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北京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 感知无线电中频谱感知技术研究 摘要 频谱资源稀缺是无线通信系统面临的根本问题。为了解决这一问 题，人们不断开发新的无线通信技术。现存固定频谱分配方式规定通 信系统只能够在已经分配给它的特定频谱段内工作，而实际测量结果 显示目前已经分配的频谱的利用率非常低。这说明不合理的固定频谱 分配方式导致了大量的频谱浪费，同时也暗示通过动态频谱接入技术 能够极大的提高频谱利用率，从而解决频谱资源稀缺问题。 感知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 技术是一种非常有潜力的动 态频谱接入技术。感知无线电用户首先通过频谱感知技术发现未使用 的空闲频段，而后采用频谱接入和分配技术使用已发现的空闲频谱资 源。频谱检测是感知无线电中非常关键的技术。有效的频谱检测技术 不仅能避免对现存通信系统的干扰，还能有效的发现空闲频谱段，从 而提高频谱利用率。本文重点关注频谱感知技术的研究，主要工作及 创新点为： 1 提出一种基于贝叶斯估计的新型能量检测技术。能量检测器是一 种很有前途的频谱感知技术，但是传统的能量检测器在噪声功率 不能够准确估计的情况下检测效果很差。新型的能量检测器不需 要估计噪声的功率，从而能够完全消除噪声功率不准确估计带来 的负面影响。并且，新型的能量检测器的检测效果和噪声功率能 够完全估计时的传统能量检测器具有几乎一样的检测效果。 2 推导出了最优的合作检测技术来最大化信道带宽容量。目前的研 究都是基于n e y m a n p e a r s o n 准则，即是在虚警概率一定的情况 下最大化检测概率，但是这一准则不能和实际的系统容量需求联 合起来。而最优的合作检测技术能够把频谱检测中参数设定和最 大化信道容量紧密的联合起来，这样能通过合理的频谱检测门限 设定最大化信道容量 3 在低s n r 情况下，推导出硬合作和软合作频谱感知的定量关系： 在硬合作中合作单位个数是软合作中合作单位格式的1 6 倍时， 他们几乎具有一样的检测效果。在硬合作中，多个合作单位首先 北京邮电人学硕+ = 研究生学位论文摘要 独自进行频谱感知，判断某一频谱段是否空闲，然后把结果发到 信息融合中心做最终判决。在软合作中，多个合作单位进行频谱 感知后把测量到的某一频段内能量传送到信息融合中心做最终 判决。这一结果对实际系统中合作感知方式的选择具有指导意 义。 关键词感知无线电、合作频谱检测、能量检测器、信道容量 i i 北京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h ei t e s e a r c ho fs p e c t r u ms e n s i n g i nc o g n i t i v er a d i os y s t e m a b s t r a c t s p e c t r u ms c a r c i t y i st h ef u n d a m e n t a l p r o b l e m f o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t os o l v et h i sp r o b l e m ，r e s e a r c h e r st r i e dt o d e v e l o p m o r e s o p h i s t i c a t e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s e x i s t i n gs t a t i cs p e c t r u ma l l o c a t i o np o l i c yo n l ya l l o wc o m m u n i c a t i o n s y s t e m st ow o r ki nt h es p e c t r u mb a n d sw h i c ha r ea l l o c a t e dt ot h e m , h o w e v e r , p r a c t i c a lm e a s u r e m e n t ss h o wt h a tt h eu s a g eo ft h ea l l o c a t e d s p e c t r u m i s v e r yl o w t h i ss u g g e s t s t h a t e x i s t i n g s t a t i c s p e c t r u m a l l o c a t i o np o l i c yw a s t e sm a n ys p e c t r u mr e s o u r c e sa n dt h a td y n a m i c s p e c t r u ma c c e s st e c h n o l o g i e sc a ng r e a t l ye n h a n c es p e c t r u me f f i c i e n c y , a n dt h e ns o l v et h es p e c t r u ms c a r c i t yp r o b l e m c o g n i t i v er a d i o ( c r ) i sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yt oe n a b l ed y n a m i c s p e c t r u ma c c e s s a tf i r s t ，c rf i n d si d l es p e c t r u mb a n d sv i as p e c t r u m s e n s i n g ，t h e n ，c ru s e sd y n a m i cs p e c t r u m a c c e s sa n da l l o c a t i o n t e c h n o l o g i e st oa l l o c a t et h ei d l es p e c t r u mb a n d s t h es p e c t r u ms e n s i n gi s ak e yt e c h n o l o g yi nc r e f f i c i e n ts p e c t r u ms e n s i n gc a nn o to n l ya v o i d i n t e r f e r e n c et oe x i s t i n gs y s t e m s ，b u ta l s oe f f e c t i v e l yf i n di d l ec h a n n e l st o i n c r e a s es p e c t r u me f f i c i e n c y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho f s p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g i e s ， a n dt h em a i ni n n o v a t i o n sa n d c o n t r i b u t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 p r o p o s e dn o v e le n e r g yd e t e c t i o nb a s e do nb a y e s i a ne s t i m a t i o n t h e e n e r g yd e t e c t i o ni sap r o m i s i n gs p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g yi nc r ； h o w e v e r , i tp e r f o r m sp o o r l yw h e nt h en o i s ep o w e rc a n n o tb e e s t i m a t e da c c u r a t e l y t h en o v e le n e r g yd e t e c t i o nd o e sn o tn e e dt h e k n o w l e d g eo fn o i s ep o w e r a n dt h u sc a nc o m p l e t e l ye l i m i n a t et h e d e t r i m e n t a le f f e c t so fi n a c c u r a t en o i s ep o w e re s t i m a t i o n m o r e o v e r , t h en o v e le n e r g yd e t e c t i o nh a st h es a m ep e r f o r m a n c ea st h e c o n v e n t i o n a le n e r g yd e t e c t i o nw h e nt h en o i s ep o w e rc a nb e a c c u r a t e l ye s t i m a t e d d e r i v et h eo p t i m a lc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gm e t h o dt oa c h i e v e t h em i x i m u mc h a n n e lc a p a c i t y m o s to fe x i s t i n gr e s e a r c h e so f s p e c t r u ms e n s i n ga r eb a s e do nt h en e y m a n - p e a r s o nc r i t e r i o n ，w h i c h a i m st om a x i m i z et h ep r o b a b i l i t yo fd e t e c t i o ng i v e nt h ep r o b a b i l i t y o ff a l s ea l a r m h o w e v e r , t h i sc r i t e r i o nd o e sn o tr e l a t et h es p e c t r u m s e n s i n gw i t ht h ea c h i e v e dc h a n n e lc a p a c i t y o u ro p t i m a ls e n s i n g m e t h o dc a ns e tt h es e n s i n gp a r a m e t e r st om a x i m i z et h ec h a n n e l c a p a c i t y u n d e rt h er e g i m eo fl o ws n r ，d e r i v et h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n b e t w e e nt h eh a r da n ds o f t 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 t h o d s ： w h e nt h en u m b e ro fs e n s o r si nh a r dc o o p e r a t i o ni s1 6t i m e sa st h a t o fs o f tc o o p e r a t i o n ，t h e yh a v en e a l yt h es a m ep e r f o r m a n c e i nh a r d c o o p e r a t i o n ，t h es e n s o r sa tf i r s tp e r f o r mi n d i v i d u a ls p e c t r u ms e n s i n g ， a n dt h e ns e n dt h e i rd e c i s i o n st oaf u s i o nc e n t e rf o rf i n a ld e c i s i o n i n s o f tc o o p e r a t i o n ，t h es e n s o r ss e n dt h e i rm e a s u r e m e n t st ot h ef u s i o n c e n t e rf o rt h ef i n a ld e c i s i o n o u rc o n c l u s i o nc a nh e l pt h es e l e c t i o n o f c o o p e r a t i o nt y p ei ns p e c t r u ms e n s i n gi np r a c t i c a ls y s t e m s 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 g ， e n e r g yd e t e c t i o n ，c h a n n e lc a p a c i t y i v 乙 王 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特，l i j j n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：一一独歪堕 日期： 型i 堡翻! 型 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和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北京邮电大学。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磁盘，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一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。， 本人签名：节缸孟嚣d日期：2 辱 竹了日 导师签名： 日期：监乒陲牝 北京邮电大学硕： ：研究生学位论文感知无线电系统中频谱感知技术研究 第一章绪论 移动通信是通信各领域中发展最快的领域之一。人们对移动通信的需求与日 俱增，推动了移动通信技术的快速发展；移动通信技术的进步，提供了更加丰富 的新业务，反过来又刺激了用户新的需求。技术进步和市场需求的互动，使移动 通信产业成为国民经济中增长最快的领域之一。从2 0 世纪8 0 年代中期开始至今 的短短二十年间，移动通信系统从以a m p s 、t a c s 为代表的第一代模拟移动通 信系统，发展到以g s m 、i s 9 5 为代表的第二代数字移动通信系统( 2 g ) ，进而 又发展到当前以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 为代表的第三代移动通 信系统( 3 g ) 。未来的个人移动通信系统的目标是使任何人在任何地点、任何 时间、以任何方式与任何人进行通信。随着语音、数据、图像等多种无线应用业 务的展开，对无线带宽的需要会越来越大。在这种情况下，无线资源稀缺是目前 无线通信研究亟待解决的难题。 为了解决无线资源稀缺难题，各种先进的无线通信技术被开发出来提高系统 容量或者频谱利用率。本文主要研究一种新型的无线通信技术感知无线电。 感知无线电和传统的通信技术( c d m a 和m i m o o f d m 等技术) 的最大不同在 于它是对现存的频谱划分方式进行改进的技术。和传统的通信技术相比，它能够 更大的提高系统容量或者频谱利用率。本章对传统无线通信技术和感知无线电技 术进行简要的介绍。 1 1 移动通信发展现状 1 8 9 7 年，m g 马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间 进行的，距离为1 8 海里，开启了无线电的第一个里程碑，从此，移动通信迅猛 发展开来。纵观整个历史进程，移动通信的发展大致经历了六个发展阶段【l 】。 第一阶段从2 0 世纪2 0 年代至4 0 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先 在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的 车载无线电系统。该系统工作频率为2 m h z ，到4 0 年代提高到3 0 - 4 0 m h z 可以 认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。 第二阶段从2 0 世纪4 0 年代中期至6 0 年代初期。在此期间内，公用移动通 信业务开始问世。1 9 4 6 年，根据美国联邦通信委员会( f c c ) 的计划，贝尔系统在 圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用三 个频道，间隔为1 2 0 k h z ，通信方式为单工，随后，西德( 1 9 5 0 年) 、法国( 1 9 5 6 年) 、 北京邮电大学硕： ：r o f 究生学位论文感知无线l i l 系统中频谱感知技术研究 英国( 1 9 5 9 年) 等国相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交 换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方 式为人工，网的容量较小。 第三阶段从2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代中期。在此期间，美国推出了改 进型移动电话系统( i m t s ) ，使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z 频段，采用大区制、中小 容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具 有相同技术水平的b 网。可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段， 其特点是采用大区制、中小容量，使用4 5 0 m h z 频段，实现了自动选频与自动接 续。 第四阶段从2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期。这是移动通信蓬勃发展时 期。1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂 窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1 9 8 3 年，首次在芝加哥投入商用。之 后，服务区域在美国逐渐扩大。到1 9 8 5 年3 月已扩展到4 7 个地区，约l o 万移 动用户。其它工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。如日本于1 9 7 9 年推出8 0 0 m h z 汽车电话系统( h a m t s ) ，西德于1 9 8 4 年完成4 5 0 m h zc 网，英 国在1 9 8 5 年开发出全地址通信系统( t a c s ) ，首先在伦敦投入使用，以后覆盖了 全国，频段为9 0 0 m h z 等等。 第五阶段从8 0 年代中期到9 0 年代中期。这是数字移动通信系统发展和成熟 时期。 以a m p s 和t a c s 为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝 网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动设备 复杂，费用较高，业务种类受限以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已 不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝 移动通信系统。1 9 9 1 年g s m 数字蜂窝移动通信系统投入使用，后被世界上众多 国家所采用，现已成为世界上拥有移动用户数量最多的移动通信系统。除此之外， 还有美国的i s 5 4 、i s 9 5 ( 窄带c d m a ) ，以及日本的p d c 等数字蜂窝移动通信系 统，这些统称为第二代蜂窝移动电话系统。 第六阶段是2 l 世纪初，这是第三代移动通信系统的诞生期。随着多媒体通 信的兴起，因特网、信息高速公路的普及，移动通信业务已不能只局限于话音通 信和低速数据通信，为此国际电联( i t u ) 着手制定了新一代蜂窝移动通信标准。 命名为i m t 2 0 0 0 的第三代蜂窝移动通信标准已于2 0 0 0 年正式颁布，欧洲提出的 与g s m 兼容的w c d m a 、美国提出的与i s 9 5 兼容的c d m a 2 0 0 0 ，以及我国提 出的t d s c d m a 均被i t uj 下式确定为第三代移动通信标准。随着近年来3 g p p 各版本标准的逐一制定完成，r 9 9 版本已相对成熟，r 4 、r 5 、r 6 版本都在完善 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文感知无线电系统中频谱感知技术研究 中，3 g 网络的建设呈现出一触即发的势头，而3 g 牌照的发放将极有可能成为 我国3 g 建设的触发点。然而，由于3 g 系统本身所具有的局限性已经引起人 们的注意，因此世界通信业界的专家们已将目光更远的放向了“后3 g 技术 ( i m t - 2 0 0 0b e y o n d ) ，也可以称为4 g 技术。 3 g ，4 g 等无线蜂窝技术只能工作在已经划分给它们的频段内。在本文中， 我们把3 g 和4 g 等技术称为传统的无线通信技术，用来和感知无线电技术对应。 感知无线电技术允许无线用户工作在未划分它们的频谱段内。前提是感知系统对 现存的系统不产生干扰。下面分别对传统的无线通信技术和感知无线电技术进行 介绍。 1 2 传统无线通信技术概述 本小节，我们介绍传统的无线通信技术，包括c d m a ，m i m o 和o f d m 技术。 1 2 1c d m a 基本原理 码分多址( c d m a ) 方式是一种先进的有广阔发展前景的多址接入方式，目前 已成为世界许多国家研究开发的热点。多址方式是许多用户( 地址) 共同使用同 一媒体相互通信的一种方式，通常这些用户多位于不同的地方并可能处于运动状 态，例如多个卫星通信地球站使用同一卫星转发器相互通信或许多移动用户台站 通过基站相互通信等，均属于多址通信方式。由于使用共同的传输媒体各用户间 可能会产生相互干扰，称为多址干扰。为了消除或减少多址干扰不同用户的信号 必须具有某种特征以便接收机能够将不同用户信号区分开，这一过程称作信号分 割，主要的信号分割方式有：频分方式、时分方式、码分方式以及相位分割方式 和空间分割方式等。频分方式不同用户使用不同频带实现通信，时分方式不同用 户使用不同时隙实现通信，码分方式所有用户使用同一频带在同一时间传送信 号，其信号分割是利用不同用户信号地址码波形之间的正交性或准正交性来实现 的，这种方式即称为码分多址方式( c d m a ) 。码分多址系统采用扩频调制信号， 其频带宽度比信息信号的频带宽度大得多几十倍几百倍甚至上千倍以上，扩频信 号的功率谱密度极低，具有很好的隐蔽性和很强的抗多种干扰的能力，例如抗瞄 准式干扰多径干扰等早在六十年代扩频技术就已应用于军事保密和抗干扰通信。 八十年代以来随着集成电路和计算机技术的迅速发展，码分多址扩频技术越来越 多地被用于民用通信系统，其中有代表性的就是九十年代由美国q u a l c o m m 公司 研制的i s 9 5 码分多址数字移动通信系统，早期的移动通信系统是信息模拟调频 频分多址方式( f m f d m a ) ，这种系统沿用至今，九十年代初由欧洲开发研制 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文感知无线电系统中频谱感知技术研究 的数字调制时分多址( g m s k t d m a ) ，移动通信系统g s m 贝j j 是现有商业运用最 为成熟的移动通信系统代表，而q u a l c o m m 公司的c d m a 数字移动通信系统被认 为是第三代移动通信的代表，目前c d m a 技术除已应用于移动通信外，在数据传 输卫星通信以及遥控遥测空间通信等许多领域也得到越来越广泛的应用，其显示 出许多优点主要有： 1 由于采用了扩频信号，系统具有很强的抗多种干扰的能力特别是具有抗多 径干扰的能力。 2 扩频信号的功率谱密度很低，即在单位带宽中的功率很小，对于一般非扩 频通信系统几乎不构成干扰，因此可以与其共用同一频段从而提高频带利用率。 3 由于所有用户使用同一载波频率不存在交调干扰可充分地利用频率资源。 4 可以采用分离多径技术提高抗多径干扰的能力。 5 利用现代计算机与数字电路技术可以较容易地实现多种地址码的产生变换 等，并容易与计算机联接实现控制与变换。 码分多址方式有同步码分多址方式( s - c d m a ) 与异步码分多址方式 ( a c d m a ) 两大类，同步码分多址方式：所有用户的地址码在接收点是同步的， 采用的地址码是正交码，理想条件下不存在多址干扰。异步码分多址方式：又称 随机接入多址方式，各用户地址码在接收点不一定保持同步关系，因此存在多址 干扰但实现较同步方式容易，尤其对移动通信接入控制等均比较容易实现。 1 2 2m i m o 基本原理 随着i n t e m e t 和多媒体等高速数据业务在无线通信系统中的广泛应用，下一代 移动通信系统( 即：b 3 g 4 g 系统) 需要在有限的无线频率资源范围内，提供比 现有的第二代移动通信( 2 g ) 系统和第三代移动通信( 3 g ) 系统更高的传输速 率，更大的覆盖范围，更稳定的性能，而且还要能够满足各种业务的传输要求。 为了实现上述目标，国际上普遍认为b 3 g 4 g 系统应当在1 0 0 m h z 无线频段范围 内达1 g b p s 的峰值速率，也就是频谱效率高达1 0 b p s h z ；同时，为了满足绿色环 保要求，b 3 g 4 g 系统的发射功率还要远低于2 g 和3 g 系统。 然而，由经典的香农信息论可知，上述对b 3 g 4 g 系统容量的要求远远超过 了传统的香农信道容量极限。换句话说，采用传统的通信手段根本无法获得如此 高的信道容量的。因此，要想超越经典香农理论设定的信道容量极限，必须要有 全新的理论支持。 贝尔实验室的t e l a t a r 和f o s c h i n i 等人的最新研究成果显示：在无线富反射衰 落环境下采用多个发射天线和接收天线可以成倍地提高无线通信系统的信道容 量，这种采用多个收发天线的系统通常被称为多入多出( m i m o ) 系统，其信道 4 北京邮电大学硕：仁研究生学位论文 感知无线电系统中频谱感知技术研究 容量近似与收发天线数目的最小值成正比，这意味着：通过增加收发信机两端的 天线数目就可以大幅度提高无线系统的频谱效率。1 9 9 8 年，贝尔实验室垂直分 层空时结构( v b l a s t ) 系统的实验平台在2 4 3 4 d b 的信噪比下成功地实现了 高达2 0 4 0 b p s h z 的频谱效率。 m i m o 信道容量的新发现是信息理论的一次重大飞跃，它将经典的香农信 息论扩展到更加广义的m i m o 信息论，从根本上打破了人们以往对无线频谱效 率认识上的桎梏，对无线通信的系统结构、分析方法、调制技术、编译码算法、 信号检测技术、信道估计技术等各个方面都产生了极其深远的影响，极大地激励 了各种传统通信技术向m i m o 技术的跨越式发展，涌现出如贝尔实验室分层空 时结构( b l a s t ) 、空时编码等一系列令人耳目一新的技术，在无线通信领域 掀起了一场强劲“m i m o ”风暴。 将m i m o 技术与一些高效的宽带无线传输技术相结合，可以有效地对抗宽 带无线信道的频率选择性衰落，大幅度提高无线通信系统的数据吞吐量。目前， 国际上公认的最有效的结合是将m i m o 与正交频分复用( o f d m ) 技术结合而 成的m i m o o f d m 技术，它集中了m i m o 技术和o f d m 技术的诸多优点，具 有更为强大的通信潜力，能够在宽带无线信道上获得极高的频谱效率，达到惊人 的吞吐量。2 0 0 5 年6 月，日本n t td o c o m o 宣称，该公司的4 g 实验系统利用 m i m o o f d m 技术在1 0 0 m h z 带宽内成功实现了1 g b p s 的峰值速率，频谱效率 高达1 0 b p s i - i z 。当前，m i m o o f d m 已被看作是b 3 g 4 g 系统的核心物理层技 术，各国政府、各大通信公司、科研机构等都已经针对基于m i m o o f d m 技术 的b 3 g 4 g 系统制定了周密的研究发展计划，并开展了非常密集的研究工作，例 如：我国的8 6 3 “f u t u r e 计划，欧盟的“w i n n e r 计划，日本的“m l t f ”等。 此外，其它各种无线通信标准的物理层技术也正在向m i m o o f d m 技术逐步过 渡，如：3 g p pl t e 、i e e e8 0 2 1i n 、i e e e8 0 2 1 6 、i e e e8 0 2 2 0 等。 1 2 3o f i ) m 基本原理 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波调制( m c m ) 技术。它具有 抗干扰能力强、频谱利用率高、数据传输率高等优点，是一种非常适用于无线环 境的高速数据传输技术。其传送数据的基本原理是把高速的数据流通过串并变换 分成几个低速并行的比特流，并将每个这样的数据流调制在相互正交的单个载波 上。由于每个子载波信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的 多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。并且还可以在o f d m 符 号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最 大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 。o f d m 系统的一个重要优点 北京邮电人学硕上研究生学位论文感知无线电系统中频谱感知技术研究 就是可以利用快速傅里叶变换实现调制和解调，从而可以大大简化系统实现的复 杂度。一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个 子载波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。 o f d m 可以作为一种调制技术，其本身也可以作为一种多址技术。o f d m a 的概念最初是由s a r i 提出的。o f d m 的概念类似于f d m ，同样地，o f d m a 的 概念与f d m a 也有一定的相似之处，它给每一个用户分配符号内部分可用的子 载波；从这一点上来说，它和f d m a 是等价的；然而，o f d m a 并不需要在用 户之间设置保护频带，并且，各个用户所使用的子载波也并不一定连续，而是允 许以子载波为单位任意分配，因而具有比f d m a 更高的灵活性。在没有频率和 定时偏移的情况下，这种多址方式不会受到多用户干扰的影响。 在发射机不了解信道状况的情况下，资源以随机方式进行分配。与固定分配 方式相比，这种方式避免了某些子载波上可能出现的持续深衰落对于数据传输的 影响，使每个用户都可以访问所有的子载波，起到了频率分集的效果；同时，也 起到了噪声平均的作用，这是因为噪声和信道的衰落特性每一时隙都不相同，系 统的性能依赖于接收到的平均信号和噪声功率而不是最糟情况下的信号和噪声 功率。实际上，这种资源分配的方式是一种跳频o f d m a 。在信道状态信息未知 的情况下，我们也可以利用时间和频率交织的方法来获得编码增益，消除频率选 择性衰落的影响。 o f d m a 特别适用于发射机已知信道状况信息的情况。在频率选择性衰落信 道中，当子载波间的衰落不相关或相关性较弱时，可以使用子载波和比特分配算 法来优化分配过程，达到不同准则下的最优化目的。信道状态信息可以通过单独 的控制信道来传送，也可以通过o f d m 帧头传送；在时分双工的系统中，发射 机可以通过观察上行信道来获得下行信道的状况。将o f d m a 与动态资源分配相 结合，可以使所有的子载波都能更有效地被利用，从而显著地提高系统的性能。 1 3 感知无线电技术概述 与上一小节介绍的传统通信技术相比，感知无线电是通过发现并接入未使用 的授权频谱资源来提高系统容量的。本小节，我们介绍感知无线电技术的技术背 景及发展现状。 1 3 1 感知无线电技术背景 随着无线通信技术的发展，越来越多的无线通信系统进入了实际应用。尤其 是随着无线局域网( w l a n ) ，无线个人网络( w r a n ) 等技术的发展，无线资 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文感知无线电系统中频谱感知技术研究 源变得越来越紧张。现存的无线通信系统都是基于固定接入方式工作，即系统只 能在划分给它的频谱段内工作。这种固定频谱分配方式被广泛采用的原因是在特 定频段内的通信业务要求不被其他的通信业务所干扰。现在3 gh z 以下的频谱 已经几乎完全被分给了特定的通信系统，能够分配给新的无线通信系统的频谱已 经十分有限。为了满足日益增大的无线资源需求，人们不断开发新的通信技术， 从而增大信道吞吐量使其接近于香农极限。但由于移动终端天线尺寸和功率的限 制，可以用于无线接入的频段很有限。在提高频谱效率方面，目前较为先进的 c d m a 空中接口技术，如h s d p a 可以达到1b i t ( s h z ) 的频谱效率，将来o f d m 和m i m o 技术的应用也只能达到3 4b i t ( s h z ) 的频谱效率。但是3 - 4 倍的频 谱效率的提高对于人们成百上千倍的带宽需求增长是微不足道的。 而同时，实际测量发现很多已经分配了的频谱的利用率却非常低( 电视机频 段平均利用率只有1 0 - 1 5 ) 【2 】。并且，现存的固定频谱分配技术是授权一段频 谱给一类用户，同时不允许其他的未授权用户接入这段频谱。这种分配技术的弱 点是已经分配的频谱的利用率很低，而同时还有很有其他的无线应用面临没有可 用频谱的问题。这暗示了现存频谱分配技术的不合理性，也表明动态频谱接入技 术能够有效的提高频谱利用率，从而解决频谱稀缺难题。动态频谱接入允许未授 权用户动态使用未使用的授权频段。感知无线电技术( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 是最近 几年新提出的一种很有前景的动态频谱接入技术。它的核心思想是未授权用户系 统通过检测未使用的授权频段，然后伺机动态接入，从而提高频谱使用效率。 1 3 2 感知无线电技术发展现状 由于感知无线电技术的广阔前景，它受到了业内广泛的关注【3 】。 感知无线电技术已经在2 0 0 2 年被美国联邦通信委员会( f c c ) 批准为未来无 线接入的一种新型技术【4 】。国际电联i t u 关于感知无线电的研究工作目前仍隶属 于i t u r8 a 工作组中的软件无线电研究课题。因为软件无线电不足以涵盖感知 无线电的所有范畴，所以r r u r 于2 0 0 6 年3 月提出一项新的建议，将感知无线 电单独作为一个研究课题进行研究，这说明i t u 已经充分认识到感知无线电技 术在未来通信发展中的重要意义。 2 0 0 3 年8 月软件无线电论坛就开始探讨放松当前严格的频谱划分政策的可 能性，研究通过开发新的智能无线电设备从而提高频谱利用效率。该论坛于2 0 0 4 年1 0 月成立了感知无线电工作组，专门开展有关感知无线电技术研究。鉴于软 件无线电论坛的特殊任务，该工作组主要致力于开展感知无线电平台的分析和多 模式调整功能的研究。 i e e e 于2 0 0 4 年1 1 月正式成立i e e e 8 0 2 2 2 工作组，这是第一个世界范围的 7 北京邮电人学硕l ：研究生学位论文感知无线电系统中频谱感知技术研究 基于感知无线电技术的空中接口标准化组织【5 1 。i e e e 8 0 2 2 2 也被称为无线区域网 络( w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k ，w r a n ) ，系统工作于4 1 9 1 0m h zv h f u h f 频段上未使用的t v 信道，工作模式为点到多点。i e e e 8 0 2 2 2 的数据通信速率为 数m b i t s 一数十m b i u s ，基站设备可覆盖的范围很大，如半径可超过4 0 k m 。作 为实现e i e e 8 0 2 2 2 的关键，感知无线电技术是指通过在通信终端上配备能够检 测未使用频带的功能，在各地区和各个时间段里有效地利用不同的空闲频道。即 便频率需求非常紧张的数百m h z - 2 g h z 无线频带中，照样存在着大量的空闲频 道，但这种空闲频道过去始终无法得到有效利用。如果i e e e 8 0 2 2 2 能达到实用 水平，那么终端方面就能通过寻找电视转播中未使用的频率，将其用于无线通信。 日本，英国和中国等国家也已于2 0 0 5 年宣布探讨该技术。 除了i e e e 8 0 2 2 2 ，感知无线电的思想已经在8 0 2 1 9 ，8 0 2 1 6 h ，8 0 2 1 6 m 和 8 0 2 1 l y 等其他标准中采用。另外，i e e e 于2 0 0 5 年成立了i e e e l 9 0 0 标准组，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。该工作组对 于感知无线电技术的发展和与其它无线通信系统的协调与共存有着极其重要的 意义。 美国国防部提出下一代无线通信( x g ) 的项目，2 0 0 4 年该项目进入第三个研 究阶段，投资1 7 0 0 万美元，已在2 0 0 6 年底完成第三阶段的研究 6 】。该项目的核 心思想是采用感知无线电技术的便捷电台。这些无线电台在使用法规的范围内， 可以动态适应变化的无线环境，在不干扰其他非合作无线电台的前提下，使得可 接入的频谱范围扩大l o 倍。 1 4 研究主要工作及内容安排 本文主要研究了感知无线电技术的中的频谱感知技术，主要集中在以下三个 方面：能量检测器，最大化系统容量的合作检测技术和软合作与硬合作的关系。 这三个方面的具体研究内容分别再第三、四、五章进行了详细论述，并在在下面 结构安排中进行了简单介绍。 论文共分为六章，结构安排如下： 第二章介绍了感知无线电的系统结构，分析了感知无线电技术实际应用的技 术难题。着重介绍了感知无线电中三大关键技术：频谱分配技术和频谱检测技术 和频谱管理技术。 第三章提出了新型的能量检测器，从而避免噪声功率不准确估计给能量检测 器带来的负面影响。首先用理论和仿真研究了噪声功率不准确估计对传统的能量 检测器的带来的负面影响。然后根据贝叶斯估计理论，提出了新型的鲁棒的能量 检测器。通过仿真，我们证明新型的能量检测器能够完全去除噪声不准确估计带 北京邮电大学硕士研究生学位论文感知无线电系统中频谱感知技术研究 来的负面影响。 第四章推导出了最优的合作频谱检测算法，从而最大化信道容量。首先介绍 了合作频谱感知技术，然后根据合作感知技术的内在特性分析如何设计检测参数 来使信道容量最大化，最后推导出了算法来计算最优频谱检测的参数设置。 第五章分析了软合作与硬合作频谱感知技术之间的联系：当硬合作中参与单 位个数是软合作参与单位个数的1 6 倍时，他们几乎有相同的检测效果。 第六章总结全文的研究工作并对今后的研究方向进行了展望。 9 北京邮电人学硕l ：g f 究生学位论文感知无线电系统中频谱感知技术研究 第二章感知无线电的关键技术 感知无线电【7 】是m i t r e 公司的顾问，当时瑞典皇家学院的博士生约瑟夫米 特拉( j o s e p hm i t o l a ) 于19 9 9 年8 月在i e e ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s 上提出的概 念 8 】。感知无线电是在软件无线电在当今软件和硬件及信号处理相关技术成熟的 条件下自然进化产生的一种技术。它能够使无线通信设备更加方便的使用所有的 无线频谱，使无线通信设备具备感知和“思考 能力。它的基本出发点是使具有 感知功能的无线通信设备自动发现空闲频段并接入使用，从而避免频谱浪费，提 高频谱利用率。感知无线电的另一个出发点是改进系统的稳定性，从而让通信设 备在特殊情况下( 地震时信号中断) 能够自动发现可用频谱段，从而能够在任何 时候，任何地点能够高效的使用无线频谱资源。为了使感知无线电技术在现实中 能够使用，需要软件无线电，信号处理，学习和决策理论等相关技术的结合。 具有感知无线电功能的用户需要定期搜索并下载相关法规，然后根据这些法 规对自身的行为和机制进行调节。除了要获得最新的频谱管理法规外，另外一个 非常重要的工作既是对“频谱空洞”的检测。“频谱空洞 是一个包括时间，空 间，频域上的空洞。由于周围环境是不断变化的，感知无线电用户需要动态感知 周围环境的功能。 感知无线电的基本组成结构如图2 1 所示【1 7 】【1 】： 收机 图2 - 1 感知无线电基本结构示意图 本章关于感知无线电的研究主要集中在三个方面：频谱分配和频谱感知和频 谱管理技术。 l o 北京邮电大学硕士研究生学位论文感知无线电系统中频谱感知技术研究 2 1 频谱分配技术 频谱分配技术主要是采用有效的方法来充分使用已经感知到了的空闲频段。 主要有两点需要考虑：第一是怎样提高频谱利用率，让有限的频谱资源充分利用： 第二是综合优化系统消耗的能量，即在总功率一定情况下最大化系统容量，或者 在系统容量一定情况下最小化系统消耗的能量。 由于在某一带宽上传送数据会对相邻的信道或者同一信道上的其他用户产 生干扰。所以，在感知无线电系统中，频谱分配的另一个重要考虑因素是控制传 输能量从而使对授权用户的干扰最小。 o f d m 是目前公认的一种比较适合感知无线电频谱资源分