（通信与信息系统专业论文）认知无线电中的频谱感知技术研究(2).pdf

摘要 摘要 本论文研究了认知无线电中的频谱检测技术。认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ， c r ) 作为一种革命性智能频谱共享技术，可显著提高频谱的使用率，近年来受到 了人们的广泛关注。组建实际认知无线电网络需要解决的核心问题是：如何准确 地识别频谱空穴并检测授权用户出现。因此，作为解决这一问题的频谱感知技术 是决定认知无线电能否实现的关键技术之一。 目前，频谱检测技术的研究主要包含两方面：一是本地频谱检测技术，即， 根据单个认知无线电节点接收的信号，检测其所处无线环境的频率占用状态；二 是多点协作频谱检测技术，即，通过多个认知用户间的合作，提高检测灵敏度和 检测可靠性，并降低对单节点的性能要求。本论文围绕这两个方面展开了研究。 论文在第二章系统总结了现有的频谱感知技术。首先总结了针对发射机检测 的单节点检测算法和协作检测，并分析了本地检测算法的优缺点。接着介绍了针 对接收机检测的干扰检测和本地振荡器的能量泄露检测两种方法。 在论文第三章中，重点研究了本地频谱感知技术之周期循环检测算法。论文 提出了两种复杂度较低的改进方案，并基于载波对周期特性的贡献，将接收射频 信号下调到中频，对中频信号进行周期特性检测，减少了检测时间，提高了信号 的检测灵敏度。论文以陆地数字广播电视( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ， d v b t ) 为应用场景，比较了几种单节点算法的性能，验证了基于周期特性的检 测算法的高效性。 论文第四章研究了协同频谱感知及其数据合并技术。根据本地节点传送的检 测数据类型的不同，将数据融合分为本地判决结果的融合和本地检测数据的融合 两种类型，也分别称之为硬合并和软合并。针对前者，论文研究了一种软化的硬 合并方案，其思想为将本地检测结果判决为两个比特后进行数据传输合并。针对 后者，论文研究了最优线性合并、最大比合并、等增益合并等软合并方案。另外， 基于协同频谱感知的系统结构，从降低能量消耗和降低信息传输错误两个方面考 虑，论文引入了分簇机制到协同频谱感知系统中来，提出了基于分簇的协同频谱 感知方式。该方案在每一个簇中选择具有最好信道条件的认知用户作为簇头，收 集簇中用户的检测数据，发送到融合中心，以此减少数据的传输错误，获得选择 分集增益。仿真表明：基于分簇的协同频谱感知方案和普通的协同频谱感知方案 i 摘要 相比，具有一定的性能优势。 最后，论文在第五章中对全文进行了总结，指出了进一步的研究方向。 关键词：认知无线电，频谱感知，周期特征检测，协同频谱感知，数据合并 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yi n v e s t i g a t e st h es p e c t r u ms e n s i n gt e c h n i q u ei nc o g n i t i v er a d i o c o n t e x t a sar e v o l u t i o n a r ys m a r ts p e c t r u ms h a r i n gt e c h n o l o g y , c rc a l ls i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o na n dd r a wm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nw i t h i nt h e s ey e a r s t h ec o r ep r o b l e mo fc o n s t r u c t i n gt h ea c t u a lc o g n i t i v er a d i on e t w o r k si sh o wt of i n dt h e s p e c t r u mh o l ea n di d e n t i f yt h el i c e n s eu s e r s s os p e c t r u ms e n s i n g ，a sas o l u t i o nt ot h i s p r o b l e mp l a y sa v i t a lr o l ei nc rr e a l i z a t i o n a tp r e s e n t , t h es p e c t r u md e t e c t i o nt e c h n o l o g ym a i n l yi n c l u d e st w oa s p e c t s o n ei s t h el o c a ls p e c t r u md e t e c t i o nt e c h n o l o g y , t h a ti s ，as i n g l en o d ed e t e c t st h ef r e q u e n c y o c c u p a t i o ns t a t eb a s e do ni t sr e c e i v e ds i g n a l t h eo t h e ri sm u l t i p l en o d e ss e n s i n g ，t h a ti s ， c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n ga m o n gm u l t i p l e n o d e sc a ne n h a n c et h ed e t e c t i o n s e n s i t i v i t ya n dd e t e c t i o na c c u r a c ya n dr e d u c et h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fs i n g l e n o d e i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h e s et w oa s p e c t s i nc h a p t e r2 ，a no v e r v i e wo ft 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 i q u e si nc ri s p r o v i d e d a tf i r s t ，s o m el o c a ls p e c t r u ms e n s i n gs c h e m e sa n dc o o p e r a t i v es p e c t r u m s e n s i n gw h i c hb e l o n gt ot r a n s m i t t e rt e s t i n gi nc o g n i t i v er a d i on e t w o r ka r ei n t r o d u c e d ， a n dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fl o c a ls p e c t r u ms e n s i n g a r ea n a l y z e d r e s p e c t i v e l y a n dt h e nr e c e i v e rt e s t i n gi n c l u d i n gi n t e r f e r e n c e b a s e dd e t e c t i o na n dl o c a l o s c i l l a t o rl e a k a g ep o w e rd e t e c t i o ni sp r e s e n t e da n dd i s c u s s e d c h a p t e r3f o c u s e so nt h ec y c l o s t a t i o n a r y b a s e dd e t e c t i o n d u et ot h ed i s t r i b u t i o no f c a r r i e rt ot h ec y c l o s t a t i o n a r yf e a t u r e ，w ep r o p o s et w ol o w - c o m p l e x i t yd e t e c t i o n m e t h o d si nw h i c ht h er e c e i v e ds i g n a li sd o w nt oi f c y c l o s t a t i o n a r yf e a t u r eo fo f d m s i g n a l si se x p l o r e da n dd e t e c t i o no fd v b - ts i g n a l si ss t u d i e d c o m p a r e dt oo t h e rl o c a l s p e c t r u ms e n s i n gm e t h o d s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc y c l o s t a t i o n a r y b a s e d d e t e c t i o na l g o r i t h ma c h i e v e sg o o dp e r f o r m a n c e i nc h a p t e r4 ，t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h ec o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n ga n di t sd a t a f u s i o nt e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tt y p eo fl o c a ls e n s i n gd a t a , t h ed a t af u s i o n c a nb ec l a s s i f i e di n t ot w ot y p e s ：t h el o c a ls e n s i n gd e c i s i o nf u s i o n ( a l s oc a l l e dh a r d c o m b i n a t i o n ) a n dt h el o c a ls e n s i n gd a t af u s i o n ( s o f tc o m b i n a t i o n ) i nh a r dc o m b i n a t i o n , i i i t 1 1 i s 也e s i sr e s e a r c h e sas o f t e n e dh a r dc o m b i n a t i o nn a m e d t w o b i tf u s i o ns c h e m e i ns o r c o m b i n a t i o n 。t h i st h e s i s s t u d i e st h e o p t i m a l l i n e a rf u s i o nr u l e ，m a x i m a l r a t i o c o m b i n a t i o na n de q u a lg a i nc o m b i n a t i o n a tl a s t ，i no r d e rt oi m p r o v et h es e n s i n g p e r f o r m a n c ew h i c hc a nb es e v e r e l yd e g r a d e dw h e nt h e s e n s i n go b s e r v a t i o n s a r e f o 删a r d e dt of u s i o nc e n t e rt h r o u g hf a d i n gc h a n n e l s ，w ea p p l yt h ec l u s t e r i n gm e t h o d i n t o c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gb yf o r m i n ga l lt h es e c o n d a r y u s e r si n t oaf e wc l u s t e r sa n d s e l e c t i n gt h em o s tf a v o r a b l eu s e ri ne a c hc l u s t e rt or e p o r ts e n s i n gr e s u l t s t h i sm e t h o d c a ne x p l o i tt h eu s e rs e l e c t i o nd i v e r s i t ys ot h a tt h es e n s i n gp e r f o r m a n c ec a n b ee n h a n c e d w ee m p l o yb o t ht h ee g cs o f tc o m b i n a t i o ns c h e m ea n dt w ob i th a r dc o m b i n a t i o nt o i m p r o v et h ed e t e o r i o np e r f o r m a n c ea n dr e d u c et h et r a n s m i t t i n go v e r h e a d c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a ls e n s i n gs c h e m e ，n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s i n gp e r f o r m a n c e i si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y f i n a l l y , i nc h a p t e r5 ，t h et h e s i s o ft h et e x ti ss u m m a r i z e d ，p o i n t i n go u tt h e d i r e c t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，s p e c t r u m s e n s i n g ，c y c l o s t a t i o n a r y f e a t u r e d e t e c t i o n ，c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g 。d a t ac o m b i n a t i o n 图目录 图目录 图2 1 频谱感知功能实现过程7 图2 2 频谱感知算法的分类8 图2 3 能量检测器。1 0 图2 - 4 噪声不确定度下的能量检测性能曲线1 0 图2 5 对主用户接收机造成的不确定性1 5 图2 6 隐藏终端问题16 图2 7 认知用户的合作网络中a f 协议模型示意图19 图2 8 中继协议19 图2 - 9 干扰温度模型2 0 图2 1 0 本地振荡器的能量泄漏检测的一般模型2 2 图3 1f a m 算法结构框图2 8 图3 - 2 循环谱的支撑域31 图3 3 基于时域导引信号的滑动相关算法框图3 3 图3 4 基于循环前缀内的导引信号的滑动相关算法3 4 图3 5d v b t 检测算法的性能比较( 检测时间为1 7 9 2 m s ) 。3 4 图3 - 6d v b t 检测算法的性能比较( 检测时间为1 1 2 m s ) 3 5 图4 1 协同频谱感知网络结构3 8 图4 2 两比特硬合并机制的原理4 1 图4 3 硬合并算法的性能比较4 3 图4 啊4 线性加权合并算法机制4 4 图4 5o p t m d c 与s c 算法在不同假设下的概率分布函数比较 ( n = 4 , m = 10 0 0 ，盯2 。= 1 ) 4 8 图4 6 几种软合并算法的性能比较5 0 图4 7m d c 、m r c 和e g c 算法的漏检概率v s s n r 的性能比较5 l 图4 8 软合并检测性能比较图5 2 图4 9 基于分簇的协同频谱感知结构图5 4 图4 1 0 不同c r 用户数目下的发送错误比较5 5 图4 1 1 在非理想信道下不同分簇数目间的平均检测错误概率的比较5 6 图4 1 2 基于分簇的协同频谱感知性能5 9 表目录 表目录 表2 1 单节点频谱感知技术比较1 4 表2 2 节点数与感知灵敏度的关系示意图1 7 表3 - 1 基于周期特性的感知算法的复杂度3 2 v i i i 缩略词表 缩略词表 a w g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e加性白高斯噪声 b e rb i te r r o rr a t e误码率 b sb a s es t a t i o n 基站 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 c r c o g n i t i v er a d i o 认知无线电 c s c y c l o s t a t i o n a r ys i g n a l 周期平稳信号 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理器 d v b t d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l 陆地数字广播电视 f c cf 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联邦通信委员会 i d f ti n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶逆变换 i f f t i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶逆变换 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 nu n i o n国际电联 1 2 r i n s t i t u t ef o ri n f o c o m mr e s e a r c h新加坡电信研究院 l f b l i c e n s e df r e q u e n c yb a n d s授权频段 l ol o c a lo s c i l l a t o r本地振荡器 m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 m sm o b i l es t a t i o n移动台 m r cm a x i m a lr a t i oc o m b i n a t i o n最大比合并 n p r mn o t i c eo f p r o p o s e dr u l e m a k i n g建议规则制定通告 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 正交频分复用 s d r s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o软件无线电 s m s p e c t r u mm a n a g e r 频谱管理器 s p 邗 s p e c t r u mp o l i c yt a s kf o r c e 频谱政策特别工作组 s u s e c o n d a r yu s e r 次用户 u f bu n l i c e n s e df r e q u e n c yb a n d s非授权频段 u w bu l t r a - w i d eb a n d 超宽带 v h f i7 h f v e r yh i g hf r e q u e n c y u l t r ah i g hf r e q u e n c y 甚高频超高频 w i m a xw - 0 r l di 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微波接入全球互操作 缩略词表 哏a n 慨n w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k x 性 无线区域网 无线个域网 符号表 符号表 符号类别 示例 变量a 矢量a 转置( ) 1 共轭 ( ) 转置共轭 ( ) 爿 矢量循环卷积x o y 序列最大值对应的自变量参量a r gm a x 当且仅当 i 行 x i 字体和说明 小写斜体 小写粗体 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 垄睦左幺刍日期：沙舞多月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔硷导师签名： 签名：厶猫垄垒 导师签名： 日期：年月 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着无线通信技术的飞速发展，无线用户的数量急剧增加，可用频谱资源变 得越来越稀缺。当前的绝大多数频谱资源都是采用固定分配的模式，由专门的频 率管理部门分配特定的授权频段( l i c e n s e df r e q u e n c yb a n d s ，l f b ) 以供不同的通信 业务使用。而对于另外一些工作在非授权频段( u n l i c e n s e df r e q u e n c yb a n d s ，u f b ) 的通信业务，如无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 技术、无线个域 网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 技术等，由于其近几年发展迅速，导致 这些网络所工作的非授权频段逐渐趋向饱和。这就出现了这样的事实：某些网络 频谱资源相对较少但其承载的业务量很大，而相当多的已授权的频谱并没得到充 分的使用。以美国为例，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 , f c c ) 在2 0 0 2 年出版的报告【l 】指出，已分配的频谱利用率为1 5 8 5 。美国伯克 利无线电研究中心测得的频谱利用图也指出，已经分配的3 g h z 以下的频谱资源中 多达7 0 未被充分利用 2 1 。由此可以看出，频谱资源的紧张是由不合理的频谱管 理政策造成的，这种基于固定频谱分配的情况极大地浪费了频谱的效率。有限的 可用频谱和低的频谱资源利用率使得开发一种新的优化使用频谱的无线通信方式 变得十分必要p j 。 为了解决上述矛盾，一种智能频谱共享技术认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ， c r ) 就应运而生了，它自提出就引起了业界的极大关注。c r 用户对目标频段连续 的监测，检测出未被主用户使用的频段，非授权的用户从而可以“伺机”接入这 些空闲频谱。而一旦主用户重新使用该频段，c r 用户必须在规定的时间内退出该 频段，以避免对授权用户产生干扰。认知无线电实现了不可再生频谱资源的二次 利用，可以有效的提高频谱利用率，它为如何在有限频谱资源条件下提高频谱使 用率这一无线通信难题开辟了一条新的途径。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 研究背景及意义 1 2 1 认知无线电技术 j o s e p hm i t o l a 博士基于软件无线电技术以及人工智能的思想提出了认知无线 电的概念，并详细描述了认知无线电系统工作的认知环模【4 儿5 1 。m i t o l a 博士提出的 认知无线电是软件无线电的特殊扩展，结合了应用软件界面和认知等功能。 自m i t o l a 博士首次提出c r 的概念并系统阐述c r 的原理后，不同的机构和学 者从不同的角度给出了c r 的定义，其中比较有代表性的有f c c 和s i m o nh a y k i n 教授的定义。f c c 认为“c r 是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无 线电”【6 】。f c c 的定义相对狭义，目前比较受大家的认同。s i m o nh a y k i n 教授则 认为：“c r 是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技 术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数( 比如传输功率、载波频率和调制技 术等) ，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任 何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用【7 j 。 由定义可以看出，认知无线电的一个最大优势就是无线用户可以通过该技术 实现“频谱共享 ，以此解决频谱资源紧张的状况。c r 技术的实现需要频谱管理 政策的支持，对此，一些频谱管制部门给予了积极支持。2 0 0 3 年1 1 月，f c c 提 出了新的量化和管理干扰的指标值干扰温度的概念，并于1 2 月正式成立了认 知无线电工作组。2 0 0 4 年5 月，f c c 正式发布一项建议规则制定通告( n o t i c eo f p r o p o s e dr u l e m a k i n g ，n p r m ) ，允许未授权用户在不影响授权用户业务的前提下， 通过基于认知无线电的技术使用电视广播频段中的空闲无线资源。 一些标准化组织也积极参与到认知无线电技术研究和标准化进程当中。2 0 0 4 年11 月，美国电气电子工程师学会( 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 e e e ) 正式成立了世界上第一个基于认知无线电技术的空中接口标准化组织 i e e e8 0 2 2 2 工作组。8 0 2 2 2 无线局域网( w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k s ，w r a 工作组的任务是为没有v h f u h f 频谱使用许可的设备制定基于认知无线电的物 理层和链路层空中接口( a i ri n t e r f a c e ) 标准，以使这些设备能够工作于v h f u h f 频 段而不对电视广播业务产生干扰。目前，已基本形成i e e e8 0 2 2 2w r a n 技术标 准草案，其草案涉及物理层、介质访问控制层等关键技术。w t m a x ( w o r l d i 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 ，微波接入全球互操作性) 由于缺乏可用频段， i e e e8 0 2 1 6 专门成立了8 0 2 1 6 h 工作组，致力于通过认知无线电技术使w i m a x 2 第一章绪论 适用于u h f 电视频段，从而使其可以工作在免许可频段。于2 0 0 5 年成立的i e e e p 1 9 0 0 标准组则正在进行与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁 兼容研究。国际电信联盟( 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 , i t u ) 和软件无 线电论坛( s d rf o r u m ) 等组织也分别成立了认知无线电工作组或者通过了发展认 知无线电的议案。 目前，认知无线电技术得到了各界的关注，很多著名学者和机构都开始了认 知无线电相关技术的研究，并启动了很多相关的重要研究项目。例如德国高校提 出的频谱池系统、美国加州大学b e r k e l e y 分校研究组开发的c o v u s 系统、美国 军方d a r p a 的x g 项目( 下一代通信) 、欧盟的e 2 r 项目、w n l a b 的“开放频 率使用的认知无线电 和“认知无线电平台”等。在这些项目的推动下，在基本 理论、频谱感知、数据传输、频谱管理、网络架构和协议等领域已经取得了一些 成果瞵j 。i e e e 专门组织了两个重要的国际年会( i e e ec r o w n c o m 和i e e ed y s p a n ) 交流这方面的成果，许多重要的国际学术会议和期刊开始刊发关于认知无线电的 专辑。2 0 0 5 年，我国把认知无线电技术的研究纳入了“8 6 3 计划课题”，国内的多 所大学( 如电子科技大学、北京邮电大学等) 也相继开展了对认知无线电技术的 研究，并取得了一定的进展。2 0 0 8 年初，中国“国家9 7 3 计划”，在信息领域研究 专项中启动了认知无线网络基础研究。 从目前国内外对认知无线电技术及网络的研究来看，可以说，认知无线电已 经成为了当前移动通信的一个“大事件”，是未来无线通信产业发展的方向。 1 2 2 认知无线电中的频谱感知技术 认知无线电得以实现的一个重要前提是要具有频谱感知能力。通过对周围环 境进行频谱检测，查找能够用来进行认知无线电系统业务通信的频谱空洞。同时， 为了不对主用户造成干扰，认知用户在利用频谱空穴进行通信的过程中，需要能 够快速的感知到主用户的再次出现，及时进行频谱切换，腾出信道给主用户使用， 或者继续使用原来的频段，但需要通过调整传输功率或改变调制方式来避免干扰。 频谱感知可以通过检测主用户的发射机或者接收机来实现【9 】。f c c 提出通过对 接收机的干扰温度来衡量噪声和认知用户在授权用户接收机处的影响【5 】。认知用户 根据自身的发射功率、位置信息等，估计在原有环境噪声的基础上由于认知发射 机辐射功率造成的对授权用户接收机处的干扰温度。这样，认知无线电的发射基 站就可以有意识地控制信号发射功率，使接收端接收信号功率接近其噪声电平。 3 电子科技大学硕士学位论文 然而干扰温度的估算面临一系列的技术难题【1 0 】【1 0 1 ，到目前为止，还没有一种切实 可行的干扰温度测量模型及方法。 除干扰温度估计外，另一种更加直接的方法是利用本振泄露功率来检测授权 接收机的存在。文献 1 1 】【1 2 】 1 2 】提出了利用电视接收机内部的本地振荡器( l o c a l o s c i l l a t o r ，l o ) 产生的反向泄漏，认知用户可以定位授权用户接收机的位置，从 而解决授权接收机的隐终端问题。该方法需要事先在授权用户接收机附近布置大 量的传感器节点( 传感器节点功耗受限、有效检测距离短) ，同时还需采用匹配滤 波进行相干检测，这些因素都限制了该方法的实际应用。 发射机检测是一种保守的频谱感知方式，它将导致很大的主用户保护区和很 低的检测门限i _ 1 3 】【1 4 】。在2 0 d b 甚至更低的信噪比( s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ，s n r ) 下， 可靠检测概率要达到9 9 9 ，这对频谱感知是个很大的挑战。传统的本地频谱感知 算法有匹配滤波、能量检测和周期特性检测等【1 5 】。【1 7 1 ，这些算法已发展得相当成熟， 且各有优缺点，本文第二章将对这些单节点的频谱感知算法逐一进行介绍。对于 其中的基于周期特性的检测算法，本论文进行了重点研究，将在本文第三章进行 详细介绍。 基于本地的频谱检测方法只检测授权用户发射机信号。这样会使位置不确定 的授权用户接收机可能受到干扰；另外受无线信道衰落的影响将不可避免存在隐 藏终端问题。而本地检测能力本身也有一定的限制，为有效解决这些问题，采用 多个c r 用户合作检测可显著提高检测性能。合作检测允许多个认知用户之间进行 信息的交互，利用c r 网络中认知用户相对授权发射机地理位置的不同所构成的空 间分集，显著提高频谱感知的敏捷性和可靠性，并解决隐藏终端问题。目前对合 作检测的研究主要集中提高检测灵敏度和检测数据融合算法上。 对于前者，g a n e s a n 等人提出在多用户单载波和多用户多载波情况下，c r 网 络通过引入放大中继( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 合作分集协议，中继用户转发数据 的同时放大、转发接收到的授权用户信号，使在检测周线边缘的认知用户可接收 到经放大、转发的授权用户信号，从而减少检测时间，提高网络的灵活性【1 8 】- 【2 0 1 。 但他们的前提条件是假设用户的位置已知，在实际的认知网络中，认知用户的移 动性将使得获取用户位置信息具有一定难度。 检测数据融合方式可以分为硬合并和软合并两种类型。目前，常用的硬合并 算法为“或”、“与”和“k 秩 等算法。在这些算法中，各本地节点主用户信号 是否存在的判决结果( 通常是“0 ”或“l ”) 发送到融合中心，中心采用硬合并规 则对上述判决结果进行合并，并做出最终判决【1 5 】- 【1 7 】。硬合并方法实现简单，传输 4 第一章绪论 开销小，但是性能一般，且很容易受到恶意用户的干扰。与硬合并对应的是软合 并算法，采用软合并时，本地节点直接将检测数据或者其它一些有用的信息完整 的传送至中心节点，中心节点选取相应的算法融合这些信息【2 l j - 【2 5 1 。由于软合并综 合了大量信息，因此具有较好的性能，但其需要较大的传输带宽来传送信息，这 对本着节约频谱资源出发的认知无线电来说，系统开销需求过大。因此，很多文 献提出了各种减少系统开销的办法。如文献【2 6 提出本地检测采用两个判决门限， 落在两个门限之间的检测数据由于可靠性不高，将不发送到融合中心。文献 2 7 】 提出了一个投票机制，具有一定信任度的用户才发送检测信息。而文献 2 8 贝j j 提出 了一种软化的两比特硬合并方法，本地采用用三个门限将检测到的能量值判决为 两个比特并传送至中心节点，中心节点在此基础上进行合并判决，该算法在传输 开销和检测性能取了一个折中。基于减少传输信息量的出发点，文献【2 9 】提出了具 体的数据量化方法，提出了局部最优量化和动态均匀量化两种方案，并将此量化 方案运用到了最优似然比检测中，该算法需要估计先验值以达到最优的性能，在 时不变系统下数据通过量化到较少比特的就可取得最优的性能，但在时变系统中， 由于估计算法的局限性会降低检测性能。 1 3 主要研究内容和贡献 本文的主要研究内容为认知无线电中的频谱感知技术。论文的主要贡献如下： ( 1 ) 针对o f d m 信号，研究了基于周期特性的本地频谱感知技术，并提出了两 种复杂度相对传统周期特性检测较低的检测方案。基于载波对周期特性的 贡献，提出了将接收射频信号下调到中频，通过对带通信号进行周期特性 检测，减少了检测时间，提高了对信号的检测灵敏度。该算法与现存的频 谱感知算法相比具有明显的性能上的优势。 ( 2 ) 研究了协同频谱感知中的检测数据融合方案。分析比较了最优的线性融合 算法、最大比合并等软合并算法和软化的两比特硬合并算法。 ( 3 ) 在协同频谱感知中，针对实际认知环境中，认知用户到融合中心的传播信 道会因为衰落和噪声等原因而引起传输数据错误。将分簇机制引入到协同 频谱感知，提出了基于分簇的协同频谱感知方案。通过选择信道条件好的 用户来发送信息，以此减小信道的衰落和噪声引起的传输错误概率。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 4 本论文的结构安排 本章对认知无线电的概念进行了简单阐述，介绍了认知无线电和频谱感知的 研究背景。 在第二章中，本论文将总结认知无线电中的频谱感知技术。首先介绍几种重 要的单节点频谱感知算法，包括能量检测、周期特性检测、匹配滤波检测和基于 协方差矩阵的检测，并对几种本地感知算法进行了比较。然后通过分析单节点频 谱感知在认知无线电系统中的局限，分析了合作检测带来的性能增益，以及目前 在合作检测方面的主要研究的两个方向。相对于以发射机为中心的检测技术，将 介绍美国加州大学伯克利分校的学者和f c c 分别提出的以接收机为中心的本振泄 露检测方法和干扰温度估计方法。 在第三章中，论文将详细讨论基于周期特性的感知技术。首先给出周期特性 的基本理论和概念。在此基础上，分析了o f d m 信号的周期循环特性。针对周期 信号的特点，为了减小周期特性算法的计算复杂度，论文提出了两个新的感知方 案。本章进一步提出了一种新的周期特性检测方案，该方案将信号调制到中频， 对通带信号进行周期特性检测，以提高检测性能。最后，在d v bt 电视信号的应 用场景下，对该算法进行了仿真和性能分析。 在第四章中，本论文将研究认知无线电中的协同频谱感知。该章首先给出了 认知无线电中的数据融合的系统模型。然后分别讨论了协同感知中数据融合的硬 合并和软合并融合算法，并分别进行了仿真和性能分析。最后针对协同频谱感知 中，感知数据在传输中由于的传输信道衰落引起的性能下降，研究了基于分簇的 协同感知方案。该方案通过引入分簇来减小衰落和噪声引起的数据传输错误。最 后，本章对该方案进行了仿真和性能分析。 在论文第五章中，对全文工作做了总结，给出了一些待研究的方向。 在全文的研究工作中，所有的算法验证仿真都基于m a t l a b 仿真平台。 6 第二章认知无线电中的频谱感知技术 2 1 引言 第二章认知无线电中的频谱感知技术 作为认知无线电物理层的关键技术，频谱感知的主要作用就是通过对特定频 段的监视和检测来确定可供次用户( s e c o n d a r yu s e r , s u ) 系统使用的信道【3 0 1 。以 集中式网络结构为例，频谱感知的实现过程如图2 1 所示。在频谱管理器( s p e c t r u m m a n a g e r , s m ) 的管理下，所有的节点共同对目标频段进行检测，检测数据被送入 中心节点并由中心节点进行数据的融合，最后将可用信道和不可用信道的信息送 入频谱管理器，m a c 将通过这些信息，选择出可供认知无线电系统使用的信道【3 l 】。 卜、a 叫 中心节点司 可用信道 k 厶 本地节点 八 频谱 频谱 _ ， 中心节点 r 管理器 1 信道选择 k 管理器 y 不可用信适 八八 叫 本地节点 司 n 图2 - 1 频谱感知功能实现过程 基于频谱感知的研究主要围绕着如何提高检测的灵敏度和准确性两个方面来 进行。要解决上述问题，除了改进射频前端的灵敏性外，还可以通过研究具有较 好性能的本地感知算法和采用协作频谱感知两个方向来进行。目前基于频谱感知 的研究主要就是集中在这两个领域。 一般来说，频谱感知技术可以分为发射源检测、合作检测和干扰检测，如图 2 2 表示。本章将首先介绍图2 2 中所示基于发射机检测的本地检测方法，并分析 这些算法的优缺点。其后基于单节点感知算法的局限性，我们将介绍能够克服单 节点感知缺点的合作检测，分析合作检测的性能和关键技术。最后，我们对基于 接收机检测的干扰检测和本地振荡器两种方法进行了介绍和讨论。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 单节点频谱感知算法 图2 2 频谱感知算法的分类 本地频谱感知的目的检测目标