（通信与信息系统专业论文）认知无线电系统的频谱检测算法研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho n s p e c t r u m d e t e c t i o n a l g o r i t h m o f c o g n i t i v er a d i os y s t e m c a n d i d a t e ：l i ux i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl iy i b i n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o ns y s t e m d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y l、 卜 后 ： f 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：琵l 砬 日期：2 0 f 1 7 年弓月，2 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等鹑厶 作者( 签字) ：壶1 昆导师( 签字) ：么豺殇 日期：为o 年弓月f 。日莎、 p 彩月从日 c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 技术通过频谱检测得到可利用频谱资 源( 频谱空洞) ，并将检测出的可利用频谱资源进行再次分配，供给未授权用 户使用。这种动态的频谱分配方式可以有效地解决当前频谱资源紧张的问题。 c r 已经成为未来无线通信领域研究开发的一个热点，其中的频谱检测技术 是认知无线电的关键技术之一。 论文介绍了认知无线电概念的提出，分析了认知无线电技术国内外的研 究现状，对目前常用的频谱检测技术以及各自的使用环境做了阐述，并重点 研究了传统能量检测以及传统多节点合作检测算法的原理和性能，为课题研 究奠定理论了基础。 针对在传统的合作频谱检测中，忽视各次要用户节点( s e c o n d a r yu s e r , s u ) 检测可靠性差异，各检测结果在中心判决节点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 处被 同等的对待，这使得系统性能很容易受到恶意用户的干扰。论文对这个问题 进行研究，提出基于可靠性的合作频谱检测算法，引入可靠性的概念，对于 检测可靠性低的用户赋予比较低的可靠性权值，从而有效的减少恶意用户的 干扰，提高了频谱检测的性能。论文进一步讨论了可靠性与检测距离之间的 关系，最后通过仿真分析，验证了与传统算法相比所提算法的在检测可靠性 方面的优势。 论文对传统能量检测算法进行了改进，通过在传统门限附近的不确定检 测区域内设置多个门限值，得到新的检测模型。提出基于多门限的多节点合 作检测算法，对落在这个不确定检测区域内的检测结果在新模型下做进一步 处理，各认知用户检测节点的检测统计量进行判决得到本地检测结果，a p 再利用各本地检测结果进行的决策得到最终检测结果。在此基础上本文分析 了不确定检测区域大小与检测性能的关系。仿真结果表明本文所提算法与传 统合作频谱检测算法相比在检测性能上有一定的优势。 关键词：认知无线电；频谱检测；合作检测；可靠性；多门限能量检测 i 产 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o g n i t i v er a d i o ( c 均t e c h n o l o g yc a ng e tt h ea v a i l a b l es p e c t r u mr e s o u r c e s ( s p e c t r u mh o l e s ) t h r o u g hs p e c t r u md e t e c t i o n ，a n dd i s t r i b u t et h e s es p e c t r u mh o l e s a g a i nt os u p p l yu n a u t h o r i z e du s e r s t h i sd y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o nm e t h o di sa p o t e n t i a ls o l u t i o nf o rc o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns p e c t r u ms h o r t a g e a n dt h el o w u t i l i z a t i o nr a t e i th a sb e c o m eah o ts p o to ft h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n f i e l d ，t h es p e c t r u md e t e c t i o nt e c h n o l o g yi s o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o r c o g n i t i v er a d i o t h et h e s i sa n a l y z e st h ec o n c e p to fc o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g y , t h es t u d y s t a t u sq u oa th o m ea n da b r o a d ，a n dt h es p e c t r u md e t e c t i o nt e c h n o l o g i e sw h i c ha r e u s u a l l yu s e d ，a n df o c u so nt h ep r i n c i p l e sa n dp e r f o r m a n c eo fe n e r g yd e t e c t i o na n d c o o p e r a t i o ns p e c t r u md e t e c t i o n ，l a y i n gat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rr e s e a r c h i nt r a d i t i o n a lc o o p e r a t i o ns p e c t r u md e t e c t i o n ，t h er e l i a b i l i t yo ft h es e c o n d a r y u s e r s ( s u ) n o d e s h a sb e e ni g n o r e d , t h ea c c e s sp o i n tt r e a tt h e s ed e t e c t i o nr e s u l t sb y s ue q u a l l y ，w h i c hm a k e st h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sv e r yv u l n e r a b l et oa m a l i c i o u su s e ri n t e r f e r e n c e b a s e do i l a n a l y s i s o ft h e p r o b l e m ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e san o v e lc o o p e r a t i v es p e c t r u md e t e c t i o nm e t h o d ，c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t o fd i s t a n c ef a d i n go nd i f f e r e n ts e c o n du s e r sa n dt h ec r e d i b i l i t yo fs p e c t r u m d e t e c t i o nf r o me a c hs e c o n du s e lf u r t h e r m o r e ，t h i s p a p e r d i s c u s s e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec r e d i b i l i t ya n dt h ed i s t a n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mi s b e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lm u l t i n o d e d e t e c t i o n ，w h i c hi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fs p e c t r u md e t e c t i o ni nc o g n i t i v er a d i o s y s t e m t r a d i t i o n a le n e r g yd e t e c t i o na l g o r i t h mi si m p r o v e di nt h ep a p e r , w eg e tt h e n e wd e t e c t i o nm o d e lb ys e t t i n gm u l t i p l et h r e s h o l d si nu n c e r t a i n t yd e t e c t i o na r e a p r o p o s i n g an e wc o o p e 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 mc o m b i n e dw i t h f 哈尔溟工程大学硕士学位论文 m u l t i t h r e s h o l de n e r g yd e t e c t i o n w ed of - u t h e rp r o c e s s i n gf o rt h ed e t e c t i o nr e s u l t s ， w h i c hf a l li nt h eu n c e r t a i n t yd e t e c t i o na r e a ，l o c a ld e t e c t i o nr e s u l tc a nb eo b t a i n e d b yj u d g i n gc o g n i t i v eu s e rn o d e sd e t e c t i o ns t a t i s t i c s a n dc e n t e rd e t e c t i o nn o d e m a k e sf i n a ld e c i s i o nu s i n gv a r i o u sl o c a ld e t e c t i o nr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c ea n dt h es i z eo ft h e u n c e r t a i n t yd e t e c t i o na r e a s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mp r o p o s e di n t h i sp a p e rh a sc e r t a i na d v a n t a g e si nt h e 盘e q u e n c ys p e c t r u md e t e c t i o np e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o o p e r a t i o ni j r e q u e n c yd e t e c t i o na l g o r i t h m k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ( c r ) ；s p e c t r u md e t e c t i o n ；c o o p e r a t i o nd e t e c t i o n ； r e l i a b i l i t y ；m u l t i - t h r e s h o l de n e r g yd e t e c t i o n ，t _ t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 认知无线电技术发展历史及研究现状2 1 1 2 认知无线电技术的应用前景。5 1 2 认知无线电的关键技术7 1 3 论文主要内容和结构安排9 第2 章认知无线电的频谱检测技术1 1 2 1 引言1 1 2 2 频谱检测技术分类n 2 2 1 概述1 1 2 2 2 认知无线电频谱检测技术分类1 3 2 3 频谱检测模型。1 6 2 3 1 信号检测1 6 2 3 2 假设检验1 6 2 3 3 认知无线电信号检测1 7 2 4 频谱检测的性能参数：1 8 2 5 本章小结1 9 第3 章认知无线电频谱检测算法2 0 3 1 基于发射机的检测2 0 3 1 1 匹配滤波检测2 1 3 1 2 能量检测2 2 3 1 3 循环平稳特征检测。2 7 3 1 4 基于发射机检测的性能仿真分析2 9 3 2 合作( 协作) 检测3 1 3 2 1 检测模型3 1 广 j t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 2 传统合作检测方式。3 2 3 2 3 合作检测性能仿真分析3 4 3 3 基于干扰的检测3 6 3 4 基于接收机的检测3 7 3 5 本章小结3 8 第4 章基于可靠性的多节点合作频谱检测3 9 4 1 引言。3 9 4 2 可靠性频谱检测算法模型3 9 4 3 算法描述4 1 4 3 1s u 处的本地检测。4 2 4 3 2 a p 处的最终决策。4 3 4 4 算法性能仿真分析4 4 4 5 本章小结。4 6 第5 章基于多门限的多节点合作频谱检测4 7 5 1 引言4 7 5 2 算法模型及描述4 7 5 2 1 算法模型4 7 5 2 2 多门限能量检测算法描述：4 9 5 3 算法性能仿真分析5 1 5 4 本章小结5 3 结论5 4 参考文献5 6 攻读硕士学位期间所发表的论文和取得的科研成果6 1 致 谢6 2 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章首先简要介绍论文工作的研究背景及意义，然后介绍了认知无线电 ( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的发展历史、研究现状以及应用前景；并通过对认知 无线电关键技术的叙述，提出本论文研究的基本问题和研究目标：最后，阐 述了论文的主要内容和结构安排。 1 1 研究背景及意义 随着无线通信技术在移动通信、公共安全、广播电视中的广泛应用，无 线用户的数量也急剧增加，当今社会人们对无线频谱资源的需要程度越来越 高，无线频谱资源已经成为当今社会重要的资源之一。特别是随着近年来无 线通信技术( 如无线局域网、无线个人域网以及无线城域网等技术) 的发展， 人们对无线通信的依赖程度进一步提高。目前的频谱分配政策为固定频谱分 配，将频谱分为授权频段和非授权频段两个部分。在授权频段上的频谱资源 主要是由国家统一管理、授权，固定分配给指定的授权用户使用，非授权频 段则用来满足非授权用户无线通信的需求。 然而，一方面，上述的无线通信技术集中工作的非授权频段已趋渐饱和， 无线频谱资源越来越稀缺。另一方面，从美国联邦通信委员会( f c c ) 提供 的测试结果【1 】【2 】上看：目前，相当数量的无线频谱资源的利用率非常低，而且 极不平衡，在空间、时间上存在着极大的浪费。可见，问题所在不是无线频 谱资源的缺乏，而是当前频谱分配政策下无线频谱资源的利用率低。提高现 有频谱资源的利用率成为解决问题的关键。 有限的可用频谱资源与偏低的频谱资源利用率之间的矛盾决定了需要一 种新的通信技术来开发利用现有的频谱 3 1 。目前正处于研究开发阶段的认知 无线电 4 s i c r 技术通过对频谱资源进行动态分配，从时间和空间上充分利用 那些空闲的频谱资源，从而有效提高频谱利用率，进而解决上述难题。认知 无线电已经成为了当前无线通信的一个“大事件”，是未来无线通信产业发展 l l t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的方n 6 1 。 1 1 1 认知无线电技术发展历史及研究现状 ( 1 ) 认知无线电概念的提出及定义的发展 认知无线电的概念是由j o s e p hm i t o l a 博士在1 9 9 9 年发表的一篇学术论 文中提出的。他在论文中阐述了认知无线电技术通过一种“无线电知识表示 语言( r k r l ) ”来提高个人无线业务的灵活性【4 1 【5 】o 认知无线电是一种能够通过学习来避免其他系统干扰的智能通信系统， 他可以根据外部环境的变化，调整自身的工作频率、发射功率和调制方式等 内部参数，实现对空闲频谱的有效利用，同时还能够感知到外部的环境 7 1 。 随着认知无线电技术研究的不断深入，研究人员和机构提出了许多新的、不 同的研究方法来丰富和完善认知无线电的功能，同时也推动着认知无线电系 统的发展。 认知无线电系统中将已分配频谱的用户称为主用户( p u ) ，需要“借 用频谱的用户称为认知用户( s u ) 。在认知无线电的发展历程中，人们对认 知无线电的定义及其功能的认识存在不同的观点，其中最具代表性的是 m i t o l a 和f c c 8 。 m i t o l a 认为认知无线电是软件无线电的智能代理，用软件定义无线电是 使其得以实现的理想平台，认知无线电能够通过r k r l 语言并基于模式的推 理方法来进行网络的智能交流【9 】。m i t o l a 对认知无线电的研究强调了其学习 和推理能力，他认为认知无线电系统能够通过学习不断地感知无线环境的变 化。m i t o l a 同时还提出了认知环的概念，主要包括一系列的认知学习步骤， 分别是检测、分析、调整、推理和学习等【1 0 1 。 f c c 的观点与m i t o l a 不同，他是从无线网络的工业实现角度出发的，认 为认知无线电技术是一种能使无线通信网络以一种动态的方式利用频谱资源 的关键技术。2 0 0 3 年1 2 月，f c c 对认知无线电做了以下定义：c r 是一种通 过与它自身的操作环境进行信息的交互，进而改变传输参数的无线电【1 1 1 。这 2 一 蠢 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个定义更广泛的业界人士所接受。通过这个定义所包含的信息可以归纳出认 知无线电的两个特点：认知能力和重配置能力【1 2 1 。 具体而言，认知无线电技术可完成频谱的快速检测，并对本地频谱资源 利用情况的改变作出快速的反映并进行有效的功率控制，同时它还可以与多 种无线电通信技术进行协作，提高无线通信系统整体的效能。 ( 2 ) 认知无线电的正式起步 上述对认知无线电的最初定义，由于很难在短时间内实现，因此，科学 工作者开始寻求易于实现的认知无线电技术。这其中以f c c 的工作最为突出： 2 0 0 3 年f c c 成立认知无线电工作组，次年在拉斯维加斯召开了一个认知无线 电的学术会议，标志着认知无线电技术正式起步。 f c c 提出了c r 的一个相当简化的版本【1 1 】f 1 2 1 。它建议任意无线电只要能够 具有自适应频谱检测功能就可称为是“认知无线电 。f c c 提出采用认知无线 电技术实现“开放频谱系统”，对于合法的授权用户( 也称主用户) 赋予较高 的优先频谱接入权，而具有认知无线电功能的非授权用户( 也称次用户或认 知用户) ，可以在不对主用户造成干扰的前提下机会的接入可用频谱，这种思 想有效的解决了频谱利用率低的问题。目前这种观点也被业界人士所广泛的 认可，认知无线电的应用也大多是基于f c c 的这个观点，因此也称认知无线 电为机会频谱接入无线电。 认知无线电的核心思想就是通过频谱感知( s p e c t r u ms e n s i n g ) 和系统的 智能学习能力，实现动态频谱分配( d s a d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ) 和频 谱共享( s p e c t r u ms h a r i n g ) 。 ( 3 ) 认知无线电的发展及研究现状 2 0 0 5 年2 月s i m o nh a k i n 发表了一篇认知无线电的综述性文章【1 3 】，从信号 处理的角度讨论了认知无线技术，开启了国际性的认知无线电技术研究。随 着c r 概念的提出以及相关技术的发展，各通信行业联盟和标准化组织都纷纷 开展的研究，并且开始着手制定c r 技术的标准和协议。这些组织、联盟及其 制定的协议和标准对c r 技术的发展起着至关重要的作用。 3 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目前涉及c r 技术标准制订的组织和通信行业联盟主要是美国电气电子 工程师学会( m e e ) 、国际电信联盟( u ) 和软件无线电论坛等。 w e e 对于c r 技术的标准化推进工作比较积极，目前正在制订的与c r 相 关的标准主要包括：m e e8 0 2 1 6 h 、w e e8 0 2 2 2 1 5 】【1 4 1 、w e e8 0 2 1 1 h 、m e e p 1 9 0 0 以及m e e8 0 2 1 1 y 等。 n u 的工作进展：i t u r 于2 0 0 6 年3 月提出一项的建议，由于软件无线电 不足以涵盖c r 的所有范畴，所以它建议将认知无线电单独作为一个研究课题 进行研究【1 7 1 。关于c r 技术的研究工作目前仍隶属于u r i 作组中的软件无 线电研究课题。2 0 0 7 年世界无线电大会( w r c ) 上通过决议，明确i t u r 将 对应用认知无线电系统技术和软件无线电是否需要相关管制政策方面的工作 进行研究，并将根据研究成果在2 0 1 1 年大会中提出软件无线电和认知无线电 系统的管理规则与相关条款。 软件无线电论坛方面：2 0 0 3 年8 月软件无线电论坛就提出放松当前固定 的频谱分配政策的建议，阐述通过开发新的自适应无线电通信设备来达到提 高频谱利用率的作用【1 7 1 。该论坛于2 0 0 4 年1 0 月成立了c r 工作组与c r 特 殊兴趣组，专门开展有关认知无线电技术的研究。c r 工作组主要任务是标 准化c r 的定义及确认可用于c r 通信技术。特殊兴趣组的任务是对c r 工作 组所确认的技术确定商业应用的价值。目前软件无线电论坛主要致力于开展 c r 平台的分析和多模式调整功能的研究【1 7 1 。2 0 0 6 年4 月，软件无线电论坛 于旧金山召开了c r 工作组会议。2 0 0 6 年6 月软件无线电论坛对c r 通信技 术可能面临的挑战进行了讨论。并在同年1 1 月组织了认知无线电的专题讨论 会。在2 0 0 7 年1 月软件无线电论坛会议上，软件无线电论坛c r 工作组与频 谱效率工作组决定对f c c 相关的一些工作做出回应【1 7 1 。2 0 0 8 年6 月，软件 无线电论坛召开了第五十九届大会，会议把电视空白频道的使用作为一个重 要议题。 目前，国外大学和一些科研机构也开始投入到c r 技术的研究当中。具 有代表性的是由美国国防高级研究计划署( d a r p a ) 资助的下一代无线通信 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( x g ) 项目【1 5 l ，主要研究c r 实现的系统方法和关键技术，以实现基于c r 技术的动态频谱应用【1 7 】；维吉尼亚无线通信技术中心主要研究基于遗传算法 的认知模型及c r 节点引擎实验床的研发；欧洲通信协会资助的d r i v e 、 o v e r d r i v e 1 6 】和t r u s t 项目主要研究在混合的多无线电网络中频谱的动态 分配和流量控制，对基于c r 应用的市场模型、c r 网络的定价策略和计费策 略也进行了初步研究【1 7 】；英国的移动电信技术虚拟中心也开始转向c r 的研 究，其多模终端研究小组与布里斯托尔大学通信系统研究中心开始联手进行 自适应射频技术的研究；此外，美国加州大学伯克利分校、德国柏林技术学 院、荷兰的代尔夫特大学等也有关于c r 方面的研究【”】。 近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪c r 技术的发展，包括清华大 学、电子科技大学、西安交通大学及香港科技大学等1 1 9 1 。“国家8 6 3 计划” 基金在2 0 0 5 年首次支持了c r 关键技术的研究。国内的多所大学也相继开展 了对c r 的研究，并取得了一定的进展。2 0 0 8 年初，中国“国家9 7 3 计划 在信息领域研究专项中启动了认知无线电网络基础研列1 8 1 。 目前，c r 技术的研究大都集中在m a c 层和物理层的功能上，主要包括 频谱检测技术、频谱分配技术以及功率控制等相关方面。这些方面的研究也 取得了重要的进展。对于更高层如传输层、网络层和应用层的技术，虽然目 前还没有深入的研究，但是已经引起了业界人士越来越多的关注。同时研究 人员对c r 通信技术中的频谱移动性管理、c r 通信的安全技术和c r 的跨层 设计等一些相关方向也产生了浓厚的兴趣。 1 1 2 认知无线电技术的应用前景 认知无线电技术的主要功能包括对频谱资源进行连续的检测、动态的分 配检测出的未被利用的频谱资源、同时，对发射端进行功率控制，减少相互 干扰。提高频谱利用率以及其他方面的独特优势，使认知无线电技术与其他 无线通信技术互补，具有着广阔的应用前景。 ( 1 ) 在w r a n 中的应用 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电视广播v h f u h f 频段作为传统的授权频段，一直担负着电视广播信 号的传输运载工作，但是在整个电视广播频段中，一些频段尚未使用，而在 使用的频谱带宽内，频谱资源的利用率也很低。在f c c 政策的鼓励下，i e e e 8 0 2 2 2 工作组将认知无线电技术应用于电视广播频段，并将其确定为w r a n 网络( 无线区域网) 的核心技术。该工作组致力于开发通过认知无线电技术 二次利用分配给电视广播的频段，为农村和一些偏远地区提供宽带无线接入， 使广播电视频段内的频谱达到较高的利用率。目前该工作组同时致力于对基 于c r 的w r a n 的物理层和m a c 协议标准的制赳2 。 ( 2 ) 在a d h o e 网中的应用 将c r 技术应用于低功耗多跳a dh o c 网络中时，为了支持分布式频率共 享系统的实现需要新的m a c 协议和路由协议例。 ( 3 ) 在u w b 系统中的应用 将c r 技术应用于u w b 系统中即认知u w b 无线电技术的提出是为了能 够实现多频带正交频分复用( m u l t i b a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，m b o f d m ) 和直序列超宽带( d k e c t - s e q u e n c eu w b ，d s - u w b ) 两种u w b 标准的互通【2 2 】。在u w b 系统中引入c r 技术可以使两种技术在 一定程度上形成配合，从而有效的解决i e e e 8 0 2 1 5 3 a 物理层m b u w b 和 d s o f d m 两种可选技术标准竞争陷入僵局的问题。 另外，由于传统窄带系统与u w b 系统之间存在着不可避免的干扰，在 u w b 系统中引入认知无线电技术来解决干扰问题也成为近几年业界人士研 究的热点。其中以对u w b 系统中基于认知无线电的合作共存算法的研究最 多。u w b 技术和c r 技术的相结合，成为了未来移动通信的发展方向之一。 ( 4 ) 认知多入多出无线电( c o g n i t i v em i m or a d i o ) 认知无线电系统的主要目标在于提高频谱的利用率，而m i m o 多天线技 术可有效的提高无线通信系统的频谱效率。将m i m o 技术引入到认知无线电 系统中，可以提供复用增益和载波频率的双重灵活性【2 1 】【2 3 】【列。 ( 5 ) 认知网状( m e s h ) 网 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 无线m e s h 网络是近几年出现的全新的网络结构，原有网络覆盖范围局 限在中心控制点的传输范围内，无线m e s h 网络采用中继的方式，各中继节 点作为中心控制节点的延伸，正是这种无线多跳的网络拓扑结构有效地扩展 网络覆盖范围。但微波频段受限于视距传输，在无线m e s h 网络中引入c r 技术将有助于在微波频段内频谱开放接入的实现【2 1 1 2 7 。 ( 6 ) 频谱与路由联合选择技术 认知无线电技术可根据周围环境的变化自适应地进行频谱的选择，而这 种频率的改变往往需要通过调整上层协议如路由协议等来实现【冽，因此需要 根据所选择通信频率的变化自适应地选择频谱检测路由协议，这种频谱与路 由的联合选择技术成为了值得关注的研究热剧2 1 1 。 1 2 认知无线电的关键技术 认知无线电的最终目的是通过检测能力和重配置能力获得最优的可用频 段，由于大部分的频段都已经被授权分配给授权用户使用，在短时间内无法 完成授权频谱收回实现真正意义上频谱资源动态分配，因而现阶段c r 技术 的主要任务是在于不干扰其它授权用户的前提下共享已授权的频谱资源。认 知用户使用瞬时的未使用的频段进行通信，如果该频段所授权的主用户恢复 通信，认知用户需要及时的转移到另一个未被占用的频段或是仍占有原频段 而通过改变传输功率或调制方式来避免对授权用户的干扰，下面简单地分析 认知无线电系统的几种关键技术。 ( 1 ) 频谱检测 授权用户相比c r 用户具有更高的频谱接入优先权。为了保护授权用户 的正常通信不受到干扰，c r 用户需能够快速准确地检测出空闲频谱资源以 供自身使用，并且在借用频谱资源进行通信时要能够及时检测到授权用户的 再次出现。这就要求认知用户能够实时地连续检测频谱，以提高检测的可靠 性【猢。 认知无线电的最终目的是通过检测能力和重配置能力获得最优的可用频 哈尔滨工程大学硕士学位论文 段。从利用和规避主用户这两方面职责上来看，频谱检测需要相应的完成两 方面的任务：一方面，需要及时准确的检测出可利用频谱资源供认知用户使 用；另一方面，认知用户在使用授权用户的频谱过程中，还需时刻监测授权 用户的出现，一旦授权用户出现，认知用户必须切换到其他可利用频谱，或 者降低发射功率以使其不对授权用户产生影响。可见，频谱检测是认知无线 电技术的第一个环节，也是各个环节得以正常运行、整个系统保持稳定的保 障。论文也将以此为重点进行深入研究。 ( 2 ) 动态频谱分配及共享频谱策略 考虑到由于受到很多政策、标准及接入协议的限制，还不能实现收回已 经分配给授权用户的频谱资源达到完全的动态频谱分配。因此目前关于c r 的频谱共享技术的研究主要是基于频谱统筹策略。将一部分频谱资源合并起 来组成一个公共的频段，这个公共的频段称为频谱池，同时将整个频谱池划 分成若干个子信道，认知用户可以占用频谱池中空闲的子信道进行通信。在 这种基于频谱统筹的策略中就要综合考虑c r 用户接入的公平性以及信道的 利用率，这种共享策略实际上是一个受限信道分配问题【2 5 1 。 ( 3 ) 频谱管理及功率控制 频谱管理及功率控制的功能是在c r 系统发送端实现的。接收机把检测 到的频谱环境、信道特征等传输参数反馈到发送端。根据这些反馈参数，发 送端再通过某些设定好的策略来完成对发射信号的频谱管理及功率控制，使 c r 系统的传输性能达到最佳。由于授权用户具有更高的频谱使用优先权， 所以c r 系统利用授权频谱资源实现频谱共享的前提是保证授权用户的正常 通信不受到干扰，而c r 用户的发射功率是造成干扰的主要原因，因此必须 控制c r 用户的发射功率，以避免影响该频段授权用户以及相邻授权用户的 正常通信【驯。 ( 4 ) 网络路由协议 认知无线电技术可根据周围环境的变化自适应地进行频谱的选择，而这 种频率的改变往往需要通过调整上层协议如路由协议等来实现【2 6 】，因此需要 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据所选择通信频率的变化自适应地选择频谱检测路由协议【2 1 1 。 除了上面提到的几种关键技术，一个完整的c r 通信系统还需要考虑多 用户接入方案、脉冲成型与编码调制、天线设计、安全机制、抗干扰技术等 诸多技术方面；此外要实现一个体积小、成本低、功耗低的c r 系统还要进 行自动增益控制器、低噪声放大器、射频滤波器等功能单元的优化设计。 1 3 论文主要内容和结构安排 本课题从认知无线电的模型、基本原理等方面入手，着重研究认知无线 电系统频谱检测的相关算法。在掌握匹配滤波检测、能量检测和周期平稳过 程特征检测等单节点频谱检测方法的基础上，重点研究合作频谱检测技术。 提出新算法，提高频谱检测的性能，并进行深入的仿真研究。 第1 章绪论本章首先简要介绍论文工作的研究背景和意义，介绍了认知 无线电的发展历史、研究现状以及应用前景；并通过对认知无线电关键技术 的介绍，提出本论文研究的基本问题和研究目标。 第2 章首先对认知无线电频谱检测技术进行了概述，其次对频谱检测技 术进行了分类，并分别对每种检测算法进行了简要的介绍，最后重点阐述了 认知无线电频谱检测的模型，以及性能参数。 第3 章具体介绍了认知无线电中现有的频谱检测算法。分别从原理模型 入手，对各种检测算法进行了详尽的介绍。并对基于发射端的检测方式中匹 配滤波检测、能量检测、循环平稳特征检测，以及多节点合作频谱检测算法 中三种传统合并方式进行了对比仿真研究，分析各种算法性能上的优劣。进 而介绍了各自的适用环境。 第4 章提出基于可靠性的多节点频谱检测算法。引入可靠性的概念，考 虑各节点检测的可靠性，将可靠性不同的检测节点赋予不同的可靠性权值， 用以在中心节点的最终判决中衡量判决信息的可靠性。中心检测节点再利用 各个本地检测结果以及这个可靠性权值，进行的决策得到最终检测结果。论 文还进一步研究了可靠性权值与检测距离之间的关系。仿真结果表明：论文 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所提检测算法的性能优于传统检测方法。 第5 章提出基于多门限能量检测的多节点频谱检测算法。对传统能量检 测模型进行改进，通过设置多个门限值对各认知用户检测节点的检测统计量 进行判决得到各个认知用户本地检测结果，中心检测节点再利用各个本地检 测结果进行的决策得到最终检测结果。通过对比仿真分析所提算法性能上的 优越性。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章认知无线电的频谱检测技术 2 1 引言 频谱检测是认知无线电的关键技术，是认知流程中最关键的一环，c r 用 户必须实时监测频谱变化，以避免与授权用户发生碰撞，频谱检测的可靠度 和有效性决定了是否会侵害授权用户的正常通信。c r 频谱检测技术包括检测 算法和检测机制两方面研究。频谱检测算法主要研究基于信号处理与分析的 物理层检测方法的设计和改进，包括匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳 特征检测三种经典基于接收机的检测算法，多用户的合作检测，基于干扰的 检测，以及基于接收机的本振泄漏功率检测等一些物理层检测算法。频谱检 测算法性能的优劣就直接关系到整个认知无线电系统的有效性及可靠程度的 大小。本章将对频谱检测算法做具体的分类说明，并通过理论分析及仿真对 比各种检测算法的性能优劣。 2 2 频谱检测技术分类 2 2 1 概述 作为一种新型无线电通信技术，认知无线电需要感知到周围环境的电磁 特征，并依据检测结果，智能决策，自动调整其设备的发射和接收参数。所 谓的“检测 ，就是在时域、频域和多维空间，对被分配给主用户( 授权用户) 的频段连续地进行频谱检测，检测这些频谱资源的使用情况，从而找出未被 主用户占用的频谱资源。这种暂时未被使用频段称为“频谱空穴 ，认知用户 ( 未授权用户) 可以临时使用频谱空穴。值得强调的是，频谱空穴并不能简 单地通过检测某些感兴趣的频带内信号能量得到，而需要更复杂的技术在时 域、空域和频域来检测。因此，频谱空穴概念包含了信号的时域、空域和频 域信息等。 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 频谱空穴的概念 如图2 1 2 s l 所示为某段频谱在一段时期内的使用状况。频谱检测的目的 就是检测出图中白色区域所示的频谱空洞供认知无线电系统所使用，同时不 对主用户造成有害干扰。在频谱空洞上，一般只含有噪声，功率较低；而在 正在使用的频谱段上，一般含有授权系统的信号，功率较高。频段感知算法 必须精确地判断出哪些频谱是正在被使用的频谱，哪些频谱是所谓的频谱空 洞。由于频谱使用状况随时间而不断变化，授权用户有可能会重新使用频谱 空洞，这时，认知无线电系统必须迅速的退出此频段以免对授权系统形成干 扰，因此认知无线电系统需要每隔一段时间就检测一次频谱使用状况，另外， 感知算法必须在很短的时间内完成检测，这样才能使认知无线电系统有更多 的时间去发送自己的数据，提高系统的吞吐率，另外也可以减少对那些在前 一感知时间段后重新使用频谱空洞的授权系统的干扰。最后，在感知某一频 段的过程当中，所有感知系统的用户都不能使用这一频段，不然无法分清此 频谱段是被授权用户所使用还是被感知用户所使用。总上，检测算法应当满 足精确性、周期性以及敏捷性等特点。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 暑 mm -mmr i 宣譬毫昌昌葺 2 2 2 认知无线电频谱检测技术分类 图2 2 频谱检测