（通信与信息系统专业论文）认知无线电系统频谱检测和频谱分配技术研究.pdf

认知无线电系统中频谱检测和频谱分配技术研究 摘要 认知无线电 c o g n i t i v er a d i o c r 是一种革命性智能频谱共享技术 可显著提高 频谱使用率 认知无线电系统遵循这样的机制 认知用户通过检测主用户是否在使用授 权频段来决定是否占有使用该频段 由此可见 频谱检测技术是认知无线电系统的首要 技术 检测结果的准确性会直接影响主用户的通信质量和空闲频谱的利用率 现在的频谱检测技术中 单节点检测结果取决于认知用户和主用户之间的信道状 况 检测结果不够可靠 协同频谱检测算法综合分布在服务区域的各个单节点的检测结 果 可以消除个别 坏点 的影响 提高检测的可靠性 进行数据融合时 由于每个单 节点的可靠性计算或估计都需要增加额外的时间 导致算法开销比较大 可能会无法满 足实际认知无线电检测系统对主用户检测时间的要求 尤其是在独立的单用户检测结果 的可靠性经常变化的情况下 这些系统包括认知用户移动或主用户可能会出现在任意位 置的认知无线电系统 本文提出基于一种似然比判决的协同频谱检测算法用于多用户认知无线电系统的 主用户检测 该算法特别考虑了主用户和多个认知用户之间不同的信道衰落和路径衰 减 并根据最优的似然比判决法则组建数学模型 保证了检测算法的高度精确性 随后 本文对相关参数进行了合理的简化 降低了算法的复杂性 实验表明 这种算法拥有非 常高的检测精度 复杂度也不高 能够更加有效的服务于实际的认知无线电系统 在研究频谱检测技术之后 本文还对如何将这些检测出来的频谱加以合理利用的技 术 频谱分配技术进行了研究 本文提出一种基于遗传算法的频谱分配策略 能够实 现快速的最大效益分配 本课题属于基础理论研究 旨在针对现有认知无线电频谱检测和频谱分配技术存在 的不足 即现有的频谱检测算法精度不够高 速度不够快的缺陷 提出一种考虑路径衰 减和信道衰落影响的似然比判决模型 并针对频谱检测出的空闲频谱 提出一种基于遗 传算法的频谱分配策略 能够实现效益最大的频谱分配 总结本文的工作主要有以下几个方面 1 归纳总结了认知无线电系统频谱检测算法 频谱分配算法及遗传算法的国内外研 究现状 分析了目前的频谱检测和频谱分配算法的缺点 2 针对现有频谱检测技术无法有效平衡检测精度和检测时间的缺陷 提出了一种 考虑路径衰减和信道衰落影响的似然比判决模型 考虑了影响频谱检测精度的主要 哈尔滨工程大学硕十学位论文 因素 并对数学模型进行了合理的简化 能够实现准确快速的频谱检测 3 提出一种 基于遗传算法的频谱分配策略 能够实现快速效益最大的频谱分配 是一次理论上有意义的尝试 关键词 c r 频谱检测 频谱分配 遗传算法 认知无线电系统中频谱检测和频谱分配技术研究 a b s t r a c t c o g n i t i v er a d i oi sar e v o l u t i o n a r ys p e c m t ms h a r i n gt e c h n o l o g y w h i c hc a r ls i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o n c o g n i t i v er a d i os y s t e mf o l l o ws u c ham e c h a n i s m t h e c o g n i t i v eu s e r sc a nu s e t h es p e c t r u mw h e nt h ep r i m a r yu s e rd o e s n tu s et h e m t h i ss h o w st h a t t h es p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g yi st h ek e yt e c h n o l o g yo fc r w h i c hm e a n st h a tt h ea c c u r a c y o ft e s tr e s u l t sc a nd i r e c t l ya f f e c tt h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo ft h ep r i m a r yu s e r so rf u l lu s eo f i d l es p e c t r u m n o wt h et e s tr e s u l to fs i n g l e n o d es p e c t m md e t e c t i o nt e c h n o l o g yd e p e n d so nt h ec h a n n e l c o n d i t i o nb e t w e e nt h ec o g n i t i v eu s e ra n dt h ep r i m a r y u s e r w h i c hi sn o t r e l i a b l e c o l l a b o r a t i v es p e c t r u md e t e c t i o na l g o r i t h mu s et h es i n g l e n o d et e s tr e s u l t si nt h es e r v i c ea r e a t od r a wac o n c l u s i o n w h i c hc a na v o i dt h ee f f e c to f d e a dp i x e l s a n di m p r o v et h ed e t e c t i o n r e l i a b i l i t y t h e s es c h e m e se v a l u a t eo re s t i m a t er e l i a b i l i t yo fe a c hl o c a ls e n s i n gr e s u l t w h i c h n e e d sm u c ht i m ea n dm a yn o tm e e tt h en e e do fp r a c t i c ec rs y s t e m e s p e c i a l l yw h e nt h e r e l i a b i l i t yo fl o c a ls e n s i n gr e s u l to f c e nc h a n g e s t h e s ec rs y s t e m si n c l u d et h ec rs y s t e m s w i t hm o b i l ec ru s e r sa n dt h ec rs y s t e m so fw h i c ht h ep r i m a r yu s e rc a l la p p e a ra ta n a r b i t r a r yl o c a t i o n t h i sp a p e r p r e s e n t sal i k e l i h o o dr a t i ot e s ta l g o r i t h mf o rt h es p e c t r u ms e n c i n go f c o g n i t i v er a d i os y s t e m s t h ea l g o r i t h m w h i c hu s e se n e r g yd e t e c t i o na ss i n g l e n o d ed e t e c t i o n m e t h o d t a k e st h ec h a n n e lf a d i n ga n dp a t hl o s sb e t w e e nt h ep r i m a r yu s e ra n dm u l t i p l eu s e r s i n t oc o n s i d e r a t i o na n db u i l d st h ed e c i s i o nm o d e la c c o r d i n gt ot h el i k e l i h o o dr a t i o a n dt h e n u s e st h ep d ft or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m c a l lg e tag o o ds e n c i n gr e s u l ta ss o o na sp o s s i b l e a f t e rs t u d y i n gs p e c t r u md e t e c t i o nt e c h n o l o g yi n t h ea r t i c l ea l s oh a sar e s e a r c ho n s p e c t r u ma l l o c a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sas p e c t r u ma l l o c a t i o ns t r a t e g yb a s e do ng a w h i c h c a na c h i e v em a x i m u mb e n e f i t t h i sp a p e rw i l lu s el i k e l i h o o dr a t i ot e s ts e l e c t i o na l g o r i t h mf o rs p e c t r u ms e n c i n g t h e a l g o r i t h mi s a l le f f e c t i v es p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g yb u tw i t hc o m p l e x i t y t os o l v et h e p r o b l e m t h i sp a p e rp r e s e n t sam a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hc o n s i d e r i n ga c t u a lr e a s o n a b l ea s p e c t s t oe n s u r eh i 曲d e t e c t i o np e r f o r m a n c e a n dt h e nu s i n gt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o ns i m p l i f y i n g t h em o d e l w h i c hc a nh e l pc r g e ta c c u r a t er e s u l t sa ss o o na sp o s s s i b l e a f t e rs t u d y i n gs p e c t r u ms e n s i n gt e c h n i q u e s t h ep a p e ra l s oh a sar e s e a r c ho ns p e c t r u m a l l o c a t i o nt e c h n i q u e s t h ep a p e ru s e st h ec o n c e p to fg at os o l v et 1 1 ep r o b l e mo fs p e c t r u m 哈尔滨工程大学硕十学何论文 a l l o c a t i o na n dg e ta g o o dr e s u l t t h es u b j e c tb e l o n g st ot h eb a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c h a i m e da tt h ee x i s t i n gs h o r t c o m i n g s o fs p e c t r u ms e n s i n ga n da l l o c a t i o nt e c h o n o l o g y w h i c hh a sap r o b l e mo fn o ta c c u r a c ya n df a s t e n o u g h t l l i sp a p e rp r e s e n t sal i k e l i h o o dr a t i ot e s ts e l e c t i o na l g o r i t h mm o d e l 埘t 1 1c o n s i d e r i n g p a t hl o s sa n dc h a n n e lf a d i n ga n das p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do ng a w h i c hw i l l h e l pc rg e tag o o ds e n s i n ga n da l l o c a t i o nr e s u l t sa sq u i c k l ya sp o s s i b l e s u m m a r yt h i sw o r ki nt h ef o l l o w i n g 1 s u m m a r i z i n gt h es p e c t r u md e t e c t i o na n da l l o c m i o nt e c h o n o l o g yf o rc r a n a l y z i n g t h es h o r t c o m i n g so fc u r r e n ts p e c t r u ms e n s i n ga n da l l o c a t i o na l g o r i t h m 2 t 1 1 i sp a p e rp r e s e n t sal i k e l i h o o dr a t i ot e s ts e l e c t i o na l g o r i t h mm o d e lw i t hc o n s i d e r i n g p a t hl o s sa n dc h a n n e lf a d i n g 3 眦sp a p e rp r e s e n t sas p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do ng a k e yw o r d s c r s p e c t r u ms e n c i n g s p e c t r u ma l l o c a t i o n g a 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 近年来 无线通信技术取得了飞速的发展 移动通讯技术从1 g 2 g 迈向了传输速 率更快 功能更加齐全的3 g 第三代移动通信技术与第一代和第二代移动通信技术相 比 有更高的带宽 传输速度也大大提高 移动技术的不断发展和更新换代的主要动力 来自于有效地提高频谱利用率 本文研究的认知无线电技术 lj 就是提高频谱利用率的一 种有效手段 认知无线电 c o g n i t i v er a d i o c r 技术是一种智能的频谱共享技术 能够依靠人工智 能的支持 感知无线通信环境 根据一定的学习和决策算法 实时自适应地改变系统工 作参数 动态地检测和有效地利用空闲频谱1 2 j 简言之 认知无线电技术就是认知用户 依靠不断地检测授权频段有没有被占用从而决定自己是否使用该频带的技术 以上所说 能够依靠人工智能的支持 感知无线环境 就是认知无线电的频谱检测技术 其后 根 据一定的学习和决策算法 实时自适应地改变系统工作参数 动态有效地利用空闲频 谱 就是认知无线电的频谱分配技术 认知无线电技术的迅速发展和现存的频谱授权式分配息息相关f 3 所谓频谱授权式 分配 是指存在一个频谱管理部门 把频谱人为的分成若干频段 再把这些频段交予广 播 电视 手机等不同用途的客户使用 这种分配方式在无线电通信技术的初期发展阶 段还是有一定好处的 但是随着无线电通信技术的迅猛发展 非授权频谱越来越拥挤不 堪 而授权频段却存在着利用率不高的问题1 4 j 美国伯克利无线电研究中心经过调查研 究得出这样的结论 已经授权的3 g 以下频谱资源 无线通信中主要被使用的频谱部分 中高达7 0 的部分未被充分利用1 5 美国国家无线电网络研究实验项目的一份测量报告 表明 3 g h z 以下频段的平均频谱利用率仅有5 2 1 6 j 因此近几年来 能够对不可再生 的频谱资源实现再利用的认知无线电这种频谱共享技术受到了人们的广泛关注 频谱资源非常有限 就手机通信而言 我国g s m 手机占用频段主要是9 0 0 m h z 和 1 8 0 0 m h z i7 1 实质上 1 8 0 0 m i i z 正是由于手机用户的大量增加 使g 网不堪重负 出 现通话质量下降等诸多问题才被迫开通的 但是总的频段是有限的 3 g h z 以下的频段 是主要的民用通信可用频段 不能无限制地开辟新的频谱供用户使用 面对日益紧张的用户需求上升和频谱资源紧张的问题 科技工作者们主要通过两个 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 途径解决这个问题 l o 一方面通过技术革新不断提高传输效率 能够实现原有频带服务 质量的飞跃 如m i m o o f d m 4 g 核心技术 就是巧妙的利用了多径衰落 增加了空 间复用的信号传输 另一方面就是以认知无线电为代表的频谱共享技术 通过随时检测 授权频带上有无主用户在使用 来决定是否由认知用户使用 认知无线电技术针对目前频谱分配现状 首先侦测主用户是否在使用授权频段 如 果主用户在使用 那么认知用户不能占用该频段影响主用户的通信 如果主用户没有使 用该授权频段 认知用户可以临时 借用 注意仅仅是 借用 也就是说认知用户 在使用该频段之后 还要随时检测主用户是否会恢复使用该授权频段 如果主用户恢复 使用 那么认知用户马上要退出对该频段的使用 8 这种技术也称礼貌无线电 就是说 授权频段是授权给主用户的 认知用户只能在主用户不用的情况下 借用 在整个 借 用 过程中必须 讲礼貌 保证主用户的通信质型9 1 当然认知无线电只是频谱共享技术的一种 现有的频谱共享技术有很多种 如频段 开放接人 l 超宽带系统等技术等 但这些技术有着致命的缺点 它们只能应用于固定 频段的共享 1 2 或者受限于发送功率的短距离通信 13 1 而且这些技术在提高频谱利用率 的同时又增加了干扰 1 4 1 限制了通信系统的容量和灵活性 所以本文的研究重点定位在 认知无线电系统频谱检测技术和频谱分配技术的研究上 1 2 课题研究现状 c r 技术起源于1 9 9 9 年j o s e p hm i t o l o 博士的奠基性工作 l5 1 其概念虽新 但思想 已在无线通信的许多领域得到了应用 也就是说认知无线电技术是一种渐进式发展起来 的技术 人们开始是不自觉的在一些通信应用中使用了认知无线电技术 然后慢慢的把 认知无线电抽象成一门具体的科学 典型的例子有 工作于4 5m h z 左右的无绳电话系统采用一种信道自动选择机制避 免使用已占用的信道 l6 1 免授权的个人通信业务设备在传输数据之前预先侦听频谱的占 用情况 以避免对其他免授权设备造成干扰 l7 1 工作于5g h z 频段的i e e e8 0 2 1 l a 网络 采用动态频率选择和发送功率控制机制 避免与雷达信号互干扰 1 8 这些是c r 功能的部分应用 这些技术可以按渐进的方式扩展直到实现c r 承诺的 全部性能 c r 在发展过程中 形成了两种思想 应用层认知无线电和物理层认知无线 科1 9 1 以m i t o l a 为首的瑞典皇家科学院 其强调软件定义无线电 s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s d r 是c r 实现的理想平刽2 0 1 其认知功能的实现主要在应用层或更高层 缺乏相应的 2 第1 章绪论 具有认知功能的物理层和链路层体系结构的有效支撑 以r i e s e r 为首的维吉尼亚技术中心认为s d r 系统受限于硬件平台的计算能力 且 不能够适应快速变化的网络 指出c r 不一定需要s d r 的支撑 可采用基于遗传算法的 生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层和媒体接入控锘l i m e d i aa c c e s sc o n t r o l m a c 子层的演迸过程建模 更适用于可快速部署的灾难通信系统 2 f c c 美国联邦通信委员会 提出的c r 功能是以上两种认识的一个相对简化的版 本 这个版本也是本文研究的版本 它建议任意无线电只要能够具有自适应频谱感知功 能就可称为c r 列 针对频谱利用率低的现状 f c c 提出采用c r 技术实现开放频谱系 统 即合法的授权用户 也称主用户 具有高的优先权接入频谱 而具有c r 功能的非授 权用户 也称次用户或认知用户 可在对授权用户不造成干扰的情况下按 机会方式 o p p o r t u n i s t i cw a y 接入频谱1 2 3 j 1 2 1 单节点检测技术的研究现状 单节点频谱检测技术是一种传统的频谱检测技术 其主要包括匹配滤波检测法 能 量检测法和循环频谱检测算法等 2 4 1 匹配滤波检测是典型的硬件检测方法 即根据主用户发射信号的类型进行硬件设 计 设计出与信号类型匹配的滤波器 才能进行准确的频谱检测 2 5 1 所以 其只适合于 授权用户 主用户 发射信号已知的情况下 还要知道相关的调制方式等信息 如果无 法预知这些信息 匹配检测滤波并不适用 能量检测最大的特点就是它是一种非相干的检测方法 无需事先知道主用户传输信 号的任何先验知识 直接求信道信号和噪声的功率和 2 6 l 这种方法比较容易理解 直接 观察信道中传输信号和噪声的功率和 如果主用户使用信道 信道中传输的是信号和噪 声 此时的功率相对主用户没有使用信道 信道中只有噪声时的功率会大很多 设置一 个门限 大于噪声功率但小于信号和噪声的功率和 如果信道中的功率值大于这个门 限那么认定主用户正在使用信道 如果信道中的功率值小于这个门限 那么认定信道中 只有噪声 主用户没有使用信道 2 此时 认知用户可以使用该信道 求取信道中的功 率值是比较方便的 可通过对时域信号采样求模再求累积和或利用快速傅立叶变换变换 到频域再求模平方获得 能量检测法是使用最为广泛的一种算法 它实现简单 不需要预知主用户发射信号 的先验知识 但它的缺点也是比较突出的 因为噪声是一个随机变化的量 在选取门限 时只能以噪声的平均功率值为依据选取1 2 引 当噪声在这个平均值附近波动时 检测结果 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 还比较准确 但是如果噪声出现较大的波动 就会严重影响侦测节点的判断 比如 在 某一时刻噪声突然变大 甚至出现一个脉冲噪声 侦测节点就会误认为此时主用户在使 用授权频段 如果某一时刻噪声突然减小 甚至出现信号和噪声的功率和还达不到检测 阈值的情况 侦测节点就会误认为此时主用户没有使用授权频段 总之能量检测法适用于信道状况比较好时的频谱检测 也就是信噪比高的信道 这 时候信道的噪声功率很低 信号功率很大 容易设置阈值并作出准确的判断 下面介绍认知无线电系统另一种较为常用的单节点检测算法 循环频谱检测算 法 通信都是在人为设计的通信系统中进行 系统通常先对信号进行一定处理后才进行 信道中的传输 这些处理包括调制 扫描 采样 数字编码等操作 这些操作之后 信 号一般都具有了一种特征 这就是循环平稳特性1 2 9 j 循环平稳检测就是利用信号的循环 平稳特性进行频谱检测的一种技术 循环平稳信号的谱相关函数和噪声的谱相关函数有着很大的区别 其在循环频率不 为零处有较大的非零值 而噪声不具备这个特点 3 0 鉴于以上的差别 可求取信道中的 传输信号的谱相关函数 如果发现循环频率不为零处有较大的非零值则可认定信号存 在 主用户正在使用信道 另外 谱相关函数蕴含的信息量很大 它不光能区分出信号和噪声 发射信号和干 扰信号的不同在谱相关函数中也有体现 所以循环频谱检测也能检测出干扰信号 3 l 循环频谱检测的最大优点是谱相关函数能够很好的区分信号和噪声 甚至是发射信 号和干扰信号 其最大缺点是获取谱相关函数的计算量很大 这是因为 功率是一维的 谱相关函数是二维的 3 2 1 基于二维的判断信息量大 判断准确 但计算也复杂 所以目 前最常用的频谱检测算法是功率检测法 这种传统而有效的算法 基于协方差的矩阵检测算法是新加坡电信研究院的得意之作 3 3 1 这个算法有着三个 明显的优点 复杂度低 不需要先验信息 可克服噪声波动影响 算法是这样设计的 首先求取接收到的信号的协方差矩阵 然后有两种方法可以判定主用户是否在使用信 道 一种是协方差绝对值法 一种是最大最小特征值法 在第一种方法中 当主用户不存在时 协方差矩阵只包含噪声的信息 高斯白噪声 具有这样的特点 其采样之间相互独立 所以其协方差矩阵的元素除了对角线外均为0 信号的协方差矩阵就没有这个特点 由于其本身就具有相关性 以及过采样 多径效应 等影响 它们之间是具有相关性的 非对角线元素也会出现非零值 3 4 1 根据这个特点 可分别计算矩阵的对角线元素和以及矩阵所有元素和 如果矩阵所有元素和大于对角线 4 第1 章绪论 元素和 则说明非对角线元素存在非零值 信道上有信号存在 如果对角线元素的和等 于矩阵所有元素的和 说明非对角线元素没有非零值 信号上只存在噪声 认知用户此 时可使用信道 对于第二种方法 由特征空间值理论 协方差矩阵的最大特征值反映的是信号信息 最小特征值反映的是噪声信息 它们的比值反映的是信号和噪声的比值 只有信道上有 信号存在时 最大特征值和最小特征值的比才大于1 所以只需简单求出最大特征值和 最小特征值的比 就能判定信号是否存在 若比值大于1 说明信号存在 若比值为l 说明只有噪声存在 3 5 1 特征值法的缺点和循环频谱法一样 都是复杂度较大 1 2 2 协同频谱检测技术的研究现状 单节点频谱检测技术有着很大的局限性 这种局限性主要来自如果认知用户所处的 位置不好 就很容易出现侦测节点对主用户是否使用信道误判的情况1 3 引 由于认知用户 通常无法预知主用户接收机的位置 认知无线电不能避免这种 不知道 所造成的干扰 倘若认知用户出现在主用户发射机的覆盖范围外 或者受到地形的遮挡 将会检测不到 主用户 造成严重的误判 所谓协同频谱检测技术 3 7 就是多节点频谱检测技术 即综合考虑来自各个节点的处 理意见后 做出一个总结性的判断 或者对各个节点获得的检测数据按照一定规则处理 得到一个综合数据 再用这个综合数据进行判断 这个总结判断的过程称为数据融合 协作检测能够很好的解决单节点检测面临的问题 如果采用多个侦测节点共同检 测 还能进行信息的汇总 那么较好地理位置上的侦测节点就能得到较为准确的判断 即使有的侦测节点所处位置不佳也没有关系 只要最后进行数据融合的方案合理 就能 得到准确的判吲3 8 j 数据融合技术分为软合并技术和硬合并技术 3 9 1 硬合并技术是指分散在各处的各个 检测节点 每个节点都有一个判决器 并作出一个判决结果 然后通过传输信道把这些 判决结果送到数据融合中心 融合中心做出综合判断 硬合并技术的好处是信道传输的 压力小 因其传输的判决结果只是一个二进制数 而且这些传输过来的判决结果作为融 合中心的输入数据 使得数据融合的算法也比较简单 但硬合并技术也是有缺陷的 单 个节点做出判断的过程会缩减检测数据的信息量 导致判决结果的准确性降低 4 0 1 于是科技工作者提出另 种频谱感知技术 软合并技术 所谓软合并技术是指检 测节点向数据融合中心传送的是检测到的数据 数据融合中心对这些数据进行融合 与 硬合并技术不同 软合并技术的优点是检测准确性较高 但其传输的数据量较大 而且 哈尔滨工程大学硕十学位论文 数据融合算法复剁4 1 1 当然 认知用户传送的检测信息到达数据融合中心时也会由于信道衰落等原因 引 发数据的传输误差 这时候可以选择使用和融合中心之间信道状况比较好的传输节点 m j 首先要保证单节点检测得到的数据是准确的 才能通过合理的数据融合算法得出准 确的判决结果 1 2 3 频谱分配技术的研究现状 人们已经认识到 频谱是一种宝贵的自然资源 4 3 为了最大效用的发挥频谱的作用 人们通过发展4 g 技术增加单位频谱的发送信息量 还通过认知无线电技术检测是否会 有某些频段处于 空闲状态 并对这些处于 空闲状态 的频谱加以合理的利用 频 谱分配技术就是如何对这些检测出来的空闲频谱加以合理利用的技术 对于认知无线电 频谱分配技术的研究是为了保证认知无线电系统研究的整体性 即先检测后使用 但不 作为本文的研究重点 本文的重点是对认知无线电的频谱检测技术研究 现有的频谱分配算法主要包括博弈论 拍卖理论 议价机制 图论着色等m 本文 主要提出一种基于遗传算法的频谱分配算法用于解决认知无线电系统的频谱分配问题 1 2 4 遗传算法国内外研究现状 遗传算法 g e n e t i ca l g o r i t h m 以下简称g a 是由美国m i c h i g a n 大学h o l l a n d 教授于 1 9 7 5 年提出的 并出版了颇有影响的专著 a d a p t a t i o ni nn a t u r a la n da r t i f i c i a ls y s t e m s r 它是借鉴生物界自然选择和遗传机制的启发式随机搜索算法 并将生物学中的遗传 进化原理和优化理论相结合的产物 遗传算法的基本思想很简单 它是通过模拟生物界 适者生存 优胜劣汰 的策略 获取种群全局最优解的算法 4 6 1 遗传算法的产生为智能 优化算法的发展奠定了坚实的理论基础 8 0 年代后期 遗传算法得到了空前的发展 在很多领域得到了广泛的应用并得到了 改进 如1 9 8 3 年g o l d b e r g 等人将遗传算法应用到管道煤气系统 很好的解决了复杂的 n p 问题 4 7 2 0 0 2 年 y u a n x i a o h u i 等人提出了基于混沌算法的遗传算法 提高了遗传 算法的全局搜索能力 在一定程度上克服了遗传算法易陷入局部最优的缺点 4 引 为更好的提高遗传算法的性能 一些遗传算法的改进算法相继出现 s r i n i v a s 等人 提了一种自适应遗传算法 4 9 其基本思想是根据适应度值的大小自适应的调整交叉概率 和变异概率的大小 该算法在一定程度上提高了遗传算法的全局搜索能力 但当个体适 应度值较大时 交叉概率和变异可能为零 这将导致算法陷入局部的最优解 降低了种 6 第l 章绪论 群的多样性 因而 2 0 0 6 年我国学者任子武等人在此基础上又提出了一种自适应遗 传算法 重新修改了自适应交叉概率和变异概率 使得它们不为零 即保证群体 优良特性的同时又保证了群体多样性 有效的提高了算法性能 5 0 1 2 0 0 7 年刘刚等 人对标准遗传算法与模拟退火思想相融合的算法h u 进行了性能分析 设计出分层 遗传算法 模拟退火遗传算法和模拟退火分层遗传算法三种改进的遗传算法 分 析表明 改进的算法能增强算法的全局收敛性 加快遗传进化速度 1 3 课题研究内容及论文安排 本课题属于基础理论研究 旨在对认知无线电系统的频谱检测和频谱分配技术进行 总结 并针对目前频谱检测技术检测精度不够 检测速度较慢 频谱分配不能实现效益 最大 分配时间较长的缺陷 在深入进行理论分析的基础上提出基于似然比模型的协同 频谱检测算法 考虑了路径衰减和信道衰落两个影响检测精度的要素 并运用概率分布 函数进行了合理的简化 本文还提出一种基于遗传算法的频谱分配算法 为此 本论文 的具体内容安排如下 第1 章为绪论 首先介绍认知无线电系统的研究目的 意义及国内外研究现状 最 后给出本文的主要工作和内容安排 第2 章介绍认知无线电系统单节点检测技术的相关原理和实验仿真效果 主要包括 匹配滤波法 能量检测法和循环频谱检测法三种方法 第3 章介绍认知无线电系统的多节点检测技术的相关原理和实验仿真效果 主要包 括硬合并方法和软合并方法 第4 章主要介绍似然比判决模型的推导方法和检测效果的仿真效果 首先 建立理 想状态下的似然比判决模型 接着考虑路径衰减和信道衰落重建似然比判决模型 随后 运用概率分布密度对似然比判决模型进行合理的简化 最后 将本文提出的似然比判决 方法和传统的硬合并算法和等增益算法进行对比仿真实验 以证明算法的优越性 第5 章主要介绍基于遗传算法的频谱分配算法 首先 会介绍遗传算法的概念 其 次是频谱分配的数学模型 最后介绍基于遗传算法的频谱分配算法的基本原理和实验仿 真 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章认知无线电的单节点检测技术 2 1 引言 频谱检测技术是认知无线电的第一个步骤 也是首要步骤 没有频谱检测技术 认 知无线电技术就无从谈起 频谱检测的准确性是非常重要的 如果发生误判影响会非常 严重 如果主用户正在使用授权频段 而此时认知用户发生误判判定主用户没有使用授 权频带 认知用户强行使用该授权频段 将会严重影响主用户的通信质量 如果主用户 没有使用授权频带 而此时认知用户发生误判判定主用户正在使用授权频带 认知用户 放弃使用该授权频带 就会浪费宝贵的频谱资源 另外 认知用户在使用授权频带时 还要随时检测主用户是否恢复了对授权频带的使用 一旦主用户重新使用授权频带 认 知用户就要马上退出 该授权频带归主用户使用 频谱检测算法主要分为单节点频谱检测技术和多节点频谱检测技术 其分类如图 2 1 所示 图2 1 频谱检测算法的分类 在这一章主要讨论频谱检测算法中的单节点检测技术 即图2 1 中的发射源检测技 术 单节点频谱检测技术主要是检测主用户是否存在 可以归结为如下的二元假设问 题 i 风 x t n t 1 4 z h t o s f 聆 f 其中 h o 表示信道中只存在噪声 2 r 的情况 即此时主用户没有使用授权频带 q 表示信道中不光存在噪声 f 还包括信号s r 和乘性信道乃 r 的卷积 即此时主用户正 在使用授权频道 第2 章认知无线电的单节点检测技术 所有的频谱检测算法都是以这些单节点检测技术为基础的 或者借鉴单节点频谱检 测技术的思想 因此对这些单节点频谱检测技术的学习还是很有意义的 这里主要讨论 其中具有代表性的匹配滤波检测法 能量检测法和循环频谱检测法 2 2匹配滤波法 匹配滤波检测是频谱检测中常用的方法 是典型的硬件检测方法 就是根据主用户 发射信号的类型进行硬件设计 设计出与信号类型匹配的滤波器 才能进行准确的频谱 检测 匹配滤波法是单节点频谱检测算法理论上的最好方法 它能在很短的检测时间内 获得很高的处理增益 而且在虚警概率和检测概率一定的情况下 需要的采样数最少 为 n q 卅 最 一q 卅 岛 2 s n r 1 2 1 其中n 表示采样数 斥表示虚警概率 巴表示检测概率 s n r 表示信噪比 q 表示误码率上限公式 虽然匹配滤波法是理论上最好的单节点检测算法 但必须事先知道主用户解调的 相关信息 这些信息包括调制方式 时序 脉冲形状等 只有预先知道了这些信息 才 能实现与待检信号的同步 从而正确完成解调 这样 认知用户对于不同的主用户都需 要不同的接收机 从成本的角度看将会是很大的 匹配滤波法只适合于授权用户 主用户 发射信号已知的情况下 还要知道相关的 调制方式等信息 如果无法预知这些信息 匹配滤波检测并不适用 特别是在多用户认 知环境中 会存在不同类型的主用户 使得这种方法并不适用 2 3 能量检测法 2 0 世纪6 0 年代 h v r k o w i t z 提出了能量检测算法 虽然能量检测算法是一种古老 的算法 但至今仍焕发着旺盛的生命力 尤其是在认知无线电系统的概念提出以来 能 量检测法已成为认知无线电系统中应用最为广泛的频谱检测算法 能量检测最大的特点 就是它是一种非相干的检测方法 无需事先知道主用户传输信号的任何先验知识 直接 求信道信号和噪声的功率和 这种方法比较容易理解 预先设置一个门限值 这个门限 值大于噪声的平均功率值但小于信号和噪声的平均功率和 如果检测到的功率值大于门 限值说明信号存在 主用户在使用该授权频带 如果检测到的功率值小于门限值说明信 号不存在 主用户没有使用该授权频带 检测功率可通过对时域信号采样求模再求累积和或利用快速傅立叶变换变换到频 9 哈尔滨丁程火学硕十学位论文 域再求模平方获得 假设授权用户信号为x k 则功率的统计量少 七 为 y 七 圭 f 1 2 2 2 t o 其中k 是信号采样点数 当k 比较大的时候 根据中心极限定理 可以使用高斯分 布对两种假设下的功率统计量进行近似 其中r 表示噪声的功率 b 表示信号的功率 m 是当k 较大时的代替值 在给定虚警概率只的条件下 可得检测门限 丫 p n 1 掣 2 4 a 将p k 和门限值进行比较 如果p k 大于门限值说明主用户在使用授权频带 如果p k 小于门限值说明主用户没有使用授权频带 能量检测法的实现过程如图2 2 所示 图2 2 能量检测算法实现流程图 首先生成调制信号 设其采样频率f 1 0 0 h z 载频 也是需要检测的信号的频率 z 4 0 h z 码率f o 丘 2 0 信号采样点数l 3 0 0 h z 时间点f 徊j 1 1 f 信号余 弦曲线x 2c o s 伊水p i 宰乃宰0 在信号上加一个随机噪声y x r a n d n s i z e 俐j 画信号随时间的变化图p l o t t 纠 如图2 3 所示 进行能量检测 首先取比样点数稍大 的2 的幂数n f f t 2 n e x t p o w2 l 快速傅立叶变换求能量y f f t 陟 n f f 矽 l 对频率间隔取样f f s 2 母l i n s p a c e 徊 j f f 耽j 画能量随频率的变化图 p l o t f 2 鼻a b s y 1 n f f t7 2 弧图2 a 骶示o 1 0 m 风终 彬 孔一盈m 第2 章认知无线电的单节点柃测技术 信号随时问的变化曲线 图2 3 信号随时问的变化图 图2 4 能量随频率的变化图 由图2 4 可以看出 频率为4 0 的时候 能量最大 这和之前设定的信号的频率是一 致的 观察知频率为4 0 h z 时能量大小在1 附近 此时可设阈值0 6 0 8 如果检测能量 大于阈值 说明信号存在 主用户正在使用授权频带 否则 信号不存在 主用户没有 使用授权频带 通过以上的分析 不难看出能量检测算法是一种简单实用的频谱检测算法 最重要 的是其不依赖主用户发射信号的先验知识 所以能量检测法仍是现今应用最为广泛的频 谱检测算法 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 但是 能量检测算法仍有其无法克服的瓶颈 因为信道里传输的噪声是一个随机变 量 其值的变化幅度非常大 尤其是遇到脉冲噪声出现的情况下 在选取门限时只能以 噪声的平均功率值为依据 当噪声在这个平均值附近波动时 检测结果还比较准确 但 是如果噪声出现较大的波动 就会严重影响侦测节点的判断 鉴于能量检测法不依赖主用户发射信号的先验知识这一显著性的优势 本文将能量 检测法作为单节点频谱检测的基本算法 为协同频谱检测的数据融合提供其所需要的检 测数据 2 4 循环平稳检测法 2 4 1 循环平稳信号的概念 1 9 5 8 年 w r b e n n e t t 在设计通信系统的同步算法时 发现其具有周期平稳特性 也就是本节所介绍的循环平稳特性 现在所接触的通信系统 例如手机通信的基站或者 收看的一些无线电视信号的卫星中继 都是人们设计的通信系统 这些系统在传输信号 之前 通常会对信号进行一些处理 这些处理包括调制 扫描 采样等操作 经过这些 人为的处理之后 在信道中传输的信号一般都具有循环平稳特性 设循环平稳信号x f 其数学期望m f e x f 和自相关函数 r x t e x t x o t j 循环周期t 则存在以下关系 聊 t i t m f z 2 5 r 0 i t t r x r t z 2 6 对自相关函数进行傅立叶级数展开得 r f t g 9 7 2 删 2 7 a 其中 彤o 是傅立叶级数展开系数 也是循环平稳过程中的循环自相关系数 a 三r p 称为循环频率 k 是任意整数 r 2 r i 1f r x p t e 2 删d t 2 8 一手 2 当仅 0 时 循环自相关函数就退化成自相关函数 这时 其对应的傅立叶变换就 是功率谱密度 同样可以定义循环相关函数的傅立叶变换为循环谱密度 其定义如下 门 p o p 掣斫巩 2 9 1 2 第2 章认知无线电的单节点枪测技术 根据这个定义 可以推出循环平稳的另一层含义就是 只要蟛b j u 时a 也不为 零 该信号就是一个循环平稳信号 下面继续讨论彤0 的相关特性 当信道中传输的信号x t 具有循环遍历性时 o 溉专fm 专 x p 一2 e 2 删击 2 1 0 t 1 2 删 黔一t 肛 2 r y 州f 川一争p j n a t 2 m 2 o 溉专j 枷v 可一乏 础 2 1 2 1 一r 2 衅o 尺品 r 2 1 3 鼽 鬻三裂荔豸 2 1 4 烙卜式讲行值寺叶蛮犊得 则 2 9 所表示的循环谱密度可以表示成如下形式 s x f 垛o e j 2 n f z d x 繇 厂 2 1 6 一 从上面一系列的推导可以看出 循环谱密度函数和互谱密度函数相等 而且循环谱 密度函数实际反映了信号频移分量 等的相关程度 因此循环谱密度函数也称谱相关 么 密度函数 2 4 2 循环平稳检测的原理 循环平稳检测就是利用信号的循环平稳特性进行频谱检测的一种技术 进行循环平 稳检测主要是运用循环平稳信号的谱相关函数和噪声的谱相关函数的重大区别 即其在 循环频率不为零处有较大的非零值 所以 进行循环平稳检测的关键是求取谱相关函数 在实际的处理过程中 接收数据的时间是有限的 设一有限长度t o 对信道传输的 信号x t 做短时傅立叶变换 其中t 为时间中心 则 竺2仅一2 一 广 u 盯 烈 h j 力 n 护 扩 叭 h 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 平移 詈得 f 如 f 厂