（通信与信息系统专业论文）无线网络中的频谱检测研究.pdf

! 北京邮电大学硕士研究生学位论文第三章具有频谱检测层的网络模型 1 1 1 11 1 11 1 11 1 11 11 1 1 1i il 、t17 5 9 6 5 5 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，除了文中特别加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， 本人签名：矬 本人承担一切相关责任。 日期：塑! ! ：圭! ! 竺 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： 岱曼鹭兰 日期：型f q ：墨：! 竺 导师签名： 蚤测 日期： 塑! 里：兰! ：竺 l - l 北京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 无线网络中的频谱检测研究 摘要 在当前的无线网络中，随着多媒体通信应用的急剧增加，传统的 静态频谱分配策略不能满足日益增长的频谱需求。低效的频谱利用率 成为了未来移动通信发展的一大瓶颈。由此，认知无线电技术作为一 种智能频谱共享技术，近年来受到广泛关注。它通过对其无线通信环 境的交互感知而自动改变自身的发送和接收参数，从而动态地重复使 用可用频谱，这样就可以有效的利用空闲频谱。在认知无线电网络中， 频谱检测作为一个核心问题受到了广泛的研究。 本文首先概述了认知无线电的概念、技术特征和研究现状，接着， 在第二章中讨论了现今无线网络的频谱检测技术，并对各种检测技术 进行了分类整理和比较。在第三章中，主要对认知无线电的网络架构 进行了研究，提出了具有频谱检测层的网络模型。在第四章中，引入 了一种虚拟频谱检测的思想，通过分布式信息共享框架结合基于闭环 功率控制的主动检测和被动能量检测提出了一种混合检测模式。最 后，将所提出的混合检测模式与一般检测进行了比较。 本文的研究成果： 1 、提出了一种具有频谱检测层的认知无线电网络模型，来解 决隐藏终端问题。 2 、提出了一种基于虚拟频谱检测思想的混合检测模式。采用 了m a t l a b 软件进行了仿真，仿真结果表明混合检测模式比 一般检测模式具有更高的鲁棒性。在表4 1 参数的网络环 境下，仿真结果表明混合检测模式的平均检测时间为 0 0 4 8 m s ，而一般检测的平均检测时间为0 1 m s 。 由于作者理论水平和实践经验的限制，论文中的不当之处在所难 免，恳请各位老师和专家批评指正。 关键词：频谱检测虚拟频谱检测混合检测模式网络拓扑 北京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 t h er e s e a r c ho ns p e c t r u ms e n s l n g i n w i r e l e s sn e t w o r k i nt h ec u r r e n tw i r e l e s sn e t w o r k , w i t ht h en u m b e ro fm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n sa p p l i c a t i o n si n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y , t h et r a d i t i o n a ls t a t i c s p e c t r u ma l l o c a t i o ns t r a t e g yc a nn o tm e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n df o r s p e c t r u m a n di n e f i c i e n tu t i l i z a t i o no fs p e c t r u mh a sb e c o m eam a j o r b o t t l e n e c ki nt h ed e v e l o p m e n to ff u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h u s ，a s a ni n t e l l i g e n ts p e c t r u ms h a r i n gt e c h n o l o g y , c o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g y r e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s i tc a nc h a n g et h es e n d i n ga n d r e c e i v i n gp a r a m e t e r sa d a p t i v e l ya c c o r d i n gt oi t si n t e r a c t i v es e n s i n go f t h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc o n d i t i o ni tw o r k si n t h e ni tc a nu s et h e a v a i l a b l es p e c t r u mr e p e a t e d l y , w h i c hi m p r o v e st h eu t i l i z a t i o no ft h e a v a i l a b l es p e c t r u me f f e c t i v e l y i nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s ，s p e c t r u m s e n s i n ga sa c o r ei s s u eh a sb e e nw i d e l ys t u d i e d f i r s t l y , t h i sp a p e ro u t l i n e s t h e c o n c 印t ，t e c h n i c a l f e a t u r e sa n d r e s e a r c hs t a t u so fc o g n i t i v er a d i o a n dt h e ni nt h es e c o n dc h a p t e rw e c l a s s i f i e da n dc o m p a r e dt h ec u r r e n tw i r e l e s sn e t w o r ks p e c t r u ms e n s i n g t e c h n o l o g y i n t h et h i r dc h a p t e r , w es t u d i e dc o g n i t i v er a d i on e t w o r k a r c h i t e c t u r ea n dp u tf o r w a r dan e wn e t w o r km o d e lw i t has p e c t r u m s e n s i n gl a y e r i n t h ef o u r t h c h a p t e r , t h e v i r t u a l s p e c t r u ms e n s i n g t e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e da n dah y b r i ds e n s i n gm o d ei sp r o p o s e dt h a t c o n s i s t so ft h ec l o s e d - l o o pp o w e rc o n t r o ls e n s i n g ，p a s s i v ee n e r g ys e n s i n g a n dt h ev i r t u a ls p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h ed i s t r i b u t e d i n f o r m a t i o ns h a r i n gf r a m e w o r k f i n a l l y , w ec o m p a r e dh y b r i ds e n s i n g p a t t e r nw i t h t h eg e n e r a ls e n s i n g s t u d yr e s u l t s ： 1 w ep r o p o s e dac o g n i t i v er a d i of r e q u e n c ys p e c t r u md e t e c t i o nl a y e r n e t w o r km o d e lt os o l v et h eh i d d e nt e r m i n a lp r o b l e m 北京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 2 p r e s e n tah y b r i ds e n s i n gm o d et h a tb a s e do nt h ev i r t u a ls p e c t r u m s e n s i n g u s i n gm a n a bs o f t w a r e ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e h y b r i dd e t e c t i o nm o d eh a sah i g h e rr o b u s t n e s st h a nn o r m a ld e t e c t i o n m o d e a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r si nt a b l e4 1s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ea v e r a g ed e t e c t i o nt i m eo ft h eh y b r i dd e t e c t i o nm o d ei s0 0 4 8 m s t h ea v e r a g ed e t e c t i o nt i m eo ft h eg e n e r a lt e s ti so 1 m s i t sh a r dt oa v o i dm i s t a k e sb e c a u s eo fm yl i m i t a t i o n si nt h e o r i e sa n d e x p e r i e n c e s ，s o1w i l lb ev e r ya p p r e c i a t e di ft h e ya r ep o i n t e do u tb ye v e r y e x p e r t k e yw o r d s ：s p e c t r u ms e n s i n gv i r t u a ls p e c t r u ms e n s i n g h y b r i d s e n s i n gm o d e n e t w o r kt o p o l o g y m 北京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 第一章引言1 1 1 课题背景和意义1 1 2 认知无线电概述2 1 2 1 认知无线电的概念2 1 2 2 认知无线电技术特征4 1 2 3 认知无线电的研究现状4 1 3 本文的研究重点6 1 4 主要研究成果6 1 5 论文的组织结构6 第二章认知无线电的频谱检测8 2 1 引言8 2 2 频谱的多维性8 2 3 频谱检测方法的分类比较9 2 3 1 本地频谱检测9 2 3 2 协作检测1 2 2 3 3 基于干扰的检测1 4 2 3 4 本振泄露检测方法1 5 2 4 当前无线标准中的频谱检测1 5 2 4 1i e e e8 0 2 1 l k 1 5 2 4 2 蓝牙1 5 2 4 3i e e e8 0 2 2 2 1 6 2 5 本章小结1 7 第三章具有频谱检测层的网络模型1 8 3 1 网络架构研究的背景1 8 3 1 1 集中式网络架构1 8 3 1 - 2 分布式网络架构1 9 3 1 3 混合式网络架构2 1 3 2 无线网络中的频谱特性2 3 3 2 1 频谱的异构性2 3 3 2 2 基于约束理论的干扰分析方法2 4 3 2 3 无线网络中干扰温度的测量2 5 3 3 网络架构设计2 6 3 3 1 网络的设定2 6 3 3 2 频谱检测层2 7 3 3 3c r 用户层2 7 第四章混合检测机制3 0 4 1 虚拟频谱检测3 0 4 1 1 分布式信息共享机制3 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文目录 4 1 2 认知d i s h 框架3 l 4 2 被动检测与主动检测3 1 4 2 1 被动检测3 2 4 2 2 闭环功率控制的主动检测3 2 4 3 混合检测模式3 4 4 3 1 检测周期分析3 4 4 3 2 混合检测时序3 5 4 4 检测效率分析3 6 第五章总结与展望4 2 5 1 工作总结4 2 5 2 工作展望4 3 参考文献4 4 致谢4 8 攻读学位期间发表的学术论文4 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 1 课题背景和意义 第一章引言 无线频谱是一种有限的自然资源，近几年随着大量的移动服务急剧加入，越 来越多的频谱被分配利用，可以提供给新业务使用的空闲频段出现短缺。在另一 方面，由于传统的频谱分配方式是基于一个固定的频谱分配政策，即每段频谱被 专门指定相应的授权用户系统使用，这常常使得频谱资源分配不均和浪费。根据 美国联邦通讯委员会( f c c ) 调查，在不同的时间和区域频谱利用率的范围大约 在1 5 到8 5 之间。 基于上述背景，认知无线电技术逐步引起人们的关注。认知无线电 ( c o g n i t i v er a d i o ) 技术作为一种智能频谱共享技术可有效地缓解上述矛盾，它 通过感知频域、时域和空域等频谱环境，自动搜寻并利用已授权频段的空闲频谱， 实现不可再生频谱资源的再利用，为解决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。认知无线电的基本出发点就是：为 了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种伺机的方式接入 并使用已授权的频段。当然，这一定要建立在已授权频段没用或只有很少的通信 业务在活动的情况下。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源 被称为“频谱空洞。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频 谱空洞并合理利用该频谱的能力。 通过认知无线电技术，未授权用户共享可利用的“频谱空洞”，从而提高无 线通信系统的通信容量，从根本上改善频谱利用率不足的现状。这种灵活的机会 式频谱接入机制，能够为优先级低的通信业务提供短期临时的大吞吐量无线电资 源，将在如公共安全，应急保障等社会应用中发挥显著的实际意义。此外，由于 认知无线电系统的无线链路和网络层具有智能特性，能实现在有限信号空间中以 最优的方式有效地传送信息，从而为在日益拥挤的无线通信设备和系统中实现频 谱资源的高效、共存、兼容和互通展现了美好的前景。并且随着人工智能和信号 处理技术的不断发展，认知无线电将会使无线通信系统更加智能化，将对人类社 会未来的通信发展起到不可估量的推动作用。 第1 页共4 9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 目前许多标准工作组正在进行相关的研究。i e e e 8 0 2 2 2 工作组正在制定基于 c r 技术的无线区域网络w r a n 的物理层和媒体接入层m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 标准，已完成了对w r a n 的功能需求和信道模型文档；i e e e 8 0 2 1 6h 任务小组通过 增强链路层的感知和协调能力来实现基于w i m a x 的非授权系统及其与授权系统之 间的共存和互通。i e e e 8 0 2 1 1h 和k 任务小组也分别通过增强动态信道选择和发 送功率控制机制以及增强射频资源测量机制等来实现与其它免授权系统的共存； i e e e l 9 0 0 标准组也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。目前软件无线电论坛的c r 工作组主要致力于开展c r 平台的分析和多 模式调整功能的研究。 认知无线电作为一种智能的频谱共享技术，在真正走向现实的应用还需要有 许多关键的问题急需解决，目前已有很多关于无线网络的频谱实时检测的相关研 究。但在具体的应用环境中，仅仅要求认知用户具有无线频谱检测的能力是不够 的。我们还需要在对认知无线电网络模型进行研究来提出一种现实可靠有效的网 络架构来为认知用户提供有效的应用服务。 1 2 认知无线电概述 1 2 1 认知无线电的概念 认知无线电是一个能够感知外部环境的智能无线通信系统，能跟据环境的变 化动态调整其内部状态( 工作频率、发射功率、调制方式) ，以有效利用空闲频 谱，同时避免对其它系统的干扰。在不影响授权频段正常通信的基础上，具有认 知功能的无线通信设备可以按照某种伺机的方式接入到授权频段内，并动态地利 用频谱。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱 空穴 【1 】因此认知无线电的核心思想是认知无线电具有学习能力，能与周围环境 交互信息，以感知和利用在该空间的频谱空穴，并限制和降低冲突的发生。 知无线电的概念最初由j o s e p hm i t o l a 博士研究。随着认知无线电的发展其研 究和应用都不再局限于最初的范畴，不同的研究者从不同角度对认知无给出了其 定义和内涵。下面分别给出了j o s e p hm i t o l a 博士、美国联邦通信会( f c d e r m c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n s ，简称f c q 、及s i m o nh a y k i n 对认知无线电的定 义。 j o s e p hm i t o l a 博士根据最初对认知无线电的定义，在其博士论文【2 】中加以拓 展，并系统地阐述了认知无线电的内涵，给出了下述有关认知无线电的定义： “认知无线电这个术语是指这样一个观点，即在无线通信和相关的计算机与 计算机之间通信方面，无线个人数字助理( p e r s o n md i # t a l a s s i s t a n t ，p d a ) 及 第2 页共4 9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 相关的网络能够具有足够的计算智能，包括检测用户的通信需求作为使用环境的 函数以及提供最符合这些需求的无线资源和服务。于是，认知无线电设备能够为 无线传输自动选择最好和最便宜的服务，甚至能够根据目前或即将可用的资源， 延迟或提前某次传输。一 相比j o s e p hm i t o l a 对认知无线电的认识，f c c 认为认知无线电技术是能够使 认知无线电网络以一种动态方式使用频谱的关键技术。f c c 对认知无线电做了 如下定义： “认知无线电是指能够根据与工作环境进行交互，改变发射机参数的无线电 设备p j 。f c c 认为只要具备认知能力和自动重配置能力的设备均称为认知无线 电，其主体可以是软件定义无线电( s o f t w a r ed e f m e dr a d i o ，s d r ) ，但对认知 无线电设备而言，不一定必须具有软件或实时可编程的要求。” s i m o nh a y k i n 教授在文献【4 j 中从信号处理的角度对认知无线电进行定义。 “认知无线电是一种智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并运用人工 智能的技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数，使其内部状态适应接收 到的无线信号的变化，从而实现任何时间任何地点的通信的可靠性和对频谱资源 利用的有效性。一 s i m o nh a y k i n 根据上述定义，从信号处理的角度全面总结了认知无线电技术 的三个关键问题： ( 1 ) 无线环境分析，包括：无线环境中干扰温度的估计和频谱洞的检测。 ( 2 ) 信道状态估计与预测建模，包括：信道状态信息的估计和信道容量的预计。 ( 3 ) 发射功率控制与动态频谱管理。 此外，针对这些关键问题研究了一些解决方法和可能的研究方向，给出了由 这三个关键问题构成的认知环模型，如图1 - 1 所示。 接哪曼机j 图1 - 1 认知环模型 第3 页共4 9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 1 2 2 认知无线电技术特征 根据认知无线电技术的定义，可知认知无线电技术具备两个特征1 5 j ： 认知能力，即能够从其所处的无线环境中捕获或感知相关信息的能力。通过 认知，可以使认知用户能与周围环境实时交换信息，识别在某一特定时间或空间 的频谱，确定合适的通信参数。 可配置能力，即可以使用户根据其所处的无线环境动态进行调整，这样使认 户能在多个频段上发送和接收，并可使用不同的传输接入技术。 根据上述特征，认知无线电网络应该具有以下四个主要能力p j ： d 频谱感知能即用户可以确定哪些频谱是可用频谱，并且能检测到授权用户 的存在，以及不会对其他用户产生有害干扰的情况下共享可用频谱； 2 _ ) 频谱管理能力，即可以选择最好的可用频谱使用； 3 ) 频谱共享能力，即用户能够与其他认知用商接入可用频谱； 4 ) 频谱移动性能力，即当检测到授权用户需要使用其占用一频段时能立即退 避，同时满足无缝通信需求。 频谱的动态使用也带来一些挑战，比如传统的、固定使用频谱的通信协议己 适应这种频谱感知的通信。一旦可用的频谱得到确定，那么将进行这个频谱通信， 但是，由于无线环境随时间和空间变化，需要用户能及时跟踪这种变如在认知用 户传输过程中，可能存在授权用户重新占用这段频谱、用户移动传输变化导致的 环境变化，都有可能触发原有的可用频谱不能再用的情况。 1 2 3 认知无线电的研究现状 近年来，认知无线电已成为无线通信领域的研究热点，国内外的多个高校、 研究机构以及工业界都对其展开了广泛的研究。下面将对国内外比较典型知无线 电研究进行相关介绍。 1 c o r v u s 系统 c o r v u s 系统由美国加州大学b e r k e l e y 分校的r wb r o d e r s e n 教授研究组 研究，其目标是通过协调的方式检测和使用频谱，目前，该系统正开发测试床评 估物理层及介质访问控制层的性能。 2 频谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 系统 德国k a r l s r u h e 大学的认知无线电研究组开展了对频谱池相关技术的研究， 研究是基于一个正交频分复用( o f d m ) 的中心控制频谱池系统。该系统架构包括 基站和移动用户，研究的应用场景主要集中在o f i ) m 无线局域网( 如 i e e e 8 0 2 1 1 a g ) 与g s m 网络的频谱资源动态共享。当前，该系统正在研究的内 第4 页共4 9 页 _l_ 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 容包括：物理层的频谱接入检测和干扰抑制、介质访问控制层( m a c ) 的调度 和切换等。 3 d i m s u m n e t 系统 d i m s u m n e t 由l u c e n tb e l l 实验室和s t e v e n s 理工学院的研究人员研究，旨 在通过协调接入频段来实现频谱统计复用接入的网络体系结构。目前， d i m s u m n e t 的研究集中在两个方面：一是通过对现有c d m a 和g s m 蜂窝网络 频谱利用率进行大量的测量，以研究通过协调动态频谱接入提高频谱利用效率的 可能性【6 】；另一方面是研究宏蜂窝网络场景下频谱定价和分配算法阴。 4 i e e e8 0 2 2 2w r a n 系统 i e e e8 0 2 2 2 无线区域接入网系统( w 黜埘) 目标在于以不对电视广播产生 干扰的前提下，通过认知无线电技术，利用未使用的电视广播信道，为农村地区、 边远地区和低人口密度且通信服务质量差的地区提供类似于在城区或郊区使用 的宽带接入技术，其工作组是第一个世界范围内、基于认知无线电技术的空中接 口标准化组织；目前，已基本形成i e e e 8 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。 5 d r i v e o v e r d r i v e 项目 欧洲移动环境下提供口服务的动态无线电项目( d y n a m i cr a d i of o ri p s e r v i c e si nv e h i c u l a re n v i r o n m e n t s ) ，其目标是通过公共协调信道在网络间实现动 态频谱共享；其后续项目基于移动环境下提供p 服务的动态无线网络实现 频谱高效的单播和组播项目，目标是通过将现有的通用移动通信系统无线网络进 行增强和协调，构成混合网确保以频谱高效利用的方式提供移动多媒体服务。目 前，该项目研究了两种动态频谱分配( d s a ) 算法：时间动态频谱分配和空间动 态频谱分配。 6 e 2 r 项目 欧盟端到端重配置( e n dt oe n dr e c o n f i g u r a b i l i t y ，e 2 r ) 研究项目 是d r i 影o 、，e r d r i v e 项目的扩展，研究通过端到端重配置网络和软件无线电技 术将不同类型的无线网络融合起来，为用户、服务提供商、管理者提供更多可选 的系统，其主要目的是设计开发基于系统的可重配置设备，同时研究蜂窝、局域 网、数字视频广播( d v b ) 等多种无线系统的共存。在2 0 0 6 2 0 0 7 年的e 2 r 第二阶 段，从干扰温度( i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e ) 的辨识和量化、资源检测与频谱分配、 不同时间和空间分辨率的分布式无线资源分配的角度出发，利用新的设计和分析 工具进行了进一步入研究，并开发出验证系统；同时，还在德国、法国和西班牙 进行频谱占用，以便为前述研究提供可靠的数据。 在国内的研究机构、大学、运营商以及一些厂商都已开始了c r 相关方面的 第5 页共4 9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 研究。中国移动目前对认知无线电的研究主要包括两个方面：一个方面是对中国 的频谱使用情况的测量，并为理论研究提供数据支持。另一个方面是理论方面的 研究，包括四个方面：频谱管理策略、系统和协议框架、动态频谱分配机制和频 谱感知机制。 2 0 0 8 年5 月，北京邮电大学主办了中欧认知无线电系统工作会议，旨在为中 欧在认知无线电系统领域提供一个交流平台，推动中欧在此领域的交流合作1 8 j 。 与会的中方代表分别来自政府部门、大学、运营商和一些设备厂商。会议探讨了 认知无线电的发展现状，并对前景进行了展望。会上，北京邮电大学无线新技术 研究所已开发出用于认知网络的认知导频信道演示系统原型。该演示平台成功实 现了网络信息收集、网络信息广播、终端网络选择的全部演示工程。 国家的各种科技计划，如8 6 3 计划和9 7 3 计划都已把认知无线电的相关研究 立为重点科研项目。认知无线网络已成为无线通信领域的研究热点之一，而我国 相关研究正紧跟世界前沿。 1 3 本文的研究重点 本文研究的重点是无线网络中的频谱检测技术。在基于所建立的网络模型的 上提出了一种混合检测模式，并且从信道切换时延方面分析了这种检测模式的优 势。 1 4 主要研究成果 1 、建立了一种具有频谱检测层的认知无线电网络模型。 2 、提出一种基于闭环功率控制的主动检测方法 3 、提出了一种基于虚拟频谱检测思想的混合检测模式。 1 5 论文的组织结构 第一章首先概述了认知无线电的概念、技术特征和研究现状。 第二章讨论了现今无线网络的频谱检测技术，并对各种检测技术进行了分 类整理和比较。 第三章对认知无线电的网络架构进行了研究，提出了具有频谱检测层的网 络模型。 第四章引入了一种虚拟频谱检测的思想，通过分布式信息共享框架结合基 于闭环功率控制的主动检测和被动能量检测提出了一种混合检测模式。并从信道 第6 页共4 9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 切换时延分析了所提出的网络模型。 第五章对研究工作提出了总结和展望。 最后一部分是致谢和参考文献。 第7 页共4 9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章认知无线电的频谱检测 2 1 引言 第二章认知无线电的频谱检测 频谱检测是建立认知无线电最重要的一个环节。其主要任务是感知某一个地 理区域内频谱的使用情况和授权用户的存在。通过地理位置和数据库、使用信标 或认知无线电的本地频谱检测，就可以获得这种感知【9 】【1 1 】。使用信标时，频谱占 用、信道质量等信息被传送。 传统意义上的频谱检测是指测量频谱构成或者频谱的带内能量；而认知无线 电认为这个术语具有更广泛的意义，它应包括获得频谱在时间、空间、频率和编 码维度的使用特点以及确定占用频谱的信号特征( 如调制、波形、带宽，载频等 等) 。图2 - 1 从不同角度对频谱检测任务进行了说明。 2 2 频谱的多维性 图2 - 1 认知无线电中频谱检测任务的各个方面 传统的频谱接入机会( 在某时某地，一段授权用户可以使用而没有使用的频 带【1 2 】) 仅仅利用了频谱空间的频率、时间和空间这三个维度，同时传统的检测 方法通常在这三个维度检测频谱。但是，在其他维度也值得对频谱接入机会做进 一步研究。如在频谱空间的编码方面，目前还没有展开深入地研究，所以传统的 第8 页共4 9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章认知无线电的频谱检测 频谱检测算法不能处理使用了扩频或跳颜编码的信号。同样，定向地频谱接入机 会也没有被足够的利用，一般授权局户和认知用户都被设定为全向传输。随着多 天线技术的进步，如波束赋形，多个用户可复用在某时某地的同一个信道上。这 个新的维度创造了频谱眵燕欠机会。拥有多维度的无线电空间可以被定义为“一 2 3 频谱检测方法的分类比较 2 3 1 本地频谱检测 它包括无线电信号的地点、到达角度、 占用分布是不够的。频谱检测应该包括 每个认知无线电用户( c u ) 需要具有区分未占用频带和正在使用频带的能 力。也就是说，认知无线电具有本地判决目标频段是否具有授权用户发射的信号 的能力。认知用户并不是对授权用户发射接收信道做直接检测，而是在本地端进 行本地测量，它是指认知用户在接收端检测微弱的授权用户信号。发射机检测的 基本假设模型可用如下的二元假设模型来说明： 胁鼢圳，嚣 ( 2 1 ) 其中，y ( t ) 是认知用户接收到的信号，s ( t ) 是授权用户发射信号，n ( t ) 是高斯白噪 声，h 是信道传输增益。h o 是全噪声假设，表示不存在主要网络信号，h 1 则表 示目标频段存在授权用户信号。 基于上述二元假设模型，发射机的本地检测技术通常采用三种检测方法，即 匹配滤波检测，能量检测，循环平稳特征检测，下面将分别具体介绍。 1 、匹配滤波检测 判决 图2 2 匹配滤波检测 第9 页共4 9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第拿坠塾垂垡皇箜塑堂耸塑 匹配滤波器的模型如图2 - 2 所示：无论对何种信号进行检测，最佳的方法都 是匹配滤波原因在于匹配滤波器能使接收端i 的信噪比最大化【1 5 l 。由于是相干解 调，匹配滤波器仅仅需要o ( 1 s n r ) 个抽样值就熊达到较高的处理增益，因此检 测用时较短。这是匹配滤波器最大的优点。但是，这些 点都建立在检测者对待 信号设计不同的专用滤波器。然而在现实感知无线电环境中，极有可能存在多种 类型信号共存，为所有的信号类型设计专用滤波器需要耗费大量的资源且复杂度 太高。因此，匹配滤波器在认知无线电的检测环境中总体实用性不高，必须寻找 一些更通用的次优的检测方法。 2 、能量检测 能量检测是最基本、应用最广泛的检测方法之一。能量检测方法是非相干的 检测算法，检测的对象是信号的功率，与具体信号的波形无关，因此能量检测特 别适合用于检测未知信号的有无【1 6 1 。能量检测的基本思路：测量特定时间段里 信号的能量，将其与预置的门限值进行比较来判断信号的存在性。能量检测既可 在频域上进行，也可在时域上进行。频域上的能量检测必须将a d 得到的时域 采样值通过f f t 变换到频域上，再对特定频域范围内的信号功率进行测量。而 在时域上的信号检测必须先让待测信号通过带通滤波器，再对目标信号的功率进 行测量。频域和时域能量检测模型如图2 - 3 和图2 4 所示。 图2 - 3 频域能量检测模型 第1 0 页共4 9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章认知无线电的频谱检测 y ( t iy ( t iy ( n ) 天i 。l y j 带通加 模平方累加取平均值 滤波 玛 ( y ) 器 。 输出t y ) c s 1 判决 月j 图2 4 时域能量检测模型 由采样定理可知，当目标信号y ( t ) 的带宽为w ( 忽略带外能量) ，采样时间段 为t ，则采集的样本数n 至少为2 t w 才能不产生频域混叠。由于时域和频域能 量检测原理类似，下面只针对时域能量检测进行分析。检验统计量t ( y ) ，即样本 模平方和的平均值表示为 i 奠 2 m = 膏；i y 川 ( 2 吲 设能量检测中设定的判决门限值为e 。，则检测概率定义为p d ( e ) - - p r ( t ( y ) e l h l ) ，虚警概率定义为e f ( e ) - - p r ( t ( ” e l h 0 ) 。p d ( e ) 越大说明认知用户对 授权用户可能造成的干扰越小；p f ( e ) 越小说明次级用户对空闲频段的利用率 越高。： 另外，它存在几点不足之处：首先，能量检测器必须知道噪声功率才能相应 地设置判别门限值，但是实际情况中由于温度的变化、周围环境的干扰、滤波处 理等原因噪声功率总是随着时间不断变化的，这给判别门限值的设定增加了难度： 其次，能量检测器不能分辨调制信号、噪声和干扰，无法通过自适应干扰消除算 法来排除次级用户的干扰，当待测信号的功率低于噪声或干扰信号的功率时，能 量检测器不能对信号的有无进行正确检测；最后，由于能量检测器仅根据信号功 率的大小进行判别，因此除非设计出更加复杂的算法，否则能量检测器不能直接 用来检测扩频和调频信号。 3 、循环平稳特征检测 匹配滤波器检测方法利用了信号的全部特征，因此在检测效果方面是最好 的，但是在实际情况中难以实现；能量检测方法虽然简单易行，但是该方法在处 理过程中对信号和白噪声不加以任何区别，在信噪比很低的情况下检测效果很 差。循环平稳特征检测方法介于上述两种极端之间，该方法仅利用信号普遍 图2 5 循环平稳特征检测模型 第1 1 页共4 9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章认知无线电的频谱检测 存在的特征，不但具备很好的可行性，而且检测效果优于能量检测。一般情况下， 调制过程都会在原信号的基础上引入正弦载波、训练序列、调频序列、循环前缀 等，因此经过调制的信号往往具备内在的周期特性。不同类型的调制信号都有其 独特的周期平稳特性。循环平稳特征检测方法就是利用该特征将某特定的信号 类型从噪声和干扰中检测出来。这种辨别能力应用在认知无线电中是十分有益处 的，因为认知用户必须正确地区分授权用户和其他认知用户的信号，这样才能针 对不同的情形采取相应的措施。循环平稳特征检测模型如图2 5 所示。 能量检测器对噪声的干扰十分敏感，在低信噪比的环境下不能正确地检测， 而循环平稳特征检测即使在信噪比低至- - 2 0 d b 的情况下依然可以正常工作。另 外，能量检测器无法对功率相同的调制信号( 如b p s k 、q p s k 、s q p s k 等) 进行 区分，而循环平稳特征检测可以清晰地展现出不同调制方式的信号的固有特征， 因此除了信号的存在性检测以外，循环平稳特征检测方法还具备信号分类的功 能。 但是，循环平稳特征检测也存在一定的局限性。例如，循环平稳特征检测的 性能会随着多径效应和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低。另外，为了 得到高分辨率的循环平稳特征检测需要对多个抽样值求f f t ，因此所需的计算量 很大，实现复杂度很高。并且在工程实现上，抽样时钟偏差对循环平稳检测的准 确度有很大的影响，对系统硬件的性能要求较高。 2 3 2 协作检测 由于单节点频谱检测具有如下局限性：在有限的检测时间和数据处理能力 下，其感知灵敏度有限，甚至出现不可检测的情况；存在隐藏终端问题，位于阴 影中的感知节点可能会误判等。因此，协作频谱检测技术成为当前重要的研究方 向，由于所有检测节点同时遭到严重衰落的可能性很低，所以利用检测节点的空 间分集可以减小单个节点的信号衰落的影响；此外，通过多节点协同检测还可以 降低系统设计的复杂度，由于多节点检测提高了整个系统的检测准确性，所以可 以在满足系统需求的前提下适当地降低对单个节点的检测性能的要求，从而降低 本地系统的复杂度。基于本地的频谱检测只关心授权用户发射机信号。这样一方 面使位置不确定用户接收机可能受到干扰；另一方面受无线信道衰落的影响将不 可避免存在隐藏终端问题。为有效解决这些问题，采用多个认知用户合作检测可 显著提高检测性能。 根据控制信道带宽及发送到数据融合中心的数据的不同，可采用不同的数据 融合算法。如果送入数据融合中心的数据只有各本地感知的判决结果，那么可以 采用的融合算法有“或、“与 、“k 秩”等，其中前两种可以看作是后一种的特 第1 2 页共4 9 页 _lllijii 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章认知无线电的频谱检测 例；如果融合中心可以得到更多的检测信息，例如完整的检测统计量或者压缩后 的检测统计量，检测概率，虚警概率，信任度等信息，就可以实施更复杂和更有 效的融合算法。 目前有三种方式实现频谱的协作检测。下面分别进行了介绍。 l 、集中式检测 集中式检测是指中心设备从检测设备汇聚检测信息，识别出可用的频谱并把 这些信息广播给其他认知无线电或直接控制认知无线电的传输。在文献1 1 7 l 中， 为了克服信道的衰减效应并提高检测的性能，作为接入点的中心设备将硬( 二元) 检测的结果融合。在文1 1 8 j 中给出了文【1 7 】检测算法的检测和误警率。在文献【1 9 】中， 检测结果合并到一个称为主节点的中央节点来检测电视信道。采用软硬信息结合 的方法来减少漏检的概率。在文献【捌中，认知用户把它的检测结果以量化的方 式发送到中心结点( 融合中心) 。然后根据接收到的本地似然比得到一个似然比 检测。 在用户数量比较大的情况下，发送报告的带宽要求比较大。为了减少占用带 宽，在文献【2 1 j 中提出了以一个比特位来量化认知无线电的本地检测结果。并且， 只有拥有可靠信息的认知无线电允许向中央节点发送报告。因此，通过双门限值 方法分析好和不好的报告信道来评估检测结果的可靠性。 2 、分布式检测 在分布式检测中，认知节点相互共享信息，并独立决定它们使用哪一段频谱。分 布式检测比集中式检测有很大的优势，因为它不需要骨干的基础设施，从而降低 了它的建网代价。在文献【冽中，提出了一种g u e s s ( g o s s i p i n gu p d a t e sf o r e f f i c i e n ts p e c t r u ms e