（通信与信息系统专业论文）认知无线电协作频谱感知技术的研究.pdf

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科研成果。 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。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二t 耻 日期： 加队：；、沙 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：珥导师签名：雠日 期：地t ， 山东大学硕士学位论文 目录 中文摘要1 a b s t r a c t 3 英文缩略词5 第一章绪论7 1 1 课题的研究背景7 1 2 论文的主要工作9 1 3 论文的结构安排1 0 第二章频谱感知技术基础1 2 2 1 引言1 2 2 2 本地频谱感知技术13 2 3 能量检测一1 4 2 4 协作频谱感知技术l7 第三章基于带宽受限的分簇协作频谱感知技术2 2 3 1 引言2 2 3 2 基于带宽受限的分簇协作频谱感知2 2 3 2 1 系统模型2 2 3 2 2 归一化的平均感知比特率2 4 3 2 3 系统性能分析2 5 3 3 系统仿真及分析2 6 3 4 结论2 9 第四章基于空时编码方案的多用户协作频谱感知技术3 l 4 1 引言31 4 2 基于空时编码的协作频谱感知技术3 2 4 3 基于空时编码的鲁棒性多用户协作频谱感知技术3 4 4 3 1 固定分组方案的局限性分析。3 4 4 3 2 鲁棒性分组方案的设计3 5 4 3 - 3 鲁棒性分组方案的仿真与分析。3 7 山东大学硕士学位论文 4 3 4 仿真结果总结4 2 4 4 基于不同检测时问的协作频谱感知技术4 2 4 4 1 基于不同检测时间的感知方案4 2 4 4 2 基于不同检测时间方案的仿真与分析一4 5 4 4 3 仿真结果总结5 0 4 5 结论5 0 第五章总结与展望5 2 5 1 论文主要工作总结5 2 5 2 前景与展望5 4 参考文献、5 6 致谢61 攻读硕士期间的科研成果6 2 i i 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) 1 a b s t r a c t ( e n g l i s h ) 3 a b b r e v i a t i o n s 5 c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 7 1 1b a c k g r o u n d 7 1 2m a i nw o r k 9 1 3a r r a n g e m e n to f t h et h e s i s 1 0 c h a p t e r2c o r r e s p o n d i n gb a s i ct e c h n o l o g i e s 1 2 2 1i n s t r u c t i o n 1 2 2 2l o c a ls p e c t r u ms e n s i n g ：1 ：； 2 3e n e r g yd e t e c t i o n 1 4 2 4c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g i7 c h a p t e r3c l u s t e r - b a s e dc o o p e r a t i v es 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 ou n d e r b a n d w i d t hc o n s t r a i n t s 2 2 ：；1i n s t r u c t i o n 2 2 3 2c l u s t e r - b a s e dc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gu n d e rb a n d w i d t hc o n s t r a i n t s 2 2 3 2 1s y s t e mm o d e l 2 2 3 2 2t h en o r m a l i z e dn u m b e ro fs e n s i n gb i t s 2 4 3 2 3p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 2 5 ：；3s i m u l a t i o nr e s u l t s 2 6 3 4c o n c l u s i o n ：1 9 c h a p t e r4m 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 gb a s e do ns t b cs c h e m e 31 4 1i n s t r u c t i o n 31 4 2c 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 ns t b cs c h e m e 3 2 4 3r o b u s tc 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 ns t b cs c h e m e 3 4 4 3 1l i m i t a t i o no f t h ef i x e dc l u s t e r i n g 3 4 4 3 2t h er o b u s tc l u s t e r i n gs c h e m e 3 5 i i i 山东大学硕士学位论文 4 3 3p e r f o r m a n c ea n a l y s i so f t h en e ws c h e m e 3 7 4 3 4s i m u l a t i o nr e s u l t s 4 2 4 4c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gw i t hd i f f e r e n ts e n s i n gd u r a t i o n s 4 2 4 4 1t h es c h e m e 、析t l ld i f f e r e n ts e n s i n gd u r a t i o n s 4 2 4 4 2p e r f o r m a n c ea n a l y s i so f t h en e ws c h e m e 4 5 4 4 2s i m u l a t i o nr e s u l t s 5 0 4 5c o n c l u s i o n s 5 0 c h a p t e r5s u m m a r ya n de x p e c t a t i o n 5 2 5 1s u m m a r y 5 2 5 2e x p e c t a t i o n 5 4 r e f e r e n c e s 5 6 a c k n o w l e d g e m e n t 6 1 l i s to f p u b l i c a t i o np a p e r sa n dr e s e a r c hr e s u l t s 6 2 山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着无线通信技术的发展，非授权频谱资源竞争愈演愈烈。与此同时，大量 的实验资料显示，相当数量的授权频段的频谱利用率非常低。显然，频谱资源危 机的出现以及较低的频谱资源利用率将会成为限制未来无线通信技术发展的瓶 颈。此时，认知无线电凭借机会频谱接入方式可以实现频谱资源的共享而备受大 家关注。当然，认知无线电技术开展的前提是要保证授权频段上主用户的正常通 信不受干扰，因此，频谱感知技术成为认知无线电后续执行与决策的关键。为了 进一步提高频谱检测的可靠性，人们提出了协作频谱感知技术。另外需要注意的 是，有研究证明，当认知用户与基站之间的反馈信道条件较差时，协作频谱感知 技术在系统检测性能方面没有明显优势。由于实际的反馈信道一般是非理想的， 所以我们本文的研究主要基于非理想反馈信道条件。 在比较系统地学习了认知无线电的协作频谱感知技术之后，本文根据目前协 作频谱感知热点技术进行了改进和创新，给出了较详细的系统理论分析和大量性 能的仿真对比。主要工作如下： 第一，基于带宽受限的分簇协作频谱感知技术的研究。 考虑到控制信道带宽受限的影响，我们采用双门限能量检测方案只允许检测 信誉度高的认知用户参与簇内检测结果的反馈，降低了频谱感知中传输的平均感 知比特数。之后我们给出了系统检测性能的计算分析以及检测结果传输比特的公 式推导，并仿真验证基于带宽受限的分簇协作频谱感知方案用较小甚至可忽略的 系统检测性能损失来有效削弱系统整体对控制信道带宽的需求。 第二，基于空时编码方案的鲁棒性多用户协作频谱感知技术的研究。 考虑到系统检测性能受到参与空时编码的虚拟分组内交互信道条件的影响， 我们提出鲁棒性分组方案来克服固定临近分组的局限性，即充分利用认知用户之 间的交互信道互传检测结果的误码率来选择虚拟分组。在本文中，我们给出了鲁 棒性分组方案的实施流程图，并通过仿真验证了该方案对实际的信道环境更加具 有鲁棒性。 山东大学硕士学位论文 第三，基于不同检测时间的协作频谱感知技术的研究。 为了充分利用认知用户等待反馈时隙的静默时间，我们提出基于不同检测时 间的协作频谱感知技术，通过提高检测时间的有效性来提高系统检测性能。此外， 充分考虑检测性能提高对增加检测时间的灵敏度受检测信道状态的影响，我们依 据检测信道条件运用不同的检测时间进行频谱感知，以避免不必要的能量消耗。 仿真分析证明，新方案提高了系统检测性能。 关键词：认知无线电；协作频谱感知；带宽受限；鲁棒性；检测时间 2 山东大学硕士学位论文 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 s ，t h ec o m p e t i t i o nf o rt h e u n l i c e n s e ds p e c t r u mh a sk e p tg r o w i n gi n t e n s i v e l y w h i l e ，m u c hr e s e a r c hi n d i c a t e st h a t m o s tl i c e n s e ds p e c t r u mo r e nk e e p si d l ea n dh a sl o wu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y o b v i o u s l y , t h es p e c t r u mc r i s i sa n dt h el o ws p e c t r u mu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c yc o n s t r a i n t h e d 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 s a sap o t e n t i a ls o l u t i o nt os p e c t r u ms h a r i n g ， c o g n i t i v er a d i o ( c r ) t e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nw i t ht h e o p p o r t u n i s t i cs p e c t r u ma c c e s s s p e c t r u ms e n s i n gi sa ne s s e n t i a lt e c h n o l o g yt om a k e s n r et h a tt h eo p e r a t i o no ft h ec rs y s t e mh a sn oh a r m f u li n t e r f e r e n c et ot h en o r m a l p r i m a r yu s e li no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fs p e c t r u ms e n s i n g ，c o o p e r a t i v e s p e c t r u ms e n s i n gh a sb e e np r o p o s e d h o w e v e r , i ti ss h o w nt h a t , w h e nt h er e p o r t i n g c h a n n e l sb e t w e e nc o g n i t i v eu s e r sa n db sb e c o m ev e r yn o i s y , t h ec o o p e r a t i v es e n s i n g o b t a i n sn oa d v a n t a g e s i np r a c t i c e ，t h er e p o r t i n gc h a n n e l sa r ea l w a y ss u b j e c tt ot h e f a d i n ge f f e c t s i nt h i st h e s i s ，o u rs t u d i e sa r eb a s e do nn o n i d e a lr e p o r t i n gc h a n n e l s i nt h i st h e s i s ，w em a k et h ei m p r o v e m e n tt os o m ee x i s t i n gs c h e m e sa n dp r o p o s e s o m ei n n o v a t i o ni d e a so nc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gi nc o g n i t i v er a d i o ，n o to n l yl i s t t h et h e o r e t i c a la n a l y s i si nd e t a i l ，b u ta l s od i s p l a yt h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n d c o r r e s p o n d i n g r e s u l ta n a l y s i s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s f i r s t l y , c l n s t e r - b a s e dc o o p e r a t i v es 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 ou n d e r b a n d w i d t hc o n s t r a i n t si ss t u d i e d c o n s i d e r i n gt h a tt h ec o n t r o lc h a n n e l sa r eb a n d w i d t hl i m i t e d ，w ec a nj u s ta l l o wt h e s e c o n d a r yu s e r sw h oh a v ee n o u g hi n f o r m a t i o ni ne a c hc l u s t e rt os e n dt h es e n s i n g r e s u l t st oc l u s t e rh e a dw i t ht h es c h e m eo fe n e r g yd e t e c t i o nb a s e do nd o u b l et h r e s h o l d s i no r d e rt od e c r e a s et h ea v e r a g en u m b e ro fs e n s i n gb i t si nt h ep r o c e s so fs p e c t r u m s e n s i n g a n dt h e n , t h es e n s i n gp e r f o r m a n c ea n dt h en u m b e ro ft h es e n s i n gb i t so ft h i s s c h e m ea r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , t h ea v e r a g en u m b e ro f s e n s i n gb i t sd e c r e a s e sg r e a t l ya tt h ec o s to fal i t t l el o s si nt h es p e c t r u ms e n s i n g p e r f o r m a n c e s e c o n d l y , ar o b u s tm 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 gb a s e do nt h e s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) s c h e m ei st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n 3 山东大学硕士学位论文 c o n s i d e r i n gt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es t b cs c h e m ew i l lb ei n f l u e n c e dw h e n t h ei n t e r - c h a n n e lb e t w e e nt h es e c o n d a r yu s e r sw i t h i nt h ev i r t u a lc l u s t e ri sv e r yn o i s y , a r o b u s tc r u s e r s c l u s t e r i n gs c h e m ei sp r o p o s e dt oo v e r c o m et h el i m i t a t i o no ft h ef i x e d c l u s t e r i n g ，w h e r ew em a k eg o o du s eo ft h ei n t e r - c h a n n e li n f o r m a t i o nb e t w e e nt h eu s e r s i nt h i st h e s i s ，w ep r o v i d et h ef l o wc h a r t so ft h en e ws c h e m e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n d a n a l y s i ss h o wt h a t t h ep r o p o s e ds c h e m eh a sm o r er o b u s t n e s sa n dt h es e n s i n g p e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h i r d l y , c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g 、丽m d i f f e r e n ts e n s i n gd u r a t i o n si n c o g n i t i v er a d i os y s t e mi sd i s c u s s e d i no r d e rt om a k ef u l lu s eo ft h ei d l et i m ew h e nt h eu s e r sa r ew a i t i n gf o rt h e i r r e p o r t i n go r d e r s ，c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g 奶md i f f e r e n ts e n s i n gd u r a t i o n si s p r o p o s e dt oe n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c ew i t ht h em e t h o dt oi m p r o v et h et i m e e t t i c i e n e y w h i l e ，i ti sn o t a b l et h a t , b e c a m eo ft h ev a r i o u sd e t e c t i o nc h a n n e lc o n d i t i o n s ， t h es e n s i t i v i 够b e t w e e nt h es e n s i n gp e r f o r m a n c ea n dt h es e n s i n gt i m ei sd i f f e r e n t c o n s i d e r i n gt h i si s s u e ，w es e tt h ec l u s t e r sw i t hh i g hs e n s i n gs e n s i t i v i t ya d o p td i f f e r e n t s e n s i n gd u r a t i o n st or e d u c et h eu n n e c e s s a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a ni m p r o v et h es e n s i n gp e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y k 呵w 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 g ，b a n d w i d t hc o n s t r a i n t s ， r o b u s t ，d e t e c t i o nt i m e 4 山东大学硕士学位论文 c r p u i t u m ，a c 英文缩略词 c o g n i t i v er a d i o p r i m a r yu s e r 认知无线电 主用户 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国际电联 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 媒体访问控制 i e e ei 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 电气与电子工程师协会 i s m w l a n 佩删 【测 f c c 唧 珊 t v k n g r b s b h l o s b e r t d m a s t b c i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e s c a l工业，科学及医学 l e s sl o c a la r e an e t w o r k无线局域网 w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k无线城域网 w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k无线个人域网 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美国联邦通信委员会 u l t r a - h i g hf r e q u e n c y v e r y - h i g hf r e q u e n c y t e l e v i s i o n 超高频 甚高频 电视 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e加性高斯白噪声 b a s es t a t i o n c l u s t e rh e a d l i n eo fs i g h t b i te r r o rr a t e t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s p a c et i m eb l o c kc o d e 基站 簇首 视距 误比特率 时分多址 空时编码 5 山东大学硕士学位论文 姗 b p s k 6 s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g二进制相移键控 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 伴随无线频谱资源越来越紧张，基于认知无线电的机会频谱接入技术被认为 是未来无线通信技术实现动态频谱共享的重要途径。其中，频谱感知技术是认知 无线电技术开展的前提和关键，而协作频谱感知技术是频谱感知技术的重要延伸， 所以本文的主要内容是基于认知无线电协作频谱感知技术的研究。在本章中，我 们首先给出该课题的研究背景，然后介绍论文的主要研究工作，最后给出本文的 结构安排。 1 1 课题的研究背景 众所周知，无线频谱资源是一个国家的重要战略性资源。国际电联( i t l 0 规定， 无线频谱资源是指3 0 0 g h z 以下的电磁频谱。但是实际中，由于受无线通信技术、 机器设备以及电磁波传播特性等影响，目前已开发利用的频段也仅仅在几十g h z 左右【，足以见得，可用无线频谱资源总量非常有限。 现阶段，无线频谱资源的分配方式坚持固定频谱分配原则，国家实行统一管 理与分配。无线频谱被分为授权频段和非授权频段，并且大部分的频谱资源被用 来作为授权频段，非授权频段的频谱资源却要少得多【2 】。被授权占用授权频段的 用户成为对应频段上的主用户或者授权用户，可以优先使用该授权频段。未被授 权占用频段的用户被称为认知用户或者非授权用户，通过竞争接入方式使用非授 权频段。然而，这种固定频谱分配方式在频谱资源利用方面存在着不平衡性，主 要体现在以下两个方面： 第一，非授权频谱资源紧张。现代通信技术的发展总趋势主要体现在四个方 面：信息需求( 数据业务超过语音业务) ，经济需求( 分组交换超过电路交换) ， 技术需求( 软件超过硬件) 和个性需求( 移动超过固定) 【3 】。无线通信的发展自 然顺应该趋势，逐渐由单一业务向多媒体业务发展，另外用户数也极具膨胀，势 必造成通信业务的拥堵。为保证正常业务的开展，无线通信技术对数据速率的要 求自然越来越高。依据香农信息论原理，数据速率的提高意味着对频谱资源的需 求量也相应增加。因此，无线通信技术的发展( 特别是无线局域网( w l a n ) ，无线 7 山东大掌硕士学位论文 城域n ( w m a n ) 和无线个域n ( m p a n ) 的出现) ，造成了非授权频段日趋饱和。而 非授权频谱资源的紧张将会成为新兴无线通信技术发展的瓶颈。 第二，授权频段频谱利用率低。授权频段是为专用免干扰业务开通的频段， 如：移动通信频段，电视广播频段等。然而资料数据显示，相当数量的已授权频 谱资源的利用率非常低，如此则造成大量频谱资源的浪费1 4 。例如，美国联邦通 信委员会( f c c ) 瞪】频谱政策任务组撰写的报告数据显示，已分配频谱的利用率为 1 5 8 5 。同时，美国加州大学伯克利分校的实地测量数据及研究报告证实，时 域和频域上频谱资源高达7 0 未被充分利用，特别是在3 - 6 g h z 频段上频谱的使 用率竟然不到1 1 6 。 如上两个方面的结果不禁令人对当前频谱资源的分配制度的合理性产生质 疑，所以可推知现有的固定频谱分配方式是造成无线频谱资源相对匮乏的主因。 如何调解有限频谱资源与频谱资源利用率较低之间的矛盾是解决频谱危机的关 键。此时，认知无线电的概念应运而生1 7 1 ，m i t o l a1 9 9 9 年通过研究软件定义无线 电延伸提出认知无线电思想，他认为认知无线电是软件定义无线电的智能化，通 过感知外界的通信环境，不断学习，自适应的调解内部通信参数适应周围通信环 境，提高通信的稳定性和频谱利用率，同时通过无线电知识描述语言，基于模式 方式与网络进行智能交流 7 1 。 自认知无线电的概念提出，认知无线电技术的研究备受各国频谱管理部f - jr 羽， 标准化组织1 9 】以及学术界，产业界的关注，并不断地得到发展与完善。其中，认 知无线电的全速发展开始于电视广播频段的开放。认知无线电的核心思想是：在 保证授权频段中主用户正常通信不受影响基础上，具有认知功能的终端通过“机 会频谱接入方式 使用空闲的授权频段，从而达到提高现有频谱资源利用率的目 的【1 0 1 。因此，认知无线电的前提是要保证授权频段上的主用户能够正常通信而不 受干扰，这就需要频谱感知技术具有较高的可靠性和较高的检测速率。所以，频 谱感知技术是认知无线电的关键技术之一，而协作频谱感知技术是频谱感知技术 的重要延伸，充分利用空间分集原理，意在削弱多径衰落，阴影衰落和本地干扰 对检测信道的影响以及有效解决“隐藏终端问题，可以更加准确地区分信道经 历深度衰落还是出现频谱空闲的情况，以此提高整个认知无线电系统的检测性能。 8 山东大学硕士学位论文 鼍i i _ 1 一一一一一一 i i 昌皇曼曼! 鼍曼鲁詈鲁皇篁曼! 鼍 本文的主要内容都是基于协作频谱感知技术展开研究与讨论。我们将在下两 节给出本文的主要工作与内容安排。 1 2 论文的主要工作 本文主要研究认知无线电协作频谱感知技术三个方面的内容，即基于带宽受 限的分簇协作频谱感知技术，基于空时编码方案的鲁棒性多用户协作频谱感知技 术与基于不同检测时间的协作频谱感知技术，涉及到的主要内容如下： 首先，基于带宽受限的分簇协作频谱感知技术。分簇方案的提出一方面降低 了协作频谱感知过程中反馈信道对系统检测性能的干扰，另一方面有效削弱了认 知用户向基站反馈检测结果时对控制信道带宽的需求。但是我们注意到，簇内认 知用户向簇首传送检测结果时也会占用大量的带宽。所以考虑到控制信道一般是 带宽受限的，我们采用双门限能量检测方案挑选检测信誉度高的认知用户向簇首 传送检测结果，控制分簇内对控制信道带宽的需求。之后我们给出了检测信息传 输比特的计算分析以及系统检测性能的公式推导，并仿真验证基于带宽受限的分 簇协作频谱感知方案用较小甚至可忽略的系统检测性能损失来有效削弱系统整体 对控制信道带宽的需求。 其次，基于空时编码方案的鲁棒性多用户协作频谱感知技术。基于空时编码 的协作频谱感知技术可有效降低认知用户向基站反馈检测结果时的误码率，从而 削弱反馈信道对协作频谱感知过程的干扰。但是，考虑到系统检测性能受到参与 空时编码的虚拟分组内交互信道条件的影响，我们提出鲁棒性分组方案来克服固 定临近分组的局限性，即充分利用认知用户之间的交互信道互传检测结果的误码 率来选择虚拟分组。本文中，我们给出了鲁棒性分组方案的实施方案和过程，并 通过仿真验证了该方案对实际的信道环境更加具有鲁棒性。 最后，基于不同检测时间的协作频谱感知技术。为了使基站更容易区分接收 到的检测结果，基于空时编码的协作频谱感知技术要求虚拟分组采用t d m a 方式反 馈检测结果。然而，需要注意的是，此方案中等待反馈时隙的静默时间对系统性 能的提高没有任何贡献，如此造成时间的浪费。鉴于此，我们提出基于不同检测 9 山东大学硕士学位论文 时间的协作频谱感知技术，通过提高检测时间的有效性来提高系统检测性能。此 外，我们充分考虑检测性能提高对增加检测时间的灵敏度受检测信道状态的影响， 我们依据检测信道条件运用不同的检测时间进行频谱感知，避免了不必要的能量 消耗，并仿真验证了新方案明显地提高了系统性能。 1 3 论文的结构安排 上面已经简要介绍了课题的研究背景，本文的主要研究工作，下面给出本文 各个章节的主要内容安排： 第一章，绪论。主要介绍课题的研究背景，论文的主要研究工作以及论文的 内容结构安排等。 第二章，频谱感知技术基础。简单介绍一下频谱感知的分类，并给出本地频 谱感知的几种典型算法及优缺点比较，并详细介绍在认知无线电平台上运用较广 的能量检测以及性能分析。在此基础上，引出协作频谱感知技术的原理，并介绍 协作频谱感知方案受反馈信道的影响，总结出协作频谱感知过程中改善反馈信道 的必要性。 第三章，基于带宽受限的分簇协作频谱感知技术。本章中，为进一步降低对 控制信道带宽的需求，分簇内采用基于双门限能量检测进行本地频谱感知来控制 参与协作的认知用户数，并给出方案实现步骤。然后在此基础上，推导并得出检 测信息传输比特数以及认知无线电系统的性能理论表达式。最后给出系统仿真对 比，验证了新方案用较小甚至可忽略的系统检测性能损失可有效削弱系统整体对 控制信道带宽的需求。 第四章，主要包括两个部分内容，即基于空时编码的鲁棒性多用户协作频谱 感知技术与基于不同检测时间的协作频谱感知技术。在这章中首先介绍基于空时 编码的协作频谱感知技术的基本原理。然后，一方面分析固定虚拟分组对系统检 测性能的影响，并以此为基础，提出基于空时编码的鲁棒性多用户协作频谱感知 技术的方案实施方案和流程，并给出仿真分析与验证。另一方面研究得知，基于 空时编码的协作频谱感知方案下认知用户等待反馈时隙的静默时间没有被充分利 1 0 山东大学硕士学位论文 用而造成浪费。基于不同检测时间的协作频谱感知方案可通过提高检测时间的有 效性来提高系统检测性能。另外，鉴于系统检测性能的提高依赖于检测时间内检 测信道的状态，为避免了不必要的能量消耗，我们提出依据检测信道条件运用不 同的检测时间进行频谱感知，并仿真验证了所提方案对系统性能的提升。 第五章，总结与展望。在这一章，我们会对论文进行总结，并将对未来的研 究工作进行展望。 山东大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章频谱感知技术基础 认知无线电机会频谱接入是免许可接入授权频段，其前提是要保证该频段上 的主用户能够正常通信而不受干扰，这就需要频谱感知具有较高的可靠性和较高 的检测速率。因此，频谱感知技术是认知无线电的关键技术之一，并且是系统后 续决策与执行的前提。频谱感知技术的主要任务是对感兴趣的授权频段进行检测 从而确定该授权频段是否被主用户占用( 或者主用户在授权频段上是否正在通 信) 。由于认知无线电系统中的认知用户被动的检测授权频段，与主用户之间交互 较少，因此，现有的频谱感知算法主要基于检测频段内的主用户是否正在参与通 信而提出，本章我们对认知无线电技术的频谱感知算法进行简单介绍。图2 - 1 频 谱感知技术分为如下几类【1 】【l l 】： 频谱感知 本地频谱感知 协作频谱感知 主用户接收端 检测 主用户发送端 检测 图2 - 1 频谱感知技术分类 本地振荡器功率 泄露检测 干扰温度检测 匹配滤波检测 循环平稳特征检测 能量检测 显然，频谱感知技术主要分为本地频谱感知和协作频谱感知。其中本地频谱 感知是指单用户对感兴趣频段进行频谱检测，根据检测位置的不同可以分为主用 户接收端检测和主用户发送端检测。协作频谱感知技术在单用户频谱感知技术基 1 2 山东大学硕士学位论文 础上提出，是系统中多个认知用户共同参与的频谱感知，充分利用空间分集原理， 意在削弱多径衰落，阴影衰落和本地干扰对检测信道的影响以及有效解决“隐藏 终端 问题，可以更加准确地区分信道经历深度衰落还是出现频谱空闲的情况。 接下来，我们首先简要介绍本地频谱感知几种检测算法的优缺点，然后详细给出 应用较广泛的能量检测技术的原理，最后在此基础上介绍协作频谱感知技术。 2 2 本地频谱感知技术 主用户接收端检测主要是指认知无线电系统通过判断主用户的接收机是否工 作来确定授权频段是否被主用户占用，从而找到可以接入的空闲频谱。主要有两 种方式：本地振荡器功率泄露检测和干扰温度检测。 本地振荡器功率泄露检测是通过直接检测主用户本振泄露信号来判断主用户 存在与否【1