（通信与信息系统专业论文）基于移动传感网的新能源照明智能控制和管理技术.pdf

摘要 摘要 随着传统能源的日益枯竭 发展新能源产业变得刻不容缓 l e d 以其省电 寿命长 低功耗 无污染等优点 逐渐取代传统光源应用于光伏照明系统 是与 绿色新能源相结合实现节能环保照明的不二之选 无线传感器网络 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 结合传感器技术 嵌入式计算技术 分布式信息技术及无线通信技术 具有信息感知 传输和处理等能力 z i g b e e 作 为一种新兴的无线网络技术 其具有低功耗 低成本 可靠性强 使用方便等优 点 在短距离无线通信网络场合中应用得越来越广泛 认知无线电是在近年来无线传感网络技术的迅猛发展而导致频谱资源紧缺的 背景下提出来的 旨在提高无线频谱的利用率和数据传输效率以及增强节点间的 抗干扰性 作为一种动态频谱管理策略 认知无线电具备频谱感知 频谱分析 频谱判决选择等功能 并且可以根据外部环境对自身的无线传输参数进行实时重 构 以充分 合理地利用频谱 空洞 而不对频谱授权用户造成有害干扰 本文以太阳f l 邑l e d 路灯为对象建立传感网络 每个网络节点通过z i g b e e 协议进 行无线通信 建立多跳无线自组网络 a dh o c 协作地感知 采集和处理网络区 域中感知对象的信息 可降低传输功率 提高传输效率和减少与外界的干扰 为 了提高频谱利用率和减少节点间的干扰 引入认知无线电技术 在物理层对频谱 进行动态管理 可避免传统方法所须的复杂的同步和路由算法 本文重点介绍了 基于非合作式博弈论的动态频谱分配算法 并将其应用至u z i g b e e 传感网 以z i g b e e 的三个频谱为虚拟运营商 建立博弈论模型并对其进行了仿真 仿真结果表明 以最大网络吞吐量为效用函数的系统博弈模型存在最优化策略组合 且这个策略 组合是稳定和唯一的 因此本文所建立的多跳自组网有成本低 频谱利用率高 抗干扰性强 稳定和使用方便等特点 具有一定的实用性 关键词 新能源 l e d z i g b e e 认知无线电 博弈论 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e p l e t i o no ft r a d i t i o n a le n e r g ys o u r c e s d e v e l o p m e n to fn e w e n e r g yi n d u s t r yh a sb e c o m eu r g e n t w i t hi t sa d v a n t a g e so fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n l o n gl i f e l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dn op o l l u t i o n l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e h a s g r a d u a l l yr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a ll i g h ts o u r c eu s e di nl i g h t i n gs y s t e m s 觞t h eb e s t c h o i c ef o rs a v i n ge n e r g ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n tl i g h t i n gw i t hg r e e ne n e r g y w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc o m b i n e ss e n s o rt e c h n o l o g y e m b e d d e dc o m p u t i n g d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oh a s a b i l i t i e so fi n f o r m a t i o np e r c e p t i o n t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gc a p a c i t y z i g b e ei sa n e m e r g i n gw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dh a sa d v a n t a g e so fl o wp o w e ll o wc o s t h i g hr e l i a b i l i t ya n de a s eo fu s e i th a db e e na p p l i e d i nt h es h o r t r a n g ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k so c c a s i o n sm o r ea n dm o r ew i d e l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y c o g n i t i v e r a d i o c r i sp r o p o s e dt od e a lw i t hs c a r c es p e c t r u mr e s o u r c e si nr e c e n ty e a r s i tc a r l i m p r o v et h e w i r e l e s s s p e c t r u mu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y o fd a t at r a n s m i s s i o na n d e n h a n c e da n t i i n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h en o d e s a sad y n a m i cs p e c t r u mm a n a g e m e n t s t r a t e g y c o g n i t i v er a d i o h a sa b i l i t i e so fs p e c t r u m s e n s i n g s p e c t r u ma n a l y s i s s p e c t r u ms e n t e n c i n ga n ds oo n i tc a na l s om a k ear e a l t i m er e c o n s t r u c t i o no ft h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ee x t e r n a le n v i r o n m e n ti no r d e rt o m a k ef u l lu s eo fs p e c t r u mh o l ea n dn o th a r mt oa u t h o r i z e du s e r so fs p e c t r u m i nt h i sp a p e r as e n s o rn e t w o r ke s t a b l i s h e sa st h en o d e so fs o l a rl e dl i g h t s s y s t e m e a c hn e t w o r kn o d ea d o p t sz i g b e ep r o t o c o lf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d a t a i st r a n s m i t t e dm u l t i h o pb e t w e e nn o d e si nt h en e t w o r k t h e yc o l l a b o r a t i v e l yp e r c e p t c o l l e c ta n dp r o c e s st h ei n f o r m a t i o no ft h ep e r c e p t i o no b j e c t si nt h en e t w o r ka r e a i t c a nr e d u c et h et r a n s m i s s i o np o w e li m p r o v et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c e i n t e r f e r e n c ew i t ht h eo u t s i d e i no r d e rt oi m p r o v et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o na n dt o r e d u c et h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h en o d e s c o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d n a b s t r a c t f o rd y n a m i cm a n a g e m e n to fs p e c t r u mi nt h ep h y s i c a ll a y e r w h i c hc a na v o i dc o m p l e x s y n c h r o n i z a t i o n a n d r o u t i n ga l g o r i t h m s t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sh a s t h i s p a p e r f o c u s e so nt h ed y n a m i cs 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 nn o n c o o p e r a t i v eg a m e t h e o r ya n da p p l i e si ti n t oz i g b e es e n s o rn e t w o r k t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h em o d e lo f g a m et h e o r yb yt a k i n gt h et h r e es p e c t r u mo fz i g b e ep r o t o c o la sv i r t u a lo p e r a t o r sa n d t h e ns i m u l a t e si t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eg a m et h e o r ym o d e lw h i c hu s e s t h em a x i m u mn e t w o r kt h r o u g h p u tc a p a c i t ya st h eu t i l i t yf u n c t i o nd o e sh a v et h e o p t i m a ls t r a t e g yc o m b i n a t i o na n dt h i ss t r a t e g yc o m b i n a t i o ni ss t a b l ea n du n i q u e t h em u l t i h o pn e t w o r k se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w c o s t h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y i n t e r f e r e n c ei m m u n i t y s t a b l ea n de a s y t ou s e t h e r e f o r ei th a sac e r t a i np r a c t i c a l i t y k e y w o r d s n e we n e r g y l e d z i g b e e c o g n i t i v er a d i o g a m et h e o r y 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t i i c o n t e n t s c h a p t e r1 1 1 1 b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2d e v e l o p m e n ts t a t u s 2 1 3s o l a rl e d l i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m 3 1 4o v e r a l ld e s i g na n dm a i nc o n t e n t 5 c h a p t e r 2m u l t i h o pa dh o cn e t w o r k sb a s e do nc o g n i t i v er a d i o 7 2 1o v e r v i e wo fc o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g y 7 2 2s p e c t r u ms e n s i n g 10 2 2 1s p e c t r u mp e r c e p t i o nb a s e do nt r a n s m i t t e rd e t e c t i o n 10 2 2 2s p e c t r u mp e r c e p t i o nb a s e do ni n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e 16 2 2 3c o l l a b o r a t i v ep e r c e p t i o n 18 2 2 4i n i t i a t i v ep e r c e p t i o n 2 0 2 3s p e c t r u ma l l o c a t i o n 21 2 3 1g r a p hc o l o r i n g 2 1 2 3 2a u c t i o nm e c h a n i s m 2 2 2 3 3g a m e t h e o r y 2 3 2 4c o g n i t i v er a d i oa n da dh o e 2 5 c h a p t e r 3c o g n i t i v er a d i os 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 m e t h e o r y 2 8 3 1b a s i sk n o w l e d g eo fg a m et h e o r y 2 8 3 2c o g n i t i v es p e c t r u ms h a r i n gp o l i c yb a s e do nn o n c o o p e r a t i v eg a m et h e o r y 3 2 3 2 1d i s t r i b u t e dd y n a m i cf r e q u e n c ys e l e c t i o n 3 2 3 2 2s p e c t r u mc o o r d i n a t i o nb a s e do nc e n t r a ls p e c t r u ma r b i t r a t i o n 3 4 c h a p t e r4s y s t e mm o d e la n d s i m u l a t i o n v i 3 7 c o n t e n t s 4 1s y s t e mm o d e l 3 7 4 2a l g o r i t h md e s i g n 4 3 4 2 1c o g n i t i v er a d i os p e c t r u ma l l o c a t i o nb a s e do nn o n c o o p e r a t i v eg a m e t h e o r y 4 5 4 2 2n e t w o r ku t i l i t yo p t i m a ls t r a t e g y 4 8 4 3s i m u l a t i o na n a l y s i s 4 9 c h a p t e r5s u m m a r ya n d o u t l o o k 5 4 r e f e r e n c e s 6 p a p e r sa n dr e s e a r c ha w a r d 61 o r i g i n a l i t ys t a t e m e n t 6 2 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 3 v u 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了绿色能源照明产业发展的背景及意义 并以现在的研究热点 太阳能l e d 照明为例 介绍了其国内外发展状况以及传统的太阳能l e d 控制系统 的缺陷与不足 在此基础上提出了构建一种以太阳能l e d 为节点对象的新型多跳 自组织网络 a dh o c 策略 并引入认知无线电技术对环境频谱进行动态分配 在 频谱分配策略上 采用非合作博弈在物理层面进行频谱共享及协调等决策 最后 介绍了本文的主要内容及安排 与后面的章节互相照应 1 1 课题背景及意义 能源作为人类生存的基本要素是一个国家国民经济发展的重要物质基础 能 源安全对国家经济安全有着不可或缺的支撑作用 随着国际工业化的进程不断地 深化 全球未来能源预计将以3 的增速消耗 常规能源资源面临日益枯竭的窘境 对我们国家来说 近年来随着经济的持续腾飞 国家对能源的需求和消耗也随之 大大增加 这也使我国的能源形势更趋严峻 因此 在这样的大背景下 发展新 型绿色能源产业 摆脱对常规能源的依赖 已成为各个国家战略发展计划的重要 部分 亦将是人类寻求可持续发展进程中的必由之路 众所周知的是 2 l 世纪的能源结构将发生根本性的变化 太阳能 风能 生 物质能 核聚变等新能源势必将取代以化石燃料为主体的传统能源 目前 每年 全球消耗1 2 万亿瓦能源 其中矿物燃料约占8 5 其他新能源才占1 5 这在一定 程度上说明新能源还有很大的利用上升空间 令人欣喜的是 世界各国都在制订 能源发展战略 欧盟提出2 0 5 0 年新型绿色能源发电将占总发电量的5 0 国际能源 机构预测 至i j 2 0 6 0 年 新型绿色能源将发展到世界能源构成的5 0 以上 近年来全 球风力和太阳能发电年均增长率分别达6 5 和3 0 甚至超过了信息技术产业的发 展速度 l e d 作为一种新型的照明技术 具有耗电量低 发光效率高 显色性好 可靠 广东工业大学硕士学位论文 性高 体积小 重量轻 节能环保 使用寿命长等优点 被业界一致认为是未来 照明技术的主要发展方向 在同样亮度下 l e d 的耗电量仅为普通白炽灯的1 1 0 荧光灯管的1 2 在美国由l e d 取代5 5 的白炽灯可节省3 5 0 亿美元的电费 这相当 于7 5 5 亿吨二氧化碳排放量 据相关机构统计 在我国露天照明尤其是户外路灯照明在总的用电量当中占 据着很大的比重 而目前几乎所有路灯都采用电力线加高压钠灯照明 这样的照 明方式存在着布线麻烦 线路成本大 维护困难等缺点 相反 太阳能l e d 照明 技术则具有一次性投资 安装方便 免维护 使用寿命长 不会对原有环境造成 破坏 同时也降低了各项费用 节约能源等优势 随着太阳能和l e d 技术的不断发 展和成熟 太阳能l e d 路灯优势会不断显现 势必取代传统路灯照明成为一种新型 的照明方式 自2 0 0 9 年来 我们国家提出了l e d 路灯的 十城万盏 计划 令至u l e d 路灯发展势头愈发强劲 据保守估计 十城万盏计划的l e d 照明路灯总数将会超过 2 0 0 万盏 由此可见太阳l e d 路灯将是将来路灯照明的一个重要的发展方向 1 1 2 国内外发展现状 绿色照明 的概念是在2 0 世纪7 0 8 0 年代时期全球环境的保护浪潮下提出来 的 其主要任务是在保证照明质量的基础上 注重节能 1 9 9 1 年 美国率先提出 实施绿色照明 很快得到了联合国的支持和引起许多国家的重视 并积极制定和 实施了相应的政策和措施 许多国家先后制订了 绿色照明工程 计划 并取得 了显著效果 1 9 9 2 年 我国政府提出环境发展措施 并制订了多项绿色能源应用 项目与计划 j t j 2 0 0 3 年底我们国家的风电装机容量为5 7 6 m w 而太阳能光伏技术生 产能力约为4 5 m w 为了更加大力地发展和推广绿色照明政策和计划 国家发改委 计划截止至1 j 2 0 2 0 年 我国风电装机容量将为3 0 0 0 0 m w 届时将占未来国内发电总装 机容量的2 随着第三代半导体材料氮化镓制备技术的突破 l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e 技 术在各个领域都得到了越来越广泛的应用 尤其是在各种照明灯具上 二十一世 纪l e d 这种新型照明光源将会取代传统的白炽灯等各种照明光源 成为第四代新光 源 我国l e d 照明产业发展趋势好 我国已经发展成为全球太阳能l e d 景观照明 2 第一章绪论 等照明产品最大的生产和出口国 新兴的半导体照明产业链正逐步完善 相对于 l e d 路灯企业的热情 l e d 路灯也具有强大的市场力 2 0 0 9 年中国的l e d 路灯市场规 模为1 2 0 1 3 0 万盏 在十城万盏 千里十万盏等政策推动下 l e d 路灯市场前景可 谓是是一片光明 各l e d 企业都对l e d 路灯的发展前景充满信心 竞相投入力量研 发l e d 路灯 未来几年中国l e d 路灯市场将保持较快的市场发展速度 截至2 0 1 0 年8 月底 我国l e d 路灯行业工业总产值达到了1 4 0 5 2 亿元 同比增长了5 5 1 据估 计 随着全球经济增长 全球路灯市场将呈现出逐年增长趋势 2 0 1 0 年全球路灯 市场规模达1 2 6 至1 2 8 亿盏左右 截止至u 2 0 1 2 年 市场规模增长至1 3 9 6 亿元 年 增长率达至1 j 6 3 口1 1 3 太阳能l e d 路灯照明控制系统 目前 传统的路灯相对单一的控制方式存在很多方面的缺陷 它们大多都是 根据时间来简陋控制 如晚上早上既定时间开关灯 这就使得电能得不到充分的 利用 能量不能得到灵活的控制 而且工作人员也须进行定期的检查和维护 大 大增加了其工作量 在这种背景下 开发一个用于太阳能l e d 路灯智能控制系统就 是很必要的 它能够实时感知外部环境 并作出响应的处理 如在控制路灯照明 亮度的时候 可结合道路流量 外界亮度 空气的湿度 上下班高峰期 节假日 等考虑因素 并对特殊情况 如交通事故 道路维修等情况 进行学习 分析 判断 最终作出实时的 自适应的处理 可实现智能控制 太阳能l e d 路灯无需用 过传统的电力线供电 需采用无线协议通信 本文以太阳能l e d 路灯为节点 建立 多跳自组传感网络 a dh o e 相邻节点间采用z i g b e e 协议通信 z i g b e e 是一种新兴 的通信技术 其具有功耗低 成本小 传输速率低 实现简单 接入方便等特点 逐渐成为短距离无线通信的主流技术 在现代无线传感网中有着越来越广泛的应 用 每一个节点都是一个中转站 它采用全双工方式 能同时发送和接受数据 另外 其还包括分析和处理数据的处理器 单个节点架构图如图卜1 所示 3 广东工业大学硕士学位论文 图1 1 无线传感网络节点架构图 f i g u r e1 1w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d ea r c h i t e c t u r ec h a r t 在传统的z i g b e e 通信系统中 各节点间采用的是同频收发 会存在节点之间 的同频干扰问题 传统的a dh o c 网络的网络结构都是平面的 即每一个节点都是 对等的 所有的节点处在同一频率 要依靠复杂的路由算法和同步方法获得信息 的有效传输 文献p j 提出了一种包括单率分级和多频率分级两种的分级结构 顾 名思义 单率分级网络中的所有节点在互相通信时都只能使用一个固定的频率 多频分级网络中低级节点的通信范围较小 而高级节点的通信范围较大 因此低 级节点须选择较低的频率进行通信 而高级节点则须选择较高的频率进行通信 另外由于高级节点可能需要在不同时刻接入不同的网络 因此其须同时处于多个 级中 有多个频率 用不同的频率实现不同级的通信 但同一级内仍使用相同频 率 4 1 这样 低级节点还是脱离不了单频通信的情况 节点间使用同一频率通信 这样就不可避免地需要复杂的同步和路由算法 单频通信的同步和路由算法通常都具有计算量大 难以理解及无规律性等特点 这将给开发人员带来很多不便 而且会极大程度上降低节点处理数据的效率 导 致时延 严重破坏实时性甚至令到整个网络瘫痪 另外 单频的多跳方式还会造 成相邻节点间的相互干扰 因为其并没有充分地利用有效的频谱资源 造成了可 用信道的闲置和浪费 针对上述问题 系统引入认知无线电技术 作为一种新的智能无线通信技术 认知无线电能够认知外部环境的各种信息如授权用户和认知无线电终端的工作频 率 调制方式 接收端的信噪比 以及认知用户的行为和语言内容等 并对这些 信息进行分析 学习和判断 以选择合适的工作频率 调制方式 发射功率和路 由等工作参数 认知用户通过感知频谱空洞 在不影响授权用户的前提下自适应 4 第一章绪论 地选择和利用最适当的频谱资源 保证整个网络始终能够提供可靠的通信 并最 大化频谱利用率 认知无线电针对这一目标 将状态知识与智能处理有机地协调 统 起来 1 4 总体设计及主要内容 本文以太阳能大功率l e d 路灯为对象建立传感网络 每个网络节点通过 z i g b e e 协议进行无线通信 通过建立多跳自组网络 a dh o c 协作地感知 采 集和处理网络区域中感知对象的信息 可降低传输功率 提高传输效率和减少外 界的干扰 为了提高频谱利用率和减少节点间的干扰 引入认知无线电技术 在 物理层对频谱进行动态管理 可避免传统方法所须的复杂的同步和路由算法 并 提出一种非合作式博弈论的动态频谱分配算法 以z i g b e e 的三个频谱为虚拟运营 商 建立博弈论模型并对其进行了仿真 论文主要章节内容安排如下 第一章 阐述了课题背景和意义 l e d 技术和z i g b c e 技术的发展现状 为后 续内容做好铺垫 第二章 研究了认知无线电的频谱感知技术 包括有基于发射机检测方法中 的匹配滤波 能量检测以及循环平稳检测 基于干扰温度的频谱感知和协同感知 中的集中式感知和分布式感知 其中重点对比研究了应用比较广泛的匹配滤波 能量检测和循环平稳检测三种方法 另外也讨论了认知无线电网络的频谱动态管 理技术 重点对图着色 拍卖机制和博弈论三种方法实现频谱动态分配进行了深 入的研究 其中详细阐述了图论的基本原理和如何在有向图结构上利用全局最优 化理论来进行着色即分配频谱 也介绍了拍卖机制中拍卖 报价等概念 以及认 知用户如何报价以实现最优拍卖 最后谈论了博弈论的相关理论基础如纳什均衡 及其稳定性和唯一性 帕累托 p a r e t o 最优 并在此基础上以示例的形式建立 了一个简单合作式博弈论模型 为后续的非合作式博弈论算法的提出做铺垫 第三章 对非合作式博弈论理论进行了深入研究 讨论其策略组合在什么时 候取得纳什均衡 如何验证此纳什均衡是否稳定且唯一 并证明其是否为帕累托 p a r e t o 最优等一系列问题 第四章 在第三章的基础上提出了一种基于z i g b e e 网络的非合作式博弈论频 5 广东工业大学硕士学位论天 谱分配算法 建立频谱分配模型然后仿真 仿真结果表明 此算法在认知用户不 多 网络的拓扑结构不太复杂的情况下具有响应速度快 容易实现和计算简单的 优点 第五章 总结与展望 6 第二章基于认知无线电的多跳自组网 第二章基于认知无线电的多跳自组网 本章主要首先介绍认知无线电的定义 发展状况及其网络特征等 然后对认 知无线电主要目标中的频谱感知和频谱分配做了详细的介绍 其中频谱感知有本 地感知 协同感知和主动感知 本地感知主要介绍了基于发射机检测的频谱感知 方法如波形感知 能量检测和循环平稳检测以及基于干扰温度的频谱感知 协同 感知主要介绍集中式感知和分布式感知两种 另外在此基础中重点介绍了基于分 簇的协同感知算法 最后本章重点介绍了频谱分配技术 主要阐述了图着色算法 拍卖设计算法以及合作式的博弈论算法 2 1 认知无线电技术概述 近年来 随着无线通信技术的飞速发展 无线频谱资源变得越来越匮乏 作 为现代社会中重要的国家资源 无线频谱一直由国家政府采用静态的频谱分配方 式来进行管理和协调的 这种 预先分配 授权使用 的频谱管理方式 常常会出 现频谱资源分配不均 甚至浪费的情形 造成频谱资源的利用率低下 另外 当 今网络管理工作仍然是以人工管理方式为主 无法达到适应环境变化的动态管理 更加无法达到端到端效能最大化的自适应功能 如自配置 自优化 自管理等 针对上述无线资源的分配不足 认知无线电 c o g n i t i v er a d i o c r 为这些 问题提供了很好的思路 认知科学是研究人类感知和思维过程的科学 包括从感 觉的输入到复杂问题的求解 从人类个体到人类社会的智能活动 以及人类智能 和机器智能的性质 认知系统通过对环境的观察 学习 进而进行计划 决策和 执行 使得系统与动态变化的环境想适应 认知无线电是一个智能的无线通信系统 它能够感知周围的无线环境 通过 对环境的理解和学习 实时调整内部配黄 以适应外部无线环境的变化 认知能 力是指认知无线电能够从工作的无线环境中感知信息 标识特定时间和空间上的 频谱空洞 并据此选择最适合的频谱和工作参数 目前认知无线电研究的主要目 标是实现环境频谱感知的高灵敏度与频谱利用的高效性 这一目标的实现通常有 广东工业大学硕士学住论文 赖于频谱感知和频谱分配二个部分的性能 1 9 9 9 年j o s e p hm i t o l a 博士在中首次提出认知无线电的概念 5 1 该论文指出认 知无线电是建立在软件无线电平台上的一种内容认知型的智能无线电 通过学习 实现自我重配置 动态地适应通信环境的变化 其认知推理模型如图2 1 所示 该模型描述了认知无线电如何认知外部环境的各种信息如授权用户和认知无线电 终端的工作频率 调制方式 接收端的信噪比 以及认知用户的行为和语言内容 等 并对这些信息进行分析 学习和判断 以选择合适的工作频率 调制方式 发射功率和路由等工作参数 认知用户通过感知频谱空洞 在不影响授权用户的 前提下自适应地选择和利用最适当的频谱资源 保证整个网络始终能够提供可靠 的通信 并最大化频谱利用率 外界 图2 1m i t o l a 博士的认知推理模型 f i g u r e2 1m i t o l ac o g n i t i v er e a s o n i n gm o d e l 美国联邦通信委员会 f c c 在2 0 0 3 年5 月给出了认知无线电更加具体的定 义 认证无线电是一种能够与周围环境进行交互从而改变发射机参数的技术 交 互包括主动地与其他用户进行协商和通信 或者保守地由基站进行感知与决策 这种无线电能够判断自己的位置 感知相邻设备的工作频谱 改变自己的频率以 3 g 章基于认知无线电的多跳白组网 及调整发射功率等1 6 1 一 s i m o nh a y k i n 教授在2 0 0 5 年发表的论文 7 中对认知无线电作了如下补充定 义 认知无线电是一种新的智能无线通信技术 8 它能够感知周围频谱环境特征 采用理解的方法对环境 信道以及协议等进行推理 实时调整系统工作参数如射 频带宽 调制方式等以便与外部动态频谱环境相适应 使通信系统实现对无线环 境的高适应性和频谱资源利用的智能性 接收机 图2 2h a y k i n 认知循环模型 f i g u r e2 2h a y k i nc o g n i t i o nc y c l em o d e l 另外h a y k i n 还从信号处理的角度全面总结了认知无线电技术的相关关键问 题 并针对这些关键问题提出了一些解决方法 改进了认知模型 如图2 2 所示 由图2 2 可知 对于实时变化的外部无线通信环境来说 认知无线电能够在 动态地检测授权用户在所在频段的空洞情况 并作出智能分析和判断 当认知无 线电用户在信息传输过程中发现有授权用户开始使用该频段时 一般有两种处理 方式 第一种为停止对使用该频段并进行自适应地感知和利用外部环境中寻找最 适合的其它频段 以便完成剩余的传输工作 这种情况称为o v e r l a y 频谱共享方 式 第二种做法为调整认知用户的工作参数如降低传输功率等 以免对主用户造 成干扰 这种情称为u n d e r l a y 频谱共享方式 两种频谱共享方式的示意图如图2 3 所示 9 广东工业大学硕士学住论文 e 0 j 一 a o v e r l a y 方式 2 2 频谱感知 麟蒸懑 嘲嘲隧豳礴隧豳豳豳鬣鼬 f 3 0 一 b u n d e r l a y 方式 图2 3 两种频谱共享方式示意图 f i g u r e2 3t w os p e c t r u ms h a r i n gs c h e m a t i c 认知无线电的关键技术之一就是频谱感知 频谱感知的作用是尽量快而准确 地确定未被占用的频段 即能够动态的检测外部通信环境中的频谱空洞 其主要 方法有能量检测 匹配滤波 循环谱检测法等 根据感知方式的不同 频谱感知一般分为本地感知 协同感知以及主动感知 本地感知只给予单一本地敢直接点获得感知信息 协同感知是通过多个感知用户 之间相互协作共同完成外界环境的感知 主动感知是一种具有较高的智能型的感 知技术 它摒弃了传统的本地感知或协同感知那种本质上的按需感知技术 具有 更加强的自主能力 主动感知利用数据挖掘中的统计预测原理 对外界环境进行 主动地预测 不需要外界的提醒或者反馈 本文主要介绍本地感知中的基于发射机检测的频谱感知方法中的匹配滤波检 测 能量检测 循环平稳检测以及基于干扰温度的频谱感知和协同感知中的集中 式感知和分布式感知 另外也概要地介绍了主动感知 2 2 1 基于发射机检测的频谱感知 发射机检测或者单节点检测时一种非协作的基于住用户发射信号的检测方 l o 第二幸基于认知无线电的多跳自组网 式 认知用户通过分析侦听信号中是否存在住用户信号来判断频谱的使用状态 它是一种假设位置住用户接收端位置的检测 为了能够准确检测出弱信号 认知 用户必须具有较高的感知灵敏度 这将对其射频f j 端 r a d i of r e q u e n c yf r o n t e n d r f 和模数转换器的要求极高 发射机检测的基本模型可以定位为 x j 刀 7 h o 2 1 l h s t 疗 f q 其中 x 是认知无线电接收到的复信号 s t 是主用户发送的信号 n t 是加性 高斯白噪声 h 是理想信道的复增益 信道时延并没有考虑在内 如果是非理想 信道 则h 与s f 之间应该是卷积关系而非点乘 风表示信道未被占用的假设 表明目前在某一确定频段上没有主用户信号 i 1 表示信道被占用的假设 表明目 前在该频段上存在主用户信号 检测概率易 虚警概率只 漏警概率已是评价感知性能好坏的指标 分别 表示如下 i 易 p 1 4 l 风 b 尸 qi 风 2 2 乞 尸 h o1 日1 其中 认知用户在主用户存在的情况下检测到主用户存在的概率用只表示 认知 用户在主用户不存在的情况下检测到主用户存在的概率用尸 表示 认知用户在主 用户存在的情况下检测到主用户不存在的概率用己表示 经典的发射机检测技术有匹配滤波器检测 能量检测和循环平稳特征检测 l 匹配滤波检测 文献 9 1 0 研究了认知无线电中的匹配滤波算法 当认知用户知道主用户信号 的先验信息时 匹配滤波算法是一种最优的检测方法 在输出端能够使信噪比达 到最大 该算法将匹配滤波器的输出与门限相比来判断主用户信号是否存在 从 而实现主用户信号检测 它的最大优点在于可以在短时间内获得较高的处理增益 缺点在于需要具备主用户信道的先验信息 包括物理层和m a c 层的很多信息 例如调制类型 脉冲成型 包结构等 以便有效地对主用户信号进行解调 这就 意味着认知用户必须了解主用户信号的全面知识 这些先验信息必须预先存储在 感知设备中 感知设备必须具有与各种主用户信号相应的接收模块 该算法在主 用户种类少 数量不多的认知网络应用环境中可以实现 但在一些主用户类型多 广东工业大学硕士学位论文 的复杂系统中 感知设备限于复杂度要求不可能具有所有主用户信号的接收模块 所以匹配滤波的应用相对较窄 由此可见 匹配滤波算法只适用于对主用户信息 比较了解的频谱环境当中 例如超高频的电视频段等 匹配滤波器的传输函数为 日佃 k s p 一7 嘞 2 3 式中 k 为常数 通常可选择为k 1 s 是输入信号频谱函数的复共轭 由于匹配滤波器检测是一种相干检测 在解调过程中 对相位同步要求很好 解调时通过时间同步或载波同步甚至是信道均衡来保证 计算量大 并且若先验 信息不准确 则检测性能会受到很大的影响 文献 9 j 中给出了匹配滤波算法应用 于数字电视频段的例子 通过检测d t v 信号中的6 3 位伪随机序列码进行匹配滤 波 2 能量检测 能量检测时一种常采用辐射计或周期图方式实现的信号检测方法 它具有复 杂度低 易于实现 效率高和检测性能良好等优点 9 1 2 1 能量检测不需要知道在 位置主用户信号先验信息的条件 在高斯白噪声信道下 它能够根据预设的能量 阈值较高概率地判断出信道内主用户的存在与否 其实现如图2 4 所示 由图可 知 能量检测模块接收到的信号x r 在采样后然后通过快速傅里叶变换 f f t 可 得其相应的频谱x d 并可得频谱的峰值 信号能量可通过将x d 的峰值经一频 谱窗函数得到y f 然后计算得出f 1 2 为了作出判决 只需将信号能量与预设的能 量阈值a 进行比较即可 判决规则定义如下 h i z i r s l 九 表示主用户存在 2 4 1 风 i r s 1 2 九表示主用户不存在 式 2 4 中 设允为预先设好的阈值 状态矾标示着接收到的信号能量值小于 预设的能量阈值a 时的状态 此时不存在主用户 相应的 状态h 标示着接收到 的信号能量值大于预设的能量阈值允时的状态 此时存在主用户 f f t 窗函数 斗 e i r 1 2 a 或 一 刀 厌 m 脚 立 础r n i r l p e 上 刈志 尼 巾 广东工业大学硕士学位论文 令到检测性变得很差甚至无法正确使用 3 能量检测法的认知性不强 即对调制信号 噪声和干扰等不同的信息不 能正确区别 它只是机械地进行能量计算工作 没有智能感知 分析和判断功能 无法判断接收到信息的类型并做相应地处理 在有限采用数据的情况下 能量检测极易受噪声的影响 从而使信号功率谱 估计不准确 其影响主要有以下两个方面 一是有可能将噪声频带判为信号 二 是信号带宽估计的准确定不高 所以如何减轻噪声的影响显得尤为重要 3 循环平稳检测 循环平稳特征检测是利用信号特殊的循环平稳特性 通过考察信号的循环谱 来检测信号 不同的调制信号具有不同的循环平稳特性 平稳噪声和干扰不具备 循环平稳特性 基于循环谱的检测方法解决了匹配滤波和能量检测的诸多缺点 被认为是在低信噪比下实现主用户信号检测的有效方法之 9 1 7 2 0 1 它能有效克 服衰落或较低信噪比下能量检测的不足 检测精度高 并且可以在没有先验知识 的情况下实现信号检测 是认知无线电中经常采用的感知方法之一 m 2 们 但要实 现信号精确检测往往需要较大的数据量 且计算复杂 因此首先引入循环谱理论 利用循环谱进行频谱感知可以达到以下目的 一方面利用循环谱进行主用户 信号检测 另一方面由于循环谱包含较多的信号特征信息 可以通过进一步的特 征提取进行信号参数估计等 在未知信号调制方式时 还可以利用循环谱进行调 制模式的识别等 本文讨论的基于循环谱的频谱感知方法都是针对主用户信号的 检测问题 设待检测信号可用有用信号s 和干扰信号刀 表示如下 x s 刀 2 1 4 其信号检测一般基于以下的假设检测问题 c 门 要 另 霹u x 信霉票喜套 c 2 5 正如前面介绍的 由于大部分通信信号都具有循环平稳特性 平稳噪声和干 扰不具备循环平稳性 因此谱相关分析具有较好的抗噪声性能 由于噪声不具有 循环平稳性 其谱相关密度函数只在口 0 处在非零谱分量 在非零循环频率处的 谱相关密度函数为零 信号在特定的循环频率上有峰值 那么对于特定循环频率 式 2 1 1 的假设检验问题可以进一步表示为 1 4 第二幸基于认知无线电的多跳自组网 霹 厂 厂 0 0 信号存在 p 删u xa 兰0 2 裟鬈 协 0 0 信号不存在 7 霹 厂 0 0 信号不存在 基于上面的分析 主用户信号检测总是在特定的循环频率上进行的 例如 b p s k 信号可以表示为 s q t n t t o c o s 2 n f d o n 成 2 l7 卅一 式中 疋为码元周期 见 是取值为o 和万的相位序列 z 为信号载频 九