（通信与信息系统专业论文）认知无线电中mac层频谱感知机制的优化.pdf

摘要 认知无线电中m a c 层频谱感知机制的优化 专业：通信与信息系统 硕士生：黄际彬 指导老师：戴宪华教授 摘要 随着3 g 时代的到来，无线通信技术的应用范围越来越广，对无线频谱资源 的需求迅速增加。而基于固定频谱分配的方案使得有些频段利用率高，有些频段 利用率低。分配不当制约了无线通信业务的发展。认知无线电技术在时间和空间 上能充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决频谱拥挤或分配不当的问题， 提高频谱利用率，因而得到了广泛的关注。 本文从阐述认知无线电基本概念出发，分类介绍了目前认知无线电的关键技 术，为论文研究奠定了理论基础。 第三章对认知无线电m a c 层频谱检测管理方面的研究进行了分类整理，特 别详细论述了检测时长、检测周期的优化。该原理知识是开展论文研究的基本点， 通过分析目前技术方案存在的不足，为接下来提出新的算法做好铺垫。 本论文的第四章提出了一种新型的多用户轮流检测机制，即认知用户连续不 断地轮流检测授权用户频段。当授权用户再次出现或者撤离频谱时，认知用户能 及时获取信息、进而采取相应的操作。多用户轮流检测机制为各认知用户合理分 配检测时长，不仅满足各认知用户的传输需求，而且最大化提供对授权用户的保 护能力，从而实现传输效率和监听授权用户性能双赢的目的。该算法根据检测周 期长度能否依据认知用户的检测能力而改变分为可变轮询周期情况和固定轮询 周期情况两种。仿真结果表明，在两种方式下，多个认知用户通过协作共享相互 摘要 间的信息，均可有效缩短对授权用户的平均干扰时间和漏失接入机会的平均时 间。相对于多用户协作检测机制，能获得更高的性能增益。 关键字：认知无线电，合作频谱感知机制，轮流检测，检测时长 a b s t r a c t o p t i m i z a t i o no fm a c - - l a y e rs p e c t r u ms e n s i n g m e c h a n i s m si nc o g n i t i v er a d i o m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ： j i b i nh u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i a n h u ad a i a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to f3 ge r a , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e d e x t e n s i v e l y , w h i c hc a u s e st h ed e m a n df o ri n c r e a s i n gs p e c t r u mr e s o u r c e s f i x e d s p e c t r u ma l l o c a t i o nm e t h o dh a sr e s u l t e di nh i g hu t i l i z a t i o no fs o m el x m d sa n dl o w u t i l i z a t i o no fs o m eb a n d s m i s a l b c m i o nc o n s t r a i n e dt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e c o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yc a nn o to r d yf u l l yu s et h o s ei d l e s p e c t r u mr e s o u r c e si nt i m ea n ds p a c e ，b u ta l s os o l v et h ep r o b l e mo fs p e c t r u m c o n g e s t i o na n dm i s a l l o c a t i o ne f f e c t i v e l y i nt h i sp a p e r , f i r s t l y ，w ed e s c r i b et h eb a s i cc o n c e p to fc o g n i t i v er a d i oa n dt h ek e y t 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 e c o n d l y , i ns e c t i o n3 ，w ei n t r o d u c em a c l a y e r s p e c t r u ms e n s i n gm a n a g e m e n ti nc o g n i t i v er a d i oa n dd i s c u s s e dt h eo p t i m i z a t i o no f s e n s i n g t i m ea n ds e n s i n gp e r i o di nd e t a i l t h i r d l y , i ns e c t i o n4 ，b ya n a l y z i n gt h ed e f i c i e n c i e s o fc u r r e n t s e n s i n g m e c h a n i s m s ，w ep r o p o s em u l t i u s e rs e n s i n gi nt u r nm e c h a n i s m , w h i c hn e e d s s e c o n d a r yu s e r sc o n t i n u o u s l yt os e n s ea u t h o r i z e ds p e c t r u mb a n di nt u r n w h e n p r i m a r yu s e rr e t u r no re v a c u a t et h eb a n d ，s e c o n d a r yu s e r sc a l lc o l l e c ti n f o r m a t i o na n d t a k ea p p r o p r i a t ea c t i o n t h en e ws e n s i n gm e c h a n i s ma l l o c a t e ss e n s i n gt i m ef o r i i i s e c o n d a r yu s e l sr a t i o n a l l yi no r d e rt om e e tt h es e c o n d a r yu s e l s n e e do ft r a n s m i s s i o n a n di m p r o v et h ea b i l i t yt op r o t e c tp l 盘n a r yu s e r t h en e ws e n s i n gm e c h a n i s mi s d i v i d e di n t ot w ok i n d so fs i t u a t i o n s ，f l e x i b l es e n s i n gp e r i o da n df i x e ds e n s i n gp e r i o d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e ws e n s i n gm e c h a n i s mc a no b t a i nab e t t e r p e r f o r m a n c et h a nt h em u l t i - u s e rc o o p e r a t i v es e n s i n gm e c h a n i s m k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gm e c h a n i s m ，s e n s i n g i nt u r n ，s e n s i n gt i m e i v 论文原创性声明 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴做作者鹕墨嵛嘭 日期o d fo 年多月手日 学位论文使j h 授权说明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并 向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利f 1 的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被企阅，有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位僦糍：童研。嘭 兰孙群 导师箍名：一盼i 眵亏斫、 日期：j d d 年多月午日u 、j i i 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 随着3 g 时代的到来，无线通信技术迎来了又一个大发展时期，它所提供的 业务也从单一的低速话音业务向宽带多媒体业务扩展。与此同时，频谱资源紧张 的状况变得越发突出。频谱资源紧张并不是因为所有的频段都已经处于快饱和的 状态，而是有些频段利用率高，有些频段利用率低。 究其原因是因为目前采用的固定频谱分配制度，该制度将频谱分为授权频谱 和非授权频谱。像广播电视就是使用授权频段，这部分频谱资源比较多。而像常 听到的蓝牙、无线局域网等技术就工作在非授权频段。其频谱资源相对较少。随 着上述无线通信业务的迅猛发展，非授权频段趋渐饱和。但大部分已授权的频谱 却未得到充分使用，对频谱资源造成了大量浪费。根据美国联邦通信委员会频谱 政策任务组提供的相关数据显示，当前频谱使用效率低于3 5 1 1 1 。由此可以看出， 现在使用的固定频谱分配的方法是不合理的，导致资源利用率低下，成为无线通 信发展的瓶颈。所以如何再利用不可再生的频谱资源，如何有效提高频谱资源利 用率，越来越受到各界的关注。 低的频谱资源利用率和有限的可用频谱决定了对现有频谱的开发需要一种 新的通信技术。基于此，有学者提出的具备“频谱感知能力的认知无线电 ( c o g n i t i v er a d i o ) 技术，能实现对空闲频谱资源的充分利用，达到解决频谱资源 分配不均的目的。 认知无线电技术在从理论走向实用的过程中有许多关键技术未得到有效解 第一章引言 决。对授权用户的保护问题、认知无线电网络的安全问题、跨层设计问题等都是 影响其快速发展的主要障碍。这其中，比较关键急需解决的问题是如何设计优良 的频谱感知技术准确感知空闲频谱、及时检测授权用户的出现和撤离。 本文研究成果可直接应用于设计和构建新型认知无线电系统，不仅能在工作 中迅速发现授权用户的出现，确保不对其产生有害干扰，还能及时发现空闲频段， 提高频谱利用率，具有广泛的应用前景。 1 2 研究现状 当前对认知无线电的研究主要集中在欧美国家的高校和科研机构中。比较有 代表性的有： a 美国伯克利无线研究中心 该研究中心提出c o r v u s 系统【3 l 。并通过自己建立的仿真平台对各种认知 无线电算法进行了仿真分析。此外，还研究认知无线电技术的各种应用可行性1 4 。 b 美国r u t g e r s 大学w i n l a b 实验室 该实验室一方面与其它机构一起研发认知无线电实验平台【5 】，另一方面研究 频谱接入算法和相关协议【6 】。 c 德国卡尔斯鲁厄大学 主要开发了一个基于正交频分复用技术的动态频谱接入频谱池系统吲。该研 究极大的促进了认知无线电由理论迈向应用的步伐。 d 美国国防高级研究计划署 美国国防高级研究计划署的工作主要是制定认知无线电的相关管理标准。并 对认知无线电中的关键技术进行框架性的研究【8 】。 e e 2 月( e n dt oe n dr e c o n f i g u r a b i l i t y ) 项目 2 第一章引言 该项目由摩托罗拉、西门子、法国电信公司和英国的几所大学联合参与，主 要研究动态网络规划管理、高级频谱管理和联合资源管理1 9 j 。 f i e e e i e e e 8 0 2 2 2 的主要任务是制定相关的标准，让没有v h f u h f 频谱使用权 的设备可以在该频谱上通信而不对广播电视产生干扰1 1 0 l 。 综上所述，随着世界各国的高校、组织、机构纷纷开展相关的研究，认知无 线电技术从纸上的概念一步步迈向具体实现，已在诸多方面发挥了作用，为更合 理有效的利用频谱资源做出了努力和共享，成为近些年通信领域研究的热点。 1 3 选题意义及目的 认知无线电技术的首要步骤是检测周围授权频段，判断是否有授权用户占用 频谱工作，再依据这些检测结果，通过一些学习和决策算法，自动调整其设备的 传输功率和调制技术等参数。由此可见，对周围无线频谱环境快速、准确的检测 是提高系统频谱利用率同时保护授权用户免受干扰的重要前提和核心环节。认知 无线电频谱检测技术的分类按检测功能所在位置可分为物理层检测和m a c 层检 测。 物理层检测的研究主要是设计和改进分析处理无线通信信号的方法。最常见 的三种经典物理层检测算法包括匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳特征检 测。除此之外，还有像多精度检测法、基于协方差矩阵的检测、循环功率检测算 法等一些新型的物理层检测算法 2 1 。在这一方面各地的高校、科研机构也研究得 比较深入。与此相反，目前关于认知无线电m a c 层检测方面的研究相对较少。 这方面主要是研究检测时长、检测周期、检测模式和检测信道策略的选取与优化 等问题【1 1 】。而m a c 层检测在认知无线电频谱检测中的作用相当重要，因为物理 层检测除了受到外部噪声、干扰、多径、阴影等因素的影响，还会受到自身检测 3 第一章引言 设备能力的限制，不能及时精确地获取授权频谱的状态信息。所以需要通过m a c 层检测来提升性能，其中对频谱检测机制的优化可以及时发现授权用户的出现与 撤离，在充分保护授权用户的基础上利用授权频谱。这是本文研究m a c 层频谱 感知机制的意义所在。 在认知无线电系统中，若站在授权用户的角度考虑问题，自然希望授权用户 尽可能少的被认知用户干扰，两者碰撞不仅降低授权用户的传输效率，更影响用 户体验。 本文的目的旨在研究一种多用户轮流检测机制算法，最大限度的保护授权用 户免受干扰同时充分利用频谱机会。该算法让认知用户在检测周期内轮流的检测 授权信道，并根据设计的原则为检测的各用户合理分配检测时长，既让检测周期 的每一个时间点都有认知用户在检测授权频段，又满足各认知用户的传输需求。 1 4 论文的主要研究成果 本文对认知无线电中m a c 层频谱感知机制进行了深入的研究，在总结当前 m a c 层频谱检测管理技术的基础上提出了自己的算法。论文的主要研究成果有 以下两个方面： 1 、对当前领域内认知无线电m a c 层频谱检测管理的研究作了更加深入的 分类整理，研究分析了其中应用较广的方法，特别对认知用户检测时长、检测周 期的优化算法进行了定性和定量的探讨，提出了m a c 层频谱感知机制中存在的 关键技术问题。 2 、通过研究认知无线电m a c 层频谱检测管理，找出多用户协作频谱感知 机制存在的不足，再从授权用户的角度出发提出一种新的m a c 层频谱感知机制 多用户轮流检测机制。在检测周期内连续不断地监控授权频段的使用情况， 即保证在检测周期内，都有认知用户在检测授权频段。多用户轮流检测机制根据 4 第一章引言 系统需求按不同原则为各认知用户合理分配检测时长，不仅满足各认知用户的传 输需求，而且最大化提供对授权用户的保护能力，从而实现传输效率和监听授权 用户性能双赢的目的。该算法能比较快速、及时地收集授权频段信息。一旦授权 用户出现，认知用户就撤离授权频段，避免对授权用户造成干扰；一旦授权频段 空闲，认知用户就重新占用该频段传输数据，减少频谱损失机会。算法在具体应 用中又分为可变轮询周期和固定轮询周期两种情况，本文分别作了详细比较，对 性能进行了深入分析。此外，为适应高信噪比环境，本文对轮流检测算法又进行 了改进，实现系统在吞吐量和公平性上的折中。仿真结果表明，多用户轮流检测 机制比多用户协作检测机制更能有效的保护授权用户，且使认知用户获得更多的 频谱机会。 1 5 论文结构 本论文结构安排如下： 第一章引言 首先介绍论文研究背景、研究现状、选题意义及目的，让读者有初步印象， 再阐述本论文的主要创新点和结构安排。 第二章认知无线电系统原理 先是认知无线电系统概述，再分节介绍频谱感知、频谱决策、频谱共享和频 谱移动性管理等认知无线电关键技术。 第三章认知无线电m a c 层频谱检测管理研究 对认知无线电网络的m a c 层关键技术中m a c 层频谱检测管理方面的研究 进行详细介绍，特别对检测时长和检测周期的优化做了深入分析。为接下来多用 户轮流检测机制的研究打下基础。 第四章多用户轮流检测机制 在分析多用户m a c 层频谱检测机制的基础上，提出一种新型的多用户轮流 5 第章引言 检测机制。保证在检测周期内，都有认知用户在检测授权频段。改善对授权用户 的干扰并有效降低了平均漏失频谱机会。 第五章结束语 总结论文所作的工作，并指出存在的问题及后续工作的建议。 6 第二章认知无线电系统原理 第二章认知无线电系统原理 2 1 认知无线电基本概念 j o s e p hm i t o l a 博士在1 9 9 9 年8 月发表的一篇学术论文【1 2 】中首先提出了认知 无线电的概念。他认为认知无线电是一种可以通过检测、学习周围环境来自适应 调整内部通信参数的智能无线通信系统，能够检测出频谱的忙、闲状态、并将数 据移到空闲频段上传输。同时自动改变传输参数以适应信道的动态变化，从而提 高通信的稳定性以及频谱利用率。此外，他又提出频谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 的概念【1 3 | 。并在2 0 0 0 年的博士论文答辩中对该理论做了详细探讨【圳。他还在该 概念的基础上提出了相应的模型1 2 1 。如图2 - 1 所示。 7 i a j 冠b 默i l l 框架 基于模型的推理 7、“- 、- 一、 均衡模块 i 天线h 射频端h 调制解调器l !f 信息安全l 各种联系 用户接口基带 j、 一、? 、 软件无线电 、- ? 软件模块 调制解调器，均衡器等 协议栈，控制 软件 ；i 。| jj ； t。j | t|j 厘律 f、| 天线 h 射频端卜一调制解调器h 信息安全h 基带 h用户接口 图2 1m i t o l a 的概念模型 此外，著名学者s i m o nh a y k i n 教授在2 0 0 5 年发表的一篇论文1 1 5 】中也对认知 无线电作了定义，他认为认知无线电通过使用人工智能技术分析无线环境中的频 谱特性，实时改变传输功率和调制技术等参数，使其内部状态适应接收到的无线 信号的统计性变化，以达到可靠通信。基于此，s i m o nh a y k i n 教授还给出了相 应的认知推理模型【2 】，如图2 2 所示 8 第二章认知无线电系统原理 发射机接收机 图2 - 2s i m o nh a y k i n 的认知推理模型 以上两位学者对认知无线电的基本概念作了很好的诠释，为后人的继续深入 研究奠定了坚实的基础。 2 2 认知无线电技术特点 从上述介绍可以看出认知无线电的技术特点是：能感知、学习周围的无线环 境，能自动调整系统参数以适应环境的变化，能重构系统功能模块从而充分利用 频谱资源。以下将通过和两种无线通信技术的相互比较来进一步认识认知无线电 的技术特点。 1 、与超宽带技术的区别和联系 超宽带( u w b ，u l t r a w i d e b a n d ) 技术顾名思义就是在很宽的频谱上传输数 据，它的脉冲宽度为纳秒或亚纳秒级。这样的特点使它具有信号功率低、不易检 测、系统复杂度低等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军 9 第二章认知无线电系统原理 事通信。主要不足是发射功率过小限制了其传输距离，因此u w b 更多地是应用 于短距离的工作环境。 u w b 的超宽带特性虽然可以使它与其他通信系统共用频段，但对该频段上 其它窄带通信系统的干扰也不可避免，并且自身也将受到其它系统在某频段的强 干扰。目前对此的解决思路是优化设计u w b 脉冲信号波形，利用自适应编码、 调制、比特交织、波束成形和功率控制等抑制干扰技术来减少对其他窄带系统的 干扰。但从许多实验结果来看，该方法对脉冲波形的要求非常高，因为考虑的因 素较多，很难保证每一方面的要求都被满足。所以有一种新的思路是将认知无线 电与超宽带技术相结合，通过频谱感知技术得到频段的先验信息来指导u w b 的 数据传输，从而提高频谱利用的灵活性，有效减少对其他通信系统的干扰( 1 1 l 。 目前，已经有科研机构将认知无线电技术和超宽带技术相互结合设计出了认 知超宽带( c u w b ) 无线通信系统，该系统利用认知无线电能够智能感知周围 无线环境的技术特点来克服超宽带技术传输距离短的缺陷。它依据所检测得到的 频谱信息，自适应地调整脉冲波形和发射功率。与此同时，u w b 技术的高速传 输特性也帮助认知无线电解决了物理层相关检测调制的难题。 2 、与软件无线电的区别和联系 软件无线电( s d r ，s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 是一种可重新编程或者可重构 的无线电系统。在其系统无需变更的情况下，可以根据需要通过加载新的软件模 块来完成新的功能。组成软件无线电的基本部件有天线、宽带射频转换器、a d 转换器、d a 转换器与数字信号处理器。 软件无线电的主要技术特点体现在软件化、模块化、灵活性和集中性。为了 适应变化的工作模式，它对射频部分进行了整合，以实现中频以后完全数字化处 理的目标，目的是使信号波形和调制方式的实时调整、信源编码、信道监控、信 道选择与加密处理等技术可以通过软件编程直接实现。此外，模块化的设计方式， 使得软件无线电在新的通信功能实现、更新升级上更加方便。 它的核心技术是宽带射频信号处理、数字下变频、宽带a d 转换器件、高 1 0 第二章认知无线电系统原理 速数字信号处理等f 埘，由于在天线侧实现了很多功能，则调制解调、基带处理等 工作就可以通过软件来实现。所以计算速度、存储量和数据处理方式对软件无线 电的发展起着至关重要的作用。 由上可知，软件无线电关注的是采用软件方式实现无线电系统信号的处理， 而认知无线电强调的是无线终端对周围环境的感知、分析、学习和推理，并根据 相应结果调整系统工作的参数，实现最佳适配。可以说，认知无线电实际上是软 件无线电与频谱监控和管理的有机结合m 。在认知无线电发射一方，通过感知 周围无线环境来获得频谱状态信息，选择其中的空闲频段主动向接收方发送通信 链路建立信号。在认知无线电接收一方，首先对工作频段内的无线频谱进行自主 搜索，对截获的联络信号进行分析识别和解码，如果发现信号格式匹配就立即建 立起通信链路实现通信。所以，认知无线电是智能化的软件无线电。 2 3 认知无线电关键技术 2 3 1 频谱感知 频谱感知的目的一是快速准确地发现在时域、频域以及空域上的频谱空穴， 为认知用户机会占用空闲频段进行通信提供前期信息。二是监控授权用户是否再 次出现，将结果及时通知认知用户，以避免占用授权频谱通信的认知用户对其产 生干扰。 频谱感知技术大致可以分为单节点检测和多用户合作检测两大类。 a 单节点检测 单节点检测也叫发射机检测。通过认知用户的局部感知报告，检测来自授权 用户发射源的微弱信号。其模型可以定义为一个二元假设问题【1 斟，即： 第二章认知无线电系统原理 般x ( t 麓黧础， 陋1 ， 【q ：) = s ( f ) + 刀( f ) r 叫 式中：x ( t ) 是认知用户接收到的实际信号；s ( ，) 为授权用户发射信号；n ( t ) 为噪 声信号；h o 、局分别表示信道不存在、存在授权用户信号。 通常的检测方案有匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳特征检测三种。下 面将逐一介绍。 ( 1 ) 匹配滤波检测 匹配滤波器的检测方案主要通过对授权信号进行解调或者导频检测实现 f 1 9 j 刚。但该检测方案需要大量的授权用户信号的先验知识，而且q p s k 、q a m 、 c d m a 混合信号发送过来时，检测就比较困难。 ( 2 ) 能量检测 能量检测属于信号的非相干检测，它不同于匹配滤波检测，无需知道信号的 先验知识。所以相对来说实现起来比较简单，只需对时域信号的采样值求模平方， 或对f f t 转换得到的频域信号求模平方【2 l 】，再将平方后的结果与一定的门限值 比较即可实现检测。 ( 3 ) 循环平稳特征检测 调制信号一般都具有某种程度上的周期性，其统计特性诸如均值和自相关都 呈现出周期性，而噪声是不相干广义平稳信号，所以我们可以利用调制信号的循 环平稳特性来检测嘲。 b 多用户合作检测 由于单节点频谱检测面临信道的阴影效应和多径效应等问题，导致单个认知 用户检测授权频段上授权用户是否存在的不确定性增加，从而降低了单个认知用 户检测授权用户的精确性，使之很难达到系统要求的性能。协作频谱感知则充分 利用认知用户间的合作来弱化以上的不利因素，从而提高系统的检测概率、降低 系统的虚警概率，或者在性能指标一定的情况下缩短检测时间 2 3 1 。认知无线电系 统中实现基于合作的频谱检测可采用分布式多用户合作检测和协作分集式合作 检测两种方式。 1 2 第二章认知无线电系统原理 ( 1 ) 分布式多用户合作检测 该方式下各认知用户将检测的原始信息或者判决结果通过控制信道发送给 中央节点，再由中央节点根据相关准则如o r 、a n d 、k 秩等对上传的检测信息 进行数据融合，并完成最终的频谱决策。由于综合了多个认知用户的检测信息， 阴影、噪声、多径的对系统的影响被有效分散，进而提升了检测性能。其中优化 参与合作的认知用户数、选择合适的融合决策算法都是这方面研究的重点。 ( 2 ) 协作分集式合作检测 该方式主要采用类似a dh o c 网络和无线传感器网络中的中继放大协议来提 升认知用户的检测灵敏度。当两个认知用户在进行检测时，若某个用户距离授权 用户较远，或受到阴影效应影响导致检测能力较弱，则由感知能力强的用户为其 提供中继服务，放大转发接收到的授权信号，缩短其检测时间。该方案同样可以 扩展到多用户网络的情况【2 4 】嘲。 c 接收机检测 接受机检测中的干扰检测技术采用干扰温度的概念来判别，所以要建立相应 的干扰温度模型，并规定在未超出设定的干扰门限的情况下可以使用该授权频 段。除干扰检测技术之外，另一种方法是在授权用户接收机附近布置大量的传感 器节点，利用本振泄露功率来检测授权接收机的存在。该方法能有效解决授权接 收机的隐终端问题。 2 3 2 频谱决策 认知无线电网络要求具备根据认知用户的q o s 需求在可获得的频谱中选出 最合适的频带的能力，即频谱决策能力。 频谱决策与信道特性和授权用户的操作密切相关。此外，它还影响网络中其 他认知用户的活动。频谱决策通常由两步骤组成：第一步，根据认知用户的检测 和授权用户的统计信息对每段频谱进行特征描述。第二步，基于这些特征描述， 1 3 第二章认知无线电系统原理 选择最合适的频段。接下来，对这两步骤进行详细介绍。 第一步：因为每个空闲频段的特性都是动态的，所以空闲频谱必须根据其频 谱环境的时间变化和授权用户的活动特征以及工作频率和带宽等频带信息进行 特征描述。因此，定义诸如干扰等级、信道误码率、路径损耗、链路层延时和信 道占用时间等参数来说明特定频带的性能【勰】。 第二步：基于q o s 需求和空闲频谱的频谱特性，选择最合适的频段给认知 用户使用，其相应的传输模式和传输带宽也需要重新配置。授权用户活跃度概念 的提出是为了更好的描述认知无线电网络的动态特性，它是用来定义授权用户出 现的概率。因为认知用户在传输阶段时授权用户很可能会重新占用该频段，所以 考虑授权用户多久出现一次是非常必要的。因为授权用户有自身的传输需求，所 以认知用户想在相当长时间段内占用授权频段通信是不太可能的，此外，认知用 户检测到的任何单频带并不都能满足用户需求。因此，认知用户同时占用多个非 连续的频带来传输，这种方法不仅能提高数据吞吐量，而且减少了授权用户和认 知用户之间的干扰。 在频谱决策研究的过程中，仍然有很多挑战的地方，需要我们继续努力，这 其中包括： 全方位的决策模型：如何利用信噪比及其它对信道质量产生影响的特性参数 来全方位的描述信道，从而建立完善的频谱决策模型。例如对基于o f d m 的认 知无线电网络的决策模型的搭建。 合作情况下的重配置：通过同时使用调制技术、功率控制等方法在某个频段 内对传输参数进行重配置，以达到最优化传输的目的。 对多样化频段的频谱决策：在授权频段和非授权频段上进行联合决策，以实 现决策框架的通用性。 2 3 3 频谱分配 1 4 第二章认知无线电系统原理 认知无线电系统中各认知用户的优先级、q o s 要求都不一样，而且可用频谱 资源的集合和认知用户数的集合随时间也在不断变化，为了公平而有效率地分配 有限的频谱资源，优化网络性能，就必须建立相应的模型来分配频谱。常用的研 究模型有博弈论模型、图论着色模型、干扰温度模型和拍卖竞价模型例。 a 博弈论模型 博弈论常常被应用于研究具有竞争现象的问题，在经济学、生物学等方面有 着广泛的应用。用它来分析多个认知用户竞争有限频谱资源的分布式行为可以灵 活解决分配问题。各认知用户根据自己和其他博弈者的情况进行决策，通过用户 间相互协商使系统性能最优及自己的效益最大化。当前研究表明，设计体现用户 在某个特定信道上获得的性能增益的效益函数是构建博弈论模型的关键环节，相 应的信道分配算法是否存在收敛点直接影响着博弈结果的分析例。模型中效益函 数的选择不是唯一的，但一般选择对于某个特定的应用具有物理意义的函数，并 且还要保证算法具有均衡收敛特性。 b 图论着色模型 图论通过图形中的点和线来分析各事物之间的某种特定关系。图论着色模型 是将认知无线电系统中的用户用顶点来表示，各用户之间的干扰用线来代表，整 个认知用户组成的网络拓扑结构就被抽象成图。与顶点相连的集合表示该顶点所 在区域可以使用的频谱资源。此外，如果图中的某两个顶点有一条边连接，则说 明这两个用户之间存在干扰，不能同时使用相同的频谱。实际应用中，授权用户 的负载变化和用户的移动性会使网络的拓扑结构发生变化。网络中的节点会通过 实时的信息交互来更新数据库里的网络拓扑信息。 c 干扰温度模型 干扰温度是干扰的功率及其相应带宽的一个量度，引入这个概念便于管理干 扰，避免发射功率过大对授权用户产生影响。该模型的基本思想是根据系统确定 的给定区域给定频段上的可容忍干扰大小的上限，来限制接收功率，使得任何使 用该频段的认知用户必须保证其信号发射不会使得该频段的干扰温度超过给出 的干扰温度限。 d 拍卖竞价模型 1 5 第二章认知无线电系统原理 该模型的特点是信令开销小，在兼顾分布式行为的同时又具有集中控制的性 质。拍卖竞价模型中，作为协调控制端的中心节点是拍卖人，认知用户是投标者。 在一次拍卖回合中，每个投标者根据自己的传输数据需求对可用于分配的频谱资 源投多个价，而不是为每个资源各自投标。如果中标，则该用户能够获得该空闲 频谱的使用权。该模型可以最大化认知无线电网络的收益，提高系统效率。与其 他的分配机制相比，它的优势是只需很少的信令交换以及计算开销【3 1 1 。 2 4 本章小结 本章主要介绍了认知无线电系统原理，对这项被称为“未来最热门 的无线 技术进行研究，为接下来的论文工作做好铺垫。首先阐述了认知无线电基本概念， 接着对认知无线电的技术特点进行了分析，着重将认知无线电与超宽带技术和软 件无线电技术分别进行对比，找出它们之间的区别与联系。最后，对认知无线电 的关键技术进行了简要的介绍，包括频谱感知、频谱决策和频谱分配。 1 6 箍= 章“知无线屯m a c * 额带持* 日n 第三章认知无线电m a c 层频谱检测管理研究 认知无线电m a c 层频谱检测管理主要研究对检测参数和检测荒略进行选取 和优化，由于自身检测能力的限制认知用户不可能实现全频段、实时的检测 这就需要m a c 层检钡9 机制控制物理层执行检测，以提高认知用户对频谱的检测 性能和检测效率。目前m a c 层频谱检测管理的研究主要关注检测时长和检测周 期的设置、检测模式的选取、检测信道荒略的选取等。 3 1 检测时长优化 三二j 三互11 图3 - 1 认知无线电周期频谱感知的帧结构 第三章认知无线电m a c 层频谱检测管理研究 但是这样设计的帧结构会带来的问题是如何在帧长一定的条件下划分检测 时长与传输时长的比例。虽然缩短检测时长有利于相对增加一帧内传输数据的时 间，提高数据传输率，但检测时长缩短，会导致检测性能下降，碰撞概率增加， 对授权用户的保护能力变弱；反之增长检测时长，虽然可提高检测性能，但相应 传输时长变短，会导致认知用户的频谱利用率降低。检测时长长度的确定一方面 与底层硬件设备以及物理层检测算法直接相关，另一方面与授权用户或认知用户 所要求的频谱利用率、干扰程度及检测性能相关。m a c 层检测算法主要涉及后一 方面，在设备条件、检测算法已经给定的条件下按检测性能、吞吐量要求对检测 时长做进一步计算和优化。下面将详细介绍相关的算法。 p w a n g 提出了在最大化认知用户的频谱利用率的前提下计算最优检测时长 的算法1 3 2 1 ，算法提出所基于的工作模型如图3 - 2 t 一检测周期 图3 2 认知用户的工作模型 下式为推导的优化算法 t 7 = a r g m 。a ，xt p - ，t 1 ( 1 一弓( 乃) ) ( 3 1 ) 其中乃是感知时长，乃是检测周期，弓是虚警概率。由于式中弓( 乃) 函数 不易表达，很难求出优化公式，所以作者提出用基于穷尽搜索的数值优化算法处 理该问题，仿真得出的数值结果显示优化检测时长可获得最佳的信道利用率。 当认知用户检测的授权子频段不是一个而是多个时，考虑的工作模型就要相 应发生变化。在单信道条件下认知用户检测到授权用户再次出现后就停止传输， 进入静默期，并等待下一次检测周期的感知结果。而在多信道条件下，认知用户 将搜索检测其它授权信道，如果空闲可继续传输数据。 1 8 第三章认知无线电m a c 层频谱检测管理研究 1 瓦 7 、r1r 信道感知数据传输信道感知寻找新的空闲信道数据传输信道感知 山 生奠卜 图3 - 3 插入感知及利用空闲授权用户信道 图3 - 3 所示的检测模型相比于图3 - 2 的认知用户工作模型多出了搜索新的空 闲信道这个阶段，则在最大化认知用户吞吐量的前提下计算最优检测时长的算法 也相应的发生了改变【3 3 】。优化频谱感知将分为两个阶段，第一个阶段是信道搜索 优化，在搜索新的空闲信道阶段的平均检测时长为 k = 只丁5 善后( 1 一= 上o - e ；) ( 1 - u ) ( 3 - 2 ) 其中，n 代表信道总数；表示信道空闲允许认知用户传输的概率，g 表示 信道搜索时的误警概率，丁5 为该阶段感知单个信道的时长。平均检测时长可通 过公式( 3 - 3 ) 进行优化。 ，= 鹕霉身高晶 第二个阶段是信道监控优化，优化算法如下 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 其中，霉是感知时长，乃是检测周期，元砌为寻找到新的空闲信道所需要 的平均检测时长。 上述文献着重从提高认知用户吞吐量的方面考虑，忽略了对授权用户的保 护。为综合这两方面，文献 3 4 从检测概率出发，保证授权用户能被正确检测到， 从而保护授权用户不被干扰 驰一_ q “毒中1 ) 器) ( 3 _ 5 ) 其中，7 为认知用户接收端测量的授权用户信噪比，z 为噪声方差，z 为采 1 9 觚加 m 五 g 盯 = 巧 第三章认知无线电m a c 层频谱检测管理研究 样频率，检测门限值占可由目标检测概率求解出，所以检测概率乃和虚警概率弓 可通过目标概率值来表达。于是，优化问题可近似的表示为 m ，a x r ( f ) = 丁t - c o ( 1 一弓( f ) ) p ( 风) ( 3 - 6 ) s 2 ( r ) 尼 ( 3 7 ) 其中，p ( s o ) 为授权用户不存在的概率；c o 为授权用户不存在时认知用户的 吞吐量；露为授权用户被充分保护时的目标检测概率。 文献1 - 3 5 j 则是考虑授权用户被认知用户干扰的时长，经过转化建立关于的 目标函数来进行优化处理，算法如下 t ，= a r g m d a x st + c f 。 ( 3 8 ) 豇) = 彘 l | i ： 忙忙闲忙闲用闲忙 用用 图3 - 7 宽频带上子信道忙闲分布图 认知用户为搜索空闲信道所采取的策略包括，随机搜索策略即认知用户随机 检测某个信道是否空闲，如果该信道忙，认知用户又随机选择另一个信道进行检 测，若检测到空闲信道则停止搜索；串行搜索策略即认知用户按照一定的顺序依 次对信道进行检测，直到发现空闲信道为止，其中串行搜索的起始信道是随机选 取的；n 步串行搜索策略即是以n 个子信道为步长的串行搜索，n j , 于平均空闲信 道数l ，以确保不会漏失空闲信道簇。认知用户每次仅检测n 个相邻信道中的一个 信道，若发现空闲信道则停止检测。研究发现当授权信道状态分布规律满足相关 马尔可夫模型时，相邻信道间的信道占用规律具有一定的相关性1 4 3 1 。与随机检测 策略相比采用n 步串行搜索机制在保证检测性能的情况下降低了检测时间。并且 生玩生吃 二 二 一1 一，l ，_llit，、_-illti_l 第三章认知无线电m a c 层频谱检测管理研究 当相邻信道间信道占用规律相关性较高时，性能增益相当可观。 信道检测顺序的排序可以帮助认知用户从最可能空闲的授权信道开始检测， 从而缩短寻找空闲频谱的平均延时。基于授权用户频谱利用率的升序和基于更新 定理中的剩余寿命理论对各信道进行检测是目前采用比较多的两种信道检测排 序方法。前一种是认知用户先检测授权用户频谱利用率最低的信道，再检测利用 率较低的信道。该方法直观、简单，但对认知用户的信道预测能力要求较高。后 一种是根据授权用户信道状态分布的历史信息等先验知识，预测该授权信道在下 一时刻处于空闲的概率，并依据该概率对授权信道进行检测【3 6 1 ，即先检测空闲概 率最高的信道，再检测空闲概率较高的信道。该方法更加精确、有效，但由于需 要大量的授权信道历史信息，所以计算复杂度较大。此外，在对要检测的信道进 行排序之前可通过有限空间部分观察马尔科夫决策过程中的部分观察和迭代学 习模型对授权频谱跟踪学习即】，获取可能空闲频谱的信息，从而确定最优的信道 检测集合。认知用户再在该优化集合内进行排序，就能进一步减少能量开销，缩 短检测时延，提高检测性能。 3 4 本章小结 作为认知无线电技术的核心问题，认知用户快速、准确的检测频谱使认知无 线电技术得以更好的推广和应用。认知无线电m a c 层频谱检测管理就是通过指导 物理层频谱检测算法的正确执行，更好的实现这一目标。在本章，分节阐述了 m a c 层频谱检测管理的主要研究方向：检测时长优化、检测周期优化和检测策略 的研究。详细介绍了相关的算法和研究成果，分析存在的问题。 第四章多用户轮流检测机制 第四章多用户轮流检测机制 在认知用户检测授权用户的过程中，因为认知用户网络与授权用户网络是相 互独立的，之间没有频谱利用信息的交互，这就需要认知用户快速、准确的检测 频谱【蝤l 。一方面能减少与授权用户的碰撞，另一方面能迅速定位频谱空穴供认知 用户使用。 认知用户由于受到自身传输需求、消耗能量的限制，不可能一直检测频谱。 目前的感知机制采用固定感知间隔机制，或者可变间隔的感知机制，虽然这些 算法能有效的控制检测成本，减少认知用户的检测能量，但在对授权用户的保护 和减少漏失频谱接入机会这两方面仍然没有太大的提升。究其根本，是没有连续 不断地检测授权用户频段，当授权用户再次出现或者撤离频谱时，认知用户不能 及时获取信息。进而难以采取相应的操作，造成对授权用户的干扰和频谱资源的 浪费。 在检测周期中，认知用户一般是先检测后传输的模式。依据感知阶段的检测 结果来控制传输阶段的操作，而在传输时段内没有对授权用户感知。但是，授权 用户的出现是随机的，在检测周期每个时刻出现的概率都相等，要想克服上述问 题，就得时刻保持对授权用户的监控。 本章从保护授权用户和减少漏失频谱接入机会的角度出发，给出了多用户轮 流检测授权用户频段的数学模型，并提出相应的多用户轮流检测机制算法。仿真 表明，相对于多用户协作检测机制，多用户轮流检测机制能有效的降低对授权用 户的平均干扰时间并且减少漏失接入机会的平均时间。 第p n q 章多用户轮流检测机制 4 1 系统模型 在这一节中，将描述多用户轮流检测机制系统框架，给出认知无线电网络中 相关的感知模型，所有这些模型将在接下来的算法描述和仿真分析中使用。 4 1 1 系统描述 在类似i e e e 8 0 2 2 2 的认知无线电系统中，授权用户占用宽频带传输数据， 多个认知用户分别占用其中不同的子频带传输数据，它们随机分布在基站( b s ) 的周围。如图缸1 所示，各认知用户在距离授权用户不远处，拥有不同的感知精 确度即检测授权用户信号所用时长不等。如果这些认知用户协作检