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无线通信新技术调研报告认知无线电中的频谱感知技术 通信与信息系统 王勇 12120151一、 认知无线电的研究背景及意义随着信息时代的到来，无线频谱已成为现代社会不可或缺的宝贵资源。它目前主要由国家统一分配授权使用，一个频段一般只能供一个无线通信系统独立使用，这种静态的无线频谱管理方式，简单而有效的避免了不同无线通信系统间的相互干扰。但是在这些已分配的授权频段与非授权频段中存在着频谱资源利用的不平衡性：一方面，授权频段占用了整个频谱资源的很大一部分，但其中不少频段处于空闲状态；另一方面，开放使用的非授权频段占整个频谱资源的很少一部分，但在该频段上的用户很多，业务量也很大，无线电频段已基本趋于饱和。于是在无线和移动通信迅速发展的今天，频谱资源贫乏的问题也显得日益严重。因此，寻求一种更有效的频谱管理方式，充分利用各地区、各时间段的空闲频段，缓解不断增长的频谱的需求矛盾，成为人们关注的问题。为了解决上述问题，基本思路就是尽量提高现有已分配频谱的利用率。于是，认知无线电的概念应运而生。其基本思想是：具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机（Opportunistic Way）”的方式接入授权的频段内，并动态地利用频谱。这种在空域、时域和频域中出现的未被利用的频谱资源被称为“频谱空穴”。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空穴”并合理利用这些频谱空穴的能力。二、 频谱感知的含义及功能频谱感知是通过对所在的无线电环境（Radio Environemnet）的观察，将了解到的环境情况作为感知无线电系统的输入部分，为以后的分析和决定做出依据。频谱感知是认知无线电系统的基本功能，是实现频谱管理、频谱共享等一系列认知无线电功能的前提。频谱感知的目的是发现在时域、频域、空域上的频谱空穴，以便供认知用户以机会方式利用频谱。认知用户是指未经授权使用只有授权用户才能使用的频谱的用户，主用户则是获得授权使用频谱的用户。为不对授权用户造成有害干扰，认知用户需要能够独立地检测出空闲频谱及授权用户的出现。这就要求认知用户能够实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。为对授权用户不造成有害干扰，可靠检测概率要求达到99.9%。三、 频谱感知技术存在的问题以及解决方案已存在的感知方法是单用户感知，这是最早提出的一类检测方法，它设计复杂度低，采用技术成熟，易于实现。但其性能会随着无线环境中多径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低，另外，检测能力本身也有一定的限制。传统的解决方案，比如合作式的频谱感知方法，它通过综合多个认知用户的感知信息来提高频谱的感知能力，避免“隐蔽终端”的问题，而且可以减少检测时间，从而提高网络的灵活性。最新研究还表明采用物理层和MAC层联合感知的跨层设计方法可极大地提高频谱感知能力。这种方法通过增强无线射频前端灵敏度，同时利用数字信号处理增益及用户间的合作来提高感知能力，正越来越受到人们的关注。另外，美国联邦通信委员会提出了一个新概念-干扰温度。基于这个概念又衍生出了基于干扰温度的感知方法。干扰温度是认知用户在感知频带内已有通信的基础上预测自己的传输将对主用户产生的干扰。只要认知用户造成的干扰温度不超过干扰温度限，感知用户通过调整自己的参数(如发射功率、调制方式等)就可以使用这个频段中的空洞。四、 频谱感知算法频谱感知算法要从下面三个方面来考虑:一是控制各系统间的干扰。二是适应复杂多变的无线传播环境。三是认知无线电系统自身效率的提高。传统的单点频谱感知技术包括：匹配滤波器检测、能量检测、循环平稳特征检测。在此不做过多的叙述。下面讲一下先进的合作式频谱感知技术。合作式频谱感知利用信道的广播特性和空间分集特性。合作式频谱感知能有效的解决单用户感知无法解决的隐蔽终端、深度衰减、多径阴影等问题。它最早由CabrieD、Mishra和BrodersenR在文献中提出，主要分为集中式和分布式两种。目前对认知无线电的合作式频谱感知技术的研究主要着眼于集中式的方式，分布于不同位置的多个感知节点先独立进行本地感知，并将感知的信息传送给融合中心，融合中心通过对收到的来自各个地方节点的感知信息进行融合，最后给出授权用户存在与否的最终判决。融合中心通过适当的算法将地方信息合并，并做出最终决策的这个过程叫感知信息的融合。根据本地节点所传数据的不同形式，可以将数据融合分为两类:如果本地节点传送的是表征主用户信号存在与否的1比特信息，把这种叫硬合并。如果本地节点传送的是本地检测到的数据信息，则称之为软合并。由于硬合并实现简单，传输开销小等优点，本节将重点分析介绍三种经典的硬合并融合准则。 集中式的合作式频谱感知实现框图如图4-1所示。图4-1集中式的合作频谱感知框图（1）各本地节点分别独立地根据观测到的信号进行本地频谱检测，得到检测结果。（2）各个本地节点将检测结果。通过控制信道传送至融合中心。（3）融合中心对接收到的本地检测结果进行合并，做出主用户信号是否存在的最终判决， 并将结果通过控制信道返回给各地方节点。目前，对于硬合并的融合方式主要有“与”、“或”和“K秩”三种。下面将分别介绍分析。4.1、“与”准则 算法如下：假设第i个节点的检测概率与虚警概率分别为、，则可得到采用“与”逻辑后的虚警概率、检测概率和丢失概率分别为：其中，表示参与合作的本地节点数。假设先验概率，则全局判决的错误概率为：4.2、“或”准则假设第i个节点的检测概率与虚警概率分别为、，则可得到采用“或”逻辑后得到的检测概率，虚警概率和丢失概率，分别为：其中，表示参与合作的本地节点个数。 仍然假设先验概率，则全局判决的错误概率为：4.3、“K秩”法“K秩”法的假设检验模型如下所示：其中为地方第i个节点的判决结果。假设第i个节点的检测概率与虚警概率分别为则可得到采用“K秩”法后的虚警概率，检测概率和丢失概率分别为：五、 仿真结果比较此合作式检测仿真也是利用Matlab平台，在信号带宽，采样频率，重复次数count=5000下进行的。其中，取了单用户、3用户和5用户在相同的信噪比-8dB下，对理论值和仿真值进行对比。下图5-1为“and”融合准则检测在相同的信噪比下，不同用户间进行理论值和仿真值进行的对比：图5-1 “and”融合准则在相同信噪比不同用户下理论值和仿真值的对比从图5-1可以看出，“and”融合准则检测的仿真值的落点在理论值曲线的周围，与其基本上吻合，所以此仿真值是可信的。图5-1表明“and”融合准则检测在相同信噪比和相同虚警概率的情况下，随着用户的增多，其检测概率也随之增加。下图5-2为“or”融合准则检测在相同的信噪比下，不同用户间进行理论值和仿真值进行的对比：图5-2 “or”融合准则在相同信噪比不同用户下理论值和仿真值的对比从图5-2可以看出，“or”融合准则检测的仿真值的落点在理论值曲线的周围，与其基本上吻合，所以此仿真值是可信的。图5-2表明“or”融合准则检测在相同信噪比和相同虚警概率的情况下，随着用户的增多，其检测概率也随之增加。下图5-3为“and”融合准则检测和“or”融合准则检测在相同的信噪比和相同的用户数情况下的仿真值的对比。同时，还有在相同信噪比情况下，这两种检测法在5用户数的仿真值与单用户的理论值的对比，如下图：图5-3 相同信噪比下5用户“and”检测仿真与5用户“or”检测仿真与单用户理论对比从上图5-3可以看出，在相同虚警概率相同信噪比的情况下，5用户的“and”融合准则检测和5用户的“or”融合准则检测比单用户检测的检测概率要高。六、 未来研究展望认知无线电是一项极其复杂的技术，将认知无线电应用于机会频谱接入仅是认知无线电研究内容的一部分。虽然信号检测已经是一项较成熟的技术，但是在认知无线电系统无线频谱感知中还存在诸多需要解决的信号检测问题。本文对主用户信号检测技术的研究工作只是认知无线电中无线频谱感知中的一小部分。后续的研究工作有：（1）当前对认知无线电频谱感知技术的大量研究，都是基于主用户信号的中心频率、带宽及其他特征和参数已知情况下的信号检测。这些研究对于如 IEEE802.22 无线区域网应用而言是合理的。然而对于更一般的情况，即对频谱感知频段内主用户信号的分布及参数未知的情况，如何实现可靠的主用户信号检测的研究并不多。宽带频谱感知是一种可行的方法，但极高的计算复杂度增加了系统实现的成本。如何简单有效的实现宽带频谱感知，依然是一个需要解决的问题。受无线传播衰落影响，单个用户的宽带频谱感知并不能很好的反映无线频谱的利用情况，通过多用户协作提高宽带频谱感知的可靠性，有待进一步深入的研究。（2）安全技术一直是网络通信研究的重点，在动态频谱接入中同样存在安全问题。无线频谱资源是无线通信的基础，是宝贵而有限的。常用的检测算法仅通过对接收信号的分析并不能完全确定信号发射者的性质。因此一些恶意的次用户可以利用欺骗的方法，获得频谱接入的高优先级。无线频谱接入规则和次用户身份鉴定等方面的研究具有重要的现实意义。（3）传统的协作感知方法，利用中心节点对检测信息融合获得空间分集。这种方法在中心控制式网络，如 IEEE802.22 无线接入网中容易实现。在一些无线应用中网络结构是分布式的。如果利用分布式多跳网络结构的特点，将传统点的检测结果扩展到面，获得一定区域内的频谱利用状况，那么可以通过合理的无线频谱分配获得网络传输性能的提高，同时可以为主用户提供更好保护。如何在这种分布式网络中进行协作感知，还需要做进一步的工作。（4）通信应用的上层需求制约了底层通信协议的设计，而主用户信号检测的实现与底层协议尤其是 MAC 协议息息相关。将主用户信号检测技术嵌入到MAC 协议实现上，实现联合最优设计以提供良好的检测和传输性能，是我们下一步研究的主要课题。参考文献1 陈东.认知无线电中无线频谱感知技术的研究 D.西安电子科技大学，2009.2 邓丽粼.认知无线电中的频谱感知技术研究 D.西安交通大学，2010.3 范波.认知无线电频谱感知技术研究 D.国防科学技术大学,2008.4 高博.基于认知无线电的频谱感知技术研究 D.西安电子科技大学，2008.5 Yi Zheng，Xianzhong Xie, Lili Yang. Cooperative spectrum sensing based on SNR comparison in fusion center for cognitive radio.ICACC09.Jan.2009:212216.6 F.F.Digham, M.S.Alouini, and M.K.Simon, “On the energy detection of unknown signals over fading channels,” in Proc. IEEE Int.Conf. Commun., Anchorage, AK, May 2003, pp. 35753579.7 F.F.Digham, “On signal transmission and detection over fading channels,” Ph.D. dissertation, Univ. Minnesota, Minneapolis, MN,Jul. 2005.8 Edward Peh , Ying-Chang Liang. Optimization for cooperative sensing in cognitive radio network C. Wireless Communitions and Networking Conference. Kowloon, China, WCNC 2007: 27-32.9 V.I.Kostylev,“Characteristics of