（信号与信息处理专业论文）认知无线电中的频谱感知与接入技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：王堂信曼皇信息处理 一 研究方向：玉线通篮量信墨处理这苤 作者：丞芝邕城 指导教师： 扬震数援 题 目：达知玉线电主的麴谱壁知墨撞堇查婴宜 英文题目：r e s e a r c ho ns p e c t r u ms e n s i n ga n da c c e s s 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 主题词：认知无线电频谱感知机会频谱接入 m a c 协议冲突碰撞率吞吐量 k e y w 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 ， 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 ， m a cp r o t o c o l ，c o l l i s i o nr a t i o ，t h r o u g h p u t 项目资助：江苏省高校自然科学重大基础研究项目“基于环境感知的 异构无线m e s h 网络体系结构及关键技术研究”，编号： 0 6 k j a 5 】0 0 1 国家8 6 3 项目“基于联盟博弈认知模型的动态频谱接入技 术研究 ，编号2 0 0 9 a a 0 1 2 2 4 1 南京邮电人学硕十研究生学位论文摘要 摘要 近几年，无线通信领域中各种语音、图像、视频等数字化业务大量增长，导致有限的 频谱资源变得同益紧张，成为制约无线通信发展的瓶颈。然而，研究发现，已经授权给现 有无线电业务的频谱在时间和空间上存在不同程度的闲置，即存在频谱空洞，造成了频谱 资源的严重浪费。为改变这种局面，人们提出了基于认知无线电的动态( 机会) 频谱共享 技术。它能够检测授权用户的频谱空洞，在不对授权用户造成干扰的| j 提下进行频谱接入， 实现频谱共享，从而提高频谱利用率。 本文首先介绍了课题研究背景，然后详细论述了认知无线电技术的定义、特征和国内 外研究现状，接着阐述了认知无线电网络的体系架构，并论述了频谱感知技术和机会频谱 接入技术。 接着提出了一种新的认知无线电频谱感知方案，此方案利用了双滑动窗口算法实现突 发信号的检测。另外，利用了前导码字的特性，实现了主次用户信号的区分，因此能在一 定的信噪比条件下有效地进行频谱感知。并且，通过在m a t l a b 平台上仿真，证明频谱感 知方案在一定信噪比下，有良好的突发检测和主次用户信号辨识的性能。 然后又重点研究了认知无线电的机会频谱接入( o s a ) m a c 协议。在总结了大量国 内外文献资料的基础上，提炼出0 s am a c 协议的设计要求，并比较了目前已有的几个具 有代表性的机会频谱接入m a c 协议。针对这些协议没有对主次用户之间的冲突碰撞率进 行深入研究，因此我们提出了一种新的a s s a m a c 协议，仿真实验验证其能够有效减少 主次用户间的冲突碰撞率，提高了整个网络的吞吐量。 关键词：认知无线电频谱感知机会频谱接入m a c 协议冲突碰撞率吞吐量 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gt r a f f i co fs p e e c h , i m a g ea n d v i d e o b ym e a n so f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，t h ew i r e l e s ss p e c t r u mr e s o u r c ei sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys c a r c ea n di tm a y h a m p e rt h ed 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 si nt h ef u t u r e h o w e v e r , f c c ( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) f i n d so u tt h a tm a n ys p e c t r u mb a n d sa l l o c a t e dt oe x i s t i n g w i r e l e s ss y s t e m sa r es h o w i n gd i f f e r e n td e g r e eo fi d l ei nt e r m so ft i m ea n ds p a c ef i e l d t h e r e f o r e ，r e s e a r c h e r sp u tf o r w a r dd y n a m i c ( o p p o r t u n i s t i c ) s p e c t r u ms h a r i n gb a s e d o nc o g n i t i v e r a d i ot e c h n o l o g y , w h i c hi sa b l et oe f f e c t i v e l yc h a n g et h ec u r r e n ts p e c t r u ms h o r t a g es i t u a t i o n i t s e n s e st h e s p e c t r u mh o l e s o fl i c e n s e du s e r sa n da c c e s s e st h ec h a n n e l sw i t h o u tc a u s i n g i n t e r f e r e n c et ot h el i c e n s e du s e r s i nt h i sw a y , w ec a nr e a l i z es p e c t r u ms h a r i n ga n di m p r o v et h e s p e c t r u mu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h es t u d yb a c k g r o u n d i na d d i t i o n ，w ep a r t i c u l a r l ye x p l a i nt h e d e f i n i t i o n s ，c h a r a c t e r sa n ds t a t u sq u oo fc o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ，w ep r e s e n t t h es t r u c t u r eo fc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s w h a t sm o r e ，w ee x p l a i ns p e c t r u ms e n s i n g a n d 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 ( o s a ) t e c h n o l o g i e s t h e nw ef o c u so nt h es p e c t r u ms e n s i n gm e c h a n i s mo fc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s t h e s e n s i n gm e t h o dp u tf o r w a r db yt h i st h e s i si sb a s e do nt h ed o u b l es l i d i n gw i n d o w sa l g o r i t h m w h i c hr e a l i z e st h ed e t e c t i o no fb u r s ts i g n a l i na d d i t i o n ，w es e p a r a t ep us i g n a lf r o ms us i g n a l b a s e do nt h e f e a t u r eo fp r e a m b l es e q u e n c e i nt h ee n do ft h i sc h a p t e r , t h es p e c t r u ms e n s i n g m e c h a n i s mi se x p e r i m e n t e dw i t hm a t l a b ，a n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es e n s i n gm e t h o dc a n d e t e c tb u r s ts i g n a la n dd i f f e r e n t i a t ep us i g n a lf r o ms us i g n a le f f e c t i v e l yu n d e rc e r t a i ns n r a tl a s t ，w es t u d yt h eo s am a cp r o t o c o lo fc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s a f t e rm a k i n g r e s e a r c ho nl o t so fp a p e r s ，w ea b s t r a c tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fo s am a cp r o t o c o la n d c o m p a r es o m er e p r e s e n t a t i v eo s a m a c p r o t o c o l s i nv i e wo f t h e s ep r o t o c o l ss e l d o ms t u d y i n g t h e c o l l i s i o nr a t i ob e t w e e np r i m a r yu s e r sa n ds e c o n d a r yu s e r s ，w ep u tf o r w a r dan e w a s s a m a cp r o t o c 0 1 t h es i m u l a t i o np r o v e st h a tt h i sp r o t o c o le f f e c t i v e l yr e d u c e st h ec o l l i s i o n r a t i ob e t w e e np u sa n ds u sa n dg u a r a n t e e st h eq o so fs e c o n d a r yu s e r s t h e r e f o r e ，i te n h a n c e s t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ec o g n i t i v er a d i on e t w o r k t t 南京邮电大学硕i ：研究生学垡鲨塞 一坚兰! 竺 _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 。_ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ i - _ - _ - _ - _ - 。_ 。_ _ _ _ 。_ _ _ 。一 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 ，o 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 ， m a cp r o t o c o l ，c o l l i s i o nr a t i o ，t h r o u g h p u t i i i 南京邮电大学硕上研究生学位论文 缩略语 c a f c r c s d c s m a c t s d a r p a d y s p a n f c c i e e e i s m i t i t u l a n m a c o f c o m o f d m o s a p u q o s q p s k r k r l r t s s d r 缩略语 c y c l i ca u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n c o g n i t i v er a d i o c y c l i cs p e c t r u md e n s i t y c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c l e a rt os e n d d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c y d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s n e t w o r k s 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 i n s t i t u t eo fe l e c t f i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s i n d u s t r ys c i e n c em e d i c a l i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e i n t e m 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 l o c a la r e an e t w o r k m e d i u ma c c e s sc o n t r o l o f f i c eo fc o m m u n i c a t i o n s o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g 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 p r i m a r yu s e r q u a l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g r a d i ok n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e r e q u e s tt os e n d s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o i v 循环自相关函数 认知无线电 循环功率谱密度 载波侦听多路访问 允许发送 国防部高等研究计划局 动态频谱接入网络 美国联邦通信委员会 电气电子工程师协会 工业科学医疗频段 干扰温度 国际电信联盟 局域网 媒体接入控制 英国通信署 j 下交频分复用技术 机会频谱接入 主用户 服务质量 正交相移键控 无线电知识描述语言 请求发送 软件定义无线电 v 南京邮电大学硕十研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 缩略语i v 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 论文的主要工作及结构安排2 第二章认知无线电4 2 1 认知无线电概念及研究现状4 2 2 认知无线电网络7 2 2 1 认知无线电网络功能7 2 2 2 认知无线电网络体系架构8 2 3 频谱感知技术9 2 4 机会频谱接入技术1 1 2 5 本章小结1 2 第三章认知无线电频谱感知技术研究1 3 3 1 几种频谱感知方法1 3 3 1 1 接收信号能量检测1 3 3 1 2 循环平稳信号的谱相关检测1 4 3 1 3 本地振荡器的能量泄漏检测1 5 3 1 4 协同频谱感知1 6 3 2 认知无线电频谱感知方案1 7 3 2 1 应用背景、模型及算法1 7 3 2 2 算法实现2 3 3 3 本章小结3 2 第四章认知无线电机会频谱接入m a c 协议研究3 3 4 1 几种o s am a c 协议3 3 4 1 1o s a - m a c 协议3 3 4 1 2 跨层m a c 协议3 5 4 1 3h c m a c 协议3 6 4 1 4 多跳m a c 协议3 7 4 1 5o s - m a c 协议3 8 4 1 6s c a - m a c 协议3 9 4 1 7d o s s m a c 协议4 0 4 2a s s a m a c 协议4 1 4 2 1 协议应用的网络结构4 2 4 2 2a s s a m a c 协议模型4 3 4 2 3 协议分析4 6 4 2 4 仿真4 7 4 3 本章小结4 9 第五章总结与展望5 0 v i v i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论 第一章绪论 随着信息社会的快速发展，无线服务如移动通信、公共安全、广播电视等的出现和广 泛使用，标志着无线频谱已成为现代社会不可或缺甚至比土地和矿藏更宝贵的资源。而无 线通信领域中不同网络、不同业务和不同接入方式的不断增长，使得频谱资源越来越紧缺， 无线频谱资源也就显得愈加珍贵。因此，如何提高频谱利用率，就成为无线通信领域研究 的热点问题。 1 1 课题研究背景 目前随着无线通信业务需求的快速增长，可用的频谱资源变得越来越稀缺。人们通过 采用先进的无线通信理论和技术( 如链路自适应技术、多天线技术、多用户检测技术等) 努力提高频谱效率的同时，却发现全球授权频段，尤其是信号传播特性比较好的低频段的 利用率极低【l 】。事实上在许多频段，频谱的使用是零星的，换句话说，频谱稀缺并不是频 谱资源的物理稀缺，而是传统的频谱分配方式出了问题。美国联邦通信委员会( f c c ) 的 一份调查报告表明1 2 】，分配给授权用户的频段的利用率在不同时间不同地区的波动很大， 从1 5 到8 5 不等。 差 ! 壹 善 毫 m a x i m u m b n p l i t u d e s 拜怕砖lj耱heawe辣 s p a r s eu s e m 它d j a m u 链 一 l 薹_ ll mi 一 i 目l壤乳1 。l j 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 当前，一方面日益增长的无线业务对无线频谱资源的需求不断扩大，导致可用频谱资 源日益紧缺；另一方面，大量授权无线频谱却被闲置或者利用率极低。通过对城市地区和 乡村偏远地区进行无线电频谱扫描可知( 如图1 1 所示) ，传统的固定频谱分配政策导致 某些频段大部分时间是空闲的( 图中s p a r s eu s e 处) ，而另外一些频段只是有时被占用( 图 中m e d i u mu s e 处) ，剩余频段则被过度使用( 图中h e a v yu s e 处) 。 为了改变这个局面，f c c 发表了n p r m 2 】申明( n o t i c eo f p r o p o s e dr u l em a k i n g ) ，建 议使用先进的认知无线电技术来实现开放频谱系统，可以从根本上改变当前固定频谱分配 方式，因此能够有效解决频谱资源稀缺的问题。c r 技术允许合法的授权用户( 也称主用 户) 具有高的优先权接入频谱，而具有认知无线电功能的非授权用户( 也称次用户) ，可 在对主用户不造成干扰的前提下接入空闲频段。近年来研究人员提出了动态频谱接入技 术，以解决当前频谱利用率不高的问题。动态频谱接入可以通过不干扰主用户而随机接入 的方式实现不同用户频谱共享，提高现存的频谱利用率。而认知无线电被认为是解决上述 无线频谱利用率低，实现动态频谱接入问题的最佳方案。认知无线电还可以广泛应用于当 今和未来的u w b 网络 3 1 、w r a n 4 _ 5 1 和m e s h 网络【6 1 中，提高频谱利用率，改善通信系统 的性能，并将在未来形成巨大的产业群体。 1 2 论文的主要工作及结构安排 本文主要内容及结构安排如下： 第一章介绍了课题研究背景。 第二章首先概述了认知无线电系统的定义、特征和国内外研究现状，然后介绍了认知 无线电网络的体系架构，接着阐述了频谱感知技术的概念和分类，最后介绍了机会频谱接 入技术的概念和研究现状。 第三章首先介绍了认知无线电的频谱感知技术的主要任务。然后介绍了几种认知无线 电频谱感知的方法。最后，提出了一种新的认知无线电频谱感知方案，该方案利用了前导 码字的特性，实现了主次用户信号的辨识，因此能在一定的信噪比条件下有效地进行频谱 感知。并且，通过在m a t l a b 平台上仿真，频谱感知方案在一定信噪比下，有良好的突发 检测和主次用户信号辨识的性能。 第四章主要研究认知无线电的机会频谱接入m a c 协议。首先介绍了o s am a c 协议 的设计要求，并详细分析比较目前提出的几个具有代表性的机会频谱接入m a c 协议，对 2 南京邮电人学硕1 ：研究生学位论文 第一章绪论 其特点进行总结归纳。由于目前所提的o s am a c 协议并没有对主次用户之间的冲突碰 撞率作深入研究，因此，在本章的最后，提出了改进的认知无线电o s am a c 协议，即 a s s a m a c 协议，此协议应用于无线m e s h 网络中，通过建立联盟进行合作感知和联盟 内部成员合理分配信道，从而实现减少冲突碰撞率，提高网络的吞吐量。并通过仿真实验 比较其与o s a m a c 协议之间的性能差别，证明了a s s a m a c 协议能够有效减少主次用 户之间的冲突碰撞率，提高了整个系统的吞吐量。 第五章对全文进行了总结，并指出今后进一步的研究方向。 3 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第二章认知无线电 第二章认知无线电 随着无线通信技术的发展，频谱资源的稀缺已成为无线应用研究领域无法回避的重要 问题。j o s e p hm i t o l a 博士【7 1 提出的认知无线电技术从频谱再利用的思想出发，能够使频谱 资源达到有效利用并保持可靠通信能力。 2 1 认知无线电概念及研究现状 认知无线电概念最早是在1 9 9 9 年由j o s e p hm i t o l a 博士提出的，m i t o l a 的博士论文峭j 这样描述认知无线电：无线数字设备和相关网络在无线电资源和通信方面具有充分的计算 智能，以此来探测用户通信需求，并根据这些需求来提供最合适的无线电资源和无线业务。 f c c 则强调如下【2 】，认知无线电是具有感知能力的无线电，能够基于无线环境的变化，改 变发射机的参数；而s i m o nh a y k i n 和t h o m a s 将认知无线电的可重配置功能【9 j 【。0 1 加入到认 知无线电的定义之中：可重配置即指无线电根据无线环境变化动态编程的能力。 根据以上定义，认知无线电应具备如下两个主要特征【9 j ： ( 1 ) 认知能力：认知特性使c r 能够从其工作的无线环境中感知信息，从而捕获特定时 间和空间的空闲频谱。如图2 1 所示，c r 能够使用暂时未被主用户使用的频谱， 这种频谱被称为频谱空洞。所以，可以找到最佳的频谱资源，在不干扰主用户的情 况下，被其他次用户共享和利用。 l 譬时曲虫， ， ， 反剐捌干 一 ， ， ，上二= 力 f， t 。 - ( j 一、 ，二兰2 三i z ，兰乒型7 ! ：豢o s a r， 频谱空洞 时间 图2 1 频谱空洞示意图 4 南京邮电人学硕t 研究生学位论文第二章认知无线电 ( 2 ) 重构特性：目的在于使c r 设备可以根据感知到的无线环境动态编程，以便使用不 同的无线传输参数收发数据，获得最佳通信质量。重构参数一般包括：工作频率、 调制方式、发射速率和功率等。重构的核心思想是在对主用户不产生有害干扰的前 提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段再次被主用户使 用，正在通信的c r 系统有二种应对方式：一种是根据感知结果改变自身通信参数 避免对主用户的有害干扰，比如切换到其它空闲频段进行通信、或者频率不变而降 低自身的发射功率、再或者改变调制方式等保证s u 对p u 的干扰不超过门限；另 一种是进行退避，即暂时停止自身通信。 综上所述，认知无线电是一种智能无线通信系统，它能感知周围无线环境，对环境学 习，实时调整系统的诸如功率、载频、调制方式等传输参数来适应运行环境的变化。其最 主要的两个目标是高度可靠的通信方式以及高效的频谱利用率。 图2 2 认知环示意图 认知无线电的认知循环如图2 2 所示，包括3 个主要的步骤o 】：频谱感知、频谱分 析和频谱判决。频谱感知的主要任务是检测可用频段，寻找空闲频谱；频谱分析用来估计 频谱感知所获取的空闲频谱的特性；频谱判决是根据空闲频谱的特性和用户需求选择合适 的频段进行数据传输。 美国联邦通信委员会f c c 在2 0 0 2 年发布的对频谱资源的使用政策的变化的s p t f 报 告，对认知无线电的发展具有深远的影响。报告设定了认知无线电工作组2 0 0 3 年5 月在 华盛顿成立，而随后2 0 0 4 年3 月在美国拉斯维加斯召开了个认知无线电的学术会议， 标志着c r 技术正式起步。2 0 0 2 年1 2 月，f c c 指出非授权设备应具备能够识别空闲频谱 的能力；2 0 0 3 年1 1 月，f c c 提出新的量化和管理干扰的指标值干扰温度，以扩展移 动和卫星频段的非授权操作；同年1 2 月f c c 成立了c r 工作组，明确表示支持c r 技术 并修正了美国的电波法；2 0 0 4 年5 月，f c c 又建议未授权无线电可在电视广播频段内 操作。 i e e e8 0 2 2 2 工作组大力发展基于c r 的无线区域网( 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 ) 的空中接口标准，目标是将分配给电视广播的v h f u h f 频带中的空闲频道有效 利用为宽带无线接入用途；i e e e8 0 2 1 6 工作组也在制定h 版本标准；i e e e1 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，推动认知无线电技 术的应用和发展。 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 ) 也在大力开展关于认 知无线电的研究工作，i t u r 于2 0 0 6 年3 月提出一项新的建议，将认知无线电单独作为 一个研究课题进行研究，这说明i t u 已经充分认识到认知无线电技术在未来通信发展中 的重要意义。 著名通信理论专家s i m o nh a k i n 在2 0 0 5 年2 月举行的j s a ci nc o m m u n i c a t i o n s 上发 表了关于认知无线电的综述性文章c o g n i t i v er a d i o ：b r a i n e m p o w e r e dw i m l e s s c o m m u n i c a t i o n s 【9 1 ，全面启动了国际性的认知无线电技术研究。2 0 0 6 年i e e ef e l l o w i e a k y i l d i z 通过总结d y s p a n 2 0 0 5 的研究成果，撰写了认知无线电作为核心技术的下一 代网络综述性文章“g e n e r a t i o n d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s c o g n i t i v er a d i ow i r e l e s sn e t w o r k s a s u r v e y ，【1 1 1 。 软件无线电( s d r ) 论坛也参与了c r 技术的研究。2 0 0 6 年4 月，软件无线电论坛 于旧金山召开了认知无线电工作组会议：2 0 0 6 年6 月，软件无线电论坛对认知无线电技 术可能面临的挑战进行了讨论：2 0 0 6 年1 1 月，软件无线电论坛组织了认知无线电的专题 讨论会；2 0 0 7 年1 月，软件无线电论坛会议上，认知无线电与频谱效率工作组决定对f c c 相关的一些工作做出回应。i e e e 也为此专门组织了两个重要的国际年会i e e ec r o w n c o m 和i e e ed y s p a n ，交流认知无线电技术方面的成果，许多重要的国际学术期刊也出版了 关于认知无线电的专辑。 同时，美国国防部( d a r p a ) 的x g 项目( 下一代通信技术) 也将研制以认知无线 电为核心的系统方法和关键技术，以实现动态频谱接入和共享。x g 项目将为无线通信系 统提供一套设备，使得无线通信系统可以动态地利用一些暂时没有使用的频谱资源，而不 会与现有常规设备和用户产生冲突。x g 项目称其论证的频谱效率可使目前的频谱利用率 提高1 0 2 0 倍。在x g 已公开的标准提案中对p h y 层和m a c 层进行了规范，并制定了 6 南京邮电大学硕上研究生学位论文第_ 二章认知无线电 分阶段实现的思想。初始阶段对现有p h y 层与m a c 层进行修改，如p h y 层增加了x g 控制模块，而m a c 层增加了x g 处理模块，然后逐步演进，最终实现具有完全认知特性 的p h y 层和m a c 层。x g 控制模块对部分特定帧进行识别然后进行相应处理，而x g 处 理模块则利用物理层发送和交换频谱利用信息。各x g 处理模块彼此协调，执行动态频谱 共享，限制对授权用户的干扰，并产生物理层的状态信息。 另外，2 0 0 6 年2 月，墨尔本的a d a p t 4 l l c 公司宣布已开发出世界最早的商用c r 系 统x g l ，该系统取得美国f c c 的认证，可以在一些授权频段空闲的情况下使用该频段进 行通信。并且，i n t e l 、q u a l c o m m 、p h i l i p s 、n o k i a 等大公司也已经开始着手进行认知无线 电技术的研究。 国内不少院校和学者也开始关注这个领域的动态，国家8 6 3 计划和国家自然科学基 金近两年也开始立项支持这个方面的研究。西安电子科大、清华大学、中国科技大学、东 南大学等高校得到项目支持，都是丌始研究认知无线电技术的高校。 2 2 认知无线电网络 2 2 1 认知无线电网络功能 认知无线电网络能够感知周围无线环境，通过对环境的理解、主动学习等措施，实现 特定无线操作参数的实时改变，调整系统的内部状态，适应外部无线环境的变化，从而达 到通信系统性能的最优化。因此，其必须具备以下四种功能【1 2 】： 频谱感知：网络节点或者基站能够探测空闲的频谱； 频谱管理：选择最适合次用户需求的频谱； 频谱移动：在需要频谱切换时，保持通信性能无缝过渡； 频谱共享：在认知无线电用户之间提供公平的、合理的频谱接入机制。 具备上述功能的下一代无线通信网络体系结构如图2 3 所示，从图中可以看出，跨层 策略在这种网络结构中起着至关重要的作用，频谱感知和频谱接入主要聚集在网络下两 层，相互协调，提高频谱利用率，而频谱管理和频谱移动的实现则需要应用层、传输层以 及下两层的相互配合。 7 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章认知无线电 a p p l i c a f i o nc o n t r 0 1 q o sr c q u i m - m o n b a p p l i c a t i o n 鬯吵疗唑，l 厂i 二i 1 一塑叫g u r a t i o n + s p e c t r u m r o u t i n gr o u t i n gi n f o r m a t i o n s p e c t r u m m o b d i t y i n f o 。m a t i o n n e t w o r kl a y 盯l 一r e c o n n g u m “o n - y i h - 1 4 若_ i l c i | ， f u n c t i o n f u n c t i o n i f l f o r m a i o n ， l a y e r s p e c 卜一_ r 一一。卜c i l 一垦竺n 曼掣哪湎 d e l a y 。s p e c t r u m s e n s i n g p h y s i c a ll a y e r s e n s i n g j i n f o n - n a t i o n r c w o n f i g u r a t i o n h a n d o f f d e c i s i o n ，c u r r e n ta n dc a n d i d a t es p t t u mi n t o r m a t o n 图2 3 认知无线电网络功能与层次结构 2 2 2 认知无线电网络体系架构 目前已经提出几种认知无线电网络体系架构： ( 1 ) s p e c t r u mp o o l i n g 1 3 - 1 4 ：基于频谱池技术，结合o f d m 的基站中心式共享频谱架构 与移动式的c r 用户感知方法，并在有主用户出现的子载波上以最大功率调制一个 复杂的符号，基站接收后分配和共享频谱资源。 ( 2 ) c o r v u s 1 5 】：采用协调方式实现主用户的频谱感知和频谱分配。在此体系中，由 多个次用户( s u ) 组成次用户组( s u g ) ，分组进行协调，通过控制信道交互感知 和控制信息。物理层和链路层通过未授权频段的认知无线电方式进行平台测试 n 6 1 7 】 o ( 3 ) d i m s u m n e 1 8 - 2 0 】：采用统计复用接入( s m a ) 和协调接入( c a b ) ，具有捷变特性。 此网络架构使用的中心式频谱租借机制既可提供高效频谱利用率又能减少系统复 杂度并满足灵活性要求。 ( 4 ) d r i v e o v e r d r i v e 【2 1 - 2 3 l ：在异构网络中通过通用协调信道进行频谱接入活动，实现 动态频谱分配。在时间动态频谱接入中，c r 用户使用当前时间未被占用的频段： 在空间动态频谱接入中，c r 用户能够自适应通信中的本地流量波动。 ( 5 ) n a u t i l u s 2 4 之6 1 ：采用分布式协调，不需要中心控制的中继来实现频谱共享。 ( 6 ) o c r a 2 7 】：提出基于o f d m a 的认知无线电网络，在异构环境的所有可能场景下研 究跨层o f d m 动态频谱接入。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章认知无线电 ( 7 ) c o g n i t i v en e t w o r k s ：m o t o r o l a 2 s 1 及v i r g i n i at e c h t 2 9 】等提出了“c o g n i t i v en e t w o r k s 并给出了相应的体系框架，如图2 - 4 所示。其认为无线认知网络是一种具有认知能 力和认知过程，能够感知网络当前状态，并根据当前状态来规划、决定并行动的网 络，也就是说可以通过自我配置来进行动态自适应操作。自我配置的主要功能组成 是自我意识和自动学习，通过具有网络意识的中间件和网络各组成部分分布式交叉 来实现。应用和服务能够自适应的利用增强的网络性能，并且对潜在的重配置不可 知，对应着提供无缝移动服务。无线认知网络能最大化操作者的能力，相应的认知 无线电作为节点构成智能的认知无线网络，它也是网络的核心。 鼹? ，r t 7 1 p e b e a c o n i n gs y s t e m i 已。- 。一 竺! ! ! 竺竺竺! 翌! 竺墨。= 。一。二。l l 邑d e t e c t i o n a l g o r i t h m 。1 。 | _ _ _ 图2 4m o t o r o l a 的c o g n i t i v en e t w o r k s 体系框架 2 3 频谱感知技术 频谱感知作为认知无线电实现的基础，不但可以检测感兴趣频段是否存在主用户信 号，寻找可用的频谱资源，而且在使用频谱资源的过程中要持续地检测外部无线环境，一 旦主用户出现在所用频点上，认知用户要在第一时间感知到它的存在并尽快避让主用户。 但是，频谱感知技术仍需要面对许多的挑战。首先，实际进行频谱感知时，信噪比很 低。例如，虽然主用户和次用户的距离不远，由于主用户的信号经过传输衰落得很厉害， 导致次用户接收到的主用户信号的信噪比很低，但是次用户必须检测出主用户的存在以避 免对主用户的干扰。其次，无线信道的多径衰落和时间色散加大了频谱感知的难度。多径 衰落使得信号功率下降，而时间色散造成相关检测的不可靠。最后，噪声和干扰随时间和 空间改变，使得噪声功率不确定。 面对这些挑战，经过相关领域的研究，有许多频谱感知的方法提出来，包括经典的能 9 量检测，匹配滤波器检测和循环平稳检测，还有基于前导信息的相干检测，基于协方差的 检测和基于小波的检测的新的感知方法。 能量检测：是最简单的频谱感知技术，不需要主用户信号的先验信息，实现简单。但 是，能量检测的性能易受信道噪声功率的不确定性影响。而且，因为能量检测无法区分信 号的类型，所以经常由于无关信号产生错误警告。 匹配滤波器检测：当次用户知道主用户信号的先验信息时，匹配滤波器检测是平稳高 斯噪声的最佳检测方法。接收信噪比最大化，由于相关运算耗时较少且可达到较高的处理 增益，因此只要信噪比达到一定的门限即可实现检测。但是，匹配滤波器检测需要知道主 用户信号的先验特性。 循环平稳检测：通常，已调制的信号拥有固有的周期性或循环平稳性。这种特性可通 过分析谱相关函数来检测。特征检测的主要优点是对不确定的噪声功率的鲁棒性。但是， 该方式的缺点是需要很长的观察时间和计算复杂度。 基于前导信息的相干检测：在实际的通信系统中，前导信息周期性的传输帮助接收端 实现时间或频率同步和信道均衡等等。如果次用户知道主用户的前导信息，就可以用来相 干检测出主用户。和循环平稳检测一样，基于前导信息的相干检测可以从噪声和干扰中区 分出主用户信号，所以可以运用于信噪比很低的情况。文献 3 0 】中，在8 0 2 2 2w r a n 中， 利用a t s c 数字电视信号中的前导同步信息进行频谱感知。 基于协方差的检测：当采用多接收天线，或者甚至是过采样，由于色散信道，次用户 接收到的主用户信号通常都是相关的。这样的相关性，次用户可以用来从白噪声中区分出 主用户的信号，如文献【3 1 】。 基于小波的检测：文献 3 2 】将小波方法运用到感知技术中。 由于多径和阴影衰落影响了检测信号的接收强度，而协作感知可以缓解上述问题。协 作感知依赖于不同定位的不同信号强度的分集。其中多个认知用户相互交换信息，比单个 用户感知提供更好的主用户感知效果，即多个c r 用户通过各自的局部观察，得到微弱的 发射机信号，共同参与主用户的检测。 协作检测有两种方式：可以通过中心式或分布式检测来实现。中心式协作检测中由基 站或接入点采集各节点感知信息，之后融合分析处理，再通过下行链路通知各节点；而分 布式协作检测，由局部节点实现感知信息分析处理，节点间通过通用控制信道交换共享环 境感知信息。 另外，协作检测还可以按照数据融合和决策融合进行分类。其中，数据融合是指每个 l o 南京