（信号与信息处理专业论文）认知超宽带关键技术研究.pdf

武汉理一l ：人学硕十学位论文 摘要 无线通信技术的迅猛发展使得人们对频谱资源的需求不断增加，但各国采用 的固定分配频谱政策使得大量的民用、军方、雷达等都集中在一个频谱范围内， 使原本有限的频谱资源显得越发拥挤，与之对比的是对于已授权频段利用率十 分低下，为此人们提出了认知超宽带技术，它既可以充分发挥超带宽无线通信 技术高保密性、高速率、低功耗等优势，也可以充分利用认知无线电灵活频谱 利用方式，有效地解决超宽带和认知无线电各自面临的困境，充分发挥各自的 特点，从而提供一个高速有效的通信手段，为解决目前无线电资源困境提供了 一个新的解决思路。 本文首先介绍了认知超宽带技术发展历史、研究情况，系统地归纳和分析了 认知超宽带技术所涉及到的本地频谱检测技术、合作检测技术、检测优化机制 等，并指出了各种检测方法优缺点。在充分考虑了信道的占用模式下，针对本 地频谱检测，设计了一种优化算法，给出本地感知最优感知时间和传输时间的 存在条件及其求解；针对合作感知，推导出了两种不同合作感知场景下的优化 目标函数，分析了不同场景中合作感知开销对于感知周期、感知时间、合作感 知用户数目和认知用户吞吐量的影响，给出了不同信道条件下的最优感知时间、 合作感知数目、感知周期、均一化系统吞吐量，通过仿真实验表明所提出优化 方案可以有效提高系统的性能。 在频谱检测和现有超宽带波形设计技术的研究基础上，本文对目前认知超宽 带波形设计和频谱整形技术的研究状况和进展进行了系统的归纳和总结。针对 i r u w b 传输技术，通过采用幂函数带核s c h r n i d t 正交化技术和脉冲时移叠加的 方法，构造了一组新的适合于认知超宽带系统要求的脉冲序列并给出了仿真波 形，仿真实验表明该方法具有频谱利用率高、避让前后的脉冲具有良好的正交 性，能有效地减少多用户干扰，适用于多用户通信。 最后，对于本文进行了总结，并指出了进一步的研究方向。 关键词：认知超宽带，认知无线电，频谱检测，脉冲波形设计 武汉理t 入学硕士学何论文 a b s t r a c t w i t ht 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 , t h ed e m a n do fl i m i t e d s p e c t r u mr e s o u r s ei si n c r e a s i n g ，w h i l et o d a y sw i r e l e s sn e t w o r k s a r ec h a r a c t e r i z e db y f i x e ds p e c t r u ma s s i g n m e n tp o l i c y c o m p a r e dw i t ht h es p e c t r u ms c a r c i t y , t h e m e a s u r e m e n t sh a v es h o w nt h a tt h ea l l o c a t e ds p e c t r u mi sn o tf u l l yu t i l i z e d i no r d e rt om a k ef u l lu s eo ft h el i c e n s e df r e q u e n tb a n d ，c o g n i t i v eu l t r a w i d e b a n d ( c u w b ) i sp r o p o s e d ，w h i c hc a nt a k ef u l la d v a n t a g e so f u l t r aw i d e b a n d s u c ha sh i g hs e c r i t y , l o w p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y , h i g hd a t ar a t ea n dt h eo p p t i n u t i c s p e c t r u mu s eo fc o g n i t i v er a d i o t h ec u w bt h a ts o l v e st h ed i 珩c u l t i e so fu l t r a w i d e b a n da n dc o g n i t i v er a d i op r o v i d e sar e l a b l eh i g hr a t ec o m m u n i t c a t i o nf o rf u t u m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h eh i s t o r ya n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fc u w ba r ef i r s l y i n t r u d c e d ，a n dt h e nd i f f e r e n ts p c e r t u ms e n s i n gt e c h n o l y g ss u c ha sl o c a ls e n s i n g ， c o o r p e r a t i v es e n s i n ga n dt h eo p t i m a z i t i o n so fs p e c t r u ms e n s i n g ，a r ea n a l y s e da n d c o n c l u d e d b a s e do nt h e m ，am e t h o dt oo p t i m i z es e n s i n ga n dt r a n s m i s s i o nd u r a t i o n s f o rl o c a ls e n s i n gb yc o n s i d e r i n gt h eu n d e r l y i n go n - - o f fc h a n n e l - u s a g ep a t t e r ni s p r o p o s e d ，a n dt w od i f f e r e n t k i n d so fs c e n a r i o si nc o o p e r a t i v es e n s i n ga r ea l s o c o n s i d e r e d ，t h eo p t i m i z a t i o no b j e c tf u n c t i o n sa r ed e r i v e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h e r e l a t i o n so fs e n s i n go v e r h e a d ，s e n s i n gp e r i o d ，s e n s i n gt i m e ，t h en u m b e ro fs e c o n d u s e r sp a r t i c i p a t i n gi nc o o p e r a t i v es e n s i n gu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e l s ，t h e s eo p t i m a l p a r a m e t e r sa r ea l s oo b t a i n e dt om a x i m i z et h et o t a lt h r o u g h p u to f s e c o n du s e r s ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et h r o u g h p u to fc o g n i t i v er a d i ou s e r sc a nb e m a x i m i z e db yp r o p o s e ds c h e m e s t h ed e s i g no fu l t r aw i d e b a n dp u l s e sa r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n g g a u s s i a np u l s e ，h e r m i t ep u l s e ，p s w fp u l s e ，e c t a n dt h e nt h ed e s i g nt e c h n i q u e so f c u w bp u l s e sa r ed e s c r i b e db r i e f l y ，t h er e s e a r c hs i t u a t i o no fw o r kf o rc u w b t r a n s m i t t e dw a v e f o r md e s i g na n ds p e c t r u ms h a p i n gi sa l s or e v i e w e da n dc o n c l u e d e d b a s e do nt h es c h m i d to r t h o g o n a l i z a t i o na n dc o m b i n a t i o no fp u l s e s ，ai l e wc l a s so f p u l s ew a v e f o r m sf o rc o g n i t i v eu l t r a - w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o n si sp r o p o s e di nt h i s p a p e r , s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mi n d i c a t et h ew a v e f o r m s ：t h e i i 武汉理1 二人学硕士学位论文 s p e c t r u mu t i l i z a t i o nr a t i oi sh i g h e r ；t h eo r t h o g o n a l i t yo f t h ep u l s e si sg o o db o t hb e f o r e a n da f t e rs u p p r e s s i n gn a r r o wb a n di n t e r f e r e n c e s ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h em u l t i u s e r c o m m u n i c a t i o n a tl a s t ，t h ew h o l et h e s i si ss u m m i r a i z e da n dt h et h ef u t u r er e s e a r c h e sa r e o u t l i n e d k e y w o r d s ：c o g n i t i v eu l t r aw i d e b a n d ，c o g n i t i v er a d i o ，s e p c t r u ms e n s i n g ，p u l s e w a v e f o r md e s i g n i i i 独创性声明 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的地方外， 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 武汉理工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。 签名：暨丝里日期：狸咀叠：? 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：筒雄罕导师( 签名) ：矽矿l 日期砂彳，a 、7 武汉理i ：人学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章引言 近年来，无线连接为用户的移动生活方式提供了便捷，伴随着电子产业的 迅猛发展，一方面，人们希望能够将个人电脑、数码录像机、音乐播放器、数 码可携式摄像机、数码相机，高清晰电视、机顶盒、游戏系统、掌上电脑、手 机等都可以通过无线家庭个域网相互连接，但今天的无线局域网和无线个域网 技术不能满足未来大量消费电子设备对于高带宽的需求，这就需要新的技术去 满足高速个域网的需求；另一方面，伴随着现行各国固定分配的频谱政策，使 得民用、军方、雷达、通讯都集中在一个频谱范围内，导致频谱也越来越拥挤， 频谱资源越来越紧张，而频谱资源又不可再生，与之对比的是对于已授权频段 利用率十分低。美国加州大学伯克利分校的实地测量数据结果表明：3 g h z 及以 上的频段几乎没有被使用，其中3 - 4 g h z 的频段利用率只有0 5 ，5 g h z 的频段 利用率甚至只有0 3 。而3 g h z 以下频段的频谱资源在时域及频域上有多达7 0 未被充分利用，大量的频谱资源处于空闲状态【i 】。造成当前这种困境主要是目前 各国采用基于固定的频带分派原则与方案，分配了很多信道给个人、企业和市 政当局，大多数信道只是在很短的时间内发送短时数据，是一种很低的频谱利 用的方式。2 0 0 2 年1 1 月f c c 发布了一项由s p e c t r u m p o l i c y t a s kf o r c e 提交的一 项旨在有效管理美国频谱资源的报告中明确指出：“在许多的频段，频谱准入是 一个比频谱资源更重要的问题，很大的程度上是由于法规的限制了这些频谱上 潜在用户的获准进入”【2 】。 为了满足日益增长的无线业务需求，人们设计了不同的策略试图解决以上 问题，主要有以下几种。 1 ) 进行资源的重新分配。对已经授权的频谱进行重新审视，劝说目前已授 权的用户腾出他们所遗留下来的无线业务( 如：陆地微波中继长途系统等) ，满 足新的无线业务的需求，目前这种频谱清除的手段对于解决严重的频谱资源问 题收效甚微； 2 ) 采用新的码域、时域、频域等多址复用手段，从采用时间、地点、频率 上进行区分，与此同时，采用高级的信号处理技术，如：压缩编码、自适应编 武汉理t 人学硕士学位论文 码调制( a m c ) 、分集技术、自适应均衡技术、多用户检测等，尽可能提高频谱 的利用率，但是实际效果并不是很明显，提高的幅度是有限的： 3 ) 对于新的频段的开发，把载波搬移到新的更高、目前使用很少的频段上。 这些更高的无线频谱包含从1 0 3 0 g 甚至6 0 g h z ，但是使用更高的频谱段其传播 特性容易受到降水、灰尘、水汽等条件的限制，在雨雪天气下无线通信的质量 很难得到保证： 4 ) 在已经存在的频段上采用新技术手段实现无干扰的覆盖。其中最典型的 技术便是超宽带技术( u w bu l t r a w i d e b a n d ) ，它覆盖了目i j i 已经分配的g p s 、 雷达和卫星系统的频段，通过很低的功率限制来控制其对于已授权频段干扰的 抑制，是一种有效的频谱利用手段； 5 ) 充分利用目前己授权用户不使用相应的频段时候，次用户使用相应频段 以提高频谱利用率，也就是目前出现的认知无线电技术( c rc o g n i t i v er a d i o ) ， 这也是一种具有很高应用前景的技术； 在这些相关的解决方案中，超宽带无线通信技术和认知无线电技术被认为 是最有前途的两种技术，日益被人们所关注。 1 2 超宽带无线通信技术及其特点 1 2 1 超带宽信号定义及其种类 美国联邦通信委员会( f c c ) 所定义超带宽( u w b ) 为以下两种方式： 厶一无5 0 0 脚或者掣车孕2 0 ) h jl 其中厶、无是信号功率谱密度在一1 0 d b 处测量的值。由于超宽带信号的超宽 带宽，存在着与大量频段的重叠，因此会产生干扰。鉴于这种情况，f c c 对u w b 系统的频谱做了严格规定，f c c 规定的u w b 手持机和室内通信辐射限制如图 1 1 所示。 由于超宽带无线通信技术有着近似噪声的功率信号，具有高保密性、高速 率、低功耗等特点，为下一代消费电子设备高速率无线连接提供了十分理想的 解决方案；同时它是基于共用频段的思想，能够与其它现存的传统无线技术共 享频带，也为解决日趋紧张的频谱资源难题提供了新的解决方案，因此被人们 所广泛关注【3 j 。 武汉理1 ：火学硕十学位论文 南r 1 扩，如 m 口q m 嘲 ( a ) u w b 手持机室外辐射限制( b ) u w b 室内通信辐射限制 图l lu w b 的室外、室内辐射限制 现有研究中出现了四种主要的u w b 技术，第一种是跳时超宽带( t h u w b ) 或时间调制超宽带( t m u w b ) ，即脉冲无线电的传统体系，是迄今为止最早 u w b 技术，直到现在仍然是一种重要的技术；第二种u w b 技术称为基于直接 序列扩频c d m a 的u w b ，通过多载波c d m a 结构实现；第三种u w b 技术是 一种基于o f d m 技术的u w b 体系，称之为m b o f d m 技术，在认知无线电技 术中有着重要作用，此外有学者提出基于频率调制超宽带( f m u w b 系统，通 过扫频技术实现【4 】。图1 2 给出了迄今为止所有的u w b 技术。 图1 - 2 主要的u w b 技术 武汉理t 大学硕士学位论文 1 2 2 超带宽研究状况和挑战 1 9 9 4 年以前，超宽带无线通信技术主要限制于美国政府和军方的项目研究， 随着相关限制的解除和人们对无线通信技术需求的急剧增长，2 0 0 2 年4 月，美 国f c c 首次批准超宽带技术的民用，使得超宽带技术在透地雷达成像系统、墙 内成像系统、穿墙成像系统、医疗系统、监视系统、汽车雷达系统、通信与测 量系统中开始了广泛的应用1 5 】。 考虑到u w b 的技术优势和广泛应用，世界科技发达国家兴起了一股研究热 潮。2 0 0 6 年，英国、日本、韩国等相继开始根据i t u 的规定，陆续公布了u w b 的监管规范以逐步开放民用超宽带产品，2 0 0 7 年2 月，欧盟批准欧洲2 7 个成员 国家可以使用u w b 有源r f i d 定位系统。在国外，已有部分公司已经出现了相 应的产品，如p u l s e l i l l l ( 公司的一种被称为c w a v eu w b ( c o n t i n u o u sw a v eu w b ) 系统，在最近的一次公开验证上，该技术目前可以在几十米的范围内实现最高 达1 3 5 g b i t s 数据传输速率。 我国从1 9 9 9 年开始跟踪超宽带技术，并在2 0 0 1 年国家“8 6 3 ”计划批准了 首个超宽带项目，在随后的几年中启动了相关的超宽带研发与应用项目，并在 2 0 0 7 年7 月，“8 6 3 计划启动了高速超宽带芯片研发的新项目，希望成功开发 具有自主知识产权的超宽带通信技术。从2 0 0 3 年开始，国家自然科学基金委员 会也在一般面上项目上支持超宽带研究并一直持续至今。 在推动超宽带在短距离高速无线连接和高速无线个域网的标准化的过程 中，i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 5 3 a 标准化工作组，但是在最终标准的制定上形成 了由飞思卡尔建议的直接序列超宽带技术( d s u w b ) 和由w i m e d i a 联盟提出 的多频带( m b o f d m ) 两大对立联盟，二者互不相让，并都没有达到规定要求 的超过7 5 的支持率，i e e e 8 0 2 15 3 a 超宽带任务组在2 0 0 6 年经过投票已宣布 解散，其最终的标准交给市场竞争选择。在无线低速率个域网( l r w p a n ) 上， i e e e 8 0 2 1 5 4 a 工作组接收了由中国超宽带论坛( c h i n au w bf o r u m ) 、北京邮电 大学、中国科学院下属上海中科移动通信科技有限公司与意大利c r e a t e n e t 研究 中心合作提交的脉冲直接序列超宽带( d s u w b ) 方案，最终被确定为可选物理层 技术。 目前，w i m e d i a 联盟所提出的高速率u w b 方案在市场上处于优势地位，该 联盟提出的e c m a 3 6 9 标准于2 0 0 6 年6 月提交i s o 讨论，并在2 0 0 7 年3 月被 4 武汉理1 ：大学硕十学位论文 正式批准其为无线u s b 的国际标准( i s o i e c2 6 9 0 7 和2 6 9 0 8 ) 。 在u w b 走向实用化的过程中，还存在着许多问题。首先是干扰问题，为了 防止u w b 对授权频段的干扰，f c c 严格规定了u w b 的辐射掩模，严格限制其 信号的发射功率以尽可能减少给现存系统带来有害干扰，但仍然存在着超宽带 与无线局域网等免授权频段以及与其它授权频段的相互干扰。在实际超宽带波 形的设计上既要满足f c c 的辐射掩模，减少对于授权用户与免授权用户问的干 扰，同时又要尽可能提高发射功率，在实现上是十分困难的，如何解决这种干 扰及设计满足辐射掩模要求的超宽带脉冲是目前超宽带研究的关键问题之一； 其次，目前超宽带技术标准还没有统一，其中最大的两个联盟w i m e d i a 和 飞思卡尔经历了多年的较量和努力一直无法彼此妥协。2 0 0 6 年，i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组的被迫解散致使超宽带标准制定工作在经历四年的争论后无果而终，造 成这种结果的主要原因是两种技术上的不可兼容性，这些都成为超宽带技术走 向应用的障碍。为此，能否找出一种新技术手段能够兼容以上两种标准，这也 是目前u w b 研究的重要方向。 1 3 认知无线电技术及其特点 1 3 1 认知无线电的定义 1 9 9 9 年j m i t o l a 首次提出了认知无线电技术【6 】，他认为认知无线电来源于软 件无线电，是一种“智能无线电”，具有学习和推理能力，能够通过学习不断感 知周围环境的变化，分析当前频段的使用情况，当授权频段不使用当前频率时， 由从用户进行使用，当授权用户使用当前频段时候，从用户让出相应频段使用 其他频段，是一种灵活频谱利用手段。 此外，f c c 也对认知无线电技术做出了定义，认为认知无线电技术是一种 动态方式来使用频谱的关键技术，是一种能根据与周围环境进行交互而动态改 变传输参数的无线电【7 1 。f c c 主要是从频谱管理角度末定义认知无线电，更加容 易被业界所接受，在定义中强调了认知无线电的认知能力和重新配置能力。 著名的信号处理专家s i m o nh a y k i n 认为认知无线电是一种能够感知周围环 境的智能无线电，能智能地从周围环境中学习，通过实时改变某些操作参数( 如 传输功率、载波频率和调制技术等) ，使其自适应接收到的无线信号统计特性变 化，从而提供一种可靠、有效的频谱利用手段【8 】。h a y k i n 的定义主要是从信号处 武汉理j ：人学硕十学位论文 理的角度出发，强调认知无线电实现的两个目标：可靠的数据通信手段、有效 的频谱利用。 i e e e p l 9 0 0 工作组认为认知无线电是一种能够感知周围环境和内部状态以 及基于这些信息和事先定义目标而对无线电行为进行决策的无线电技术【9 1 。 目前，一般认为认知无线电是一种高效利用频谱的技术手段，具有灵活、 智能、可重配置的显著特征，能够通过感知无线通信环境以自适应的改变工作 参数和实时地适应环境，从而在任何时刻、任何地点提供可靠的通信，高效使 用无线频谱资源。 1 3 2 认知无线电研究状况 认知无线电技术是机会式地有效地利用有限的频谱资源，实现高效灵活的 频谱资源配置和工作状态，被认为是“下个世纪的大事件”。美国国防部提出下 一代无线通信( x g ) 的项目，在2 0 0 6 年底完成第三阶段的研究，该项目将研制 和开发频谱捷变无线电( s p e c t r u m a 西l er a d i o s ) ，可以动态适应变化的无线环境， 在不干扰其他正常工作无线电台的前提下，可以使接入的频谱范围扩大近1 0 倍。 2 0 0 6 年，i e e e 8 0 2 2 2 工作组公布基于认知无线电技术的w r a n ( w i r e l e s s r e g i o n a la r e an e t w o r k ) 草案，预计2 0 0 9 年年终最终的标准将会被批准。为了 进一步研究认知无线电，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，此外还有i e e e 8 0 2 1 6 h 、i e e e 8 0 2 1 1 n 工作组等都试图将相应的认知无线电技术融合到相应的标 准中。 国外进行研究的主要学术机构有：瑞典皇家国学院，是认知无线电技术的 发源地，主要集中在频谱接入和软件无线电方面；美国弗吉尼亚理工大学的两 个研究团体分别从研究认知无线电网络及其分布式无线资源管理方案和采用遗 传算法实现可快速部署的灾难恢复通信系统；美国加州大学伯克利分校b w r c 研究中心主要涉及到物理层的实现，同时与德国柏林技术大学联合承担了 c o r v u s 项目，合作开发了认知无线电的测试床b e e 2 ；美国的乔治亚理工学院 的宽带无线网络实验室l a nfa k y i l d i z 教授等人提出的基于o f d m 的动态频谱网 络架构的无线电平台，采用双模频谱共享架构，既能接入现有网络也能协同感 知；德国k a r l s r u h e 大学通信工程研究所提出了频谱池技术( s p e c t r u mp o o l i n g ) ： 意大利c r e a t e n e t 研究中心从超宽带角度都开始了在认知无线电方面的探索研 6 武汉理1 = 大学硕士学位论文 究，此外还有微软提出的k n o w s ( k o g n i t i v en e t w o r k i n go v e rw h i t es p a c e s ) 、 欧盟的f p 7 项目等都开始了针对认知无线技术的研究。 与此同时，国外的部分公司研发了有关c r 的初级产品，如美国a d a p t 4 公 司出产的x g 系列芯片，该芯片通过利用自身的自适应协议技术来管理时间、空 间、频率和功率以提供可靠的通信链接，不过这些实现的只是低级的认知，需 要在特定的环境中才有用，针对的只是特定的频段，目前还是实验平台，离大 规模商用还有一段距离。 在国内，不少院校和学者也已经开始了这方面的研究，但是起步比较晚， 我国在2 0 0 5 年和2 0 0 6 年分别批准了关于有关c r 技术的“8 6 3 ”计划，2 0 0 8 年 和2 0 0 9 年也有相关自然科学基金的项目对认知无线电技术的资助。目前对于认 知无线电技术研究主要在认知协作网络的自组织无线网络的高效资源管理方 法、多无线电系统频谱资源动态分配与共享技术研究、认知无线电机会频谱接 入关键技术研究、认知无线电自组织网络跨层式路由协议及其仿真系统研究、 认知无线电频谱感知方法等研究上。 从目前发展来看，认知无线电技术的发展趋势主要有以下几点。 1 ) 基础理论的研究和探索。认知无线电技术在走向实用化的过程中存在许 多的理论难题有待解决，如对于主用户信号进行探测的频谱感知技术，对于从 用户间的频谱共享技术，对于频谱切换导致的系统性能下降的频谱切换技术、 对于认知无线电用户构成网络中的路由技术以及跨层协议设计等都是认知无线 电走向实用化所必须解决的问题； 2 ) 与现有技术的融合。认知无线电技术在走向实用化的过程中，其技术可 以充分与当前的协议体系相融合，这也是目前认知无线电技术的一个发展趋势。 其中典型的例子有i e e e 8 0 2 1 1 n 协议、i e e e 8 0 2 1 6 h 协议。为了解决无线局域网 所使用的频段与其他的免授权频段问的相互干扰，i e e e 8 0 2 1 1 n 协议组将传输功 率控制( t p c ) 和动态频谱选择( d f s ) 技术融合到新的无线局域网体系标准之 中；为了使i e e e 8 0 2 1 6 系列标准可以在免授权频段获得应用并降低对其它免授 权频段服务用户的干扰，实现城域网问2 - 2 0 g h z 的7 5 m b i t s 传输速率，i e e e 8 0 2 1 6 h 协议组也正在试图将认知无线电技术引入其中。此外，超宽带技术也试 图将认知无线电技术加入其中，改变其面临的在实用化上困难，充分发挥超宽 带的传输特性。 3 ) 仿真和实验平台的搭建。在认知无线电技术走向实用化以前，应当研究 相应的仿真和实验平台为验证认知无线电的基本理论、关键技术提供测试床， 7 武汉理下大学硕+ 学位论文 从而可以大大推动其大规模应用。目前相关的测试平台主要是国外的b e e 2 、 w i n l a b 、s p e c t r u mp o o l i n g 等测试平台，为了开发我国自己的认知无线电测试 平台，电子科技大学、北京邮电大学、北京交通大学、哈尔滨工业大学等也正 在进行认知无线电测试平台和仿真平台的构建。 1 4 认知超宽带技术 1 4 1 认知超宽带技术及其特点 认知无线电技术来目前仍然处于理论研究阶段，需要取得授权和免授权频 段的用户的信任，由于认知无线电具有软件无线电拥有的自适应性和重配置能 力，在发展过程中也将遭到复杂射频前端设计问题，而超宽带具有的易数字化 及扩展性等特性，使得其适合成为支持的物理层技术；对于超宽带系统而言， 在共享频谱时不能对授权和免授权频段用户造成干扰，但是超宽带系统也可能 受到其它系统的窄带干扰。目前，针对该问题的解决方案都是对超宽带系统本 身进行优化设计以减少与窄带系统的干扰，在设计实现上是十分困难的。把认 知无线电技术引入到超宽带系统的研究和设计中，可以充分利用频谱感知技术， 避丌相应的通信频段，有效解决地干扰问题。因此，认知无线电和超宽带的结 合一认知超宽带( c u w b ) ，充分结合了两种技术优势的重用频谱资源的技术， 可行性强，两者之间的结合将大大地拓宽各自的应用范围，实现一种稳定高速 率的数据传输手段。总体上讲，c u w b 的技术优势将体现在以下几个方面。1 3 1 。 1 ) 对于已授权和免授权频段干扰的消除。超宽带不仅存在着周围窄带信号 对其的干扰，同时也对周围的信号构成威胁，尽管f c c 对于其功率谱有着严格 的限制，这只是减少对目前授权频段的威胁，但是不能消除，而认知无线电的 优势在于能够利用目前授权频段不用时实现对该频段的占用，能够把对授权频 段的干扰降至最低，因此将二者结合起来将有效实现对于该频段的干扰减低， 从而达到和授权频段的共处兼容的目的； 2 1 加快认知无线电技术的实用化步伐。通过对超宽带技术的已取得的相应 成果充分利用，可以解决认知无线电技术在以授权和免授权频段用户的信任问 题，加快市场化步伐； 3 ) 超宽带灵活的频谱调节实现频谱的动态占用。在c r 的思想中，对于不 同的地点和环境和用户服务要求等情况要求对于灵活地利用频谱和调节发射功 武汉理一r 大学硕士学位论文 率，而作为超宽带的一个重要特征，灵活的频谱成形恰好满足了这种特性。对 于i ru w b 多以系列的函数核来构造，对于函数权重和相关系数的控制可以实 现灵活的频谱占用；对于o f d mu w b ，可以通过对子载波的调节，很容易实现 频谱占用与避让，而且可以根据用户的需求完成对服务质量( q o s q u a l i t y - o f - s e r v i c e ) 和不同服务质量的控制，这为无线工作环境的通用物理层 ( p h y ) 提供了理想的候选对象； 4 ) 良好的信息安全。在由超宽带通过无线自组织网的形式组成的网络中， 能否保障良好的信息安全是无线通信中一个重要的问题。对于i ru w b 信号而 言，通过采用扩频技术其信号拥有近似于噪声的功率，对于o f d mu w b 而言， 不同的用户采用不同的载波，这些都有利与通信的安全： 5 ) 良好的组网性能。u w b 最早是应用于军事雷达，这与它良好的定位和 测距性能是密不可分的，在由多个c r 点组成的c r 网络中，可以充分利用u w b 的这种特性，实现对于运动c r 点的跟踪，完成对于信道的估计和功率计算，辅 助路由表的建立。 6 ) 解决u w b 标准死锁问题。在u w b 技术的实现上，可以充分利用认知 无线电思想，构造全新u w b 系统机制，破解目前u w b 技术发展中的僵局，解 决i e e e8 0 2 1 5 3 a 无线个域网中d s u w b 和m b o f d m 提案的死锁问题； 正是基于以上优势，c r 和u w b 技术的结合将大大加快c r 和u w b 的实 用化进程，可广泛地应用于无线多媒体家域网、个域网，雷达定位、成像系统、 智能交通系统等多个领域，创造巨大的经济价值和社会价值。 1 4 2 认知超宽带技术研究状况 从2 0 0 5 年丌始，国外已经开始了这个方面的研究，尤其是意大利c r e a t e n e t 研究中心，其研究的重点放在借助认知无线电思想以尽快解决超宽带对其他频 段的干扰问题，并已经取得部分成果。目f j ，在这个领域上更多的是进行理论 研究，探讨二者在结合和实现上所面临的技术挑战，为进一步的商用做准备， 研究重点主要集中在对于超宽带认知无线电适配信号的产生、认知超宽带网络 的传输功率控制等问题【1 4 06 1 。 国内学者自2 0 0 6 年开始了对c u w b 技术的探讨，其中东南大学毕光国等 从u w b 的角度出发，把c r 技术的引入作为u w b 的后续研究方向【1 7 】，并对基 于超宽带的频谱感知技术等进行了相应的探讨，提出了一种新的适合超宽带的 9 武汉理1 ：人学硕十学位论文 检测算法，并以o f d m 信号为例给出了软件仿真和性能分析l i 列：北京邮电大学 陈国东等对认知无线电技术与超宽带技术相结合进行研究的必要性及可行性进 行了分析，阐述了其基本工作原理，给出了简化的系统认知循环处理模型，采 用分层功能抽象和跨层联合设计相结合的方法对认知超宽带系统结构框架进行 了设计【1 9 】；北京邮电大学许方敏、周正等分别从频率编码等角度，在感知主用 户的基础上，通过对于主用户避让设计了相应的c u w b 传输波形，仿真实验表 明可以有效的提高系统的传输性能【2 0 , 2 。南通大学的张士兵等将c r 与u w b 结 合起来，利用c r 思想，形成多址接入与抗干扰一体化的全新u w b 系统机制， 希望打破目前u w b 技术发展中的僵局，解决i e e e 8 0 2 1 5 3 a 无线个域网中 d s u w b 和m b o f d m 提案的死锁问题【2 2 1 。 总之，目前关于认知超宽带技术的研究还处于进行之中，其研究不仅涉及 到认知无线电技术，同时也涉及到超宽带技术本身，如何将认知无线电技术融 合到超宽带技术之中，充分发挥超宽带高速率、良好定位性能等特点，突破u w b 通信距离的限定，实现与授权频段的良好共存是目前研究的热点难点问题。 1 5 本文内容安排 本文对c u w b 的研究背景和当前研究状况进行了介绍，并对频谱感知、认 知超宽带波形设计等关键性问题进行研究。本文的主要章节安排如下。 第1 章介绍本文的研究背景，对于u w b 、c r 以及c u w b 技术特点以及发 展应用情况进行了分析，同时简单介绍了本文内容的安排； 第2 章研究了c u w b 频谱检测技术，分析和比较了目前出现的频谱感知技 术的优缺点，探讨了合作感知的三种协作方式以及数据融合方式，研究和分析 了目前常见的频谱检测优化机制。 第3 章针对主用户对信道的占用模式、感知时间、感知周期和检测性能的 相互关系及其对于系统吞吐量的影响，对于单节点情况下的感知时间和感知周 期进行了优化设计，然后考虑到合作感知中，合作感知开销、感知时间、感知 周期、检测性能等相互影响，分别考虑了两种不同情况下的合作感知方式，提 出了一组最优化感知算法，克服了当前算法中的中的缺点，仿真试验表明可以 有效的提高频谱利用率和系统吞吐量，最后对频谱检测的技术难点进行了归纳 第4 章首先归纳和分析了经典的超宽带波形设计技术，并给出了对应的仿真 波形，同时对相关研究中出现的认知超宽带波形设计和频谱整形技术的研究状 1 0 武汉理一l ：人学硕十学位论文 况和进展进行了归纳和总结。针对i r u w b 传输技术，运用幂函数带核s c h m i d t 正交化技术和脉冲频移叠加方法，构造一组新的适合于认知超宽带系统要求的 脉冲序列并给出了仿真波形，仿真实验表明该方法具有频谱利用率高、避让前 后的脉冲具有良好的正交性，能有效地减少多用户干扰，适用多用户通信。 第5 章对于本文的工作进行了总结，并对于c u w b 研究方向进行了展望。 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章频谱检测技术研究 认知无线电技术的核心思想是充分使用授权用户暂时不使用的相应频段， 实现的前提是对频谱的探测。目前频谱探测的方法主要有：发射机探测( 非合 作式探测) 、合作探测、基于干扰的探测等。其中发射机探测主要技术有：匹配 滤波器探测、能量探测、循环特征探测等。干扰检测主要是通过建立授权用户 和认知用户之间的干扰温度的数学模型以使发射基站可以有意识的控制发射功 率，使得接收端接收信号的功率接近噪声的水平；本振泄露探测是一种直接测 量主用户的本振泄漏信号的方式来检测主用户的存在。合作探测是指利用多个 节点联合对主用户信号的探测信息，从而作出最终的判断的频谱检测方式，主 要分为三种：集中式探测、分布式探测、外部探测，在对多节点的数据融合上 主要有o r 、a n d 、k n 准则、c h a i r - v a r s h n e y 准则等，合作探测具有发射机检 测等所不具备的优势，是当前频谱探测的热点问题之一。 除了以上相关的频谱检测技术以外，对于单节点和多节点也存在检测机制 上的优化，如对感知时间、传输时间、检测序列等，在保护主用户通信的条件 下尽可能提高次用户的吞吐量，从而提高频谱利用率。目前相关的频谱检测技 术分类如下图2 1 所示。 本章将主要对重要的基于本地发射机的频谱检测、合作检测以及检测机制 的优化进行分析和研究。 翔隐图崮区 图2 1 频谱检测技术分类 1 2 钢精锣i 制 蓁il|茎li囊ji霪ll雾 武汉理一r 大学硕士学位论文 2 1 基于本地发射机的频谱检测算法 2 1 1 能量感知算法 能量检测法是一种简单的非相干信号检测方法，它通过对时域信号采样值 求模平方或者是利用f f t 变换到其频域，然后对频域信号求模平- 方【2 3 1 。能量检 测框图如图2 2 所示。能量检测的实质是对一定频谱范围的信号做能量积累，当 积累的能量高于一定得门限时，说明存在主用户信号，如果低于一定门限说明 只有噪声信号，能量检测不需要对主用户信号的先验知识，是一种盲检测的方 法，实现比较简单，但是受信道环境的影响较大，尤其在低信噪比( s n r ) 的时 候检测性能会下降，同时也不能给出主用户信号参数。 图2 - 2 能量检测框图 假设乩代表主信号不存在，只有噪声信号，q 表示主信号和噪声同时存在， 假设信号的中心频率为尼。 风：y ( f ) = w ( f ) ( 2 1 ) q ：y ( 0 - - 4 0 + w ( ) 假设取样点为，则积分函数为： y = 百1 nl y ( ，z ) 1 2 ( 2 2 ) 笔p 、，i 其中表示取样值，假定感知时问为正，所感知的带宽为缈，根据奈奎斯 特采样频率定律得到 n = 2 i 形 ( 2 - 3 ) 根据h u r k o w i t z 的工作，对以零均值的高斯白噪声信道，在授权信号存在 和不存在的两种情况下，统计y 满足自由度为的中心卡方分布和非中心卡方 分布【2 4 1 。由于数值较大，根据中心极限定理，可以得到： 武汉理丁大学硕十学位论文 日h y 二囊n 协4 ， l ：z j j 。(y ) 其中厂为接收的信噪比，兄为判决门限，于是可以得到： 专仁东黑研) 从而可以得到探测概率和虚警概率分别为： 4 ” ( 2 5 ) q 脚r o b y 2 1 h , 阳( 器 弓= 脚眇弛高 2 1 2 周期平稳工程特征检测 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 周期平稳过程检测算法主要是利用信号频谱的相关性来进行检测，可以有效 的从调制信号中区别噪声能量，提耿出调制信号的特有特征【2 5 1 。该方法适用于 低s n r 情况，不需要授权用户信号的先验知识，虽然在检测性上高于能量检测 算法，但是其计算量比较大，计算也比较复杂，检测时间长。周期平稳过程检 测算法框图如图2 3 所示。 图2 3 周期平稳过程检测法框图 对于一个零均值的离散信号x g ) ，其自相关函数r xn ，尼) 的周期是p ，即： e ( ，z ，尼) = e x ( ，z ) x ( 七) = b ( 以+ 尸，七+ p ) ( 2 8 ) 定义循环自相关函数( c a f ，c y c l i c a u t