（电路与系统专业论文）认知无线电物理层感知的检测门限优化与mac层多用户接入研究.pdf

p h y - l a y e r d e t e c t i o nt h r e s h o l d o p t i m i z a t i o n a n d m a c - - l a y e rm u l t iu s e r s a c c e s si n c o g n i t i v er a d i o at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h em sd e g r e ei nc i r c u i t s y s t e m b y x i o n gq i n p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo fp h y s i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：l i us h o u y i n a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o r s i g n a t u r e a p p r o v e d m a y 2 0 1 1 ： 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 熊垮 日期：锄铽月砌 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：塑叁多冬 日期：口。年月归 导师签名：办桷巧下 日期： o i l 年i - 月歹o 。日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞握童卮溢盾! 旦圭生；旦二生；旦三生蕉查! 作者签名：垒叁终作者签名：虼夕 日期：0 6 年r 月五p 日 导师签名： 日期：劲d 年f 月；o 日 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 摘要 近年来，随着3 g 、4 g 移动通信的发展和用户需求的递增，无线频谱资源的固 定分配策略已经出现了瓶颈，导致一些新的通信技术出现了无频段可用的境地；相 反，通过对已分配频谱使用情况的监测，发现其利用率并不高，这一矛盾为采取新 的频谱利用技术提供了可能。认知无线电( c r ) 利用机会频谱接入( o s a ) 方式允 许认知用户( c u ) 使用授权频谱，很好的解决了当前通信发展所面临的难题。 在认知无线电中，物理层频谱感知与m a c 层接入两个环节尤为重要。一旦认知 用户检测到空闲频谱则进入m a c 层接入阶段，最终获得对授权频谱的二次利用。限 于目前感知算法的精度，不可避免的造成了对主用户( p u ) 的漏检以及对接入机会 的虚警，因此，如何提高检测精度和认知用户的信道利用效率是目前研究的热点之 一。本文综合考虑物理层感知与m a c 层接入，提出了基于不同信道占用概率的自适 应门限机制来提高认知用户的利用效率，同时对m a c 层多用户接入时导致的成功接 入效率过低的问题，提出了队列接入的解决方案。 物理层感知中，漏检概率和虚警概率常作为衡量感知性能的主要指标。为了获 得较好的感知性能，本文采用最小平均错误概率准则，推导出该准则下的最优检测 门限，并分析了不同检测门限对漏检概率和虚警概率的影响。针对主用户网络中各 子信道占用概率不同，本文提出了自适应门限机制；通过对检测门限与信道占用概 率之间的变化趋势建模，得出两者服从指数关系时自适应性能最佳。仿真结果表明， 在保证主用户被干扰的概率一定的前提下，自适应门限机制可以提高认知用户的信 道利用效率。 m a c 层接入中，当多个认知用户试图同时接入信道时，很容易产生信息堵塞和 碰撞，从而大大降低认知用户的成功接入效率。为了缓解该问题，本文提出了队列 接入方案：该方案允许多个认知用户根据待发送的数据包长度进行排队，优先接入 数据包长度较短的用户；同时，在不影响认知用户发送数据的基础上，对信息数据 包较长的进行截断。通过仿真看到，队列接入方案在保证系统碰撞概率的前提下极 大的提高了认知用户的成功接入效率。 关键词：认知无线电；频谱感知：多用户接入；最优检测门限；感知时间；信 道利用效率 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h ed e v e l o p m e n to f3 ga n d4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h e u s e r s d e m a n di si n c r e a s i n g a sar e s u l t , t h ef i x e ds p e c t r u ma l l o c a t i o ns t r a t e g yi ss t a r t i n g t oa p p e a rb o t t l e n e c k ，w h i c hm a k e ss o m en e wc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sh a v en oe x t r a b a n dt ou s e i n s t e a d ，f r o mt h em o n i t o r i n go fa s s i g n e ds p e c t r u m ，w ec a ns e et h a tt h e u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yi sv e r yl o w t h i sp a r a d o xm a k e st h en e ws p e c t r u mu t i l i z a t i o n t e c h n o l o g yn e c e s s a r y c o g n i t i v er a d i o ( c r ) m a k e su s eo fo p p o r t u n i s t i cs p e c t r u m a c c e s s ( o s a ) m a n n e ra n da d m i t sc o g n i t i v eu s e r ( c u ) t ou s el i c e n s e ds p e c t r u m , w h i c h s o l v e st h ep r o b l e me f f e c t i v e l y i nc 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 gi np h y s i c a ll a y e ra n ds p e c t r u ma c c e s si nm a c l a y e ra r ei m p o r t a n t o n c ec u sd e t e c tt h el i c e n s e ds p e c t r u mi d l e ，t h e yw o u l dt r a n s m i t d a t ao n i t h o w e v e r , n om a t t e rw h a tm e t h o d sc u su s e t os e n s e ，t h e r ea r ea l w a y sm i s s i n g d e t e c t i o nt op r i m a r yu s e r ( p u ) a n df a l s ea l a r mt oa c c e s so p p o r t u n i t y c o n s e q u e n t l y , h o w t oi m p r o v es e n s i n gp e r f o r m a n c ea n dc h a n n e lu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yi so n eo ft h ek e y r e s e a r c hp o i n t s d i f f e r e n tf r o mo t h e rp a p e r s ，w ef o c u so ns p e c t r u ms e n s i n gi np h y s i c a l l a y e ra n ds p e c t r u ma c c e s si nm a cl a y e r t oi m p r o v ec h a n n e lu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fc u ， w ep r o p o s ea d a p t i v et h r e s h o l ds c h e m eb a s e do nd i f f e r e n tc h a n n e lo c c u p i e dp r o b a b i l i t y m e a n w h i l e ，w ep r o p o s e q u e u i n gs c h e m et os o l v et h el o ws u c c e s s f u la c c e s se f f i c i e n c yo f m u l t i u s e ra c c e s si nm a c l a y e r i np h y s i c a l - l a y e rs p e c t r u ms e n s i n g ，m i s s i n gd e t e c t i o np r o b a b i l i t ya n df a l s ea l a r m p r o b a b i l i t ya r ec h a r a c t e r i z e da st h ec r i t e r i ao fs e n s i n gp e r f o r m a n c e i no r d e rt oi m p r o v e s e n s i n gp e r f o r m a n c e ，t h em i n i m u ma v e r a g ee r r o rp r o b a b i l i t yr u l ei su s e d w ed e r i v et h e o p t i m a ld e t e c t i o nt h r e s h o l d ，a n da n a l y s e st h em i s s i n gd e t e c t i o np r o b a b i l i t ya n df a l s e a l a r mp r o b a b i l i t yo fd i f f e r e n td e t e c t i o nt h r e s h o l d b a s r ao nd i f f e r e n tc h a n n e lo c c u p i e d p r o b a b i l i t yo fp r i m a r yn e t w o r k ，w ep r o p o s ea na d a p t i v et h r e s h o l ds c h e m et oi m p r o v e c h a n n e lu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fc u w i t ht h ea n a l y s i so fd e t e c t i o nt h r e s h o l da n dc h a n n e l o c c u p i e dp r o b a b i l i t y , e x p o n e n t i a lr e l a t i o ni sd e r i v e d t h en u m e r i c a lr e s u l t sv e r i f yt h e c o n f i d e n c eo ft h ep r o p o s e ds c h e m ea n dp e r f o r mb e t t e r , i nt e r m so fs e n s i n gp e r f o r m a n c e a n dt h em e a s u r e m e n to fc h a n n e lu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y a d d i t i o n a l ，i nm a c l a y e ra c c e s s ，t h e r ea r em u l t ic u st oc o m p e t et h ec h a n n e l s i m u l t a n e o u s l y , w h i c hl e a d st oi n f o r m a t i o nc o l l i s i o na n dt h e nd e c r e a s et h es u c c e s s f u l a c c e s se f f i c i e n c yo fc u s t os o l v et h ep r o b l e m ，w ep r o p o s eas c h e m eo fq u e u i n ga c c e s s i nt h i ss c h e m e ，m u l t i p l ec u sq u e e nf r o ms h o r tt ol o n ga c c o r d i n gt ot h e i rp a c k e tl e n g t h ， a n dt h e nt h ec uw i t ht h es h o r t e s tp a c k e tl e n g t ha c c e s s e st h ec h a n n e l 、j ，i t l lt h ep r i o r i t y m e a n w h i l e ，t r u n c a t et h el o n gp a c k e to nt h eb a s i so fn oa f f e c t i o nf o rc u s f r o mt h e i l 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s s i m u l a t i o n , t h i ss c h e m ed r a m a t i c a l l yi n c r e a s e st h es u c c e s s f u la c c e s se f f i c i e n c yo nt h e l i m i to fac e r t a i nc o l l i s i o np r o b a b i l i t yo ft h es y s t e m 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 ；m u l t i u s e ra c c e s s ；o p t i m a l d e t e c t i o nt h r e s h o l d ；s e n s i n gt i m e ；c h a n n e lu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y u l 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 目录 a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 认知无线电的发展2 1 2 1 认知无线电的概念2 1 2 2 认知无线电的国内外研究现状3 1 3 认知无线电中的关键技术4 1 3 1 频谱感知4 1 3 2 频谱管理5 1 3 3 频谱共享5 1 3 4 频谱移动性6 1 4 本文主要工作及结构安排7 第2 章频谱感知和频谱接入技术 2 1 引言9 2 2 频谱感知技术9 2 2 1 主用户发射机检测一10 2 2 2 主用户接收机检测13 2 2 3 协作检测15 2 3 频谱接入技术17 2 3 1 动态独享模型一17 2 3 2 开放共享模型18 2 3 3 分级接入模型18 2 4 本章小结1 9 第3 章最小平均错误概率准则下的最优检测门限分析2 0 3 1 频谱感知性能衡量指标2 0 3 1 1 系统模型2 1 3 1 2 最小平均错误概率准则2 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 2 最小平均错误概率准则下的最优检测门限2 4 3 3 不同检测门限对漏检概率与虚警概率的影响2 5 3 4 本章小结2 6 第4 章基于不同信道占用概率下的自适应门限机制研究2 7 4 1 引言。2 7 4 2 不同信道占用概率下的自适应门限机制2 7 4 2 1 系统描述2 7 4 2 2m a c 层接入策略2 8 4 2 3 自适应门限机制2 9 4 3 认知用户信道利用效率的优化问题研究3 0 4 4 仿真实现及说明3 0 4 5 本章小结3 3 第5 章m a c 层多用户下的队列接入方案研究3 4 5 1 系统模型3 4 5 2 多用户下的碰撞概率及信道利用率计算3 5 5 3 队列接入方案3 6 5 4 仿真结果及说明3 6 5 5 本章小结3 9 第6 章总结与展望4 0 6 1 全文总结4 0 6 2 研究展望4 0 参考文献 攻读学位期间发表的学术论文。 致谢 4 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 随着中国3 g 时代的全面到来，全球的无线通信发展进入了一个崭新的时代。 众所周知，无线频谱资源是人们进行通信的首要条件之一，该资源的供给一定程度 上决定着是否促进无线通信技术的发展。从无线通信使用的范围来看，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 ) 定义了3 0 0 g h z 以下的电磁波频 谱为无线电磁波频谱，这一段频谱范围是我们日常进行通信的资源上限。但是，实 际使用中由于受到了电波传播特性和硬件设备的限制，只在几十g h z 以内是可以使 用的。为了更规范的利用这些频谱资源，国际上有统一的机构对其进行固定分配， 这也就是大家熟知的固定频谱分配策略。按照该策略，无线频谱资源被分为授权频 谱和非授权频谱。顾名思义，授权频谱指的是用户获得了该频谱的使用权，可以独 占该频段，此时这类用户称为授权用户( l i c e n s e du s e r , l u ) 或是主用户( p r i m a r yu s e r , p u ) 。与此对应，非授权频谱并未被分配给机构或用户使用，通常采取竞争方式接 入。过去由于通信需求量并不大，该频谱分配策略对通信发展起到了积极的促进作 用，但是，随着人们对通信质量要求的提高以及一些新技术的诞生，比如w i m a x 等，当前的频谱利用策略已经不能满当下的业务需求了。 随着无线通信业务的飞速发展，所需要的频谱资源越来越多，无不充斥着无线 频谱资源已到尽头的说法。但是，不可再生的无线频谱资源是否真的已经用尽? 答 案是否定的。图1 1 标识出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 ) 获得的0 “g h z 的频谱利用情况1 。如图所示，在这一段频谱中，分配的频谱 利用效率在1 5 8 5 之间。其中，只有少部分频段处于频繁使用( h e a v yu s e ) 中， 有些频段则处于部分使用( m e d i u mu s e ) 状态中，但大部分频段还是处于很少或是 基本没有被使用( s p a r s eu s e ) 状态中1 7 i ，由此可见，大量的频谱还是处于空闲的。 也就是说，虽然频谱资源紧缺但其利用率低下，这一矛盾就衍生出了伺机利用这些 基本没有被使用的授权频谱的可能，而这也是认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 产 生的时代背景。由于认知无线电允许认知用户( c o g n i t i v eu s e r , c u ) 以伺机接入的方 式利用和共享授权频谱，因此，认知无线电网络亦可称为机会接入( o p p o r t u n i s t i c s p e c t r t t r n a c c e s s ，o s a ) 网j 络、下一代( n e x tg e n e r a t i o n ，x g ) 网络或动态频谱接入 ( d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ，d s a ) 网络弘j 。认知无线电技术正逐渐成为解决目前无线 通信中的频谱资源有限同时利用率低下这一矛盾的最行之有效的方式之一。 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 互 笔 童 墨 誊 m , “i m t m aa m p l i t u d e s l l t a v - , t j 孽t黯t t ；瓣 “ 1 一： ；l e d t w t nt 麓! 一 已 “ 毛耋 l i 。 8 i r i l 。lll 。i “ r _ f 铷州聃睁l ”h 图1 10 - - 6 g h z 的频谱利用率情况 1 2 认知无线电的发展 1 2 1 认知无线电的概念 认知无线电一词最早由瑞典皇家工学院( s w e d i s hr o y a li n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ， k t h ) 的j o s e p hm i t o l ai i i 博士于1 9 9 9 年提出来【4 】，与他1 9 9 2 年提出的软件无线电 ( s o f t w a r er a d i o ) 1 5 j 相隔7 年。可以说，认知无线电基于软件无线电同时又是对软 件无线电的特殊化扩展。认知无线电以其特有的模式让用户本身增加对周围环境的 感知能力，这使得认知无线电更符合时代发展的潮流。2 0 0 0 年j o s e p hm i t o l ai i i 博 士发表的专题博士论文【6 j 长达3 1 3 页，详细地描绘出一幅极其美好的认知蓝图，当 然，需要实现全方位的认知还有很长一段路要走。在文中，m i t o l a 博士给出了认知 周期环的概念，该环主要描述认知无线电系统是怎样与环境进行相互的认知和交互 的，通过检测到新状态和先验的信息，同时通过认知无线电系统本身的观察、定位、 制定计划、学习、决定并执行处理的全过程。 2 0 0 5 年，数字信号处理方面的泰斗s i m o nh a y k i n 教授发表了一篇关于认知无 线电的文章【刀，获得了学术界的广泛关注。s i m o nh a y k i n 教授以数字信号处理的视 角对认知无线电进行了深度探析，并对它作了进一步的定义。他认为，认知无线电 应该成为一个完全智能的无线通信系统，它能自主的感知周围的外部环境，并能够 通过对环境的理解实时调整该认知系统的内部参数，从而进一步适应外部环境的改 变，最终实现的是在该系统对主用户造成的干扰可控的情况下更有效的利用空闲频 谱进行通信。在s i m o nh a y k i n 教授看来，智能是认知无线电的核心，人们亦希望认 知无线电可以对现有授权频谱的二次利用和管理达到完全智能化。 2 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 除此之外，一些国际组织也对认知无线电给予了广泛关注。2 0 0 3 年1 2 月，f c c 在其官方报告【8 】中指出，认知无线电是这样一种系统，它可以借助无线终端与周围 的无线电磁环境进行交互，利用所获得的交互信息调整无线终端的传输参数，最终 实现无线传输。认知无线电最大的特点就是它具备智能性，这是与之前的传输技术 最大的区别。同年，美国电气与电子工程协会( 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 e n g i n e e r s ，i e e e ) 也给出了对认知无线电的理解【9 l ，他们认为认知无线电是一个无 线频率传输和接收设备，这个设备可以智能的检测特定的无线频谱资源是否被占 用，并能够快速的获得或释放一些临时未被使用的空闲频谱进行通信。该定义更强 调了在利用频谱时不能对授权用户造成干扰，这也是保证认知无线电正常通信的一 个前提条件。 1 2 2 认知无线电的国内外研究现状 认知无线电的提出为解决当前无线通信的发展带来了新思路，从提出之日起， 就引起了国内外相关研究机构或组织对其深入探讨的兴趣。从目前来看，比较突出 的研究工作或成果主要集中在以下几个方面。 认知无线电这一概念由j o s e p hm i t o l ai i i 博士于1 9 9 9 年提出，而瑞典皇家工学 院也当仁不让的成为该技术发展的摇篮。目前该学院的无线系统研究中心主要集中 在对动态频谱接入和软件无线电方面的研究【l 们。 美国在科技创新和学术研究方面一直处于世界前列，对于认知无线电的研究也 不例外：( 1 ) 2 0 0 3 年，美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 开展了认知无线电技 术的研究l l ，并专门设立了下一代( n e x tg e n e r a t i o n , x g ) 网络项目，研究认知无 线电系统的动态频谱应用；( 2 ) 同年1 2 月，f c c 成立了频谱任务工作组( s p e c t r u m p o l i c yt a s kf o r c e ) ，研究知无线电系统的相关频谱管理策略；( 3 ) 2 0 0 4 年1 0 月，i e e e 正式成立了8 0 2 2 2 工作小组，致力于研究并起草世界上第一个认知无线电技术的国 际化标准无线区域网( w r a n ) 。 此外，美国也有多所大学投身于认知无线电的研究当中，其中比较著名的有： 弗吉尼亚理工大学的移动和便携无线电研究小组；加州大学b e r k e l e y 分校的无线研 究中心和b e r k e l e y 无线基础研究小组；乔治尼亚理工学院的宽带无线网络实验室等。 目前，与认知无线电相关的测试床b e e 2 ( b e r k e l e ye m u l a t i o ne n g i n e2 ) 以及传输平台 o c r a ( o f d m b a s e dc o g n i t i v er a d i on e t w o r k ) 1 2 j 已经为认知无线电进入商用做好了 铺垫。除此之外，s t e v e n s 理工学院、新泽西大学等的研究中心也承担了部分认知无 线电技术的研究课题。 在欧洲，也有不少研究机构参与了认知无线电技术的项目，主要包括：e 2 r 项 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 目、d r i v e o v e r d r i v e 项目和o r a c l e 项目等。在德国k a r l s r u h e 大学的通信工 程研究中心也负责了认知无线电中关于频谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 技术的研究，并承 担了部分德国国家研究基金项目t a k o k o 。在意大利也有部分研究中心对认知无线 电技术进行了深入的探讨u 川。 与国外相比，国内关于认知无线电技术的研究则起步相对较晚，但也已受到了 高度重视。目前，国家自然科学基金委员会和国家8 6 3 高技术计划已经从2 0 0 6 年 开始资助了一些认知无线电的研究项目。从事该方面的研究单位也比较多，主要囊 括了我国比较著名的理工科大学，比如北京邮电大学、清华大学、香港科技大学、 中国科技大学等。目前来看，国内的研究成果主要集中在基于博弈算法的公开控制 和基于遗传算法的频谱分配及性能优化方面。随着认知无线电技术逐渐显现出来的 应用前景，越来越多的研究机构和企业都将着手进行这方面的研究，未来我国关于 认知无线电技术的研究与发展必将呈现一片欣欣向荣之势。 1 3 认知无线电中的关键技术 认知无线电利用机会接入的方式允许认知用户使用和共享频谱，很大程度上解 决了当前频谱资源短缺但利用率低下这一矛盾。在不干扰授权用户的基础上，机会 频谱接入方式允许认知用户检测授权频谱的使用状态并选择最优的频谱资源予以 接入，同时使得网络协议和当前的频谱资源相互适应匹配。总体来说，认知无线电 的关键技术包括频谱感知，频谱管理，频谱共享和频谱移动性四个方面。 1 3 1 频谱感知 频谱感知【1 4 】是认知无线电中的基础环节，其重要性不言而喻，而感知性能直接 影响着后续其他步骤的实施。频谱感知即认知用户对授权频谱或外界无线环境进行 感知的过程，并以此来确定“频谱空洞( s p e c t r u mh o l e ) ”，从而达到伺机接入的目 的，“频谱空洞 的示意图如图1 2 所示。一般而言，“频谱空洞”包含两部分：本 来被分配给授权用户使用但在特定的时域或频域上并没有被使用的频段；正在被授 权用户使用但在当前考察区域内使用功率非常低的频段。此时，这些频段就在频谱 图上形成了一段空白，它们形象的称为“频谱空洞“，实际上，这就是动态频谱的 接入机会，正是这些机会可以供认知用户二次使用，从而提高授权频谱的利用率。 4 硕士学位论文 m 人s t e r st h e s i s 功率 频率 使用中的频谱 图1 2 频谱空洞示意图 1 3 2 频谱管理 通过频谱感知后获得的频谱空洞可能分散在不同的范围里，它们的性能指标也 各不相同，频谱管理的目的就是使得认知用户在各具差异的“频谱空洞”中选择那 些满足其q o s 要求的频谱进行利用。频谱管理主要包括频谱分析( s p e c t r u m a n a l y s i s ) 和频谱决策( s p e c t r u md e c i s i o n ) 【”】。频谱分析指的是：在频谱感知的基 础上归纳并分析出频谱空洞的诸多特性，这些特性包括：干扰、路径损耗、无线链 路错误、链路层延迟以及占用时间等。频谱决策指的是：在完成了频谱分析后，认 知用户可以根据不同的业务要求决定究竟接入哪个最合适的频段，从而达到对授权 频谱的高效利用。 由于需要考虑认知用户与主用户共存时如何满足不同的系统要求，频谱管理也 会面临一些挑战，这其中主要包括：判决模型；多频带下如何进行频谱决定；如何 联合考虑频谱决定与系统的在重构能力；不同种类频带上的频谱决定等。实际上， 如何全面的把握空闲频谱的所有特征以及如何根据实际应用情况来做出最好的频 谱决策，仍然是目前需要深入研究的方向。 1 3 3 频谱共享 频谱共享是认知无线电系统中的核心部分，可以说，频谱感知和频谱管理都是 为了频谱共享而服务的。对于认知无线电而言，认知用户采用机会频谱接入的方式 对授权频带进行二次利用，如何在不干扰主用户传输的前提下与主用户实现频谱共 享是该模块最重要的功能。此时的频谱共享不仅包括主用户与认知用户之间的共 享，同时还包括了多个认知用户之间的共享。在频谱共享中需要着力解决的问题是 如何同时兼顾公平性和高效性的对频谱进行利用。一般而言，频谱共享的实现主要 5 f 嚣 硕士学位论文 m a s t e r st t l e s i s 1 是在m a c 层上进行的。目前频谱共享技术可以从网络结构、频谱分配行为和频谱接 入方式3 方面进行划分。其中，按照频谱接入方式可以分为频谱衬垫( s p e c t r u m u n d e r l a y ) 和频谱平铺( s p e c t r u mo v e r l a y ) ，这两种方式将在下一章节重点介绍。 关于频谱共享的研究主要集中在如何高效公平的实现频谱的共用方面。为了实 现频谱共享，主要采用的是动态频谱分配算法。目前的分配算法主要有以下几类： m i t o l a 博士提出的基于频谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 思想的动态频谱分配算法【1 6 1 、n i e n i e 等人提出的基于博弈论的动态频谱分配算法1 1 7 】、h a i t a oz h e n g 等人提出的基于 标签机制的动态频谱分配算法l js j 以及由l i l ic a o 等人提出的基于本地讨价还价机制 的动态频谱分配算法【1 9 1 等。虽然在动态频谱分配算法方面已经有了不少的研究成 果，但距离实现高效、无缝的开放式频谱利用的目标还有差距。未来的研究难点主 要体现在控制信道的可行性分析，动态无线电射程的工作频段以及是否能将信道定 义为频谱单元等方面。 1 3 4 频谱移动性 在认知用户利用“频谱空洞 的过程中，由于频谱空洞会随着时间、空间的变 化而改变，频谱移动就显得不可或缺。频谱移动性也称为频谱切换，它是指认知用 户根据频谱检测获得的可用“频谱空洞 的情况而改变自身使用频率的过程。该行 为通常发生在当前信道的性能下降或是授权用户突然出现时，在这一过程当中，如 何实现无缝的对接成为了研究热点之一。在频谱切换中，各个层的协议必须快速适 应新的工作频率，并且需要同时保证该切换对认知用户来讲是透明的。 图1 3 表示出了认知无线电网络的各部分构架，从该图也可以看到频谱感知、 频谱管理、频谱共享和频谱移动性四个方面是相互影响相互渗透的。其中，频谱感 知和频谱共享的协调配合可以提高频谱效率；在频谱管理和频谱移动性中，网络中 的各层之间都是相互协同的，以此获得整个认知无线电网络的高效频谱利用优势。 6 硕士学位论文 m a s t e r st t l e s i s h a 出i 硪d e d t a “o i 删a 4 d c 孤d s i m ：l r m n i n f m 图1 3 认知无线电网络的通信构架 1 4 本文主要工作及结构安排 本文主要工作有： ( 1 ) 阐述了认知无线电产生的时代背景及研究现状，着重介绍了认知无线电 中物理层频谱感知与m a c 层频谱接入技术。 ( 2 ) 为了提高物理层感知性能，本文给出了最小平均错误概率准则的表达式， 并推导出该准则下最优的检测门限，该门限与感知时间、信噪比、采样频率等参数 有关。进一步分析了检测门限对漏检概率与虚警概率的影响：当其他参数( 信噪比、 感知时间) 给定时，若检测门限设置较高时，判断主用户存在的概率较低，也即漏 检概率较大；若检测门限设置较低时，判断主用户存在的概率较高，也即虚警概率 较大。此时，可以通过调节检测门限改变漏检概率或虚警概率。 ( 3 ) 针对主用户网络中各子信道的占用概率不同，本文提出了自适应门限机 制：当主用户可较好的处理干扰时，认知用户的信道利用成为认知系统的主要诉求， 此时，通过提高检测门限来降低虚警概率从而增大认知用户的信道利用机会；当主 用户对干扰较敏感时，对主用户的保护成为认知系统的主要诉求，此时可通过降低 检测门限来提高检测概率达到对主用户的保护。进一步的，通过对检测门限与信道 占用概率之间的变化趋势建模，得出了两者服从指数关系时自适应性能最佳。 该成果相应的研究内容“o p t i m i z a t i o no f p h y - l a y e rs e n s i n ga n dm a c 1 a y e r a c c e s s b a s e do na d a p t i v et h r e s h o l ds c h e d u l ei no p p o r t u n i s t i ca c c e s sn e t w o r k ”发表在 i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo ns i g n a l s ，s y s t e m sa n de l e c t r o n i c s ( i s s s e2 0 1o ) ； 7 ，z ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 4 ) 针对m a c 层多个认知用户同时接入信道时导致的成功接入效率过低，本 文提出了队列接入方案：该方案允许多个认知用户根据待发送的数据包长度进行排 队，优先接入数据包长度较短的用户；同时，在不影响认知用户发送数据的基础上， 对信息数据包较长的进行截断。该方案在给定系统碰撞概率的前提下极大的提高了 认知用户的成功接入效率。 本文内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了本文的研究背景和意义，并对认知无线电的发展和国内 外研究现状进行了总结，同时简要介绍了认知无线电系统中的几个关键技术。 第二章具体介绍了物理层频谱感知和m a c 层频谱接入技术，并对这两大技术中 的各个方法进行了简要的分析。 第三章介绍了物理层感知性能的衡量标准，推导出最小平均错误概率准则下的 最优检测门限，并分析出不同检测门限对漏检概率和虚警概率的影响； 第四章为了提高认知用户的信道利用效率，提出了基于不同信道占用概率的自 适应门限机制。通过对感知结果的分析给出了m a c 层接入概率的表达式。 第五章详细分析了m a c 层多用户接入时的碰撞概率，提出了队列接入方案来提 高认知用户的成功接入效率。通过仿真也验证了该方案的性能提升。 第六章对全文工作进行了总结，并对今后进一步的研究进行了展望。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 1 引言 第2 章频谱感知和频谱接入技术 在认知无线电中，物理层频谱感知使得认知用户对授权频段进行周期检测，同 时为m a c 层频谱接入做好铺垫。通常，只有感知的精度和速度都达到了系统要求才 能为频谱接入提供可能。从当前的发展来看，频谱感知