（通信与信息系统专业论文）认知无线电中基于能量检测的频谱感知技术研究.pdf

摘要 摘要 随着移动互联网时代的到来，多媒体数据信息业务快速发展，当前无线频谱 资源的紧缺成为各种移动互联网应用进一步发展的瓶颈。基于软件无线电的认 知无线电技术通过“二次利用”授权频谱，可以使频谱的利用率得到提高，已 成为当前研究的热点内容。本文主要研究c r 关键技术之一频谱感知技术 并进行大量的m a t l a b 仿真，具体如下： 建立并分析加性高斯白噪声信道下基于能量检测的频谱感知数学模型，采用 基于概率密度函数和矩母生成函数的方式推导出各种经典衰落信道下的频谱检 测概率公式，并进行了相关的仿真分析。同时引进自建的s 式来简化具体计算， 并采用更通用的m a r c u mq 函数表示扩展前面推导的公式，适用于任意正数的时 宽积。 针对单用户单天线检测性能会由于阴影衰落、噪声不确定性等因素而恶化， 引入多天线分集合并技术包括各种检测前合并和检测后合并，并推导了不同衰 落信道中采用不同分集合并方式时的检测性能公式，仿真结果表示其可以有效 提高检测性能。多天线是一种合作，多个用户协作检测也是一种合作，当单个 用户只配置单根天线时，同样可以利用多个用户的合作检测来提高在衰落环境 下的检测概率。融合中心通过采用不同的数据融合准则可以得到不同的检测性 能，并通过仿真进行了验证。 引进双门限检测算法，给出其具体描述并推导了检测性能公式，通过仿真分 析可以看到其能有效提高频谱检测性能。在传统的理论研究中都假定各认知用 户的性能相同而忽略了其差异性，但在实际无线通信环境中各用户所处的信道 环境不同，通过设置信噪比门限值来选择一些信噪比较高的用户进行合作检测 可以提高检测性能，并进行了仿真验证。最后考虑到从认知用户到融合中心的 信道是非理想的，可能存在误码率，引入无线传感器网络中分簇的概念，将认 知用户进行分簇后再合作感知。给出了具体的算法流程：簇内采用双门限合作、 融合中心处采用或准则，并推导了不同信道下采用该方案的合作检测性能表达 式，通过仿真分析，可以看到新算法相对于传统算法在性能上的有效提升。 关键词：认知无线电，频谱感知，分集合并，合作检测，分簇 a b s t r a c t _ 一 a b s t r a c t k e yt e c h n o l o g i e so fc 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 ga n ds i m u l a t l o nb a s e do n m a t l a b ，a sf o l l o w s ： m a t h e m a t i c a lm o d e lo fe n e r g yd e t e c t i o nb a s e ds p e c t r u ms e n s i n gu n d e r t h e a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s ec h a n n e li sp r e s e n t e da n da n a l y z e d u s i n gp r o b a b i l i t y d e n s i t y f u n c t i o na n dm o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o nb a s e da p p r o a c h e s ，d e t e c t i o n d e r f l o m l a n c ef o m u l a sa r ed e r i v e du n d e rs e v e r a lc l a s s i cf a d i n gc h a n n e l s ，f o l l o w e d w i ms o m es i m u l a t i o n sa n da n a l y s i s t h e nw ei n t r o d u c esf o r m u l at os i m p l i f yt h e c a l c u l a t i o n p r e v i o u sr e p r e s e n t a t i o n sf o rd e t e c t i o np r o b a b i l i t i e sa r es i m p l i f i e du s i n g c a n o n i c a ls e r i e sr e p r e s e n t a t i o n so ft h eg e n e r i l i z e dm a r c u mqf u n c t i o n ，w h i c hc a n a p p l yf o ra n yp o s i t i v et i m e - b a n d w i d t hp r o d u c t d e t e c t i o nd e r l o n n a n c eo fs i n g l eu s e ru s i n gs i n g l ea n t e n n aw i l ld e t e r i o r a t e d u et o s h a d o wf a d i n ga n dn o i s eu n c e r t a i n t i e s w e c o n s i d e rm u l t i a n t e n n ar e c e p t i o n i n c l u d i n gp r e d e t e c t i o na n dp o s t d e t e c t i o n f o r m u l a so fa v e r a g ed e t e c t i o np r o b a b i l i t y w i t hd i v e r s i t ys c h e m e so v e rd i f f e r e n tf a d i n g c h a n n e lm o d e l sa r ea l s od e r i v e d n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wd i v e r s i t y c o u l di m p r o v ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e us i n g m u l t i a n t e 皿ai sac o o p e r a t i v es c h e m ea n dm u l t i p l eu s e r se a c hi n s t a l l e dw i t ho n e a n t e n n ac o d e t e c t i o n i sa l s oac o o p e r a t i v es c h e m e s om u l t i p l eu s e r sc a nt a k e a d v a n t a g eo fc o o p e r a t i o nt oa c h i e v e b e t t e rp e r f o r m a n c eu n d e rf a d i n ge n v l r o m e n t s f u s i o nc e n t e ru s i n gd i f f e r e n td a t af u s i o nr u l e sc a no b t a i nd i f f e r e n tp e r f o r m a n c e t h e d e t e c t o rp e r f o r m a n c ei sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n d u a l t h r e s h o l dd e t e c t i o na l g o r i t h mi si n t r o d u c e da n di m p r o v e d i t s d e t a i l e d d e s c r i p t i o na n dd e r i v a t i o n o ft h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c ef o r m u l a sa r eg l v e nu n d 既 d i f r e r e n tc h 锄e l s s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h en e wa l g o r i t mc a na c h i e v eb e t t e r i i p e 墒彻a j l c ec o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e w h e nd i s c u s s i n g t h ec o o p e r a t l v e s d e c 佃蛐s e n s i n g ，w eu s u a l l yi g n o r et h ed i f f e r e n c e sa n da s s u m e a l lt h ec o g n i t l v e u s e r sa r em es 锄e w h i l ei nt h ea c t u a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，e a c h u s e ri si nd i 饪e r e n tc h a n n e le n v i r o n m e n t w ec a ns e tas n r t h r e s h o l dt os e l e c ts o m e u s e r sw i t hh i g hs n r t oc o o p e r a t ea n di m p r o v ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e t h es i m u l a t l o n r e s u l t sa r ep r e s e n t e d t h ec h a n n e lf r o mc o g n i t i v eu s e r st o t h ef u s i o nc e n t e r1 8n o t i d e a l t h e r em a yb eab i te r r o rr a t eg i v e nt h ep r a c t i c a lw i r e l e s s c o m m u n l c a t l o n e n v i r o i n e n t s ot h ec o n c e p to fd u s t e r o fw s ni s i n t r o d u c e d c l u s t e rb a s e d c o o p e r a t i v es p e c t m ms e n s i n g s c h e m ei sp r e s e n t e dw i t h t h ed e t a i la l g o r i t h m p r o c e s s ：i m p r o v e dd u a l t h r e s h o l dd e t e c t i o na l g o r i t h mi sa p p l i e d w i t h i nc l u s t e ra n do r m l ei s 印p l i e da tf u s i o nc e n t e r t h ef o r m u a l so fp e r f o r m a n c ed e t e c t i o nu s l n gt m s a p p r a o c hu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e l s a r eo b t a i n e d n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h en e w a p p r o a c hh a sb e t t e rd e t e c t i o np e r f o r m a n c e 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 ，d i v e r s i t yc o m b i n i n g ，c o o p e r a t l v e d e r e c t i o n ，c l u s t e r 1 1 1 第一章绪论 第一章绪论 当今移动多媒体数据业务飞速发展，与此同时对信息传输速率的要求大幅提 高。根据s h a n n o n 在文献【1 中给出的最大传信率的公式，可知除了增大信噪比 能提高传信率，加宽频谱也是行之有效的方法。而当前无线频谱资源已是一种 稀缺资源，其紧缺自然会限制各种无线移动通信与服务应用的持续发展。基于 软件无线电( s o f l w a r er a d i o ，s r ) 的认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 应运而生，该 技术通过“二次利用”授权频谱，在同一频段上提供多样的无线服务，从而使 频谱的利用率得到有效提高。其被预言是不久的将来无线通信领域最热门的技 术瞄j 。在当前频谱资源有限的条件下，为无线业务的快速发展打开了新思路，有 着不可替代的历史性意义，对设备制造商和终端使用者都有深远影响【3 1 。 本章从目前无线频谱资源紧缺的现状着手，阐述课题研究背景及意义，接着 概述c r ：介绍c r 的相关定义与功能模块、总结当前关于c r 的主要研究内容 和发展现状，最后概括本文的主要内容及论文结构安排。 第一节课题背景及意义 无线电技术应用无处不在，如日常生活中的广播电视、移动电话、雷达，其 在各个领域都有广泛的应用，发挥着越来越显著的作用。中国已是无线电技术 应用大国，我国的电视机、移动电话数量为世界之首。我国还拥有各种导航卫 星、气象卫星和大气资源勘测卫星等多种在轨卫星，同时也已成功研制发射“神 七、神八”飞船，并实现了“天宫一号”与“神八”的成功对接，所有这些技 术都是基于无线电技术。 随着无线通信的宽带化发展趋势，3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ) 、u w b ( u l t r a w i d e b a n d ) 、w i m a x ( w 砌d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 等新技术新业务 的出现，无线频谱需求迅猛增长，进而使得无线频谱资源的紧张状况更加突出， 原因主要如下：1 、无线电频率，类似于矿藏、水等，为非可再生的有限资源。 国际电信联盟( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 认为，由于受到电波传 播特性和各种通信技术的限制，实际上超过5 0 g h z 时，大多数设备都不能加以 第一章绪论 利用，因此实际可通用的频率也就是9 k h z 5 0 g h z 。2 、传统的静态频谱分配政 策( f i x e ds p e c t r u ma l l o c a t i o n ，f s a ) 。根据该政策，无线电频率被分成授权频段 ( l i c e n s e ds p e c t r u m ，l s ) 和非授权频段( u n l i c e n s e ds p e c t r u m ，u s ) 。通过支付一 定费用获得l s 的授权用户可以长期独占使用权，限制了其他未支付但需要使用 该l s 的用户的及时接入。然而当前很多国家和地区已基本分配完了可用频谱资 源，这就无法满足新出现的业务对频谱资源的需求。3 、频谱利用率低。绝大多 数可用无线频段都是l s ，而大多数授权用户不会一直占用该频段，因此会有大 量处于空闲状态的l s ( 称这种可以被利用的频谱资源为频谱空洞或频谱空穴， s p e c t r u mh o l e ，s h ) 。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 nc o m m i s s i o n ， f c c ) 的研究表明，当前l s 的平均利用率范围为1 5 8 5 【4 1 。如下图1 1 可知， 部分频段被使用( m e d i u mu s e ) ，而大多数频段几乎未使用( s p a r s eu s e ) ，仅少数频 段使用频繁( h e a v yu s e ) 。且最常用的低于3 g h z 的频段未被充分使用，美国 n r n r t 项目的研究测量报告 5 中指出其仅有5 2 的利用率。前述的新技术的 商用推广进程因此减缓。 m a x i , n t m la m p l i t u d e s h e a n ，u s eh e a u s e m e d i u mu 辩 s p a r s eu s e i l 1 1 i i 。 i 幻。 。i 一蠢， il 第一章绪论 f 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 o f d m ) 和多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术的频谱效率也仅有3 4b s h z 。这些技术只能说可以在一定 程度上缓解频谱需求的矛盾，但对于不久的将来数量级倍的频谱需求的增长仍 是杯水车薪，无法从根本上解决。因此在f s a 下采用各种提高频谱效率的措施， 作用也是十分有限的。然而f s a 曾产生过巨大的作用，涉及到政治、经济等复 杂问题，在短期内很难改变这种频谱管理政策。 有人提出了如下的可能解决方案【6 j ：1 、使用衬底( u n d e r l a y ) 传输方案的u w b 技术；2 、使用叠力1 ( o v e r l a y ) 的c r 技术；3 、应用可以工作于高频段的定向天线， 如6 0 g h z 。第三种方案容易受无线衰落环境的影响，目前可能不太实用。而第 一种方案中的u w b 技术，是传送低功率的信号来达到同传统窄带系统的共存。 一般应用于特定的频段，同时也受发送功率的限制，只能进行一定的较短距离 范围内的通信。虽说该技术能使频谱利用率得到提高，但由于会引入干扰而不 利于整体的灵活性。而第二种方案的c r 技术是一种叠加方案，利用授权用户的 空闲频谱资源，并在不对其造成较大干扰的情况下与之共存，理论上能达到复 用多维频谱，有利于无线通信技术的进一步发展。 这里简单的说明下本文中要用到的一些基本术语。 表1 1 基本术语说明 授权频谱被授权用户拥有的频谱，授权用户为使用这些频谱需 ( l i c e n s e ds p e c t r u m ， 要支付一定的费用。 频谱分类l s ) 非授权频谱( u n l i c e n s e d免费提供给所有用户使用的频谱。 s p e c t r u m ，u s ) 授权用户 有的文献里叫作主用户( p r i m a r yu s e r ，p u ) ，本文中 ( l i c e n s e du s e r ，l u )两种形式通用，不加区别。拥有l s 的用户，在f s a 下，很多通信用户都为l u ，独占某必频段。 用户分类认知用户 有的文献里叫作次用户( s e c o n d a r y u s e r ，s u ) ，本文 ( c o g n i t i v eu s e r ，c u )中两种形式通用，不加区别。不拥有任何频段，而是 机会式接入空闲频谱进行通信的用户，c u 的设备需 支持c r 功能。 授权网络( l i c e n s e d使用l u 进行通信的网络，独占某些频段，现有的通 n e t w o r k ，l n ) 信网络如蜂窝通信网络和广播电视网络，基本都可以 网络分类看作授权网络。 认知网络( c o g n i t i v e 不拥有任何频段，机会式使用空闲频谱进行通信的网 r a d i on e t w o r k ，c r n )络。 第一章绪论 第二节认知无线电技术概述 1 2 1 认知无线电的定义 “认知无线电”是由瑞典j o s e p hm i t o l a 博士提出来的，当时主要是基于s r ， 但随着技术的不断发展，不断有研究机构和个人给出c r 新的定义。目前关于 c r 定义被大众广泛接受的观点除了m i t o l a ，还有f c c 、v i r g i n i a 理工大学无线 通信中心的c j r i e s e r 博士、m a r y l a n d 大学的t h o m a sc c 博士、s i m o nh a k i n 教授等。 1 、m i t o l a 博士对c r 的定义 1 9 9 9 年， m i t o l a 在论文 7 0 0 第次提出c r ：是一种基于s r 某种扩展的 无线电基于模式开展关于用户与环境的推理从而达到特定无线要求。c r 通 过无线电知识描述语言r k r j 4 r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ) 来提高 个人无线通信业务的灵活性。后来m i t o l a 在他的博士论文 8 中对c r 进行了拓 展，c r 具有一定的智能如学习和推理能力，能够根据检测到的用户需求来进行 自适应调整。强调的是学习和推理能力，而这与当时的技术水平存在一定差距， 所以相关研究者着手寻找可以较快实现的c r 技术【9 , 1 0 】。 2 、相关组织对于c r 的定义 2 0 0 3 年，f c c 发布的通告( n o t i co fp r o p o s e dr u l em a k i n g ，n p r m ) 0 0 对c r 作了相对狭义的定义 。c r 是一种这样的无线电技术：能够根据环境来调整参 数从而动态接入频谱。 3 、一些专家对c r 的定义 除了上述定义，一些学者，如c j r i e s e r 博士在其论文 1 2 中指出c r 不一定 要以s r 为基础，关注的是m a c 和p h y 层中如何进行参数的最优化。还有学 者直接将c r 纳入s r 的技术范畴，如t h o m a sc c 博士就认为c r 是s r 的发 展趋势，是一种自适应的智能s r t ”】。 2 0 0 5 年，s i m o nh a k i n 教授给出了c r 的另一种定义【1 4 】：c r 是个能感知 外界无线环境并主动学习、然后实时地调整相关参数从而适应变化的外部环境 的闭环反馈无线通信系统。h a k i n 定义的c r 更多的是从通信的角度出发的，包 括如下三个关键部分：r a d i o s c e n ea n a l y s i s ( 无线场景分析) 、c h a n n e l s t a t e e s t i m a t i o na n dp r e d i c t i v em o d e l i n g ( 信道状态估计和预测1 、t r a n s m i t p o w e rc o n t r o l 4 第一章绪论 a n ds p e c t r u mm a n a g e m e n t ( 传输功率控制和动态频谱管理) 。 综合上述多种c r 定义，可以看出作为c r 技术的先驱m i t 0 1 a 博士，更 多的是勾画c r 蓝图，可以称为理想c r 或广义c r 。f c c 从充分利用频谱这一 角度引入c r ，主要考虑s u 在不干扰p u 的前提下伺机接入l s 进行通信，更多 的是关注无线频谱，可以称为频谱感知c r 或是狭义的c r 。本文主要是讨论狭 义的c r ，若无特殊说明，下文中的c r 均指频谱感知c r 这种狭义c r 。 1 2 2 认知无线电的功能模块 相比于理想c r ，狭义c r 主要侧重于感知射频环境，基于学习，能够实时 地改变系统工作参数。要实现上述c r ，其应有两大基本功能模块：认知能力和 重配置能力。 射频信号激励 图1 2 认知循环 认知能力是指能监测周围无线电环境中特定频段、获取相关信息的能力，同 时经过一定的交互选择适合的通信参数，可以通过上图1 2 中的认知循环来 体现。 图1 3c r 系统结构框图 第一章绪论 重配置能力是指能够在现有的硬件条件下进行某些参数的动态调整来达到 最优性能。这同时需要不同的收发技术，得靠硬件技术的支持。从上图1 3 可以看出能进行重配置的参数主要有：工作频段、传输功率、调制方式和编 解码方式，c r 可以根据用户需求和信道环境自适应地选择合适的工作参数。 1 2 3 认知无线电的主要研究内容和发展现状 c r 的最终目标是获得最好的可用频谱然后进行动态接入、达到频谱的最优 利用，目前的主要目标是共享使用l s 并对p u 不产生影响。关于c r 的研究目 前主要涵盖以下几个方面： ( 1 ) 频谱感知：也叫频谱检测，就是检测多维空间中的s h ，并能实时地连续检测 待测频谱的状态，实现二次利用频谱的目的。它是c r 技术中使频谱得到有效利 用的基础和关键，也是本文的主要研究内容。 ( 2 ) 频谱分析：基于研究内容( 1 ) ，对检测到的s h 进行分析，主要是关于频带相关 的性能参量，寻找匹配用户需求的频谱资源。 ( 3 ) 频谱决策：基于前面频谱分析对s h 的描述，选择满足用户关于数据率、传输 模式和延时限度等需求的可用频谱资源。 ( 4 ) 频谱共享：其包括动态频谱的分配与接入，诸如p u 与s u 、s u 与s u 之间的 共享，研究频谱分配和接入的公平性与通信开销等问题。 ( 5 ) 频谱移动性管理：主要涉及频谱切换技术。在s u 共享利用l s 时，若p u 再 次需要使用该l s 或是s u 需要性能更好的频谱资源时，s u 要能快速切换到其他 可用频段，并尽量避免在切换过程中引起系统性能的下降。 c r 能使频谱利用率得到提高从而使当前频谱资源紧缺现状得到有效缓解， 已成为研究热点。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 se n g i n e e r s ) 、i t u 等很 多组织也已着手c r 相关标准的制定。i e e e 正在制定的有关标准有：i e e e 8 0 2 2 2 、 i e e e 8 0 2 1 6 h 、i e e e l 9 0 0 、i e e e 8 0 2 1 l h 、i e e e 8 0 2 1 1 v 等，这为c r 的标准化起 到了积极的推进作用。 随着c r 标准化工作的展开，相关单位也启动了大量有关c r 的项目。如美 国d a r p a 的x g ( n e x tg e n e r a t i o n ) 项目 1 6 、欧盟的端到端重配置项目( e n dt oe n d r e c o n f i g u r a b i l i t y , e 2 r ) 7j ，后者主要针对多种无线接入系统共存下的c r 。之后 又启动了e 3 ( e n d t oe n de f f i c i e n c y ) ，旨在保证异构网络环境下应用服务的无缝接 6 第一章绪论 入。德国k a r l s r u h e 大学开发出了基于o f d m 的动态频谱接入频谱共享池系统【1 8 】。 b e r k e l e y 研究中心与德国某大学合作，开发了c r 测试系统b e e 2 ( b e r k e l e y e m u l a t i o ne n g i n e 2 ) 1 9 】。国内c r 的研究起步虽晚但关注度高，各研究机构、大 学和运营厂商已开始相关研究，涉及“频谱共享、感知与灵活使用技术的研究 及验证 等多个c r 课题。 综上所述，国内外对c r 的研究从基本理论逐步迈向具体实现，随着c r 技 术的进一步研究和发展，其将步入一个新的阶段，并应用于实际网络中。 第三节本文的主要工作和结构安排 本文主要研究c r 中基于能量检测的频谱感知技术。建立a w g n ( 力h 性高斯 白噪声) 信道下的频谱感知数学模型，并计算各种衰落信道下的频谱感知性能公 式。对近年来关于这方面的国内外研究成果进行总结，分析其优缺点并提出合 作频谱感知新方法，通过仿真分析可以看到其能有效提高频谱感知性能。本文 的具体内容与章节安排如下： 第一章绪论主要先介绍整个论文的背景及意义，然后概括地介绍了c r 的定 义、主要功能模块、目前该领域的主要研究内容和发展现状，并介绍了本文的 主要工作内容。 筇二章主要介绍频谱感知技术的系统模型和性能参数，且从不同角度对其进 行分类。简单介绍了常见的几种频谱感知算法并分析其优缺点，着重讲述能量 检测算法，并引入多种典型衰落信道如r a y l e i g h 、r i c i a n 、n a k a g a m i m 、k p 1 1 一u ，通过基于p d f 和m g f 的方法推导出不同信道下的检测概率表达式。同 时引进一个新的s 式来简化计算。并通过采用更通用的m a r c u mq 函数表示扩展 公式，适用于时宽积为任意正数的情形。 第三章主要将分集合并技术引进频谱感知，讨论常见的几种分集合并方式， 并给出检测前合并和检测后合并方式下采用不同的分集合并技术得到的不同衰 落信道中的检测性能公式，并进行仿真分析。 第四章研究合作检测，主要包括软判决和硬判决，对其进行简单介绍并分析 比较。然后引进双门限检测算法并改进，通过算法的具体描述推导其检测性能 公式，同时考虑衰落信道r a y l e i g h 和n a k a g a m i m 下的双门限检测，并与传统的 单门限检测进行性能比较。考虑到各认知用户之间的差异性，在现有研究算法 第一章绪论 的基础上提出改进，选择s n r 较大的用户进行合作检测，与传统的合作检测进 行仿真比较，可以看出改进后的算法能提高检测性能。最后考虑到从认知用户 到融合中心的信道不是理想的，可能存在误码率，引入无线传感网络中的分簇 概念，将c r n 中的s u 进行分簇后再合作感知，类似分层的两次融合：簇内采 用双门限合作，簇间采用或准则合作，可以有效地提升系统的感知性能。推导 了r a y l e i g h 和n a k a g a m i m 信道下采用该算法的检测性能公式，并仿真验证了新 方法优于传统方法。 第五章是总结与展望，主要是总结本文的工作，然后展望频谱感知技术的 研究趋势，并指出接下来的研究内容以及如何开展。 第二章频谱感知技术 第二章频谱感知技术 频谱感矢h ( s p e c t r u ms e n s i n g ) 技术是实现c r 从而构建c r n 的基础和核心技 术，而频谱感知的性能与具体的检测方式是紧密联系的。本章概述频谱感知技 术及常见的相关算法，着重研究基于能量检测的频谱感知算法，并讨论了几种 典型衰落信道如r a y l e i g h 、r i c i a n 、n a k a g a m i m 、k _ 咖一下单个节点配置单根 天线采用能量检测算法时的检测性能，并通过基于p d f 和m g f 两种不同的方 法推导得到检测概率的表达式。并通过仿真得到，衰落信道下的检测性能不如 a w g n 信道，且不同的衰落信道下不同的信道参数得到的检测性能也不同。本 章最后一节引入一个式子s 简化计算，并采用m a r c u mq 函数的另一种表示扩展 公式，得到的检测概率表达式具有更强的通用性，适用于任意正数的时宽积。 第一节频谱感知技术概述 频谱感知是指s u 在感兴趣的频段内对p u 信号进行连续检测，判断是否存 在可用频谱资源 2 0 1 。c r 系统中需要不断地检测周围无线环境的电磁特征，然 后根据检测到的结果，利用s r 的优势，智能地改变系统的相关参数来实现频谱 的动态接入。具体实施在l s 和u s 时有区别：对于l s ，s u 在感兴趣的频段上 进行感知，判断是否可以加以利用进行接入，同时在接入后仍要持续周期性地 检测。l s 内p u 的频谱接入优先级要高于s u ，所以当s u 在使用l s 时倘若检 测到p u 出现就必须立即退出该l s 并接入到其他可用频段，以确保不对p u 造 成干扰：而对于u s ，所有用户拥有平等的接入权，s u 只需检测该频段是否可 借用。这里仅考虑p u 工作于l s 的场景。从上述分析可知，频谱感知算法需要 具有实时性、快速性、连续性、可靠性等特点。不同应用所需的检测准确度、 速度不尽相同，而大多数的算法并不能兼顾两者，一般是根据具体情况进行折 中考虑。 2 1 1 频谱感知的基本模型 根据前面的讨论，可知s u 的可用频谱机会主要取决于p u 的频谱占用状况， 所以频谱感知模型可以表示为基于p u 信号占用情况的二元假设模型 2 1 ： 第二章频谱感知技术 川，槎 ，等 眨， 其中s ( t ) 表示p u 发出的信号、x ( t ) 表示s u 的接收信号、n ( t ) 表示服从均 值为0 的加性高斯白噪声、h 表示p u 到s u 的信道幅度增益。- z o 和q 分别是 频段未被占用( 即待测频段上没有p u 信号) 和被占用( 即待测频段上存在p u 信号) 的假设。根据x ( t ) 构造相应的检测统计量丁( x ) ，采用如下判决准则： m ) 鬣2 , 或0 1 ( 2 2 ) 其中彳为判决门限( 可以预先设定) ，d o 、d 1 分别表示p u 信号不存在( 即待测频 段空闲) 和存在( 即待测频段被占用) 的两种判断。衡量一个检测算法的性能主要 看如下表2 1 所示的参数： 表2 1 频谱检测性能衡量参数 只 检测概率 p ( d ll q ) 己 漏检概率p ( d oi i - , ) p f 虚警概率p ( qj 风) 只空穴概率p ( d o i h o ) 其中己+ 只= 1 ，只+ 只= 1 。若只过高表示原本p u 信号不存在却误判为存在， 失去了一些本来可以接入使用频谱的机会，导致频谱利用率低。若只，过高则表 示原本有p u 信号却误判为没有，然后s u 接入使用则会对p u 产生干扰。这些 问题都是要尽量避免的。通常可用接收机操作特性曲线( r e c e i v e ro p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，r o c ) 或者补图( c o m p l e m e n t a r yr o c ) 分析频谱检测算法的性能，即 和弓或，和0 的关系图。在一定的弓约束下，己越小越好即只越大越好。 第二章频谱感知技术 2 1 2 频谱感知技术的分类 如下图2 1 所示，按照进行检测的s u 数目可以分为：单用户本地检测( l o c a l s e n s i n g ) 、多用户合作协作检n 0 ( c o o p e r a t i v es e n s i n g ) 。单用户本地检测是指一个 s u 按照一定的频谱检测算法独立地进行本地检测。可进一步划分得到：基于p u 发射端的检测；基于p u 接收端的检测。合作检测是指多个s u 相互合作，根据 融合方式又分为软融合协作检测和硬融合协作检测。基于p u 发射端的检测主要 包括e n e r g yd e t e c t i o n ( 能量检测，e d ) 、m a t c h e df i l t e r ( 匹配滤波检测，m f ) 、 c y c l o s t a t i o n a r yf e a t r u ed e t e c t i o n ( 基于循环平稳特征的检测，c f d ) 。这些方法具有 不同的感知性能、计算复杂度，可以根据用户需求以及可用资源选择合适的感 知方案。 图2 1 常见频谱感知方法分类 ( 1 ) 匹配滤波检测 该方法利用已知p u 信号诸如调制方式等信息进行有效解调来最大化接收信 号的信噪比，是一种最佳检测器。但该方法需要p u 的先验信息，在p u 种类丰 富时该方法不太现实，因为不同类型的信号需要不同的接收机，s u 不可能具备 所有p u 信号的接收模块，实现复杂度大。 ( 2 ) 能量检测 该方法为非相干检测，不需要p u 的先验信息，只需测量一段观测时间内的 第二章频谱感知技术 接收信号能量值并将其与个预设的阈值( 与背景噪声有关) 进行比较来判定p u 信号是否存在。其问题是阈值容易受变化的噪声功率影响。在低s n r 下或检测 扩频信号时，不能区分已调信号、噪声和干扰，很难达到较好的检测性能。但 鉴于其实现复杂度低，在现实中应用较多，下文中会详细介绍。 ( 3 ) 循环平稳检测 p u 信号经过调制编码等处理后，其统计特性等呈现循环周期性，因此可以 根据谱相关函数分析接收信号的循环周期特征来判断是否存在p u 信号。不同的 调制信号的循环平稳特性不同，因此可以很好地从不具备该特性的噪声中区别 出p u 信号。该方法抗干扰能力较强，在较低的s n r 时依然能较好地辨别噪声， 但是该方法计算复杂度高、检测时间长，这成为该应用的瓶颈。 ( 4 ) 本地振荡泄露检测 这属于间接检测，在超外差式接收机中本振功率跟天线耦合会产生泄露，通 过测量p u 本振泄露信号来判断是否存在p u 信号。但这种方法需要在p u 接收 机端布置传感器节点来接收泄露信号并与s u 通信，且检测范围较小。 ( 5 ) 多分辨率频谱检钡j j ( m u l t i r e s o l u t i o ns p e c t r u ms e n s i n g ，m r s s ) 传统的能量检测可以通过f f t ，基于频域得到，但如此则得到的是确定的频 域分辨率，无法在检测时问和检测精度之间进行折中。而m r s s 利用连续小波 变换对功率谱进行估计，得到低频段下分辨率高、高频段下分辨率低，从而可 以实现可变分辨率检测。可以通过减小小波基函数的冲击时长，提高高频部分 的分辨率，但由于小波的时域波形变窄会使频域波形变宽，所以高频部分的分 辨率有限。 ( 6 ) 基于最大特征值的检测 文献 2 2 提出了一种基于最大特征值的检测方法( m a x i m u me i g e n v a l u e d e t e c t i o n ) ，先求接收信号的统计协方差矩阵( 可用采样协方差矩阵来近似) ，然后 计算其最大特征值，利用p u 信号存在和不存在时的最大特征值不同来进行判 断。该方法在检测相关信号方面要优于能量检测，而对于非相关信号的检测略 微优于能量检测，但其计算复杂度高。 第二节基于能量检测的频谱感知 为了描述方便，先将接下来要用到的符号意义表述如下表： 1 2 第二章频谱感知技术 表2 2 符号意义表述 z ( f ) 接收到的信号 ”( f ) 零均值的a w g n 丁观测时长 w b p f 的带宽 n = 丌矿时间带宽积，简称时宽积 0 噪声的单边功率谱密度 y信噪比 图2 2 为传统的能量检测算法( 基于时域) 示意框图：先将接收到的x ( f ) 通过 一b p f ，滤除带外噪声和邻近信号，接着进入平方器，然后通过积分器在观测时 段丁内进行累积得到检测统计量y ，将其同预设的阈值( 也可称为门限值) 旯比较， 得到如下判决：当】， 旯时，判为h 1 ；当y 五时，则判为h o 。 雄卜蜓困咂丑1 冱廿引且 s q u a r i n gt h r e s h o l d d e v i c e d e v i c e 图2 2 传统的基于时域的能量检测 假设该b p f 是带宽为形的理想带通滤波器，其作用是进行预滤波，限制并 归一化噪声功率。设其传输函数为 h ( f ) =辰抄刮 0 ，l 厂一丘l ( 2 3 ) 根据采样定理，对一个信号( 带宽等于) ，进行时长为丁的采样，能够用 2 册个采样值近似表示。如果该信号是低通的，可以通过1 2 形的间隔对信号 进行采样，本文仅考虑这种情况。而如果是窄带带通信号，则可以通过1 2 形的 间隔对信号的正交调制分量进行采样2 3 1 。 2 t w 玎( f ) ，z fs i n c ( 2 w t f ) ，0 帆) 如( 胁帮 ( 2 1 1 ) 其中 q m ( 口，6 ) ：c c ( 兰) m - 1x e 一下l 一。( a x ) d x ( 2 1 2 ) o a 为广义的m a r c u mq 函数( g e n e r a l i z e dm a r c u mqf u n c t i o n ) 。上不完全g a m m a 函 数( u p p e ri n c o m p l e t eg a m m af u n c t i o n ) f ( a ，x ) = i ，e - t t ”1 d t ，r e ( a ) 0 。 m， 由式子( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) n - t 矢h ，影响只和只的主要有时宽积，信噪比厂和门限 值五。通过一定变形计算可以得到n = q 一( 尸r )