（通信与信息系统专业论文）认知无线电宽带频谱感知技术研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 认知无线电技术以更为灵活的方式实现了频谱的动态接入，因而极大的提高了频谱利用 率，从根本上解决了因固定频谱分配策略造成的频谱匮乏问题。频谱感知是认知无线电的一 项关键技术，其主要功能是寻找频谱空穴。认知用户需要动态的感知无线频谱环境，迅速改 变发射参数去有效利用即时可用的频谱资源。宽带频谱感知可以对多个信道进行检测，较之 窄带频谱感知，极大的提高了认知无线电的频谱感知能力，使认知无线电更为灵活的利用频 谱资源。 本文主要研究认知无线电宽带频谱感知技术。 首先，介绍了频谱感知技术的研究背景和意义，回顾了窄带频谱感知技术和宽带频谱感 知技术，对现有的宽带频谱感知方法进行了归类和分析。 其次，研究了基于正交匹配追踪( o r t h o g o n a lm a t c h i n gp u r s u i t ，o m p ) 算法的宽带频谱感 知方法。由于宽带频谱感知要求对数g h z 的带宽进行检测，过高的采样速率、大的数据量对 现有的硬件设备提出了巨大的挑战。该方法利用调制宽带转换( m o d u l a t e dw i d e b a n dc o n v e r t e r , m w c ) 采样实现对宽带模拟信号直接压缩采样；利用自相关矩阵对称分解特性和主用户信号 独立性，得到有限维压缩采样信号模型，利用a i c m d l 准则估计稀疏度作为o m p 算法迭代 停止的条件，大大减少了算法复杂度；该方法不需要重构接收信号的功率谱密度( p o w e r s p e c t r a ld e n s i t y , p s d ) ，直接在时域以低速率采样信号，检测被占用信道。仿真结果表明， 当带内信噪比大于9 db 时，频谱检测概率高于9 0 。 然后，研究了基于多重信号分类( m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i e a t i o n ，m u s i c ) 算法的宽带频 谱感知方法。利用多重集采样和m u s i c 算法的宽带频谱感知不需要高速a d 转换器，不需 要计算信号功率谱，噪声功率波动对频谱感知性能影响小，但信号个数的估计精度对频谱感 知性能影响较大。针对此问题提出一种动态门限搜索匹配的信号个数估计算法。仿真结果表 明，本算法的信号个数估计精度高于基于a i c m d l 准则算法。同时仿真给出了利用本动态 门限搜索匹配的信号数估计算法和a i c m _ d l 准则的信号数估计算法的m u s i c 宽带频谱感知 方法的检测性能，低信噪比下前者的检测性能优于后者。 最后，研究一般宽带感知。在一定宽带范围内主用户类型是有限而又固定的，因此利用 主用户信号p s d 的先验信息和相关函数的峰值特性，在动态分配模式下提出两种宽带频谱感 知方法矩形谱感知法和谱相关感知法。两种方法都不需要带宽划分，直接在宽带内进行检 测，主用户可以随机出现在所检测的带宽范围内。仿真结果表明，由于谱相关法比矩形谱法 利用了更多的先验信息，其检测性能优于矩形谱法，主用户载波估计更为准确。 关键词：认知无线电，宽带频谱感知，压缩感知，m w c 采样，多重集采样，a i c m d l 准贝i j ，动态门限，匹配，矩形谱，谱相关 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g y u s e sam o r ef l e x i b l ew a yo fd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ，s oi tg r e a t l y i m p r o v e st h es p e c t r u mu t i l i z a t i o na n ds o l u t i o nt h es p e c t r u ms c a r c i t yp r o b l e mw h i c hi sc a u s e db y a f i x e ds p e c t r u ma l l o c a t i o np o l i c y s p e c t r u ms e n s i n gi st h ek e yt e c h n o l o g yi nc o g n i t i v er a d i of i e l d i t s m a i nf u n c t i o ni st od e t e c tt h eu n d e r u t i l i z e ds p e c t r u m sn a m e d ”w h i t es p a c e ”w h i c hh a sn o tb e e n o c c u p i e db yt h ep r i m a r yu s e r s as e c o n d a r yu s e rn e e d st os e n s ei t so p e r a t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n ta n da d j u s ti t so p e r a t i n gp a r a m e t e r sr a p i d l yt ou s et h es p c c t n m ar e s o u r c e sw h i c ha r e i m m e d i a t e l ya v a i l a b l e w i d e b a n ds p e c t r u ms e n s i n gc a nd e t e c tm u l t i p l ec h a n n e l s ，w h i c hg r e a t l y i m p r o v e ss p e c t r u ms e n s i n gc a p a b i l i t yc o m p a r e dt o n a r r o w b a n ds p e c t r u ms e n s i n g t h e r e f o r e ， w i d e b a n ds p e c t r u ms e n s i n gm a d ec o g n i t i v er a d i ou s es p e c t r u mr g s o u r c em o r ef l e x i b l e t h ew i d e b a n ds p e c t r u ms e n s i n go fc o g n i t i v ei sm a i n l ys t u d i e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h es p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c ea r ei n t r o d u c e d t h en a r r o w b a n ds p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g ya n dt h ew i d e b a n ds p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g ya r e r e v i e w e d t h ee x i s t i n gw i d e b a n ds p e c t r u ms e n s i n gm e t h o d sh a v eb e e nc l a s s i f i c a t i o na n da n a l y s i s s e c o n d l y , t h ew i d e b a n ds p e c t r u ms e n s i n gb a s e do no m pa l g o r i t h mi sp r e s e n t e d b e c a u s e w i d e b a n ds p e c t r u ms e n s i n gd e t e c t ss i g n a l si ns e v e r a lg h zb a n d w i d t h ，e x c e s s i v e l yh i g hs a m p l i n g f r e q u e n c ya n dl a r g ea m o u n to fd a t a a ler e q u i r e , w h i c ha r et h em a j o rc h a l l e n g e sf o re x i s t i n g h a r d w a r ed e v i c e s b yu t i l i z i n gt h es p a r s i t yo fw i d e b a n ds p e c t r u m ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e w s p e c t r u ms e n s i n gm e t h o db a s e do no m pa l g o r i t h mf o rw i d e b a n ds p e c t r u ms e n s i n g i nt h ep r o p o s e d m e t h o d , m w cs a m p l i n gi su s e dt oi m p l e m e n tc o m p r e s ss a m p l i n gf o rt h ew i d e b a n da n a l o gs i g n a l d i r e c t l y t h ec o m p r e s s i o ns a m p l em o d e lw i t hf i n i t ed i m e n s i o ni so b t a i n e db yu s i n gt h es y m m e t r y d e c o m p o s i t i o np r o p e r t yo fa u t o c o r r e l a t i o nm a t r i xa n dt h ei n d e p e n d e n c eo ft h ep r i m a r yl k s e r ss i g n a l b e s i d e s ，a i c m d lc r i t e r i ai su s e dt oe s t i m a t et h es p a r s i t y , w h i c hi sat h r e s h o l do ft h es t o pi t e r a t i o n f o rt h eo m pa l g o r i t h m a sar e s u l lt h ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h mi sr e d u c e dg r e a t l y t h e e s t i m a t i o no ft h es i g n a l sp s di s 幽p p e di no u rm e t h o d t h eo c c u p i e dc h a n n e l sa r ed e t e c t e d d i r e c t l yf r o mt h ec o m p r e s ss a m p l e dd a t ai nt i m ed o m a i na tl o wr a t e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t w h e nt h ei n - b a n ds n ri sa b o v e9 d b ，t h es p e c t r u md e t e c t i o np r o b a b i l i t yi sg r e a t e rt h a n9 0 t h i r d l y , t h ew i d e b a n ds p e c t r m ns e n s i n gb a s e do nm u s i ca l g o r i t h mi sp r e s e n t e d t h i sm e t h o d w h i c hu s e dm u l t i c o s e ts a m p l i n ga n dm u s i ca l g o r i t h md o e s n tn e e dh i g hs a m p l i n gr a t ea d c sa n d c a l c u l a t i n gt h es i g n a lp o w e rs p e c t r u m t h ep e r f o r m a n c eo fs p e e t n n ns e n s i n gi si n f l u e n c e db yn o i s e p o w e rf l u c t u a t i o n ss l i g h t l y , b u ti m p a c t e db ye s t i m a t i o na c c u r a c yo ft h en u m b e ro fs i g n a l sg r e a t l y i n a c c o r d a n c ew i t ht h i sp r o b l e m ，as e a r c hm a t c h i n ga l g o r i t h mw i t hd y n a m i ct h r e s h o l dt oe s t i m a t et h e n 杭州电子科技大学硕士学位论文 n u m b e ro fs i g n a l si sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee s t i m a t i o na c c u r a c yo fs i g n a l s n u m b e ro ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h a to fam e t h o db a s e do na i c m d lc r i t e r i a a n d t h e nt h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e so ft h e 、i d c b 锄ds p e c t r u ms e n s i n gm e t h o d sb a s e do nm u s i c a l g o r i t h mw h i c hu t i l i z e st h es e a r c hm a t c h i n ga l g o r i t h ma n da i c m d lc r i t e r i a , r e s p e c t i v e l y , h a v e b e e ng i v e n n ef o r m e ri ss u p e r i o rt ot h el a t t e ru n d e rl o ws n r a tl a s t ，g e n e r a lw i d c b a n ds e n s i n gi sd i s c u s s e d w i t h i nac e r t a i nw i d e b a n dr a n g e ，t h et y p eo f t h ep r i m a r yu s e ri sl i m i t e da n df i x e d a c c o r d i n gt ot h i sf e a t u r e , t w ow i d e b a n ds p e c t r u ms e n s i n g m e t h o d si nd y n a m i ca l l o c a t i o nm o d e r e c t a n g u l a rs p e c t r u ms e n s i n ga n ds p e c t r ac o r r e l a t i o ns e n s i n g a r ep r o p o s e d ，w h i c hu s et h ep r i o ri n f o r m a t i o no ft h ep r i m a r yu s c l s s i g n a lp o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s d ) t h e s et w om e t h o d sc a nw o r kw i t h o u ta n yb a n d w i d t hd i v i s i o n , a n dt h ep r i m a r yu s e rc o u l d a p p e a ri nt h et e s t i n gb a n d w i d t hr a n g er a n d o m l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e t e c t i o n p e r f o r m a n c eo fs p e c t r ac o r r e l a t i o ns e n s i n gi sb e t t e rt h a nr e c t a n g u l a rs p e c t r u ms e n s i n ga n dt h e f o r m e rm e t h o dc a ng e tam o r ea c c u r a t ec a r r i e rf r e q u e n c ye s t i m a t i o nf o ri tu s e sm o r ep r i o r i n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，w i d e b a n ds p e c t r u ms e n s i n g , c o m p r e s ss e n s i n g , m w cs a m p l i n g , a i c m d lc r i t e r i md y n a m i ct h r e s h o l d ，m a t c h i n g , r e c t a n g u l a rs p e c t m m ，s p e c t r ac o r r e l a t i o n 1 1 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 随着无线通信产业的飞速发展，尤其是诸如3 g 、w i f i 、w i m a x 等无线多媒体通信技术 的快速发展和广泛应用，人们对于频谱资源的需求越来越大。匮乏的无线频谱资源已成为制 约宽带无线应用发展的一个瓶颈。而目前的频谱管理采用固定的频谱分配方式，导致不同频 段频谱利用率差别很大。图1 1 【l j 给出了0 - 3 g h z 不同频段频谱的使用情况。由图可见，某些频 段因业务承载量大而利用率较高，某些频段的频谱资源却没有被充分利用白自浪费。因此， 频谱资源的紧张并不是由于频谱资源的真正短缺，而是由效率低下的固定频谱分配政策造成 的。不幸的是，重新创建一套基于分布式的频谱分配方式，不仅不切实际，而且还低效。因 为它无法预测未来无线系统的发展方向，无法优化配置以适应所有的无线系统。此外对于频 谱分配的任何改变都可能引起当前频段主用户的强烈反对。要解决这个问题必须保留主用户 优先使用该频段的权利。认知无线电就是在这个背景下孕育而生的，它的出现将从根本上解 决频谱资源相对匮乏和频谱利用率低之间的矛盾。 嘲m 倒印i 棚嚆咖嗍舳a 学d 倒嚣s 酞妇伪酗瞄 r 。翱暗睡r 硼囊阪瓣5 i 硼电 w 2 轰r cs i 髑蜊电 妇酝c a 豳缱 e 妇：l o 1 3 8 埘证 f r e d m 曲l e , 栩i a 融硼蟹f s = 1 3 1 疆谢缸 1 v7 - ，3 = 1 7 心1 6 蛹眨 缝椭囊峨期咖f 掀2 1 每2 2 5 硪乜 f 抽酣雒。强船乱a 眈眨趁姗乜 i 自哟峨f l e d , 曲k 晒蛾锄帆柏船褂证 t vl 2 0 4 酗1 2 m t v 2 1 簿5 1 拍鹾 w3 7 - 5 i ：b 芍赞堋乜 w 5 2 6 9 = 辩8 0 6 硼电 嘲岫b m d 鬻兜瓣9 0 2 m 璩斑珂跚吐蜘嬲鲫电 p 嘲畦秘络f m d , 敝a 瓦拍df 毛ls = e 哟, 9 0 6m 。f f - t c 一tg 冈a 睦阱9 盼1 2 4 0h 1 1 z a q e t e 唾1 2 靠j 3 堋电 船心r 翻膏。翻 勃吖1 昏1 椭m 翱哦；a 嘲i 囊f l e d 蜘t e e m t r y ：l 梅l s 苍瓣k l , l l o u e , e ，m b e g p s 魄伯l 。舛娃1 5 答1 了1 0 m h z 觚f e e d 强哟e 仃l o - 1 8 5 0 h p c s 船戳l s o 馋珏t 9 硼扛 t v 角1 9 雏2 1 1 0 m h z a 啊嘶臼l 内嘎p 嘶如绸笛a l o 锄跚k s 陋o i ) a a 弧两畦趋孵2 3 0 0 m h z 知睡睡v 蝼吣2 3 0 0 - 7 3 8 0 m t 良目喊聪鼹跚证 l 峨e uf u 幢嘲均d ) 霜町姗m l , l z 盯1 s k 嗽d s + 为孵2 6 搬乜 囱啊朝r 耐薯筠筠棚硼靛 l 一 蕾 啊 囡一 l 一 曩 盔蜀蕾露蕊 一 一 - - i 仰药壕骗稻傣i 蛾 却k 蛔a 嗣嗍 图1 10 - - 3 0 h z 频谱利用率 杭州电子科技大学硕士学位论文 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 ) 把认知无线电 ( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 技术定义为基于与操作环境的交互，能动态改变其发射参数的无线电， 其具有环境感知和传输参数自我修改的功能；c r 是一种新型无线电，它能够在宽带上可靠的 感知频谱环境，探测主用户的出现，能自适应的占用即时可用的本地频谱，同时在整个通信 过程中不给主用户带来伤害【l l 。频谱感知是认知无线电的一项关键技术，其主要功能是寻找 频谱空穴。认知用户( c o g n i t i v eu s e r , c u ) 需要动态的感知无线频谱环境，迅速改变发射参 数去有效利用即时可用的频谱资源。因此频谱感知性能的好坏对于认知无线电十分重要。 传统的窄带频谱感知仅仅针对一个窄带信道进行检测。当主用户出现时c u 需要让出该信 道，由于感知能力受限，即使其他信道出现频谱空穴c u 也无法接入使用。宽带频谱感知极大 的提高了c r 的感知能力，使c r 可以对多个信道进行检测，当某一信道主用户出现时，c u 可 以切换到其他空闲信道继续通信。因此宽带频谱感知可以使c r 更为灵活的利用频谱资源，有 效提高频谱利用率。 1 2 频谱感知简介 认知能力是认知无线电的一个主要特点，是指无线电能够从无线环境中捕获和感知信息。 认知能力使c u 获得外部电磁环境信息，将一些特定时间特定位置上未曾使用的频段( 即频 谱空穴) 检测出来，供c u 接入使用。认知无线电的认知能力表现在能实时与它所处的环境 交互，从而决定合适的通信参数并适应动态的无线环境【2 】。认知能力主要由频谱感知、频谱 分析和频谱决策三个步骤组成。这三个步骤构成了认知循环，如图1 2 所示： 认知无线电通过频谱感知对接收到的特定频段上的信号进行分析，找出在一定时间和空 间上可以被利用的频谱资源，即频谱空穴；通过频谱分析得到频谱空穴的特征信息；最后利 用频谱决策根据频谱特征和用户需求选择合适的频段接入使用。一旦工作频段选定，通信就 可以在该频段上进行。因此，频谱感知是频谱分析和频谱决策的基础，频谱感知能力的强弱 在某种程度上决定了认知无线电的性能。 图1 2 认知循环 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 因为c u 可能对主用户造成有害干扰，所以，一般来说主用户不愿与c u 共享频谱资源， 出现这种情况有两种可能。第一种可能是c u 不能可靠的检测出主用户信号，因此可能出现主 用户还在使用授权频段时c u 也接入该频段从而对主用户造成干扰，这是经典的“隐藏终端问 题 ；主用户信号n c u 的传播信道可能被强衰弱或遮蔽，而主用户到接收机的信道却没有发 生变化，接收者仍能成功解调出信号；因此如果c u 认为主用户信号不存在，并且发送自己的 信号，那么它将对主用户信号造成干扰。第二种可能是c u 进行频谱感知时该授权频段没有主 用户使用，当c r 进行传输时主用户信号出现；因此c u 可能无法快速的让出该频段，故对主 用户造成干扰。综上所述，频谱感知存在两个基本要求。首先，c u 接收机的灵敏度对于检测 的可靠性起了关键性的作用。频谱资源再分配需要考虑主用户系统的干扰容限。c u 需要通过 频谱感知测量自身对于主用户系统造成的干扰，通过自适应调整自身发射功率满足干扰约束 条件的限制。其次，频谱感知的时长也十分重要。两次感知的时间间隔是影响频谱感知性能 的一个重要因素。因此c u 单次检测主用户信号的最大时间不能超过两次频谱感知的时间间 隔。 目前对频谱感知的研究主要集中在电视广播所占用的甚高频( v h f ) 和特高频( u h f ) 频段。其主要原因有三点： ( 1 ) v h f u h f 频段电离层反射水平较低，适合于移动通信。 ( 2 ) 天线尺寸合适，携带方便，便于移动。 ( 3 ) v h f u h f 频段有良好的非视距( n l o s ) 传播特性，是覆盖地广人稀的农村地区的 理想波段。在农村地区这一波段存在着大量的频谱空穴，可供c r 接入使用。 因此电视广播频段是c r 设备较为理想的工作波段，要求c u 在这一频段保护主用户的同 时伺机接入未被利用的频谱空穴。f c c 允许c u 动态接入t v 广播频段的设备分为两种“便 携设备”和“固定设备 。第一类一般是低功耗的无线设备，类似在家庭无线网络中使用w i f i 技术的笔记本电脑。第二类是高功耗的无线设备，它一般放置在固定的位置，提供一些诸如 无线宽带互联网接入的商业服务。 自从2 0 0 6 年l o 月起，f c c 、o f c o m 、c e p t 、新西兰、芬兰、苏格兰等政府机构制订了 大量的政策允许商业机构以更为丰富和有效的方式利用这一频谱资源。其他国家如日本，韩 国，新加坡，瑞典，挪威，法国，德国，丹麦，瑞士，爱尔兰和匈牙利对于认知无线电技术 也很感兴趣，希望能利用这一技术更为有效地利用频谱资源。因此如何提高频谱感知能力， 使c u 可以高效快速的发现频谱空穴一直是认知无线电研究的一个热点。 本文根据检测频段带宽的不同，将频谱感知分为窄带频谱感知和宽带频谱感知两种类型。 图1 3 给出了频谱感知技术分类框图，下面对这两类感知方法逐一进行介绍。 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 3 窄带频谱感知 图1 3 频谱感知技术分类 窄带频谱感知针对一个窄带频段，通过检测是否存在主用户信号来判断是否有主用户占 用该频段。对于这类信号检测问题，研究较为广泛，方法较为成熟。感知的目的是对以下的 两种假设做出判决【2 j ： r，、， y ( 刀) ： m 以)爿o ( 1 1 ) 一。 【s ( n ) + w ( 万) 月l 其中，y ( n ) 是认知用户接收到的信号，s ( 厅) 是主用户的发射信号，w ( 以) 代表均值为0 ， 方差为仃：的加性高斯白噪声( a w g b 0 。i i o 、i - , 分别代表主用户信号不存在和存在两种情况。 一般通过虚警概率、检测概率和漏检概率来评价某种检测方法的性能。对于认知用户而言， 虚警概率会阻止一些用户使用未被占用的频段，降低频带的使用效率；而漏检概率则使一些 用户接入到主用户正在使用的频段中，对主用户造成了一定的干扰。简而言之，虚警概率就 是存在一定的概率将主用户不存在的情况判断为存在，低的虚警概率表明认知用户能充分利 用未被占用的频段，提高频带利用率。漏检概率即存在一定的概率将主用户存在的情况判断 为不存在，低的漏检概率表明认知系统对主用户信号有充分的保护，降低了认知用户对于主 用户的干扰。因此一种好的检测方法应当力求有较高的检测概率，较低的虚警概率。 i e e e 8 0 2 2 2 标准要求c u 的检测概率达到9 0 以上，虚警概率控制在10 以内。 认知无线电中基本的发送端窄带感知方法主要有能量检测法、匹配滤波器检测法和循环 平稳特征检测法等，下面逐一进行简要介绍： 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 3 1 能量检测法 能量检测法【3 川是一种最常用的盲检测方法。当c u 接收机难以收集到主用户发射机信号 的足够信息时，能量检测法是最佳的【5 1 。其基本思想是利用一段时间内接收信号的能量与预 设门限做比较，进而判断主用户信号的有无。能量检测法的检测框图如图1 4 所示： 图1 4 能量检测法检测框图 在检测时间内对信号采样k 次，计算接收信号的平均信号能量丁作为检测统计量【3 】： r - i 丁= 专) 1 2 ( 1 2 ) 1 、k = o 根据能量检测理论【2 1 ，可知c u 接收的平均信号能量r 服从卡方分布。当采样点数k 足够 多的情况下，根据中心极限定理，认知用户的平均接收信号能量服从正态分布，可以得到检 测概率只和虚警概率只分别为： 其中 e = 以r 厂旧，= q ( c 考一册叫 弓川圳= 攻c 和固 姗：塾盟2 2 ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 能量检测法易于实现，复杂度低，且作为盲检测方法不需要有关主用户信号的先验信息。 但其门限的选择受噪声功率影响较大，当对环境噪声估计不准确时，其检测性能将出现大幅 下降，甚至可能出现无法检测的现象5 1 ，在低信噪比下检测性能较差，而且不能区分信号、 噪声和干扰。文献【6 】从合作感知的角度出发提出了一种双门限检测方法，仿真结果表明该方 法能显著的改善能量检测法的检测性能。 1 3 2 匹配滤波器检测法 匹配滤波器检测法用是一种非盲检测方法，要求已知主用户信号信息，包括主用户信号 的调制方式、脉冲形状和数据包格式等。一个和信号y ( t ) 匹配的滤波器其脉冲响应等于y ( f ) 的 时间翻转和共轭。在高斯白噪声下匹配滤波器检测法是对确知信号进行检测的最佳方法，因 为它利用这些已知信息构造匹配滤波器使接收到的信号信噪比达到最大【引。匹配滤波器适用 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 于随机通信信号，当信号中含有一些已知的周期重复的分量时，匹配滤波器可以和这些相关 的短时分量相匹配。但如果主用户信号信息不准确，使主用户信号与匹配滤波器失配，就会 大大影响匹配滤波器检测法的性能，从而导致误判。其检测框图如图1 5 所示： 图1 5 匹配滤波器检测法检测框图 匹配滤波检测法的优势包括它能以较少的计算时间获得较大的处理增益，使输出的信噪 比最大，o ( s n r 。1 ) 个采样值就能达到给定的检测概率约束【2 4 j ；对于加性高斯白噪声信道的最 优检测以及适度的普遍性。其最严重的缺点是对非a w g n 信道检测效果较差以及同步问题上 灵敏度较低。此外c u 要为每一种主用户信号设计专门的接收机，尤其在多用户网络认知环境 中，由于同时存在多种类型的主用户信号，c u 需要给不同类型的主用户信号配置不同的检测 器，因此该方法将不适用。 1 3 3 循环平稳特征检测法 循环平稳特征检测法【9 1 利用调制信号内在的周期性对谱相关函数进行分析。该方法可以 区分调制信号、噪声和干扰，当噪声功率不确定时仍然具有良好的检测性能，但算法复杂度 较高，需要较长的处理时间。其检测框图如图1 6 所示： 划聊f 采样h m h y 。厂+ 蓊厂刊h 峰值检测h 判决攀 图1 6 循环平稳特征检测法检测框图 一般情况下，调制信号经过了载波、脉冲序列、重复性扩展、跳频及循环前缀等耦合处 理，使已调信号具有了内在的周期性，即它们的均值和自相关函数都具有了周期性，因而称 其具有静态循环平稳特础1 0 1 。谱相关函数的定义为1 1 1 ： 影( 力= l i m l i m 出l _ _ 。击以f ，f - f 詈) 瑶以f - i - 弘 ( 1 6 ) 其中口为循环频率，丁为傅里叶变换间隔，f 为谱相关间隔，k ( f ，f ) 满足： t + & t 1 2 k ( f ，门= f y ( u ) e x p ( 一j 2 z c u ) d u ( 1 7 ) l 一厅，2 循环平稳特征检测法最主要的优点是它能够把主用户信号的能量、噪声和干扰信号的能 量区分开【1 2 】。这是因为平稳噪声或近似平稳噪声是一个宽带的、静态的、没有相关性的信号， 其循环谱能量主要集中在零循环处，在非零循环频率上没有非零值或值很小；而已调信号通 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 常具有频谱相关和周期性，它们的谱相关函数在循环频率不为零处有较大的非零值，因此循 环平稳特征检测法可以区分不同类型的信号和噪声，这样c u 就可以分辨出是主用户信号还 是干扰信号，从而避免“恶意用户( 发出干扰信号的用户，即总是发出信道被占用或未被占 用的信息) 的干扰【1 3 】。 1 3 4 其他窄带感知方法 y o n g h o n gz e n g 等人利用随机矩阵理论提出了一种盲检测方法，对于过采样信号，其采样 值之间的相关性较强；而对于高斯白噪声，采样值之间基本没有相关性，故可以利用这种差 异进行检测，仿真结果表明最大特征值检测法对于相关信号的检测能力优于能量检测法【1 4 】。 文献 1 5 】发展了这种思想，提出两种盲检测方法最大最小特征值检测及能量最小特征值 检测，其门限不依赖噪声功率，故当环境噪声发生波动时其检测性能几乎不受影响较之能量 检测法有了很大改善。文献【1 6 】进一步发展了这种方法，不分解自相关矩阵，直接利用自相 关矩阵的能量与其对角线上的能量做比，该方法降低了复杂度，减少了运算量。文献 1 7 、1 8 】 从合作感知的角度对文献 1 5 、1 6 的方法进行分析，仿真结果表明合作感知性能优于单用户 的同类算法。 由于主用户信号都有较为明显的频谱特征，因此可以利用其谱图的先验信息，检测主用 户信号存在与否。文献 1 9 禾l j 用主用户功率谱密度( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ，p s d ) 这种先验信 息设计了一种窄带信号的检测方法，并证明这种方法在低信噪比条件下与最大似然比检测渐 近等价。文献 2 0 、2 1 、2 2 利用a i c m d l 准则估计信号子空间的维度，以此作为检测标准； 仿真结果表明该方法同样可以克服噪声波动带来的影响，但该方法需要多根天线，硬件复杂 度较高。文献 2 3 】提出了一种基于分形盒维数的频谱感知方法，该方法计算复杂度低于能量 检测法，易于工程实现，且对噪声不敏感；但该方法仅针对少量调制信号，缺乏理论分析。 1 4 宽带频谱感知 随着传统的窄带频谱感知技术日趋成熟，人们把研究的焦点逐渐转向了宽带频谱感知。 在不久的将来，认知无线电很可能使用4 0 0 8 0 0 m h z ( u h f ft v 波段) 和3 1 0 g h z 这两个 频段【2 4 1 。 窄带感知只适用于对窄带内信号进行检测，为了提高频谱利用率，频谱感知需要在宽带 内进行。传统的窄带感知仅仅针对一个信道进行检测，当主用户使用该信道时，c u 要退出该 频段，经过长时间的等待直到主用户使用完毕为止。由于感知能力受限，即使周围有空闲信 道，c u 也无法使用。宽带频谱感知提高了c u 的感知能力，使c u 可以搜索多个信道，当主用 户信号到来时，c u 可以切换到其它的空闲信道继续通信，因此显著提高了频谱利用率。宽带 频谱感知是认知无线电研究的一个热点问题。 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 目前的宽带频谱感知可以分为多信道宽带感知和一般宽带感知两大类【2 卯。对于多信道宽 带感知，整个频段事先被划分为多个信道，主用户在某一时刻只能使用个或多个信道，例 如u h f v h f 的t v 波段就属于此类型，主用户带宽相同都为6 m h z 。因此其频谱感知的要求相 对轻松，可以利用较为成熟的窄带检测技术依次确定每个信道主用户信号的有无即可。当主 用户信号可以以任意带宽出现在宽带范围的任意位置时，就属于一般宽带感知。对于此类宽 带频谱感知，不仅要确定是否存在主用户信号，还要确定主用户信号所占据频段的具体位置。 1 4 1 多信道宽带感知 在宽带范围内，人为的无线电信号往往是稀疏的，即它们是由少量的窄带信号在一个宽 带范围内稀疏构成。例如，2 0 0 2 年f c c 的报告中指出，时域和地域的变化导致3 g h z 以下频段 频谱的平均利用率在1 5 到8 5 之间；在多个地点的测量表明，3 0 m h z 3 g h z 频段频谱的平均 利用率仅仅达n 5 2 ，3 , - 6 g h z 频段频谱的平均利用率不n o 5 1 2 毛2 7 j ；美国纽约市对6 g h z 以 下频段的频谱监测表明，整个频带频谱利用率的峰值仅仅达到了1 3 1 。这些检测数据表明主 用户信号在宽带频域具有很强的稀疏性，而这种稀疏性也是引入认知无线电的主要原因之一。 因此可以用多子带模型来描述这类信号。图1 7 给出了一个典型多子带信号的功率谱图。由图 可见，整个宽带频谱由少数几个主用户信号稀疏构成。 功率谱密度函数 ( p s d ) 频谱空穴主用户占用的子带 么上_ 一 频域 l010 0l000 ll 图1 7 多信道宽带感知信号功率谱图 目前允许c r 设备工作的频段主要是电视广播所占用的甚高频( f ) 和特高频( i j i f ) 频段。对于该频段而言，整个带宽事先被划分成若干信道，主用户只能占用一个或多个信道 进行通信。实际中美国f c c 对于c r 的可用频段做了如下的规定“t v 信道2 1 3 6 ( 5 1 2 6 0 8 m h z ) 以及信道3 8 5 1 ( 6 1 4 6 9 8 m h z ) 中除了一些特定频段被私人移动业务和商业移动业务使用外， 其余频段都允许c r 接入使用。t v 信道3 7 ( 6 0 8 6 1 4 m h z ) 被射电天文学和无线医疗服务使用， 因此不允许c r 接入。信道2 ( 5 4 6 0 m h z ) ，以及信道5 2 0 ( 7 6 m h z 8 8 m h z ，1 7 4 m h z 2 1 6 m h z ， 4 7 0 - 5 1 2 m h z ) 仅允许用于固定设备之间的通信【2 8 】 。f c c 的研究表明在较低的u h f 频段几 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 乎每个地理区域都有几个未被使用6 m 带宽的t v 信道。由于这些频段在远距离通信上具有良 好的传播特性因而具有很强的吸引力。此外，由于t v 信道的静态分配模式其频谱感知的要求 相对轻松。因此多信道宽带感知是目前研究的热点，其检测思路是基于将宽带频谱感知问题 转换为窄带频谱感知问题，然后利用已有较为成熟的窄带检测方法完成。 1 4 1 1 串行扫描感知 串行扫描感知( 又称为序贯感知) 采用一个中心频率可调的窄带带通滤波器，利用窄带 感知技术( 一般使用能量检测法) 每次检测一个信道，以串行的方式逐次扫描整个频带【2 9 1 。 传统的串行扫描适合带宽较小的信号，对射频前端和模数转换的要求不高，但全频带扫描花 费的时间较长，会引起较大的感知时延，使得在c u 接入该频段时有可能发生主用户突然占用 该频段的情况，因而不能对频谱进行实时感知。文献【3 0 】提出了一种直观的信道检测方法， 即根据信道的可用性( 信道空闲的概率) 确定最佳的检测次序，使感知时间最小化，数据传 输时间最大化。文献 3 1 1 考虑在各个信道空闲概率和信道容量不同的情况下利用决策树寻找 最优的检测次序。文献【3 2 】从m a c 层的角度研究最佳检测次序，在信道类型相同的情况下提 出了一种最佳停止策略，但在实际中信道类型往往是多种多样的，因此该策略仅仅得到了一 个局部最优。文献 3 3 】在信道可用性未知的情况下提出了一种检测次序并证明该方法可以有 效的提高频谱的利用率、增加c r 网络的吞吐量。 l i n gl u o 等人在各信道空闲概率相同的情况下分析了随机扫描和连续扫描找到空闲信道 所需要的平均扫描次剡3 4 】，在此基础上给出了一种两阶段检测的方法，在粗检阶段一次检测k 个信道，若这k 个信道均被占用则选择下一组k 个信道进行粗检；若这k 个信道中至少存在一个 空闲信道则进入细检，对这k 个信道依次进行扫描直到发现空闲信道为止【3 5 】。文献 3 6 】在此模 型的基础上引入锁相环作为频率选择器件，将感知时间分为频率选择时间和信道检测时间， 仿真结果表明在信道空闲概率较低的情况下，两阶段检测较单信道检测寻找空闲信道所需的 平均时间更短，即该方法能更为快速的发现空闲信道。 文献【