基于带内频谱感知的认知无线电网络的累加干扰模型分析毕业论文

1、南京师范大学泰州学院毕 业 论 文题 目基于带内频谱感知的认知无线电网络的累加干扰扰模型分析学生姓名朱媛学 号专 业通信工程班 级C1003指导教师张红 2014 年 5 月摘 要对认知无线电中机会频谱接入下认知用户对主用户系统造成的累加干扰进行模型分析。首先采用带内感知的方式进行频谱感知,减小了频谱与信令开销,降低应用成本;随后利用二维极坐标图建立了主用户接收机处的累加干扰模型,并进一步分析主用户接收机处的信干比与认知用户发射机的感知范围、主用户发射机到接收机之间的距离、路径损耗衰减指数等之间的关系。通过数值仿真可看出,基于累加干扰模型,认知用户不仅能充分利用频谱资源而且可以尽量减小对主用户

2、造成的干扰。关键词：认知无线电 累加干扰分析 信干比 感知范围AbstractThe opportunity for cognitive radio spectrum access cognitive users caused by the accumulation of the user system under interference model analysis. First USES the in-band spectrum perception in the form of perception of reduced the frequency spectrum and signa

3、ling overhead, decrease the cost of application; Then 2 d polar diagram is used to establish the primary user receiver of accumulative interference model, and further analysis of the main user receiver letter than dry and cognitive scope of the users perception of the transmitter, the main users the

4、 distance between the transmitter to the receiver, the relationship between the attenuation index such as path loss. You can see through numerical simulation, based on the accumulative interference model, cognitive users can not only make full use of spectrum resources but can minimize interference

5、to primary userKeywords: Cognitive radio Accumulative interference analysis Dry ratio perceive目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 引言11.2 认知无线电的综述21.2.1 认知无线电的概念和特点21.2.2 认知无线电的功能31.2.3 认知无线电技术的发展51.3 本文研究内容及结构安排6第二章 认知无线电网络累加干扰综述72.1 基于认知无线电的IEEE 802.22标准72.2 认知无线电网络的干扰问题研究102.2.1 机会频谱接入102.2.2 主用户对认知用户的干扰1

6、22.2.3 认知用户对主用户的干扰122.3 认知无线电网络累加干扰的分析方法132.3.1 干扰管理132.3.2 建模分析142.3.3 干扰约束16第三章 基于带内频谱感知的认知无线电网络累加干扰模型分析183.1 认知无线电网络系统模型183.1.1 网络模型183.1.2 信道模型193.1.3 干扰约束203.2.4 频谱感知213.3 基于带内频谱感知的认知无线电网络累加干扰模型243.3.1认知网络累加干扰模型243.3.2 主用户接收机位于主用户发射机的保护范围之外263.3.3 主用户接收机位于主用户发射机的保护范围之内273.4 仿真结果与分析28总结错误！未定义书签。

7、致谢32参考文献33第一章 绪论1.1 引言现代无线通信系统中的无线频谱资源作为一种自然资源，一直由无线电管理机构进行统筹分配。但是，随着信息时代的到来，现代社会对无线通信业务的需求不断加剧，各种无线通信技术的发展日新月异，可用的无线频谱资源作为一种不可或缺的自然资源正面临逐渐枯竭的困境。美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission, FCC）在2002发表的频谱政策特别工作组工作报告中指出：无线频谱资源缺乏的主要原因不是可用无线频谱资源在物理意义上的匮乏，而是固定的频谱管理政策导致的频谱利用率低下。事实上，通过对城市高收入地区的无线电频谱使用情况扫描

8、可以发现，如图1-1所示：有些频谱资源大部分时间几乎是空闲的，有些频谱资源是有时被占用，但同时也有部分频谱资源是被过度使用。FCC进一步指出，可用的无线频谱资源的利用在时空上的变化范围为15%85%，有限的可用无线频谱资源和无效的频谱利用使得机会地利用当前的无线频谱资源这种新的通信范例成为必要。图1-1 美国纽约地区的频谱利用情况面对无线频谱资源利用率低下的情况，电子工程学科、经济学科、无线电管理机构等组织机构的研究人员都在积极寻找更合理的频谱管理政策和技术，同时也提出了各种各样的频谱改革理论，如动态频谱接入（Dynamic Spectrum Access, DSA）与动态频谱管理（Dynam

9、ic Spectrum Allocation）、频谱专有权（Spectrum Property Rights）与频谱共享（Spectrum Commons）、机会频谱接入（Opportunistic Spectrum Access, OSA）与频谱池（Spectrum Pooling）、频谱平铺（Underlay）模式与频谱覆盖（Overlay）模式等。认知无线电（Cognitive Radio, CR）作为对这一系列理论技术的融合，从根本上改变了当前的固定频谱使用方式，被认为是实现频谱资源动态管理、提高频谱利用率的最佳方案。1.2 认知无线电的综述 1.2.1 认知无线电的概念和特点认知无线

10、电的概念最初由瑞典的Joseph Mitola博士在1999年发表的著作中提出的。他提出的认知无线电作为对软件无线电的进一步扩展，采用基于模型的推理方法实现特定的无线电频谱使用规则，通过无线电知识描述语言（Radio Knowledge Representation Language, RKRL）实现各功能模块，从而提高个人无线通信业务的灵活性，更好地满足用户的需求。相比与Mitola对认知无线电的认识，FCC对认知无线电的定义更能为业界所接受。FCC认为，认知无线电是具备感知能力的无线通信系统；感知能力是指无线电能够通过与其运行环境之间的交互捕获信息，并据此选择最佳频谱和适当的操作参数的能力

11、。著名加拿大通信专家Simon Haykin在著作“Cognitive radio: brain-empowered wireless communications”中对认知无线电的定义进行进一步完善：认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够感知周围无线环境（如外部世界），通过理解构建的方式对环境进行学习，实现特定的无线操作参数的实时改变，调整系统的内部状态以适应外部无线环境的变化，从而实现通信系统性能的最优化。其中，认知能力、学习能力、智能性、可靠性、高效性、自适应性是实现认知无线电技术的关键。从以上定义中可以看出，认知无线电与其它传统无线电系统的最大区别在于： 认知特性认知特性是指认知无线

12、电能够通过感知周围无线环境获得所需信息，从而识别最优的可用频谱。认知能力的实现通常包括频谱感知、频谱分析和频谱判决三个步骤。其中，频谱感知的主要任务是检测可用频段，频谱分析用来估计频谱感知所获得的频谱信息，频谱判决则根据频谱特性和用户需求选择最合适的频段进行通信。 重配置能力重配置能力指认知无线电能够根据无线环境动态编程，通过调整内部参数达到系统的最优性能。重配置的参数包括载波频率、调制方式、发射功率等。重配置的目的是在不对主用户造成有害干扰的前提下，利用可用频谱资源为认知无线电提供可靠的通信服务。1.2.2 认知无线电的功能Ian. F提出下一代通信网络（NeXt Generation, x

13、G）的概念，这种网络可以通过认知无线电的软硬件支持机会地利用授权频谱中未使用的频谱，有效地提高通信带宽和频谱利用率。在描述xG网络的整体结构和组成部分时，Ian. F将传统的、具有频谱使用权的用户称为授权用户（Licensed User）或主用户（Primary User），将新出现的、不具有频谱使用权的用户称为未授权用户（Unlicensed User）、次用户（Secondary User）或认知用户（CR User）。认知无线电的最终目标是通过认知用户的认知能力和重配置能力获得最优的可用频谱资源。但是，大部分可用频谱资源已经被授权使用于不同的通信领域。认知无线电面临的最大挑战是认知用户如

14、何在不干扰主用户通信的情况下机会地利用主用户系统中的频谱空穴进行通信；其中，频谱空穴（Spectrum Holes），如图1-2所示，亦称空白频谱（White Spaces），是指在特定时间和特定地理位置内未被主用户占用的授权频谱。图1-2 频谱空穴认知无线电一方面要在避免对主用户系统产生干扰的情况下“见缝插针”地利用频谱空穴，一方面要能够充分利用频谱资源以确保通信质量的高可靠性。要实现认知无线电的最终目标，认知无线电必须具备三个主要功能：频谱感知与频谱分析、频谱管理与频谱切换、频谱分配与频谱共享。图1-3所示的认知无线电的认知循环图描述了各功能模块间的有机结合。图1-3 认知无线电的认知循环

15、图 频谱感知与频谱分析通过频谱感知与频谱分析，认知无线电能够扫描监控频段，获取并占用频谱空穴；当主用户系统重新使用授权频谱时，认知用户能够及时监测从而避免对主用户造成干扰。 频谱管理与频谱切换一旦监测到频谱空穴，认知无线电能够通过频谱管理功能选择最优的频段通信。当无线环境随时间和空间发生变化，认知无线电能够跟踪该变化；如果当前频段重新变得不可用，认知无线电能够通过频谱切换功能提供无缝传输。 频谱分配与频谱共享通过动态频谱接入技术，认知用户能够与主用户或其它认知用户共享频谱资源。因此，好的频谱分配与频谱共享策略对提高频谱利用率至关重要。主用户对授权频谱的使用权拥有较高的优先级，因此当认知用户与主

16、用户共存于授权频谱时，认知用户在主用户系统处产生的干扰必须受到限制或约束。此外，当多个认知用户共享频谱时，认知用户之间也需要频谱共享策略来避免碰撞和干扰。1.2.3 认知无线电技术的发展认知无线电技术作为未来无线通信的一个重要发展方向，自概念提出以来一直是无线通信领域的研究热点，深受世界各国无线电管理机构、标准化组织、研究机构和行业联盟等的重视。FCC在2002年发布的报告中对频谱资源的使用政策做出重大改变，影响深远。2003年5月认知无线电工作组在华盛顿成立，并于2004年3月在美国拉斯维加斯展开第一个认知无线电学术会议，标志着认知无线电技术正式起步。DARPA于2003年成立的XG工作组着

17、眼于开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准，目前已完成对XG网络架构及其各功能模块的研究和描述。此外，美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）成立IEEE 802.16h工作组，通过改进媒体接入控制等机制解决全球微波互联接入技术（Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX）的频谱匮乏问题，从而确保未授权用户之间、未授权用户与授权用户之间的共存。2004年11月成立的IEEE 802.22工作组，致力于无线区域网（Wireless

18、 Regional Area Network, WRAN）空中接口的标准化，从而将认知无线电技术应用于电视广播的甚高频和超高频（Very High Frequency/ Ultra High Frequency, VHF/UHF）频带。一些著名的大学研究机构、研究学会论坛、各相关领域学者等也同步展开了对认知无线电的研究，并取得了显著的研究成果。2004年10月在Washington D.C. 召开的Cognitive Radios Conference会议主题定位于从软件无线电到认知无线电、自适应频谱管理工具和技术、认知无线电的频谱政策军事和商业要求等。2005年11月召开的DySPAN会议以

19、基于认知无线电的动态频谱分配和接入技术作为会议的主要议题。IEEE于2006年6月在希腊召开的首届面向无线网络和通信技术的国际认知无线电技术大会CrownCom2006探讨了认知无线电所涉及的频谱共享、租借频段的收费等技术和经济问题。DySPAN2007和WCNC2007以动态频谱接入和认知无线电技术为专题，继续展开对认知无线电频谱共享技术的研究和讨论。2008年IEEE通信选题杂志JSAC从博弈论、马尔科夫链、容量分析、软硬件平台、市场实现等方面对认知无线电技术进行了综述性讨论。近期，EURASIP Journal on Wireless Communications and Network

20、ing又从信息理论、信号处理、博弈论、协作通信、资源分配等角度对认知无线电通信系统中的干扰管理问题进行讨论和研究。认知无线电技术是无线电发展历程中的一个新的里程碑，其发展应用必定会给整个通信行业带来新的发展契机。认知无线电网络的应用领域主要集中在以下几个方面： 出租网络（Leased network） 认知网状网络（Cognitive mesh network） 应急网络（Emergency network） 军方网络（Military network）1.3 本文研究内容及结构安排本文主要针对认知无线电网络中的累加干扰展开分析和研究，通过二维极坐标建立主用户接收机处的累加干扰模型，根据数学模

21、型分析影响累加干扰的主要因素，并据此给出降低累加干扰的合理建议。本文内容具体安排如下：第一章，主要写认知无线电的概念、特点、功能及认知无线电技术的发展；第二章，分析认知无线电网络中的累加干扰，建立数学模型，讨论影响累加干扰的各种因素；第三章，基于带内频谱感知的认知无线电网络累加干扰模型分析。第二章 认知无线电网络累加干扰综述2.1 基于认知无线电的IEEE 802.22标准作为将认知无线电技术由概念变成现实的首个国际标准，IEEE 802.22 WRAN标准对于认知无线电技术的发展和演进具有极其重要的意义。IEEE 802.22 WRAN工作在54MHz862MHz的VHF/UHF频段中的TV

22、信道，WRAN认知设备可以自动检测TVWS频谱资源并加以利用，因此可与电视、无线麦克风等现有设备共存。802.22协议的一个最大的优点是使认知设备在无需预先注册的情况下使用频谱资源，能够在未来提供低价便捷服务。利用这一特点，802.22协议WRAN网络可以向低人口密度的偏远地区、单家庭住宅、多户住宅、家居办公（Small Office Home Office, SOHO）、小型商行和校园等提供数据、语音等宽带业务。下面将从WRAN的网络拓扑、覆盖区域、空中接口的分层结构及各层功能等方面对802.22标准进行全面介绍。一、WRAN的网络拓扑IEEE 802.22 WRAN系统是固定的点到多点（P

23、oint to Multipoint, PMP）无线空中接口，其网络拓扑如图2-1所示。WRAN网络中有一个基站（Base Station, BS）和多个用户终端（Customer Premise Equipment, CPE）。每个小区中的所有用户终端都受基站管理和控制。基站和用户终端之间使用IEEE 802.22空中接口进行通信，所有的用户终端只有通过基站授权后才能进行通信。 图2-1 WRAN的网络拓扑二、覆盖范围基站的典型覆盖半径为17km30km，最大可达100km，即使在目前有效全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power, EIRP）为4W的

24、条件下，基站的覆盖范围半径也可达到33km，是当今覆盖面积最大的无线通信网络。WRAN具有与非对称数字用户环路（Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL）相匹敌的传输速率，用户平均下行速率为1.5Mbps，平均上行速率为384kbps，平均频谱效率为2bps/Hz。三、IEEE 802.22空中接口标准以认知无线电技术为基础的IEEE 802.22空中接口最重要的特点是灵活性和自适应性。IEEE 802.22空中接口设计了一系列物理层和MAC层标准，允许基站根据频谱感知结果动态调整发射功率、工作频谱以及降噪机制，避免对授权用户造成干扰。IEEE 802.

25、22空中接口的协议栈及各层功能如图2-2所示。下面将重点介绍物理层和MAC层采用的关键技术。 物理层的频谱感知图2-2 空中接口的协议栈及各层功能物理层的频谱感知引入频谱感知函数模块，该函数输入变量来自频谱管理模块，包括信道数目、信道带宽、信号类型向量、感知窗口向量、感知模式、最大虚警概率等；输出变量返回频谱管理模块，包括感知模式、信号类型向量、信号存在向量、可信程度向量、场强估计向量、错误方差向量等。物理层的频谱感知采用两阶段的频谱感知机制。粗检（coarse sensing）阶段采用单一的感知方法（如能量检测、导频信号能量检测等），快速确定候选信道，强调感知时间；细检（fine sensi

26、ng）阶段针对粗检得出的候选信道，感知较弱的信号，获知候选信道的详细信息，从而确定候选信道无授权信号，确保对主用户无干扰。 物理层的定位为了确保各通信链路不对主用户造成有害干扰，WRAN系统必须能够确定基站和用户终端间的具体地理位置、以及WRAN系统与主用户系统之间的相对位置。通过在物理层采用卫星式定位的方法可以实现定位功能；此外，也可以在MAC层利用测距信息和共存信标协议（Coexistence Beacon Protocol, CBP）来确定基站和用户终端、各用户终端之间的距离，并绘制出相应的地理位置图。 共存共存问题包括WRAN系统与授权用户的共存、以及WRAN系统之间的共存。与授权用户

27、的共存问题对802.22系统而言至关重要，包括授权用户的感知、授权用户通告、授权检测恢复等一系列机制。授权用户感知通过在工作信道内采用两段式感知机制，实现授权用户的快速感知、QoS要求的精确保证。授权用户通告机制保证在感知授权用户之后，及时通知基站感知报告。授权检测恢复机制中，基站通过运行IDRP协议实现系统正常工作模式的快速恢复，将系统性能恶化的可能性降为最低。认知系统间的共存有两种解决方法，一种是共存信标协议，一种是基站间（inter-BS）通信。共存信标协议有两种工作模式，即主动模式和被动模式；基站间通信只是被动监听，仅能得到有限信息。 频谱管理为了有效地管理信道，IEEE 802.22

28、定义了4个不同的信道集合：工作信道集、候选信道集、占用信道集、空集。工作信道集为WRAN系统正在使用的信道集合，对于支持多信道的情况，工作信道集又分为动态集1和动态集2，分别为用户终端和基站工作所在的信道；候选信道集为某个用户终端或基站可用的一组空闲信道；占用信道集为某个用户终端发现的被主用户占用的一组信道；其余不在上述集合中的信道即为空集。IEEE 802.22根据感知结果进行各信道间的切换。一旦工作信道内出现授权用户，WRAN系统将迅速推出授权用户信道，工作信道转化为占用信道；一旦授权用户释放了占用信道，该信道就可以转化为候选信道或其它类型的信道，为认知系统服务。通过信道管理消息（如信道切

29、换请求/响应、信道中止请求/响应等）的传递，WRAN对系统中的信道进行高效、稳健的管理，从而实现主用户和认知用户的共存。 频谱礼仪规则为了避免对相邻小区造成干扰或者使干扰最小，IEEE 802.22制定相应的频谱礼仪规则，对基站间的资源共享进行规范。当工作信道出现授权用户、信道需求量发生变化、相邻小区请求租用信道等事件发生时，频谱礼仪机制将被触发，WRAN根据频谱礼仪机制对信道进行重新选择和更新。除了以上关键技术，IEEE 802.22在调制和编码设计、传输功率控制、动态频率选择等方面的规定和标准都为认知无线电无干扰的利用授权频谱提供了高可靠性和高保证性。2.2 认知无线电网络的干扰问题研究2

30、.2.1 机会频谱接入本文研究的认知无线电技术都是基于频谱共享技术中的覆盖共享技术，也即机会频谱接入技术。机会频谱接入技术包括三个基本模块：频谱机会识别、频谱机会利用及政策法规。在机会识别模块中，认知无线电设备对动态变化的授权频谱中的频谱机会进行精确识别、智能跟踪；在机会利用模块中，认知无线电设备根据机会识别模块提供的信息决定是否进行传输、以及如何进行传输；政策法规为认知无线电与授权频谱的共存提供政策保证。机会频谱接入的目的是在保护主用户不受干扰的情况下为认知用户提供足够的频谱资源。认知用户的性能需求和主用户的保护需要之间的矛盾关系对频谱机会识别、频谱机会利用以及政策法规等提出了更高的要求；其

31、中，频谱机会识别对实现无干扰通信至关重要，频谱机会的明确定义是实现精确识别的必要前提。图2-3 频谱机会示意图直观上看，只要信道未被主用户使用，就可以认为该信道是认知用户的频谱接入机会。事实上，考虑到主用户和认知用户的地理分布，频谱机会的概念更为复杂和丰富。结合图2-3，本节给出频谱机会的示意说明。图中A、B为一对认知用户，发射机A通过信道1向接收机B发射信号。如果A、B能够在限制其对主用户干扰的前提下正常通信，那么信道1对A、B而言就是机会频谱；这意味着，认知用户接收机B不能受到主用户发射机的信号干扰，同时认知用户发射机A也不能对主用户接收机造成干扰。为更好地分析上述场景，假设主用户系统和认

32、知用户系统具有如图2-3同样的传播特性和全方向的发射天线。此时，信道1为机会频谱的必要条件，如图所示：与认知用户发射机A距离为的范围内没有主用户在接收信号；与认知用户接收机B距离为范围内没有主用户在发射信号。很明显，由认知用户的发射功率和主用户的最大允许干扰决定，由主用户的发射功率和认知用户的可容忍的干扰限决定。由此可见，频谱机会由主用户系统和认知用户系统共同决定。一旦频谱机会识别不够精确或频谱机会利用不够合理，有可能发生两种干扰：主用户发射机对认知用户接收机的干扰，认知用户发射机对主用户接收机的干扰。网络干扰作为提高无线通信系统可靠性、吞吐率和频谱利用率的重要制约因素，一直受到研究人员的关注

33、。现有的处理无线网络干扰的方法主要有三种：通过时域或频域的正交性来降低网络节点间的干扰，如OFDMA技术就具有很好的抗干扰能力；将其它用户的干扰作为噪声，通过提高发射信号的功率来抵抗噪声；提高接收机设备的精确度，如增强多用户检测技术，将其它设备的干扰降为最低。随着认知无线电技术的发展，研究重点又转移到新的方向，即结合信息理论、信号处理、编码理论、博弈理论等，通过智能地利用干扰信息或者调整认知技术，提高无线通信系统的可靠性和吞吐量。下面，本章将分别介绍当前研究中对认知无线电网络两类干扰的处理方法。2.2.2 主用户对认知用户的干扰认知用户在机会地接入主用户授权频谱时，一方面要保证不对主用户系统造

34、成难以忍受的干扰，另一方面也要保证认知无线电网络的正常通信。但是，一旦认知用户和主用户共存，认知用户的通信不可避免地会受到主用户系统的干扰。与传统意义上的干扰不同，主用户是一个先认知无线电网络存在的传统网络，因此主用户系统对认知用户的干扰不像高斯噪声具有那么强的随机性。相反，认知用户可以事先获得主用户系统的相关信息，如主用户系统的业务模式、帧格式、载波频率配置、调制参数、编码参数等；通过掌握这些信息，认知用户可以对主用户系统造成的干扰加以利用。提出在时域利用主用户干扰实现认知无线电网络的分布式媒体接入控制，在空域利用自适应阵列天线对来自主用户的干扰进行干扰抵消。可以在认知用户节点配备主用户系统

35、的无线接口配置组件，从而使认知用户接收机能够同时解调主用户发射机信号和认知用户发射机信号；这样的操作模式可以通过解调和分离干扰的方式抵消主用户造成的干扰，为认知用户提供更多的可用频谱资源。2.2.3 认知用户对主用户的干扰认知用户采用机会频谱接入技术占用授权频谱的频谱空穴，必须要保证其在授权频谱的通信不会对主用户系统造成难以忍受的网络干扰。针对认知用户对主用户造成的干扰，提出在认知用户的感知阈值中引入差值，保证在感知阈值范围内的无干扰情况，从而在一定程度上解决了无线传播效应造成的不确定性，这种策略有效地控制了单个认知用户对主用户系统的干扰。但是，当多个认知用户同时传输时，认知无线电网络仍然有可

36、能会对主用户系统造成难以忍受的干扰；这种多个认知用户同时传输对主用户系统所造成的干扰即为累加干扰（accumulative interference / interference aggregation），一般情况下累加干扰主要对主用户系统的接收机造成影响。分析了WRAN网络带外（out-of-band）发射信号对授权用户所造成的累加干扰。通过建模分析指出，当认知无线电设备与无线麦克风共存于TV频段时，认知无线电设备对无线麦克风的累加干扰使得无线麦克风通信可靠性严重下降。针对认知无线电网络在主用户接收机处的累加干扰，目前主流的处理方法有两种： 干扰管理结合认知无线电的技术特点，通过对认知无线电

37、网络的累加干扰进行智能管理，将认知用户对主用户的影响降至最小。 建模分析通过建立数学统计模型，对认知无线电网络的累加干扰进行理论分析，并根据分析结果对认知无线电网络的网络参数进行调整和优化。无论哪种处理方法，最终的目的是通过认知无线电网络的认知能力和重配置能力控制认知无线电网络的通信行为，将认知无线电对主用户系统的干扰降至最小，从而提高无线频谱资源的利用率。接下来，本文将对认知无线电网络累加干扰的分析方法进行更深入的介绍。2.3 认知无线电网络累加干扰的分析方法2.3.1 干扰管理认知无线电对授权频谱的机会接入是基于频谱感知、频谱分析、频谱共享等一系列智能技术，因此，从频域、空域、时域改进认知

38、无线电技术对降低累加干扰、提高机会频谱接入的可靠性具有非常重要的作用。 频域由机会频谱接入技术可知，认知无线电要选择未被主用户使用的授权频谱进行通信。如果认知无线电能够利用更有效的方法（如信标信号）获得更准确的频谱信息，那么累加干扰将得到极大的抑制。 空域基于认知用户与主用户接收机的位置关系，认知无线电可以通过限制认知用户的发射功率，控制认知用户在主用户接收机处的累加干扰。结合自适应波束成形技术，认知用户可以通过控制发射功率的方向降低累加干扰。此外，采用预测技术，认知用户可以寻找最优的频谱机会，从而避免对主用户造成干扰。 时域认知用户的频谱感知技术也为干扰管理提供了非常重要的时域资源。认知无线

39、电对授权频谱的检测是周期性进行的，即每秒的检测周期内检测时间，其中参数是主用户容忍累加干扰的最长时间。根据主用户在不同信道的业务各自的特点设定检测周期和检测时间，能够有效地降低主用户与认知用户的碰撞，提高认知无线电的通信质量。干扰管理可以从频域、空域、时域等各个方面出发，或单独、或综合地改进认知无线电技术，有效地减小认知无线电对主用户系统的干扰，极大地提高认知无线电网络的可靠性和智能性。2.3.2 建模分析网络干扰的模型化在认知无线电通信系统的分析设计、干扰抵消技术的发展、电磁波发射的控制等方面具有重要的意义。干扰模型在超宽带技术（Ultrawideband, UWB）与其他窄带技术如GSM（

40、Global System for Mobile Communications）、WiFi等共存的应用中已经受到广泛关注。传统的网络干扰的建模方法是将网络干扰作为一种噪声。根据中心极限理论，在无中心控制的情况下多个独立信号造成的干扰可以被看作高斯随机过程；但是当干扰控制中心存在时，中心极限理论将不再适用。此外，针对脉冲干扰的相关研究也提出了几种重要的数学模型，如Class A模型、高斯混合模型以及稳定模等。与传统无线网络的网络干扰不同，认知无线电网络在主用户接收机处产生的累加干扰不仅与认知无线电系统的发射功率、天线增益、路径损耗等因素有关，也与主用户系统的发射功率等因素有关。要控制认知无线电网

41、络的累加干扰，需要建立累加干扰的数学模型，通过量化分析累加干扰的影响因素，将认知无线电技术在制度上的约束条件转化为系统设计、设备设计上的参数标准。将认知用户假设为具有一定功率密度的认知无线电发射机海（sea），通过建立累加干扰模型，对认知用户在主用户接收机处造成的累加干扰进行数学量化分析。采用中断概率作为主用户系统的性能指标，通过数学建模对平铺技术和覆盖技术的优劣进行对比分析。它服从泊松点过程的认知无线电系统在主用户接收机造成的累加干扰服从Gamma分布。也通过数学建模对认知无线电网络累加干扰的概率密度函数以及累加干扰造成的中断概率进行研究。但是以上累加干扰模型均以主用户发射机为模型的原点，而

42、非真正的干扰发生处主用户接收机，因此并不能直接反映认知无线电网络对主用户接收机处累加干扰的影响。本文将在前人工作的基础上建立以主用户接收机为中心的干扰模型，从而更直接地分析认知无线电网络累加干扰的影响因素。累加干扰的数学模型必须考虑以下造成干扰的基本物理因素：干扰源的传输特性，如调制方式、发射功率、同步方式等；干扰源在网络中的空间布局；通信介质的传输特性，如路径损耗、阴影、多径衰落等。 干扰源的传输特性干扰源的传输特性受干扰源的控制。在认知无线电网络中，认知用户可以通过对发射功率等的智能控制降低其在主用户接收机处的累加干扰。本文第四章将研究如何通过引入机器学习理论，实现对认知无线电网络发射功率

43、和累加干扰的智能控制。 干扰源空间分布模型常用的干扰源空间分布模型有确定性分布和随机性分布两种。确定性分布模型多适用于网络节点位置分布已知或网络结构已知的情况，如二维平面内的矩形格栅、三角形格栅、六边形格栅等。但是，很多网络场景仅具有关于节点分布的概率描述，无法给出确定性分布模型，因此只能采用随机的空间分布模型。齐次泊松过程作为具有最大熵的齐次过程，为网络节点的随机分布提供了简单、有效的随机模型，被应用于无线网络的包吞吐量的分析、差错概率和链路容量的研究、认知无线电网络累加干扰的分析等场景。此外，将认知无线电网络模型化为具有一定功率密度的发射机组成的海，简化和方便了对认知无线电网络中功率控制等

44、问题的分析。本文后续研究也将基于认知无线电发射机海的分布模型。 通信介质的传输特性通信介质即信道的传输特性对累加干扰的影响亦不容忽视。在许多无线系统的设计和分析中，发射机和接收机之间的功率关系已经足以反映通信介质的传输特性。定义发射机的发射功率为，则与其距离为的接收机的接收功率可表示为（2-1）其中，为振幅衰减指数，为功率衰减指数。公式中项表示大尺度路径衰落，振幅衰减指数与网络环境有关，变化范围为0.84，其中对应建筑物走廊内的衰落情况，对应高密度的城市环境中的衰落情况，对应自由空间（free-space）的衰落情况。为独立随机变量，可表示不同的传播效应，具体如下所示：仅有路径衰落：；具有路径

45、衰落和Nakagami-m衰落：，其中，服从均值为1方差为的gamma分布；具有路径衰落和对数正态阴影：，其中，服从均值为0方差为1的高斯分布；具有路径衰落、Nakagami-m衰落以及对数正态阴影：，其中，其中。认知无线电网络的累加干扰模型不仅要考虑认知无线电网络的传输特性，也要考虑主用户所在授权网络的传输特性等。2.3.3 干扰约束制定干扰约束是一个非常复杂的政策问题，过于苛刻的约束政策会降低机会频谱接入的潜在增益，过于宽松的约束政策又会影响主用户系统与认知用户系统的相容性。总体而言，干扰约束应该至少明确两个参数：主用户接收机能够容忍的最大干扰功率，主用户接收机处的累加干扰超出的最大允许概

46、率。参数表明主用户系统的噪声限，低于的累加干扰不会影响主用户系统的通信。考虑到主用户发射机和认知用户发射机的影响，可以用主用户接收机处的信干噪比阈值来代替；当主用户接收机处的信干噪比高于时，主用户接收机的通信不会受到认知用户的影响。参数表明主用户系统所允许的最大碰撞概率。考虑到频谱感知的误差必然存在，合理的最大碰撞概率对认知用户机会地接入频谱空穴非常必要；对于不完美频谱检测，甚至决定了认知用户的接入决策的制定。结合，也可以用中断概率来代替最大碰撞概率；，中断概率过大说明认知用户和主用户系统之间碰撞概率过大，主用户系统无法进行正常通信。此外，指定的干扰约束是针对认知无线电网络的干扰约束，而单个认

47、知用户也需要节点级的干扰约束。网络级约束到节点级约束的转换不仅与认知用户的位置、业务有关，也与通信介质的传播特性有关。第三章 基于带内频谱感知的认知无线电网络累加干扰模型分析随着认知无线电技术的发展、以及认知无线电在TV频段的应用，认知无线电研究正从理论走向实际应用。认知无线电累加干扰的模型分析不仅可以量化通信性能，也为实际的认知算法设计提供参考标准。结合IEEE 802.22 WRAN标准，本章考虑认知无线电在用户密集且近似均匀分布的市中心地区的应用；认知用户通过带内频谱感知，机会地接入广播电视系统TV频段的频谱空穴，有效地缓解了频谱资源紧缺的现象。然而，认知用户如何实现在主用户系统可容忍的

48、条件下动态接入授权频谱，是认知无线电在实现时面对的一个重大挑战。目前，对于多个认知用户对主用户接收机造成的累加干扰的研究已经有所开展。首次提出认知无线网络累加干扰的概念，并对频谱感知方式、功率控制等对累加干扰造成的影响进行了研究；但是研究未涉及用户位置分布的随机性、感知误差等因素。指出建立数学统计模型的必要性。通过建立数学模型，对影响认知无线电累加干扰的因素进行量化分析。但是以上研究中的数学模型都并非以真正的干扰处主用户接收机为中心；而是以主用户发射机为中心的，通过主用户接收机和主用户发射机之间的位置关系，间接反映干扰源与受干扰处之间的关系。本文将以主用户接收机为坐标原点建立数学模型，更直观、

49、更方便地分析实际应用场景中各可能因素对主用户接收机处累加干扰的影响。本章首先描述认知无线电网络的系统模型，如信道模型、网络模型、感知方式、干扰约束等；其次，通过对累加干扰的数学建模，研究认知用户的感知范围、主用户发射机和接收机之间的距离及路径损耗衰减指数等因素与累加干扰之间的关系。3.1 认知无线电网络系统模型3.1.1 网络模型结合IEEE 802.22标准的实际应用场景，本章考虑一对主用户、多对认知用户的频谱共享场景。主用户系统是由一个主用户发射机（Primary User Transmitter, PUT）和一个主用户接收机（Primary User Receiver, PUR）组成的广

50、播电视系统。认知用户系统是由多对认知用户组成的通信系统，假设每个认知用户小区中任意时刻仅有一个认知用户在通信，网络模型可简化表示为图3-1。认知用户通过频谱感知技术，采用机会频谱接入方式，机会地占用主用户的频谱空穴进行通信。图3-1 认知无线电网络的系统模型认知用户频谱感知的精确性会受到认知用户数量、认知用户位置等不确定性因素的影响，从而造成对主用户系统的累加干扰；此外，即使单个认知用户对主用户接收机造成的干扰极小，但是多个认知用户的存在会使得主用户接收机处的累加干扰极大，甚至超过主用户系统的可容忍程度。如图3-1所示，主用户接收机位于主用户发射机和认知用户发射机的发射范围之内，不仅会收到主用

51、户发射机的信号，还会受到认知用户发射信号的干扰；尤其在认知用户数量大、密度高的市区等通信环境里，这种干扰会更大，甚至对主用户系统的通信质量造成无法容忍的影响。因此，本章将重点考虑在高用户密度的城市中心地区，认知用户对主用户接收机造成的累加干扰与认知用户发射机的感知范围、主用户发射机和接收机之间的距离、路径损耗衰减指数等之间的关系。3.1.2 信道模型本章考虑高斯信道下的干扰模型，信道高斯白噪声密度为。参考式，与两用户间距离有关的路径损耗。可以用定义在区间的函数表示；对于给定的，要求路径损耗满足（自由空间路径损耗），其中。考虑到路径衰落，本文取；不失一般性，这里仅考虑的情况。本章假设主用户系统和

52、认知用户系统具有不同的路径损耗函数，为主用户发射机和主用户接收机之间的路径损耗函数，为主用户发射机和认知用户发射机之间的路径损耗函数，为认知用户发射机和主用户接收机之间的路径损耗函数；，,其中、为不同环境下的路径损耗指数。3.1.3 干扰约束根据干扰温度理论、主用户的通信要求，认知用户系统必须保证主用户接收机能够正确地解码主用户发射机的发射信号。假设为主用户接收机正确解码信息所要求的最小信干噪比，则主用户接收机处的信干噪比应满足（3-1）主用户接收机处的信干噪比可以表示为（3-2）其中，为主用户接收机处的信噪比，仅与主用户系统及高斯噪声有关；，为主用户接收机处的信干比，与主用户系统及认知用户系

53、统有关，对起决定作用。因此本章将重点考虑主用户接收机处的信干比。假设为主用户接收机正确解码信息所要求的最小信干比，则主用户接收机处的信干比应满足（3-3）本章将根据干扰模型计算主用户接收机处的信干比，分析认知用户发射机的感知范围、主用户发射机和接收机之间的距离及路径损耗衰减指数等对的影响。3.2.4 频谱感知图3-2 两种场景下的抑制区域示意图：带内频谱感知带外频谱感知要满足式（3-3）的干扰约束，保证主用户系统的通信质量，认知用户发射机要能够可靠地检测主用户的位置，从而最大程度的避免对主用户系统造成干扰。节的频谱感知分类不同，频谱感知技术也可以从频谱感知的检测信道的角度分类，分为带内（in-

54、band）频谱感知和带外（out-band）频谱感知。 带内频谱感知带内频谱感知是指认知用户周期性地检测主用户频段，一旦检测到任何授权信号，立即退出所占频段。检测周期决定了认知用户的传输对主用户造成干扰的最大时间。通常，检测周期由主用户系统的延迟敏感性等基本性能参数决定，需要事先设定。带内频谱感知的优点在于这种频谱感知方式无需对主用户系统进行任何调整。但是，它是基于主用户发射机的频谱感知方式，需要为主用户接收机设定保护范围，也即认知用户通信的抑制区域。如图3-2所示，和分别表示主用户系统的最大通信范围和认知用户的干扰范围。显然，认知用户要想保证没有主用户接收机在其干扰范围内，必须能够检测到范围

55、内的任何主用户发射机的活动，即认知用户通信活动抑制区域的半径为。抑制区域过大将导致认知无线电系统对其检测灵敏度的要求更为苛刻，从而导致认知无线电设备的费用和复杂度的提高。 带外频谱感知带外频谱感知是基于主用户接收机的频谱感知方式，带外指除业务信道之外的控制信道，带外频谱感知的过程可概括为：主用户接收机在控制信道发射信标信号；认知用户一旦检测到信标信号，立即中断传输切换至其它频段。与带内频谱感知不同，带外频谱感知要求主用户接收机采用全双工的工作方式，从而保证其可以在发射信标信号的同时与主用户发射机进行通信。如图3-2所示，带外频谱感知的优点在于将抑制区域的范围减小至，从而有效地提高频谱利用率。但

56、是带外频谱感知需要增加控制信道、改变主用户接收机的工作方式等，增加了成本费用。采用带外感知方式进行频谱感知，模型相对简单，但是需要专门的信标信道，同时也要对主用户接收机进行改进，成本相对较高。带内感知虽然对认知无线电的感知范围要求更为苛刻，但是无需专门的信标信道及发射信标信号的信令开销，在认知无线电实现时的频谱开销、设备成本及普适性等方面有相当大的优势，与带外感知方式相比更具有适用性。因此本章将采用带内感知方式进行频谱感知。假设已知主用户发射机的发射功率为，高斯白噪声功率为，认知用户发射机与主用户发射机间距离为，则认知用户接收到的主用户发射机发射信号的信噪比为假设认知用户采用能量检测的方法，则

57、认知用户检测到主用户发射机发射的信号的概率可以近似为（3-4）即当认知用户处的信噪比大于给定的阈值时，主用户发射机发射的信号就能被正确检测；当认知用户处的信噪比低于给定的阈值时，主用户发射机发射的信号不能被正确检测，被检测频段将被认为是频谱空穴从而被认知用户利用。结合（3-4）和（3-5）可以得到（3-5）式的等价形式：（3-5）其中，为无衰落高斯信道中认知用户的检测范围。当时，认知用户能够检测到主用户信号的存在，则该范围内认知用户不能发射信号进行传输；当时，认知用户检测不到主用户信号，则该范围内认知用户可以发射信号进行传输。接下来，本章将据此建立认知用户对主用户接收机造成的累加干扰的数学模型。3.3 基于带内频谱感知的认知无线电网络累加干扰模型3.3.1认知网络累加干扰模型根据前面的分析，接下来对网络模型进行抽象，并据此对主用户接收机处的累加干扰进行建模和分析。图3-3所示为网络模型的抽象图，主用户接收机位于原点。主用户发射机与主用户接收机之间的距离为（假设已知），发射功率为。认知用户发射机与主用户发射机之间的距离为变量，所有认知用户的发射功率均为。由于本文主要考虑用户密集的市中心地区，不妨假设认知用