（通信与信息系统专业论文）认知无线电协作频谱感知算法的研究.pdf

摘要 摘要 随着纯语音通信到无线多媒体应用的转变，对数据传输速率的要求越来越 高。考虑到频谱资源的有限性，现有的固定频谱分配方案已不能满足与日俱增的 高速数据传输设备的需求，认知无线电技术能利用暂时空闲的授权频段，是解决 频谱资源稀缺最有效的技术之一。认知无线电最重要的组成部分是频谱感知，协 作频谱感知能有效避免单用户感知过程中受阴影效应和初级用户位置不确定性 的影响，可以更加稳定可靠地提供感知信息。 协作感知网络中感知用户较多，并不是在所有节点都参与协作时所取得的感 知性能最好。对于某些感知能力特别差的感知节点，其感知结果并不可靠，所以 不需要这些节点参与协作。同时感知过程中也并不需要感知所有的信道数，只需 根据系统的业务需求量来确定感知的信道数，因此，存在最优的感知节点和信道 集合的问题。 为了减少感知能力特别差的节点参加感知和降低感知过程中能量的消耗，本 文主要研究了优化感知节点数和信道数的协作频谱感知方法。该方法通过计算每 个感知节点的信任度来确定参加协作感知节点的选择范围：根据认知用户的业务 需求量的大小，推导出信道数的选择范围；在满足系统感知要求的基础上，合理 地选择参加的感知用户数和信道数，实现降低感知过程中感知开销的目的。同时， 随着授权信道的占用率以及系统自身业务需求的变化，能够动态地改变优化的感 知节点数及信道数。仿真结果表明：该方法在一定范围内，通过选择优化的节点 数和信道数，使得系统的感知开销最小化，达到高效节能的目的，优于传统协作 频谱感知方法。 关键字：认知无线电：协作频谱感知；感知开销；能量检测 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en e e df o rh i g h e rd a t ar a t e si si n c r e a s i n ga sar e s u l to ft h et r a n s i t i o nf r o m v o i c e o n l y c o m m u n i c a t i o n st om u l t i m e d i at y p ea p p l i c a t i o n s c o n s i d e r i n gt h e l i m i t a t i o no fs p e c t r u mr e s o u r c e s ，t h ec u r r e n ts t a t i cs p e c t r u ma l l o c a t i o ns y s t e mc a n t a d a p tt ot h ee q u i p m e n to fg r o w i n gh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o no b v i o u s l y c o g n i t i v e r a d i ot e c h n o l o g yi sa l le f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h es p e c t r u mc r o w d e d , w h i c h i n t r o d u c eab a n do p p o r t u n i t ya c c e s st ou n a u t h o r i z e du s e r s am a j o rf a c t o ro f c o g n i t i v er a d i oi ss p e c t r u ms e n s i n g c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gc a ne f f e c t i v e l y a v o i dt h ei n f l u e n c eo fp r i m a r yu s e rp o s i t i o n a lu n c e r t a i n t ya n dt h es h a d o we f f e c to f t h es i n g l eu s e rp e r c e p t i o np r o c e s s i tc a np r o v i d em o l es t a b l ya n dr e l i a b l ys e n s o r y i n f o r m a t i o n c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gn e t w o r kh a sm o r eu s e r s ，a n ds e n s i n go f p e r f o r m a n c ei sn o tt h eb e s tw h e na l ln o d e st a k ep a r ti nt h ec o o p e r a t i o n s o m es e n s i n g n o d e sd on o th a v et h es t r o n g e rs e n s i n ga b i l i t y , s ot h e yd on o tn e e dt ot a k ep a r ti nt h e c o o p e r a t i o n a tt h es a m et i m e ，i tj u s tn e e d st od e t e r m i n et h es e n s i n gn u m b e ro ft h e c h a n n e l s ot h e r ei sap r o b l e mo f t h eo p t i m a ln o d e sa n dc h a n n e l s i no r d e rt or e d u c et h ec o n s u m p t i o no fe n e r g yi nt h ep r o c e s so fs e n s i n ga n dt h e m a l i c i o u sn o d e st ot a k ep a r ti nt h es e n s i n g , t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st h ec o o p e r a t i v e s p e c t r u ms e n s i n gm e t h o do fo p t i m i z et h es e n s i n gn o d e sa n dt h en u m b e ro fc h a n n e l s i nt h i sm e t h o d ，i tc o n f i r m st h ec h o i c er a n g eo fc o o p e r a t i v es e n s i n gn o d e st h r o u g h c a l c u l a t i n gt h er e p u t a t i o no fe a c hn o d e ，a n do b t a i n st h ec h o i c er a n g eo fn u m b e ro f c h a n n e la c c o r d i n gt ou s e r sb u s i n e s sd e m a n d i tc h o o s e st h en u m b e ro fs e n s i n gu s e r s a n dt h ec h a n n e lb a s e do ns a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n t so fs y s t e m ，r e a l i z i n gt h ep u r p o s e o fr e d u c t i o no fs e n s i n gs p e n d i n gi ns e n s i n gp r o c e s s w i t ht h ec h a n g eo ft h ea u t h o r i z e d c h a n n e l so c c u p a n c yr a t ea n dt h es y s t e mb u s i n e s s sd e m a n d ，t h i sm e t h o dc a l lc h a n g e t h en u m b e ro ft h es e n s i n gn o d ea n dt h ec h a n n e ld y n a m i c a l l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h o wt h a tt h i sm e t h o dc a nm i n i m i z et h es y s t e m st h es e n s i n gc o s t sw i t h i nac e r t a i n s c o p et h r o u g hc h o o s i n gt h en u m b e ro ft h eo p t i m i z e dn o d ea n dc h a n n e l i ti sb e r e r a b s t r a c t t h a nt h et r a d i t i o n 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 d 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 ；s e n s i n go v e r h e a d ； e n e r g yd e t e c t i o n 第一章绪论 1 1 背景介绍 第一章绪论 随着当今无线网络环境日益动态化，异构化和复杂化的发展趋势，对无线频 谱资源的需求越来越多，导致频谱资源逐渐凸显缺乏。 然而，根据美国加州大学伯克利分校经过长期测量和研究结果【l 】显示，3 g 以上的频段基本未被使用，其中3 g h z - - 4 g h z 频段的占用率不到1 ，4 g h z - 5 g h z 频段利用率不到0 5 。3 g h z 以下的频段利用率不到7 0 ，存在严重不均形象， 如图1 1 为使用2 0 k h z 分辨率、3 0 。角的天线，实地测量的功率谱密度分布图， 其他研究学者研究所得的频谱使用情况与其结论相似【2 ，3 1 。 n z 誉 弋， 越 翻 蜜 斟 督 0l234 5g h z 频率( g h z ) p 0 - - 1 , 1 - - 2 , 2 3 3 - - 4 p4 - - 5 5 6 p 利用率( ) 妒 5 4 4 , 03 5 1 p7 和0 2 5 p0 1 2 踟4 6 0 图1 10 6 g h z 的功率谱密度分布示意图 由以上图表分析可以得出，所谓的“频谱缺乏只是相对的。主要原因是各 个国家的无线频谱管理部门采用基本同样的做法，采用频谱带分割方法对无线频 谱资源进行分割，即分为非重叠频谱段和固定频谱段，这样相应的机构和服务就 能独自使用分配的频谱段，分配到相应频段的用户可以称为初级用户。当无线系 统分配到一个频段后，无论初级用户是否存在于该频段内，其他用户均不能利用 此频段传输信息，这种分配方式称为静态控制，实现简单，易于管理，相对减少 认知无线电协作频谱感知算法的研究 系统之间产生干扰。随着无线通信领域不断出现的新兴业务，但所对应的空闲频 段越来越少，可以传输的频段早已被分配完，严重限制了无线通信的发展。 由于固定分配策略产生了很多的频段频谱资源利用效率很低。解决的最好办 法是改变现今的频谱准入以及频谱分配的管理方法，只有通过改变频谱准入权 限，才能使无线频谱得到开放使用、使频谱的利用效率进一步提高。假设能有效 的利用当前大量处于空闲时刻的初级用户信道，就能很好的改善当前频谱资源稀 缺的局面1 4 1 。 无线通信发展初期，通信系统对无线资源需求量不是很高，因此，对频谱分 配的方法可以是随机的。现有的提高频谱效率的措施很多，相应利用的技术是频 谱复用技术：定向天线和组网；自适应编码与调制；扩展频谱、信号极化和智能 天线等，由于香农信道容量理论极限值的限制，不能真正从根本上解决紧张的频 谱资源问题。这些技术虽然对缓解频谱利用起到很大作用，但不是从本质上解决 可用频谱资源缺乏的局面。当前频谱使用效率低的现象逐渐突显出来，无线通信 领域必须采用更合理的分配技术来提高无线频谱资源使用效率，解决无线频谱分 配不均匀的情形。 为了使频谱资源利用率得到进一步提高，缓解频谱资源紧张，首先，要扩大 频段的可利用范围，开发新的无线接入技术；其次，通过改进现有的编码调制方 法，增强现有无线频谱资源的利用效率。最好的方法通过调整无线频谱策略，使 用高效的动态频谱分配方式，为此科研工作者进行各种新的尝试，研究出很多新 的无线频谱利用技术。如多输入多输出技术【5 】( m u l t i p l e 。i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t , m i m o ) 、正交频分复用技术 6 1 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 等高效的传输技术、在3 至1 0 g h z 频段上采用超宽带( u l t r a - w i d eb a n d ，u w b ) 技 术、以及利用工业科学和医用( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，i s m ) 频段无授 权频段接入，这些技术可以提高3 - 4 倍的频谱使用的效率，在一定程度上缓解 无线频谱资源紧张的问题。但上面所研究的技术并没有从根本上解决问题，在增 加了系统复杂度和提高了总体成本的基础上提高无线频谱的利用效率，同时也不 能完全兼容无线通信设备。 由此可见，所谓的“频谱短缺”只是一种误解。为了更好的改善频谱资源使 用效率低下状况，再次利用已经授权的无线频段可以改善这种现状，认知无线电 2 第一章绪论 技术( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) t 7 , 8 】应运而生。认知无线电技术与其他通信技术最大的 区别在于能主动感知和学习无线环境。通过对周围无线环境感知，如信噪比等相 关参数，根据相关的标准从而确定处于空闲的信道以供认知网络用户的需求。 此外，通信过程中初级用户相对次级用户的优先传输权是认知无线电技术另 一特点：只有当初级用户( p r i m a r yu s e r ) 没有使用授权频谱段传输信息时，次级用 户( s e c o n d a r yu s 砷才可以利用该频段进行信息传输。如果发现初级用户再次回到 授权频段时，次级用户必须快速离开该信道，将频谱资源留给初级用户使用。随 着动态变化的无线通信环境，认知无线电技术必须根据感知到的无线环境的信 息，及时完成通信系统工作参数的调整。 从认知无线电技术使用的前提是不影响初级用户使用授权频谱资源，可以保 证频谱资源的更加有效合理的利用。如图1 2 所示。图中所示“白色间隔”即为 “频谱空穴 ，只有当频段处于频谱空穴时，次级用户才能接入使用和传输数据。 频私 信道3 信道2 信道1 l 伙敬用尸 一、 、 传输，：、 ，。 ，。、 。 r - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j 、 ， 、 j ， ， 、，、。+ 时f 、 ，一。 认知无线电协作频谱感知算法的研究 1 2 认知无线电国内外研究现状 随着当今无线网络环境日益动态化，异构化和复杂化的发展趋势，同时认知 无线电技术的研究和发展，1 9 9 9 年，j o s e p hm i t o l a 博士给出了认知无线电的含 义。目前主要是美国电气电子工程师学会( 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 s e n g i n e e r s ，i e e e ) 、国际电信联盟( f l u ) 、软件无线电论坛( s d rf o r u m ，s d r f ) 和无线电世界研究论坛( w i r e l e s sw o r dr e s e a r c hf o r u m , w w r f ) 等组织制定认知 无线电相关标准。当前i e e e 所制定的相关标准主要是：i e e e 8 0 2 2 2 、i e e e 8 0 2 1 6 h 、 i e e e p l 9 0 0 、i e e e 8 0 2 1 l h 和i e e e 8 0 2 1 l y 等。 在国外，欧洲和北美等地率先启动了认知无线电研究项目，如美国国防部先 进研究项目局( 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 sa g e n c y , d a r p a ) 资助的下一 代通信计划x g 项目i l o 】：欧盟第六框架项目的端到端重配置( e n dt oe n d r e c o n f i g u r a b i l i t y , e 2 r ) 项目【l l 】，随后，2 0 0 8 年欧盟保证应用和服务在异构网络环 境下的无缝接入，又启动第七框架跨国项ne 3 ( e n d t o e n de f f i c i e n c y ) 0 2 】。 同时，国外的其它相关研究机构主要提出了正交频分复用技术( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 的动态频谱接入频谱共享池( s p e c t r u m p o o l i n g ) 系统【1 2 1 、c o r v u s ( c o g n i t i v e r a d i o a p p r o a c h f o r u s a g eo fv i r t u a l u n l i c e n s e ds p e c 蚋衄) 体系结构【1 3 1 、u w a n ( u n l i c e n s e dw i d e a r e a n e t w o r k ) 系统【1 4 1 、 泛在移动网络动态智能频谱管理( d y n a m i ci n t e l l i g e n tm a n a g e m e n to f s p e c t r u mf o r u b i q u i t o u sm o b i l en e t w o r k , d i m s u m n e t ) 网络体系结构【15 1 、基于遗传算法的生物 启发认知模型b i o c r 1 6 】等。 在国内，相关研究机构对认知无线电方面的研究起步比较迟，中国于2 0 0 2 年在北京成立中国通信标准化协会( c h i n ac o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d sa s s o c i a t i o n , c c s a ) 。该协会是国内最大的开展通信技术领域标准化活动的团体，目前包括 制造商、科研机构、高等院校在内的会员2 7 0 余个。该工作组致力于频谱相关工 作研究，在2 0 0 9 年申请了研究课题项目一“2 0 1 2 年世界无线电大会1 1 9 议题的研 究”。8 6 3 计划信息技术领域的重点项目，计划2 0 1 0 年底之前，投资4 0 0 0 万元开发 “频谱资源共享无线通信息系统”，突破频谱资源共享无线通信息系统的关键技 术，研究与现有系统共存的宽带无线通信系统。 4 第一章绪论 1 3 认知无线电技术概念 1 3 1 认知无线电定义 认知无线电的概念最初是由m i t o l a 以软件无线电( s o f l w a r cd e f m e dr a d i o ， s d r l 技术为基础提出来的。根据m i t o l a 的描述，理想的软件无线电电台是一 个有能力支持多重空中接口和协议的多波段无线电台。认知无线电是建立在软 件无线电平台上的一种智能无线电，通过无线知识描述语言( r a d i o sk n o w l e d g e r e n d e r i n gl a n g u a g e ，r k r l ) 来提高个人服务的灵活性。 由文献 7 1 的定义，认知无线电技术将不间断地感知外部无线环境中的各种 信息，根据感知到的数据，利用无线知识描述语言同其它认知无线电终端进行智 能交流，以选择合适的工作频谱、调制方式、发射功率、介质访问协议和路由等， 保证整个网络能够始终提供可靠的通信，并达到最佳的频谱利用率。fc c ( 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 ) 认为，“认知无线电是指能够通过与外界 环境交互信息，改变发射机参数的无线电设备，认知无线电的主体可能是软件 无线电，但对认知无线电设备而言，不一定必须具有软件或者现场可编程的要 求”b t 。 2 0 0 5 年，著名学者s i m o nh a y k i n 教授对认知无线电从信号处理角度给出新 的定义：“认知无线电是一个智能的无线电通信系统，它可以对外界环境进行感 知，并使用理解构建的方法从无线通信环境中学习，从而改变系统参数， 使系统内部状态能自适应它所接收的无线信号的变化，从而实现随时随地地高 可靠地对无线环境资源进行有效利用” 1 3 2 认知循环 认知无线电系统具有认知循环的过程，它能对外界无线环境进行感知、调整、 计划和推理预测、决策、行为等过程，如图1 - 3 所示。自适应调整主要表现在逐 步稳定通信系统和提高频谱利效率方面。首先，对外界无线环境进行感知，通 过射频激励对无线场景进行分析；其次，根据感知的信息对信道状态进行分析， 量化信道容量；最后，控制和调节发射机的发射功率发送信号。 5 认知无线i 乜协作频谱感知算法的研究 图1 3 认知无线电认知循环图 1 4 认知无线电的关键技术 随着认知无线电的进一步发展，主要从三个方面研究认知无线电，频谱感知 1 s l 、动态频谱管理【1 9 】、功率控制2 们。同时也研究的迸一步深入，无线网络标准化 工作也逐步被重视起来。因此对无线网络的标准化相关科研机构逐步制定出新的 协议和标准。 1 4 1 频谱感知 对频谱共享和管理的研究都是建立在频谱感知技术基础上的，频谱感知目前 主要研究频谱利用情况，达到频谱参数的优化和资源分配的目的。频谱感知的主 要是能能感知到“频谱空穴”，使认知无线电适应周围无线环境，并且在初级用 户不存在时，保证次级用户能发现空闲频谱资源并加以利用。为了避免对初级用 户的使用造成干扰，次级用户必须周期性进行感知，一旦发现初级用户及时释放， 实现频谱资源高效利用的目的。 1 4 2 频谱管理 频谱管理的目标是为满足系统q o s 的要求进行通信，将从感知得到的空闲 信道中选择最佳的信道进行传输。可分为频谱分析和频谱判决两部分内容。根据 6 第一章绪论 频谱感知所感知到的“频谱空穴”分布在很宽的频带上，它们的中心频率不同以 及频段的占用状态可能在动态变化，因此必须对频谱进行分析，判断出性能最好 的频段来满足q o s 要求。完成频谱感知和频谱分析后，根据无线通信系统q o s 要求，为次级用户选择最优的通信信道传输信息，并且自适应调整信号传输过程 中的通信系统相关参数。 1 4 3 功率控制技术 为提高认知无线电通信系统接收机性能，有效降低系统中各用户发射功率， 增强发射机工作效率，减少系统能量的消耗，因此，对系统中功率控制技术研究 是有必要的。在认知无线电系统中，功率控制的主要目标主要有两方面：第一， 最大化认知无线电系统的吞吐量，第二，实现对初级用户系统干扰的最小化。现 今，利用信息论和博弈论对功率控制技术方法进行研究。基于合作的功率控制本 质是对于给定的有限“频谱空穴”，在一定的干扰温度限制的情况下，为各自用 户选择传输功率等级( t r a n s i m i t p o w e rl e v e l s ) 以达到最佳的信息传输速率。而 基于非合作的频谱功率控制是指受“频谱空穴”数量和干扰温度限制所制约，认 知用户之间对有限网络资源的竞争。 认知无线网络智能不仅限于使用未占用的频谱而且还能改进各种使用无线 媒介的通信。认知无线网络可以将各种资源通过合理的分配，实现动态频谱管理、 管理控制、网络优化、抵抗干扰、链路自适应等目标，能显著改善通信质量。 1 5 认知无线电技术应用前景 ( 1 ) 个人通信 认知无线网络可以在家庭酒店、公司以及车站等环境广泛应用。例如，在家 参加公司的视频会议时，连接可以通过w l a n 进行实时多媒体信息建立与传输， 同时邻居们也可以同时使用w l a n 进行信息交互。为了避免高峰时间的拥塞， 认知无线电能检测频谱空隙并加以利用。认知能力可以为所要求的信息传输提供 适当的带宽并选择合适的调制、编码技术以充分利用频谱空隙提供最优的无线通 信。 7 认知无线电协作频谱感知算法的研究 ( 2 ) 政府公共功能领域 认知智能可以有助于解决交通的大难题。可以用于交通信号灯本身，也可以 根据在各方向上的交通流量决定红灯或绿灯维持多久，在司机方面，他可以通过 局部交通控制器传输拥堵的交通的位置、预计的交通迟滞和一条替代路径给移动 的用户。在医学应用方面，对于成人患者，每个人都可以有一个认知m 标签。 同一个医院单元内的中央控制器可利用、存储和更新各患者信息并跟踪他们的变 化。认知标签可记录患者的重要症候并在探测到异常情况时智能地告知各自的权 威专家。当患者远离医院时，患者身上的长距离标签可监视他相关读数并将信息 上传给医生。除此之外，认知无线电网络在环境科学上运用前景更广。将认知无 线电设备用于追踪某种濒危动物，从出生到迁徙的全过程，再到交配，最后到死 亡，并智能化地收集信息，传送给科学家；或追踪天气、气候以及水文地理的变 化，对全球变暖和环境污染等环境重大问题进行自治的观察预计。 ( 3 ) 公共突发事件领域 c r 在公共安全和灾难情况下的应用能带来革命性的改变1 2 1 1 。认知无线电网 络利用可用的许可非许可频谱空隙和异构网络组件来建立和维护暂时的紧急连 接。使不同网络和频谱之间通信的建立和维护成为可能。这种无间断的通信在公 共保护和赈灾中至关重要。例如，在一场大地震中基础设施被摧毁时，认知无线 电网络将试着搜索其他网络设备来建立一个a d - h o c 网络，以便联系上覆盖区域 以外的设备。这样当救援小组到达灾难区域时，新的a d h o e 网就能探测到未被 救援小组发现的基站节点。各基站节点可以在功率储存损耗或中央控制损失时充 当中继站建立通信。但这种灾难情况下，认知无线电网络便能调节其工作参数方 便需要时提供a d h o c 连接。同样，认知无线电网络在灾后重建、搜索救援、采 矿作业的环境中也能起到重要作用。 ( 4 ) 无线区域网络( w l a n ) 无线局域网常常面临干扰、服务质量和安全性问题，解决上述问题的关键在 于改善w l a n 的射频管理，而频谱探测和管理正是认知无线电的优势所在，在 w l a n 中引入认知无线电技术能得到很好的应用。现阶段针对认知无线电在 w l a n 中的应用标准正在制定中。 第一章绪论 1 6 主要内容和结构 文章将对频谱感知技术相关内容，特别对集中式协作频谱感知技术进行探讨 与研究，并研究了一种改进算法。 全文安排如下：第一章作为绪言，介绍认知无线电的研究背景和现状，认知 无线电相关概念、认知循环、关键技术和应用前景：第二章对频谱感知研究中基 于发射机、接收机和m a c 层相关技术进行详细的分析，并比较算法的优缺点； 第三章首先对协作频谱感知研究现状、研究的背景知识、数据的融合准则进行分 析研究，其次给出了系统模型，最后给出了系统感知开销计算公式：第四章研究 了优化的协作感知算法，详细描述了算法过程，得到优化的节点数和信道数，最 后对研究的算法作了仿真和分析；第五章总结与展望。 9 认知无线电协作频谱感知算法的研究 第二章频谱感知技术概述 本章主要介绍频谱感知的概况和相关概念并重点讨论基于发射机信号的频 谱感知、基于接收机信号频谱感知和m a c 层频谱感知的基本思想和方法。 认知无线电通过感知适应周围无线频谱环境，能够有效地填满“频谱空穴”， 并且在没有任何有害冲突的情况下服务于它的次级用户。为满足这种要求，次级 用户必须持续地感知它使用的频谱以便感知初级用户是否再现。一旦检测到了初 级用户，认知无线电系统将会立即放弃对频谱的占用，以使可能产生的干扰最小 化。对空闲信道的感知有数据库等级法、信标信号法和频谱感知法三种方法。数 据库等级法是指初级系统收集归纳使用信道的利用情况，将这些信息存放在一起 供次级用户参考；信标信号法是指初级用户对使用的信道进行标注，然后次级用 户根据这些信标进行选择信道；频谱感知方法是指次级用户感知通信信道是否存 在初级用户信息，根据所感知的信息和自身的业务需求对空闲信道进行选择。三 种方法比较如表2 1 。 表2 1 空闲信道识别的三种算法比较 基础设与初级系标准化 网络 收发机持续的 旌开销统兼容性的信道连通复杂度监视 数据库登记高 差 不需要需要 低 不需要 信标信号 高差需要不需要低不需要 频谱感知低 好 不需要不需要 高 需要 通过以上比较，频谱感知方法对初级系统要求较低，仅需要次级用户提高收 发机的性能，与初级系统融合比较容易，可行性强。 2 1 基于发射机信号频谱感知 认知无线电系统必须具备鉴别各个频带频谱的占用情况的能力，因此，认知 无线电系统必须能够感知到某一个频段是否存在初级用户信号。其模型可用公式 1 0 第二章频谱感知技术概述 2 1 表示陋1 ： 荆= 嚣州叭等 旺- ) 式中：x ( f ) 为感知用户接收到的实际信号：s ( f ) 为初级用户发射信号；刀( f ) 为加性高斯白噪声；h 为信道的增益；峨表示初级用户未占用授权信道，信道处 于空闲状态，q 则表示初级用户存在授权信道。设信道中存在初级用户信号s ( f ) 和噪声，即存在高斯噪声刀0 ) 。图2 1 给出了基于发射源感知的初级用户模型。 其模型设计的思想是对所接收的信号进行分析处理，在噪声存在的情况下感知出 信号，并根据所得的信号筛选新的有用信息，确定感知估计的标准，最终判决出 频谱段中有无初级用户的感知报告。 图2 1 基于发射源感知的初级用户感知模型 综上假设模型，基于发射机信号频谱感知主要包括：匹配滤波器检测 ( m a t c h e df i l t e rd e t e c t i o n ) 、能量检测( e n e r g yd e t e c t i o n ) 、循环平稳特征检测 ( c y c l o s t a t i o n a r yf e a t u r ed e t e c t i o n ) 三种感知用户发射源方案【2 3 1 。 2 1 1 能量检测 能量感知算法是在段时间内，对某个信道进行感知，最后将接收的总能量 与门限进行比较，得出信道是否存在初级用户的情况。能量感知属于非相干检测， 认知无线电协作频谱感知算法的研究 存在两种实现方式，一是直接对时域检测，即直接将信号通过滤波器后，进行快 速扫描，得到低能量频段，然后采样值求模、平方就可得到。另一种是采用傅里 叶变换将信号转化到频域内，对转化到的频域信号求模再平方，实现灵活，通过 增加f f t 运算点数，提高能量感知算法的性能。其原理图如图2 2 ： 娶竺 二三二 型堕。臣至至虱型2 - 4 二至三 + 昏判决或风 能量检测法的基本原理是将接收到的信号x ( f ) 按照某一时间窗进行采样， 经过傅里叶变换得到频谱x ( ) ，记得到频谱的峰值。将彳( 力的峰值经过窗函数， 则得到y ( f ) ，对其取平方，经过一段时间t 内利用积分器积累，计算传输信号的 能量，与预先设置的判决门限九作比较。判决规则如下： j q ，i m ) 广 ( 2 2 ) l ，f h 力广d 当计算所得接收的信号能量大于等于设定的门限值九时，可判决初级用户存 在，即信道处于县状态；当接收的信号能量小于设定门限值九，可判断初级用 户不存在，即信道处于空闲状态。其中，九为预先设置的阈值。虚警概率p ， 和 漏检概率可以用下式表示： 一酬蜕 眨3 ) 【。p r ( o 迭 原始噪声基底 图2 5 干扰温度模型 根据文献 3 1 1 的研究成果，干扰温度即噪声温度，可以定义为 乃，国= 锈堕 ( 2 1 2 ) 式中：乃表示噪声温度；乃扳功表示为带宽为b ，工处频点的干扰平均功率；七表 示为玻耳兹曼常量( 1 3 8 x i 俨，) 。 干扰温度的优点在于它可以完全控制认知用户对初级用户的干扰，但缺点是 认知用户必须事先知道初级用户的位置，且通常不考虑多个认知用户同时传输而 形成累加干扰的影响。 2 2 2 本振泄漏的检测 除了干扰温度检测以外，还有一种以接收机作为中心的频谱感知方法，根据 接收机本振泄漏功率存在与否来感知初级用户接收机的存在情况。此方法是解决 1 6 第二章频谱感知技术概述 认知无线电技术应用中隐终端干扰问题最直接和有效的方法。当初级用户接收机 前端感知出本地振荡器存在泄漏信号时，则说明频段内存在初级用户，当感知不 存在泄漏信号时，则判断频段内不存在初级用户，同时根据本振信号确定出相应 的信道。当前主要采用超外差式接收机，感知过程中，本地振荡器在产生振荡信 号过程中，次级用户根据从天线泄露出去的信号判断是否存在初级用户。 文献 2 8 】设授权用户接收机周围存在大量传感器，同时采用本振泄漏检测方 法对广播电视系统进行检测。实际情况下，因检测距离的限制，远距离检测本振 泄漏功率比较困难，同时随着本振泄漏的动态变化，严重影响了检测结果的准确 性，产生误差。但文献中在授权用户附近布置传感器可操作性差。 综上所述，基于接收机信号的检测在理论上是很好的解决手段，但是，当 前以接收机为中心的本振泄漏检测还存在很多问题亟待解决。 2 3m a c 层频谱感知 在认知无线电频谱感知技术中，除了对物理层相关算法研究以外，还有对 m a c 层的相关算法进行研究 2 9 1 。m a c 层感知算法主要是为了选择和优化感知 参数和感知策略，以实现对下层感知算法指导，更加有效的感知出空闲频谱，提 高认知无线电感知性能。有效地感知机制能节省认知用户的感知过程中的能量开 销，同时也能缩短认知用户信道的切换延时，有效提高认知无线电系统的服务质 量。下面主要对m a c 层中有关感知模式、感知周期、感知时长和感知信道策略 进行分析和讨论。 2 3 1 感知模式 在认知无线电频谱感知机制中，感知模式根据感知时机的不同分为主动感知 ( p r o a c t i v es e n s i n g ) 和被动感知( r e a c t i v es e n s i n g ) 。在下面内容中，将从两个 方面讨论感知模式，同时提出了实现能量消耗与感知延时的折中算法【3 0 】。 ( 1 ) 主动感知模式 为了更好地降低对初级用户的干扰，以及次级用户的中断概率，利用数据挖 掘中的统计预测理论，利用以往的历史频谱感知信息主动预测频谱的占用状况。 认知无线电协作频谱感知算法的研究 次级用户可以根据预测信息接入频谱，这样大大减少对初级用户的干扰，但代价 是需要一定的时间积累和占用一定的存储空间和运算量。主动感知模式如图2 6 所示。假设感知的过程中消耗的能量和感知所需要的时间是正比例关系，则主动 感知模式中能量消耗计算式如下： 肚器+ 吾m 骘p + 争 旺 其中，为感知的信道数目，m 表示数据链路数目，露是指信道的感知周 期，巧为感知时长，d ，表示数据链路j 上，次要用户数据包的平均到达时间，彳， 表示数据链路j 上次要用户数据包的平均离开时间问隔。感知空闲信道的平均延 时公式如2 1 4 式： 珑= 刀( 1 一甜1 ) + ( 刁+ 巧) 甜1 ( 1 一甜2 ) + - + ( 刀+ 孑- 4 - - - - + ) “1 “2 2 n - i ( 1 - - u ) + ( 刀+ 巧+ - ) “l ”2 甜_ i 甜 2 1 4 ) = 刁+ ( 兀材m ) 黟) k = 2m = 1 其中，掰( f ) ( 江1 , 2 一) 为次要用户观测到信道i 的利用率，假设 1 一甜( 1 ) ( 1 一甜( 2 ) ) ( 1 一甜( 加) 。 ：莳l i 邀i 盎薛f 诚r 信姚j 一l 一1 仃 上上隧夔鋈麓幽一一一 黜：型锄鍪l 隧谴厂飞瞻 燃邋攀邈遴鎏_ 攀餮攀 感知嫦卜lli _ _ 1 t i - i jl _ i l l i 感知周期 _ - 需求感知 _ 蘩可利用机会 信道切换信道切换 图2 6 主动感知模型示意图 ( 2 ) 被动感知模式 被动感知方法中，次级用户只有在发现初级用户出现后，才会重新配置自己 的频谱，即暂停现有的数据传输，将使用的频谱留给初级用户并寻找其他可用频 1 8 第二章频谱感知技术概述 谱进行接入。由于没有任何关于未来频谱可用性的先验信息和预测信息，因此， 这种接入方式不仅会造成对主用户的干扰，也会造成自身通信的高中断率。被动 感知模式如图2 7 所示。因此，被动感知所消耗的能量为 儿差c 每+ 争 晓 被动感知模式虽然减d , t 总的感知次数，但由于缺乏各信道主用户占用规律 等信息，所以寻找空闲信道的平均延时较长( 随机感知所有可能情况对应延 时的统计平均值) ，平均延时表达式如下： 磕= 差鲁 ( 2 1 6 ) 其中，吒表示! 种随机每道感知顺序中的一种，当选择信道顺序为& 时， 感知空闲信道所需的延时表达式如下： 磕= 妒o + 叁 ( 亘甜s k ( m ) ) 铲伽) ( 2 1 7 ) ，l = z 月1 2 i 根据文献【3 9 】中采用建立感知效率函数孚，其中e 表示感知过程中消耗 1 i d l e 的能量，表示寻找新的空闲信道所需的切换延时，最终依据下式对感知模式 进行最优化选择，从而提高频谱利用效率。 _ 二旦，哆聊二坠 ( 2 1 8 ) 1 p r o a c t i v e1 氇 ! ；：l i ? 、滋司利用机会 信乩鍪薯 i 隧鋈霪鋈塑一一_ l 一e i 需求感知 信她肼u i 一一l 缢毯羹霪磐幢一 信道孔一l 毯塑翻1 1 一一几一i 三厂一1 重錾篓缢 逻辑髓鍪i 邈幽i 隧筮邈缓邋- 鳖 感知负辄_ 一一一一- 一一l 一一_ 一一 tjf 信道切搀偿泔切搬信道切换信道切换 图2 7 被动感知模型示意图 1 9 认知无线电协作频谱感知算法的研究 2 3 2 感知周期 上节所描述的主动感知模式中周期性感知，设定比较合适的感知周期是十分 必要的，为了选取合适的感知周期，如果能根据初级用户对频谱的占用情况，建 立授权信道状态变化的感知模型，将有利选取最优的感知周期。信道状态感知模 型如图2 8 所示。 圜 - z t ( t ) 蜊 0 f f 二进崩序列 毋知周明【“)盛知时长( 可) 图2 8o n o f f 模型 每个信道的模型是o n o f f 交替模型( o n 表示信道忙，o f f 表示信道空 闲) 。o n o f f 周期模型可以用于感知初级用户是否利用信道。次级用户可以利 用o f f 周期部分传输信息。o n ( y ) 和o f f ( x 。) 周期大小可以描述为相应的概率 密度函数( j ，) 和一( z ) 如果假设伽叩f 周期满足期望为q 。( y ) 和q 。0 ) 的 指数分布，则o n o f f 模型可描述为： f r i ( y ) = e - 杪 ( 2 1 9 ) 一2 r f ( 工) 2 0 e 一 ( 2 2 0 ) 厂o ) 表示信道i 为忙时的概率密度函数；f ( x ) 表示为信道i 为空闲状态的概 率密度函数；乃= l i e r ，；乃= 1 ( 力。当初级用户存在于信道时，该信 道处于“o n ”状态( 图中用“1 表示) ，表示信道繁忙，此时次级用户不能使 用该信道：当初级用户不存在于信道时，该信道处于“o f f ”状态( 图中用“0 表示) 表示信道空闲。 由信道中“o n ”与“o f f ”状态的分布情况，以r ：为周期进行感知，在 信道i 上，相邻两次感知之间，由于存在空闲频谱但未被发现而丢失的接入机会 ( u n e x p l o r e do p p o r t u n i t y , u o p p ) 计算公式如下： 2 0 第二章频谱感知技术概述 u d _ 尸p ( 巧) = ( 1 - - u t ) u d ( 巧) + u j u o p 昂) ( 巧) ( 2 2 1 ) 式中，喇，( c ) 和嘲( ) 分别指上一次感知的信道状态为“o n 与“例下 状态时，以艺作为下一次感知的周期因未被发现而丢失的接入机会。最大化发 现潜在的空闲频谱和最大化使用已发现的频谱接入机会，通过选择一组最优感知 周期向量7 ：作为最优感知周期，使得所有n 个信道的“删”和“s s o h 之和最, j x 3 1 1 ，即 巧= a r g + 删( 咖)(