意义。 本文主要研究如何优化频谱感知技术的检测性能，在研究分析中不再使用已有的 评价系统检测性能的标准，而是引入一种能更好诠释和评价系统检测性能的标准，在 此标准下对不同的频谱感知技术进行了研究和优化。关于合作频谱感知技术，还提出 了多步优化的思想以及自适应融合算法。 文章首先简单介绍了现有的频谱感知技术，然后分析了已有的评价系统检测性能 的标准，考虑到这些传统评价标准的不足，于是提出新的评价标准，即贝叶斯风险。 基于此标准，提出以最小化贝叶斯风险作为优化系统检测性能的准则，并对所有参数 设置作了相关分析与研究。 其次，在新评价标准下研究本地频谱检测的检测性能，以能量检测为模型，利用 最小贝叶斯风险准则推导可获得一个最佳判决门限，使系统的检测性能达到最佳，并 通过仿真验证了该结论。由于本地频谱检测在阴影、多径衰落和隐藏终端等无线环境 中会出现较低的检测性能，因此，提出采用基于数据融合的合作频谱感知技术来改善 系统的检测性能，并对该频谱感知技术的检测性能进行了深入研究。在相同概率( 即 所有认知用户的检测概率和虚警概率是相同的) 的多用户合作频谱感知中，考虑从本 地检测系统和融合中心系统两方面提高频谱检测性能，提出两步优化方案，给出了最 佳决策和最佳判决门限的表达式；在不同概率( 即所有认知用户的检测概率和虚警概 率是不同的) 的多用户合作频谱感知中，依据多传感器数据融合中的极小化贝叶斯融 合准则，推导出该系统的最优融合准则，即各认知用户本地检测结果的加权之和的判 决。将上述两种优化方案分别与其他传统的融合准则( 如，a n d 准则、0 r 准则) 作检 测性能的对比，验证了本文所提出的优化方案是有效可行的。 最后，针对多用户系统中可能会有存在不受信任用户的情况，提出一种自适应融 t 中文摘要慕十最小贝叶斯风险的频谱感知技术的4 i ) f f 合算法，将现有的融合准则嵌入自适应功能，可有效识别并剔除不受信任用户，从而 提高系统的检测性能。对于检测性能差的不受信任用户，除剔除他们外，还可考虑通 过其他用户的协助来改善他们的检测性能，l l , ! z n 基于中继合作的合作频谱感知。研究 两用户频谱感知，选用放大转发作为中继转发模式，提出在传统的合作机制上作适当 的修改，增加一个时隙进行选择性转发，这样可以扩大中继用户的选择范围，同时也 可提高受助用户以及整个系统的检测性能。接着研究多用户模型，将用户两两组合， 组内采用放大转发合作检测，组l 、日j 选用k 秩准则进行各组检测信息的融合，仿真证明 该方案下系统的检测性能要比传统采用0 r 准则或a n d 准则的系统好很多。 关键词：认知无线电；频谱感知；贝叶斯风险；检测性能；准则 作者：丰金花 指导教师：汪一鸣 墨! ! ! ! 笠! ! ! q ! 苎仑! ! ! 坐翌苎! 璺! i 望墨旦坚! ! 旦坠! ! 兰塑也i 塑! 堡垒型! ! 垦! ! !垒! ：! ! ! ! ! r e s e a r c h e so fs p e c t r u ms e n s i n gb a s e do n t h em i n i m u mb a y e sr i s k a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , s p e c t r u m r e s o u r c ei si n c r e a s i n g l yi ns h o r t a g e h o wt oi m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c yu n d e rt h e s i t u a t i o no ft h el i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c ei sas e r i o u sp r o b l e m c o g n i t i v er a d i op r o v i d e sa q u i t eg o o ds o l u t i o n s p e c t r u ms e n s i n gi st h ep r e r e q u i s i t ea n db a s i s f o rc o g n i t i v er a d i o a p p l i c a t i o n s c o g n i t i v eu s e r sf i n dt h ef r e q u e n c yb a n d st h a tc a nb eo p p o r t u n i t i l yu s e d ， t h r o u g hs p e c t r u ms e n s i n gi nt h ew i r e l e s sn e t w o r k i ti m p r o v e ss p e c t r u me f f i c i e n c y , w h i l e a v o i d si n t e r f e r e n c et ot h ep r i m a r yu s e r t h e r e f o r e ，r e s e a r c h e so ns p e c t r u ms e n s i n ga r eo f g r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rs t u d i e sh o wt oo p t i m i z et h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo fs p e c t r u ms e n s i n g a n e we v a l u a t i o ns t a n d a r di s p r o p o s e d ，t h a tc a ni n t e r p r e ta n de v a l u a t et h e d e t e c t i o n p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mb e t t e rt h a nt h ee x i s t i n go n e s u n d e rt h i ss t a n d a r d ，d i f f e r e n t s p e c t r u ms e n s i n gt e c h n i q u e sa r es t u d i e da n do p t i m i z e d m o r e o v e r , i nc o o p e r a t i v es p e c t r u m s e n s i n g ，t h ei d e ao fm u l t i s t e po p t i m i z a t i o na n da d a p t i v ef u s i o na l g o r i t h ma r ep r o p o s e d t h et h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h ee x i s t i n gs p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g i e s ，a n dt h e n a n a l y z e st h ee x i s t i n ge v a l u a t i o ns t a n d a r d so ft h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e c o n s i d e r i n gt h e s h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a le v a l u a t i o ns t a n d a r d s ，an e wo n ei sp r o p o s e d ，w h i c hc a l l e d b a y e sr i s k b a s e do nt h i ss t a n d a r d ，m i n i m i z i n gt h eb a y e sr i s k i s r e g a r d e d a st h e o p t i m i z a t i o nc r i t e r i ao ft h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e ，a n dt h e na l l o ft h ep a r a m e t e r sa r e a n a l y s e da n ds t u d i e d s e c o n d l y , u n d e r t h en e we v a l u a t i o ns t a n d a r d ，t h el o c a ls p e c t r u ms e n s i n gi sr e s e a r c h e d t a k i n ge n e r g yd e t e c t i o na sam o d e l ，a no p t i m a ld e c i s i o nt h r e s h o l dc a nb eo b t a i n e db y u s i n gt h em i n i m u mb a y e sr i s kc r i t e r i a t h et h r e s h o l dm a k e st h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e b e s t ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ec o n c l u s i o n b e c a u s et h el o c a ls p e c t r u ms e n s i n gw i l l a p p e a ral o w e rd e t e c t i o np e r f o r m a n c ei nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t s ，s u c ha ss h a d o w , m u l t i p a t hf a d i n ga n dh i d d e nt e r m i n a l s ，c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gb a s e do nd a t af u s i o n t e c h n o l o g yi sp r o p o s e d i nm u l t i u s e rc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g ，w h e r et h ed e t e c t i o n p r o b a b i l i t i e sa n df a l s ea l a r mp r o b a b i l i t i e s o fc o g n i t i v eu s e r sa r et h es a m e ，at w o s t e p t it a b s t r a c t r e s e a r c h e so fs p e c t r u ms e n s i n gb a s e do nt h em i n i m u mb a ) e sr i s k o p t i m i z a t i o ns c h e m ei sp r e s e n t e d ，c o n s i d e r i n go p t i m i z a t i o ni n d i v i d u a l l yi nt h e l o c a l d e t e c t i o ns y s t e ma n dt h ef u s i o nc e n t e rs y s t e m t h ee x p r e s s i o n so ft h eo p t i m a ld e c i s i o na n d t h eo p t i m a ld e c i s i o nt h r e s h o l da l eg i v e n i nm u l t i u s e rc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g ， w h e r et h ed e t e c t i o np r o b a b i l i t i e sa n df a l s ea l a r mp r o b a b i l i t i e so fc o g n i t i v eu s e r sa r e d i f f e r e n t ，a c c o r d i n gt ot h em i n i m i z a t i o nb a y e s i a nf u s i o nr u l ei nm u l t i s e n s o rd a t af u s i o n ， t h eo p t i m a lf u s i o nr u l ei sd e r i v e d ，t h a ti st h ej u d g m e n to ft h ew e i g h t e ds u mo ft h e l o c a l r e s u l t so fe a c hc o g n i t i v eu s e r c o m p a r i n gt h ea b o v et w oo p t i m i z a t i o ns c h e m e sw i t ht h e o t h e rt r a d i t i o n a lc r i t e r i o n ( s u c ha s ，a n dc r i t e r i a ，o rc r i t e r i a ) ，t h ep r o p o s e do p t i m i z a t i o n s c h e m e sa r ef e a s i b l ea n de f f e c t i v e f i n a l l y , t h e r em a yb es o m ed i s t r u s t e du s e r si nam u l t i - u s e rs y s t e m ，s oa na d a p t i v e f u s i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h ea d a p t i v ef u n c t i o ni se m b e d d e di nt h ee x i s t i n gc r i t e r i ao f d a t af u s i o n ，s ot h a td i s t r u s t e du s e r sa r ei d e n t i f i e da n dr e m o v e de f f e c t i v e l y , t h e r e b yt h e d e t e c t i o np e r f o r m a n c ei s i m p r o v e d i na d d i t i o nt or e m o v i n gd i s t r u s t e du s e r s ，c o o p e r a t i v e s p e c t r u ms e n s i n gb a s e do nr e l a yc o o p e r a t i o ni sa l s or e s e a r c h e d b ya d d i n gas l o tf o rt w o u s e r sa m p l i f i e df o r w a r dm o d e ，t h es e l e c t i o nr a n g eo ft h er e l a yu s e ri se x p a n d e d ，w h i l et h e d e t e c t i o np e r f o r m a n c e so ft h eh e l p e du s e ra n dt h ew h o l es y s t e ma leb o t hi n c r e a s e d t h e n ， t h ep r o p o s e ds c h e m ei sc o n t i n u o u s l ys t u d i e di nt h em u l t i u s e rs y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eu s i n gt h i ss c h e m ei sm u c hb e t t e rt h a nt h eo n eu s i n g t h et r a d i t i o n a 】c r i t e r i ao ro ra n d k e yw 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 ；b a y e sr i s k ；t h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e ；t h e c r i t e r i a i v w r i t t e n b yj i n h u af e n g s u p e r v i s e db yy i - m i n gw a n g 基十最小叭叶斯风险的频谱感知技术的i l j f 究第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 由于现代科学技术的发展，无线通信技术经历多次的技术革命，已从最初的模拟 通信发展成数字通信，从窄带通信发展成宽带通信，从提供单纯的语音业务发展成提 供形形色色的数据业务。许多通信服务行业丌始选择用无线通信技术替代原有的有线 通信方式，如移动通信、广播电视、军事和公共安全等，与此同时，新兴的无线服务 也在不断涌现，无线频谱资源己逐步成为社会发展中重要资源之一。人们对无线频谱 资源的需求越来越多，尤其是近几年无线技术与计算机技术、数据信号处理技术相互 融合，对无线宽带应用的要求越来越高，要求拥有更快的数据传输速率、多媒体业务 和其他无线服务。各种无线网络，如个域网( w p a n ) 、局域网( w l a n ) 、城域网( w m a n ) 、 广域网( w w a n ) 、卫星网等也发展迅速并融入人们的工作生活中。 然而，现有频谱资源的状况已成为未来无线通信技术发展的制约因素。据调查研 究，目前有限的无线频谱资源的平均利用率非常低且极不平衡。美国联邦通信委员会 ( 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 s ，简称f c c ) 大量研列l 】发现，一些非授权频 段如工业、科学和医用以及适于陆地移动通信的2 g h z 左右授权频段过于拥挤，而一 些授权频段( 如广播电视等) 却时常是空闲的，这种现象是由于现有频谱分配制度造成 的。目前世界各国采用的是固定的频谱分配原则【2 1 ，管理机构将可用频谱资源划分成 大小固定、非重叠的频谱块，并将这些频谱块以独享的方式分配给不同的用户，称为 授权用户( p r i m a r yu s e r ) 。相对的是未授予频段的用户，称为非授权用户。绝大部 分频谱资源被分配给了授权频段的应用，非授权频段的频谱资源则非常少，这造成了 频谱分配不均、一些频谱过度利用而另一些严重浪费的现象。 无线频谱是一种不可再生的资源，因此如何对频谱资源再利用，在不同的地点、 不同的时间段里有效地利用空闲的授权频段，进而提高频谱利用率，成为人们非常关 注、急需解决的问题，此时，认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，简称c r ) 【3 j 的概念应运 而生。认知无线电基本思想【4 j 是：在不影响授权用户j 下常通信的基础上，认知用户通 过伺机方式( o p p o r t u n i s t i cw a y ) 接入授权用户频段内并进行通信，实现频谱的二次 第一章绪论堆十最小贝叶斯风险的频潞感知技术的研究 利用。认知无线电技术的提出，有效缓解了频谱资源匮乏的现状，提高了频谱资源利 用率，为解决如何在有限的频谱资源条件下提高频谱利用率这一无线通信难题丌辟了 一条新的途径。 1 2 课题研究背景 1 2 1 认知无线电技术概述 认知无线电的概念是由瑞典皇家技术学院的j o s e p hm i t o l a 博士于1 9 9 9 年在i e e e p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s 杂志上发表的文章中明确提出来的1 5 】，m i t o l a 博士指出认 知无线电是软件定义无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，简称s d r ) 的扩展，是s d r 的智能化。认知无线电以s d r 为平台，通过无线电知识描述语言( r a d i ok n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ，简称r k r l ) 与网络进行智能交流，能够感知无线环境并从 中学习，根据无线环境的变化自适应调整自身通信机理，实现在任何地点、任何时间 频谱有效可靠的利用。 认知无线电是一个全新的概念，涉及的技术领域很多，可从不同角度对其进行认 识，具有代表性的是m i t o l a 和f c c 的观点，不过f c c 对认知无线电的定义及其功能的认 识更为业界所认可。m i t 0 1 所提出的认知无线电为全感知无线电，至今为止还没能实 现，而f c c 认为：认知无线电是一种能够与其周围环境进行交互而改变传输参数的无 线电【4 】，从频谱管理角度出发，指出利用认知无线电技术可实现动态频谱共享。 自认知无线电概念提出，就受到全世界通信领域的广泛关注，世界各国的研究机 构、标准化组织和行业联盟纷纷展丌相关研究。2 0 0 4 年1 0 月，美国电气电子工程师 学会( i e e e ) 成立i e e e8 0 2 2 2 工作组1 6 j ，i e e e8 0 2 2 2 称为“w i r e l e s sr e g i o n a la r e a n e t w o r k ( w r a n ，无线区域网络) ，该工作组是第一个世界范围内基于认知无线电技 术的空中接口标准化组织，其主要目标是在不对电视广播产生干扰的前提下，通过认 知无线电技术利用未使用的电视广播信道，为农村和边远地区以及低人口密度地区提 供无线宽带接入。此外，国际电信联盟( t t u ) 和软件无线电论坛( s d r ) 也着手研究制 定认知无线电相关的标准和协议。国内外研究机构和行业联盟也成立了许多研究项 目，如下一代通信计划( x g ，n e x tg e n e r a ti o np r o g r a m ) 【7 1 、频谱池( s p e c t r u mp o o li n g ) 技术1 8 】、c o r v u s 项目 9 1 、e 2 r ( e n d t o e n dr e c o n f i g u r a b i l i t y ) 项目【10 1 、8 6 3 计划 2 基于最小贝叶斯风险的频谱感知技术的研究第一章绪论 等，对认知无线电作了多角度的深入研究。从目前发展情况来看，认知无线电势必会 成为将来一项重要技术，将它和现有的科学技术( 如数字信号处理技术和计算机技术 等) 融合，另外将它运用到u w b ，w l a n ，w i m a x 等热门无线通信技术中，是未来移动 通信以及无线电技术的发展方向，对无线通信领域有着重要的意义。 1 2 2 频谱感知技术 目前认知无线电技术的研究大都集中在物理层和m a c 层上，一些技术已进入成熟 阶段，有些还处于初步研究阶段中，甚至一些还未被挖掘，越来越多的人开始关注并 投入研究中，掀起了认知无线电技术的研究热潮。 频谱感知技术是认知无线电的关键技术之一，是认知无线电系统应用的前提和基 础。在认知无线电系统中，将分配给某授权用户但在特定时间和具体位置该用户并没 有使用的频带称为频谱空穴，如图1 1 所示。授权用户亦称为主用户。频谱感知的主 要任务就是寻找适合的频谱空穴进行合理利用。不过在通信时要避免对主用户工作造 成影响。为了提高频谱利用率，认知用户必须在主用户不工作时能够快速检测到主用 户不存在并利用该空闲频段；为了避免对主用户造成干扰，认知用户又必须在主用户 出现时能够快速检测到主用户存在并退出该频段。所以，认知无线电系统对频谱感知 性能的要求较高，要求感知时间短、准确性高。由于主用户信号类型和无线信道传播 特性的多样性，这些都加大了频谱感知技术的复杂度。因此，对认知无线电系统中频 谱感知技术的研究具有重要意义。 频牢 图1 1 频谱空穴 频谱守穴 第一章绪论缺十最小! j ! 1 1 f 。斯风险的频谱感知技术的研究 通常频谱感知技术关注的问题：、频谱感知方法的性能。为了满足认知无线电 系统实时可靠的要求，频谱感知需要降低检测开销，缩短检测时间，提高检测概率以 及降低虚警概率。二、复杂多变的无线环境。由于信号在无线传输过程中可能会受阴 影、多径衰落、隐藏终端等影响而造成信号衰弱，这要求频谱感知具有很强的适应性， 能够在任何无线环境中做到准确检测。在实际应用中，不同的场景、不同的认知用户 往往需要采取不同频谱感知方法，以达到一个最好的感知性能。 目前认知无线电中频谱感知技术可以分为单独检测和合作检测。单独检测是由 一个认知用户对外部环境进行频谱感知，合作检测则是通过多个认知用户相互协作共 同完成频谱感知的任务。由于实际的无线环境复杂多变，主用户信号会受到各种因素 的影响，如阴影效应、多径衰落、隐藏终端等，单独频谱检测无法克服这些因素所带 来的影响，导致误判而对主用户正常工作产生干扰。如图1 2 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。 图1 2 ( a ) 描述了阴影效应问题，认知用户2 虽然处于主用户发射机的信号覆盖范 围内，但是由于受到障碍物的遮挡，导致接收到的主用户信号很弱，认知用户2 单独 检测时则可能会作出错误的判断，判决主用户不存在。如果认知用户2 此时接入主用 户所在频段并传送数据，则势必会对主用户造成干扰。 图1 2 ( a ) 阴影效应 图1 2 ( b ) 描述了隐藏终端问题，认知用户1 可以可靠的检测到主用户是否存在， 由于认知用户2 处于主用户发射机的信号覆盖范围之外，接收不到来自主用户的发射 信号，因此认知用户2 会产生误判而对主用户接收端造成干扰。 4 毋认 慕于最小贝叶斯风险的频潞感知技术的研究 第一章绪论 f s 3 - 7 训】r 1 锣 认妇j j 广l 一一。 i t j ，o 接收端 图1 2 ( b ) 隐藏终端 图1 2 ( c ) 描述了多径衰落问题，高斯信道是一种理想的信道，然而信号实际在传 播过程中会遇到建筑物、树木、地形等障碍而引起反射、散射和绕射，因此接收端将 接收到多条来自不同路径的信号，最终所得到的合并信号幅度是急剧变化的，称为多 径衰落。通常多径衰落有瑞利衰落、赖斯衰落平f l n a k a g a m i 衰落。如图1 2 ( c ) 中认知用 户2 由于树木障碍会产生多径衰落，造成接收信号幅度急剧变化，认知用户2 则有可能 作出误判而对主用户形成干扰。 ，一一一，、 图1 2 ( c ) 多径衰落 上述三种情形中，认知用户1 没有受到阴影效应、多径衰落、隐藏终端等的影响， 此时如果认知用户2 能和认知用户1 合作，则可以有效提高它的频谱检测性能，这就是 合作频谱检测的出发点。合作频谱感知就是在单独频谱感知基础上提出来的，目的是 矽 第一章绪论皋于最小贝叶斯风险的频谱感知技术的研究 为了解决在某些复杂环境下单独检测性能不佳的问题。在多用户合作检测系统中，可 以降低对具体单个用户检测性能的要求，同时满足认知无线电系统的频谱检测性能标 准。 合作检测通常有两种结构形式：集中式检测和分布式检测。所谓集中式检测，就 是由中心控制器或基站作为融合中心，汇总各认知用户的本地检测结果，进行融合并 作出最终判决。所谓分布式检测，就是无融合中心，各认知用户彼此交流检测信息， 然后作出判决。当然也可以将两种合作形式融合，以达到更好的效果。大量研究分析 表明，就复杂度而言，合作检测较单独检测可能相对更复杂些，但其检测性能却优于 单独检测，尤其是在阴影、多径衰落等无线环境中。 1 2 3 频谱感知技术的研究现状 目前单独检测技术比较成熟，传统方法有匹配滤波器检测、能量检测、循环平稳 特征检测，分别适用于不同的环境中。匹配滤波器检测i l l j 是信号检测中的一种最优 的检测方法，它能够使接收信号的信噪比最大化，但需要知道授权用户的先验信息， 如调制方式、时序等。能量检测【1 2 l 是最常用的频谱检测方法，实现相对比较简单，是 以一定频段范围内的能量积累来判断授权用户是否存在，但不适于低信噪比的环境， 很大程度上受未知噪声的影响，无法分辨出主用户信号、噪声和干扰。循环平稳特征 检测【1 3 j 通过分析检测信号的谱相关密度函数( 即循环功率谱密度函数) ，可以有效区分 噪声和授权用户信号，即使在信噪比低的情况下也有很好的检测性能，具有较强的抗 干扰能力，并且无需知道主用户的先验信息，但计算复杂度高，所需的监测时问也比 较长。 由于传统的单独检测方法存在很多的局限性，为此需要不断探索新的方法。在未 知噪声干扰水平的情况下，提出基于熵的检测方法【l4 。，将熵作为衡量信息量大小的标 准，信噪比越大，熵越小。若接收信号中包含主用户信息，则熵相对比较小，否则熵 比较大。在主用户先验信息未知且主用户信号为相关信号时，文献 1 5 提出了基于最 大特征值的检测法，将采样协方差矩阵近似为统计协方差矩阵，计算最大特征值，并 以此判断主用户是否存在。当检测较宽频谱的信号时，可以考虑采用小波检测，具有 较好动态频谱适应性【l 酬。采用物理层和m a c 层联合频谱感知的跨层设计方法可极大地 6 摹千最小贝叶斯风险的频瞒感知技术的 f j f 究 第一帝绪论 提高频谱检测性能【l l 】。此外，单独检测方法还有基于干扰温度检测1 7 】、本振泄露功 率检测、多分辨率检测等。 由于多径衰落、阴影效应等环境影响问题的出现，导致单独检测结果不确定性的 增加，为了克服这一问题，提出了合作检测。合作检测中通常采用数掘融合技术，即 融合中心将多个认知用户的本地检测信息采用一定的规则进行合并作出最终判决。传 统融合准则有与”、或”和“k 秩”准则【1 8 】【2 们，是将多个认知用户本地判决结果 以单比特形式传送至数据融合中心。然而，事实上单比特信息并不能充分反映认知用 户的检测信息，因此认知用户在带宽允许的条件下可传送多比特信息至融合中心，提 供更完全的信息1 2 。另外，由于认知用户通常受信道环境、与授权用户的距离以及与 相邻用户相关性等因素的影响，使各认知用户的检测信息的可靠性有差异，采用传统 的融合方法则必然会对最终判决造成很大的影响。文献 2 2 提出了一种基于可信度的 融合算法，各个认知用户独立进行本地检测，同时计算自身的检测可信度，然后将检 测结果和可信度一起发送给融合中心，融合中心根据d s ( d e m p s t e r s h a f e r ) 证据理 论的合成规则对各用户的检测结果进行融合，在一定程度上改进了频谱检测的性能。 除了上述融合方法外，还有自适应权值加权协作、软判决1 2 3 】等其他方法。 另外，合作检测也可采用合作分集技术。通过多路信号的分集合并实现频谱的可 靠检测。通常分集可以通过空域、时域、频域实现。常用的信号合并方式有等增益合 并、选择合并和似然比合并等。由于不同认知用户相对于主用户发射机的位置各不相 同，利用这种空间上的非对称性，6 a n e s a n 等人提出在两用户单跳网络中引入放大转 发( a m p lif ya n df o r w a r d ，a f ) 协作分集协议f 2 4 h 2 引，距离主用户发射机位置较近的认 知用户为距离较远的认知用户做中继，放大转发接收到的主用户信号，改善在主用户 发射机覆盖范围边缘处的认知用户接收信噪比，提高其检测性能。这种中继合作模型 还有解码转发协作、编码协作等协作方式。在此基础上研究了多用户单载波和多用户 多载波的情况f 2 刀。合作中继用户的选取涉及到很多方面，要考虑认知用户、中继用户 与主用户之间信道增益，不同位置中继用户发送功率的限制，以及各用户所处的地理 位置等因素1 2 5 】。简单方法是预先设定一个接收功率门限，并以此作为判定某个认知用 户作为中继用户还是受助用户的标准，如果认知用户的接收功率高于该门限，则将该 认知用户作为中继用户，反之则作为受助用户。在认知无线电网络中，若多个认知用 户相距很近，则信道环境均相同，为了节省开销，可以将相距近的认知用户分为一簇， 第一章绪论堆十最小贝n l 。斯风险的频讲感知技术的研究 共若干簇，并在每个簇中选取一个认知用户向融合中心传输检测结果【2 引。这种合作方 式在用户分集的基础上同时采用了数据融合，既提高了检测性能又降低了丌销和复杂 度。 1 3 论文主要研究工作及内容安排 本文主要研究如何优化频谱感知技术的检测性能，在已有的评价系统检测性能标 准基础上，提出一种能更好诠释和评价系统检测性能的标准，在此标准下对不同的频 谱感知技术进行了研究和优化。本文内容安排如下： 第一章阐述了认知无线电频谱感知技术的研究背景，研究现状以及本论文的主 要研究工作及内容安排。 第二章描述了频谱感知的基本模型，接着对i ! i 前评价认知无线电系统检测性能 优劣的标准进行了分析，提出一种新的评价系统检测性能的标准，即贝叶斯风险。基 于此标准下，提出优化系统检测性能的准则为最小贝叶斯风险准则。再对该准则中的 各参数作了相关说明和分析，最后介绍和分析了不同信道中的能量检测的性能。 第三章从新评价标准角度研究本地频谱检测系统的检测性能的优化问题。以能 量检测为模型，利用最小贝叶斯风险准则经推导得到一个最佳的判决门限，采用该判 决门限系统检测性能可以获得最佳。最后仿真验证了该结论。 第四章从新评价准则角度研究基于数据融合的合作频谱感知的检测性能的优化 问题。将合作频谱感知分为：同概率的多用户合作频谱感知和不同概率的多用户合作 频谱感知。对于同概率的多用户合作频谱感知，本地检测采用能量检测，融合中心采 用k 秩准则，提出两步优化方案，经推导可获得最佳决策和最佳判决门限。对于不同 概率的多用户合作频谱感知，提出最优融合准则，即对来自各认知用户的本地检测结 果进行加权判决。最后针对不受信任用户的情况，提出自适应融合算法，有效识别并 剔除不受信任用户，从而提高系统的检测性能。 第五章从新评价准则角度研究基于中继合作的合作频谱感知的检测性能的优化 问题。先研究了基于放大转发的两用户合作频谱感知模型，并提出改进的合作机制， 提高了系统的检测性能和扩大了中继用户的选择范围。接着讨论了多用户情形，结合 数据融合技术，提出一种合作方案，即将多个用户两两分组，组内采用放大转发合作 8 暴十最小贝n l 斯风险的频谱感知技术的 f 究第一章绪论 检测，组问采用k 秩准则融合各组数据后作出最终判决。最后仿真分析该方案下系统 的检测性能并与目前已提出的合作方案对比。 第六章总结论文，阐述工作任务并提出进一步研究的方向。 9 第一二章认知无线l u 频谱感知技术的基础慕十最小叭n t 斯风险的频谱感知技术的研究 2 1 引言 第二章认知无线电频谱感知技术的基础 在频谱感知技术中，单独频谱检测技术是最基础的。在实现更复杂、更高级的频 谱感知系统时，其检测性能与单独频谱检测的性能息息相关，因此须对单独频谱检测 技术作详细的研究。由于能量检测是最简单、应用最广的单独频谱检测技术，本章将 对此方法作具体的介绍和分析。关于频谱检测技术，必须引入评价参数以及设置评价 标准，才能作出相应的性能分析，因此本章对频谱感知技术的性能评价标准也作了深 入的研究，并在传统的评价标准基础上提出了新的评价标准。 2 2 频谱感知的基本模型 从认知无线电频谱感知的定义中，可以将频谱感知问题转化为信号存在性检测问 题，对待检测的频段进行一段时间的监测，判断是主用户信号和噪声均存在还是只存 在噪声，这可以归结为一个二元检测问题。假设矾表示主用户不存在，即频谱是空 闲的；h 1 表示主用户存在，即频谱是忙碌的。 若认知用户通过分析接收到信号进行检测，则二元检测模型可表示为： f 胛( ，)夙 x ( ，) = ( 2 1 ) i h s ( t ) + n ( t ) h l 其中，x ( ，) 是认知用户接收信号；s ( t ) 是主用户发射信号；n ( t ) 是加性高斯白噪 声；h 是信道增益。由于噪声的存在，所以需要设定一个判决门限五，将x ( ，) 的相关 统计值丁( x ) 与见进行比较进而判断频谱是否空闲。 2 3 频谱检测性z 月d 匕c , 的评价标准和优化准则 2 3 1 传统的评价标准和优化准则 对于一个具体的认知无线电系统而言，由于频谱检测的方法非常多，则必须对多 1 0 摹十最小儿叶斯风险的频谦感知技术的研究 第二章认知尢线电频谱感知技术的甚础 种检测方法进行比较，选取最适合该系统的频谱检测方法。为了评估频谱检测方法的 性能，就必须引入评价参数，设置评价标准，对检测结果进行分析评判。传统的衡量 系统频谱检测性能( 简称系统检测性能) 的评价标准和相对应的优化系统检测性能准 则如下： 1 虚警概率 当频谱没有被主用户占用，但是认知用户检测结果表明主用户是存在的，这种情 况就称为虚警。虚警概率就是认知用户在检测判决时出现虚警情况的概率，公式表示 为p ，= 尸( qh o ) 。因此，为了保证认知用户能够对频谱进行最大限度的利用，系统 频谱检测要有尽量低的虚警概率。一般假设检测概率一定的情况下对系统检测性能进 行优化，使虚警概率最小。 2 漏检概率 当频谱被主用户占用，但是认知用户检测结果表明主用户是不存在的，这种情况 就称为漏检。漏检概率就是认知用户在检测判决时出现漏检情况的概率，公式表示为 己= j p ( g oh ) ，与漏检概率所对应的是检测概率，它反映了认知用户能够正确检测 到主用户存在的概率，其表达式为易= 尸( qq ) 。因此，为了保证认知用户在使用 频谱时不对主用户造成干扰，系统频谱检测要有尽可能低的漏检概率和尽量高的检测 概率。目前一般用接收机操作特性曲线r o c ( r e c e i v e ro p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ) 来描述系统的检测性能。r o c 曲线表示了乞( 或乞) 与尸，的关系，通过比较不同检 测方法所得到的r o c 曲线，就可以知道不同算法下系统检测性能的优良情况。一般假 设虚警概率一定的情况下对系统检测性能进行优化，使漏检概率最小。 3 错误概率 为了保证认知用户既能最大限度的利用频谱资源，又能最小程度的干扰主用户， 认知用户要有尽量小的虚警概率和漏检概率，而要求这两个概率同时最小是不可能 的，因此可以在虚警概率和漏警概率之间进行权衡，假设两个概率之和为错误概率， 即表达式为= 己+ 尸，。为了取得尽可能理想的结果，系统频谱检测要有尽量小的错 误概率。此评价标准下的优化准则是最小错误概率准则，目的是使系统的错误概率最 小。 第| 二章认知尤线i 乜频谱感知技术的基础 皋十最小贝n t 斯风险的频讲感知技术的研究 2 3 2 贝叶斯风险和最小贝叶斯风险准则 分析传统评价标准，形式简单且计算复杂度低，可以从一定的程度上分析并反映 系统检测性能，但是这些标准都没有考虑存在于实际认知无线电系统中的某些影响检 测性能的因素，如： ( 1 ) 主用户存在的概率p ( h 。) 。判决概率p ( h ，ih ，) ( j = o ，1 ) 是评价检测性能的重 要因素之一，但是仅考虑判决概率有时是不够的【2 9 1 ，例如，在两种错误判决概率相等 的情况下，即p ( h 。i 乩) = p ( h oq ) ，如果主用户不存在的概率尸( 风) 与主用户存在 的概率p ( h ，) 不等，那么尸( h j ) 大的假设所对应的错误概率对检测性能的影响大于另 一个错误的影响；极端地说，如果p ( 风) 等于0 ，那么即使p ( h 。l 风) 等于1 ，它对检测 性能也没有任何影响，因为主用户不存在风的情况根本不会出现，不会造成虚警。 所以系统检测性能评价应考虑主用户存在的概率p ( h ) 。 ( 2 ) 代价因子q ，。各种判决需付出一定的代价，称为代价因子，用c ，表示。q ，为 h ，为真而判决为e 所付出的代价。一般来说，错误判决的代价为正，即q ， 0 ；正 确判决应不是损失而是得益，则代价为负，即c ， 。为了简化系统复杂度，通常假设巳，= o 。 因此，为了更准确地对系统检测性能进行评