航天智能通信原理与应用 课件 第7章 电磁频谱感知

电磁频谱感知方法从手机直连卫星说起……2023年9月中国电信“手机直连卫星”业务AST、SpaceX等低轨卫星星座支持手机直连从手机直连卫星说起……什么是频谱感知？如何进行感知？其效果如何？单用户频谱感知协作频谱感知0302基本概念01机会性动态性时空特性一、基本概念频谱感知：次级用户通过检测主用户的活动状态并确定频谱空洞的过程非授权用户，无固定授权频段，也称为认知用户、次用户授权用户，拥有固定授权频段分配给授权用户但在特定时间和地域内未被使用的频段，或者虽然被使用但功率很低，可以被次用户动态接入的频段功率时间频率被占用频谱频谱空洞频谱感知是认知无线电的核心技术一、基本概念功率控制与频谱决策发射信号无线激励无线电环境频谱感知信道状态估计与预测频谱空穴噪低统计流量统计干扰温度信道容量无线激励认知无线电的核心思想是通过频谱感知和系统的智能学习能力，实现动态频谱接入和频谱共享，从而支撑有限频谱资源的高效利用OR准则AND准则K/N准则等增益合并准则置信传播算法致性融合算法置信传播算法干扰温度检测本振泄露功率检测能量检测匹配滤波检测一、基本概念单用户感知技术协作感知技术主用户发射端检测主用户接收端检测频谱感知技术集中式协作频谱感知分布式协作频谱感知循环平稳特征检测最大化合并准则单用户频谱感知协作频谱感知0302基本概念01二、单用户频谱感知单用户频谱感知技术，是指认知网络系统中只存在一个次级用户进行频谱感知。

次级用户接收到的信号主用户发送的信号信道增益目标频段上的噪声接收信号只包含噪声接收信号包含主用户发射信号和噪声主用户存在且被成功检测的概率

主用户不存在但被误检为存在的概率二、单用户频谱感知次用户距离主用户较近，可对主用户发射机进行频谱感知主用户发射机次用户主用户接收机主用户接收机主用户接收机检测主用户发射机信号并提取其携带的信息，通过某种检测估计准则，来判断感兴趣的频段内主用户是否存在主用户发射端检测方法循环平稳特征检测匹配滤波器检测能量检测二、单用户频谱感知1.能量检测带通滤波器A/D采样平方模块积分器门限比较判决λs(t)主用户发射端检测方法检测主用户发射机信号并提取其携带的信息，通过某种检测估计准则，来判断感兴趣的频段内主用户是否存在YY>λ=>Y<λ=>

二、单用户频谱感知1.能量检测带通滤波器A/D采样平方模块积分器门限比较判决λs(t)主用户发射端检测方法检测主用户发射机信号并提取其携带的信息，通过某种检测估计准则，来判断感兴趣的频段内主用户是否存在Y二、单用户频谱感知

主用户发射端检测方法二、单用户频谱感知

主用户发射端检测方法

二、单用户频谱感知使用静态阈值，信噪比较低的环境中性能较差主用户发射端检测方法带通滤波器A/D采样平方模块积分器门限比较判决λs(t)计算复杂度低，应用广泛1.能量检测二、单用户频谱感知主用户发射端检测方法带通滤波器混频器判决输入A/D转换乘法器本地振荡器N个抽样求和λ

2.匹配滤波器检测次级用户已知主用户信息有用信号s（t）

主用户信息不准会导致匹配滤波器检测出错相干性

短的时间和接收样本获得高增益

二、单用户频谱感知带通滤波器混频器特征检测输入r（t）A/D转换FFT本地振荡器时间上取平均输出3.循环平稳特征检测主用户发射端检测方法不需预知主用户信息低信噪比条件下检测性能更好复杂度较高，且需要更长的感知时间单用户频谱感知协作频谱感知0302基本概念01结构简单实时性好广泛应用三、协作频谱感知第一阶段次级用户完成本地感知并上报本地感知结果至融合中心；第二阶段融合中心根据融合准则生成最终判决并下发至每个次级用户。1.集中式协作频谱感知卫星认知网络主用户网络次级用户1次级用户2次级用户3干扰接收机不确定性多径阴影和衰落主用户接收机三、协作频谱感知AND准则

OR准则

K/N准则

硬判决减少对主用户不存在的误判，发现主用户存在能力弱虚警概率升高检测概率和虚警概率的偏向性缓解1.集中式协作频谱感知（1）硬判决融合准则

1.集中式协作频谱感知三、协作频谱感知（1）硬判决融合准则最大比合并

1.集中式协作频谱感知三、协作频谱感知（2）软判决融合准则等增益合并消耗更多的传输带宽和传输时间，融合中心需要承担更多的计算负载，影响了感知的实时性2.分布式协作频谱感知三、协作频谱感知（1）一致性融合算法（2）置信传播算法（3）扩散算法在分布式协作频谱感知中，融合方法是重点

本地感知+一跳邻居交互+迭代2.分布式协作频谱感知三、协作频谱感知（1）一致性融合算法（2）置信传播算法（3）扩散算法在分布式协作频谱感知中，融合方法是重点马尔可夫随机场次级用户将自己的边缘概率分布传递给邻居用户迭代2.分布式协作频谱感知三、协作频谱感知（1）一致性融合算法（2）置信传播算法（3）扩散算法在分布式协作频谱感知中，融合方法是重点权重加权传递频谱感知算法优势缺点能量检测易于实现不需要主用户信号的先验信息受噪声影响大匹配滤波器检测感知精度高可实现理论最优性能需要先验信息对于不同信号滤波器不同循环平稳特征检测感知精度高复杂度高感知时间长干扰温度检测频谱共享灵活适合大规模感知网络干扰温度易波动干扰门限难确定本振泄露功率检测对高频率、弱信号检测效果好需要主用户周围分布大量传感器集中式协作频谱感知结构简单，实现复杂度低可靠性低需要同步分布式协作频谱感知结构灵活，不需要融合中心数据交互过程复杂易受恶意用户攻击小结课后作业如何进行频谱感知？无法检测到主用户信号，甚至可能干