（通信与信息系统专业论文）认知无线电频谱检测技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的发展以及无线电设备的日益繁多，频谱资源显得愈加紧张，因 此需要合理的频谱分配方法。认知无线电就是针对这一问题的一种解决方案，其 核心思想是检测主用户闲置的频谱资源并加以充分利用，实现同一频段的多用户 使用。检测主用户信号是否存在的频谱检测技术就成为认知无线电系统的关键技 术。 本论文概述了信号检测技术，如能量检测、匹配滤波器检测等，重点研究了循 环平稳检测法，并与能量检测法进行性能对比，仿真表明循环平稳检测性能明显 优于能量检测。论文讨论了循环平稳检测法检测统计量的选取，研究了循环谱峰 均比的特性，并对使用循环谱峰均比作为检测统计量的循环平稳检测法进行了仿 真，仿真表明使用循环谱峰均比作为检测统计量的循环平稳检测性能优于传统的 循环平稳检测法。 论文针对循环平稳检测在时变信道中性能有所下降的缺点，研究了一种基于遗 传算法的自适应循环平稳检测，通过设置加权系数有效的降低了时变信道对检测 性能的影响。论文详细论述了这种自适应检测法的原理，并进行了仿真和性能分 析。仿真结果表明在时变信道下，当信噪比和虚警概率相等时，自适应循环平稳 检测比传统的循环平稳检测检测率提高了o 1 到o 3 。 关键词：认知无线电频谱检测循环平稳检测遗传算法自适应循环平稳检测 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dt h ei n c r e a s eo f w i r e l e s sd e v i c ei nq u a n t i t y , r a d i os p e c t r u mr e s o u r c ea sal i m i t e dr e s o u r c eh a sb e c o m e m o r ea n dm o r es c a r c e o nt l l eo t h e rh a n d t h ea v e r a g eu t i l i z a t i o nr a t eo fs p e c t r u m r e s o u r c e si sv e r yl o wa n de x t r e m e l yu n b a l a n c e d c o g n i t i v er a d i oi sa p r o p o s a lt os o l v e t h ep r o b l e m ，a n di t sc o r e i d e ai st od e t e c tt h er a d i os p e c t r u ml c s o u r c ew h i c hi sn o t o c c u p i e d ，t h e nt h es e c o n d a r yu s e rc a nu s ei t i tr e a l i z e ss a m er a d i os p e c t r u mu s i n gb y m u l t i u s e r s s os p e c t r u md e t e c t i o ni st h ek e yt e c h n i q u ef o rr e a l i z a t i o no fc o g n i t i v e r a d i o s p e c t r u md e t e c t i o nt e c h n o l o g yi nc o g n i t i v er a d i oi sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , c o m m o ns p e c t r u md e t e c t i o na l g o r i t h m ss u c ha se n e r g yd e t e c t i o na r ea n a l y z e d t h e n t h et h e s i sf o c u s e so nc y e l o s t a t i o n a r yd e t e c t i o na n dc o m p a r e di tw i t he n e r g yd e t e c t i o n i t i ss h o w nb ym a t l a bs i m u l a t i o nt h a tc y c l o s t a t i o n a r yd e t e c t i o nh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e t h e nt h et h e s i sd i s c u s s e st h ec h o i c eo fd e t e c t i o n c r i t e r i o na n ds i m u l a t e st h e p e r f o r m a n c eo fc y c l o s t a t i o n a r yd e t e c t i o nw h i c hu s e ss p e c t r a lc o r r e l a t i o nf u n c t i o np e a k - a v e r a g er a t i oa sd e t e c t i o nc r i t e r i o n i ti ss h o w nt h a tc y c l o s t a t i o n a r yd e t e c t i o nu s i n g s p e c t r a lc o r r e l a t i o nf u n c t i o np e a k - a v e r a g er a t i oh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e i no r d e rt os o l v et h ep o o rp e r f o r m a n c eo f c y c l o s t a t i o n a r yd e t e c t i o ni nt i m ev a r y i n g c h a n n e l ，a na m c c m f ( a d a p t i v em u l t i - c y c l i cc o r r e l a t i o nm a t c h e df i l t e rd e t e c t i o n ) a l g o r i t h mw h i c hb a s e do i lg e n e t i ca l g o r i t h mi ss t u d i e di nt h et h e s i s t h i sa l g o r i t h m r e d u c e st h ea f f e c to ft i m ev a r y i n gn o i s eb y s e t t i n gw e i g h t e dc o e f f i c i e n t t h i st h e s i s a n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fa m c c m fi nd e t a i l ，t h e na n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo ft h i s a l g o r i t h mb ym a t l a bs i m u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti nt i m ev a r y i n g c h a n n e l ，w h e nf a l s ea l a r mp r o b a b i l i t ya n ds n ra r ee q u a l ，t h ed e t e c t i o np r o b a b i l i t yo f a m c c m fi sh i g h e rt h a no r i g i n a lc y c l o s t a t i o n a r yd e t e c t i o nb yo it o0 3 k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i os p e c t r u md e t e c t i o n c y c l o s t a t i o n a r y d e t e c t i o n g e n e t i ca l g o r i t h m s a d a p t i v ec y c l o s t a t i o n a r yd e t e c t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：滥日期丛厶：三：丝 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期勿压，c f 丝竺 二多正石l铲一必娅 第一章绪论 第一章绪论 移动通信的不断发展为人们提供了越来越强大、便捷的通信手段，它改变着 我们的生产与生活。当前以实现无处不在、高质量、高速率的移动多媒体传输为 目标的第三代移动通信系统己在部分国家和地区进入商用阶段。 在当今飞速发展的信息时代，随着无线技术的快速发展，无线业务越来越丰 富。日益增加的无线电用户使频谱资源越来越紧张，现代无线通信系统中频谱资 源的统筹分配是由无线电管理机构确定的，目前采用的是基于静态( 固定) 频带 分配的原则与方案。近年来通信界广泛认识到，固定频带分配是当前频谱资源稀 缺的主要原因之一。然而实际上目前大多数频域中频谱资源利用率很低，据美国 s h a r e ds p e c t r u m 公司测定，美国3 0 - - 3 0 0 0 0 0 m h z 频段的频谱使用情况调查发现该频 段的平均利用率只有5 2 ，显然这和当前广泛关注的频谱资源短缺互相矛盾【l 】， 因此我们需要有一种解决方法使它可以动态管理频谱( d y n a m i cs p e c t r u m a l l o c a t i o n ) 2 1 3 1 而认知无线电就被认为是一种潜在的解决方案。 1 1 研究背景 为解决频谱短缺与频谱利用率低下的矛盾，频率管理者开始考虑采用动态频 谱分配方式。它允许多个系统共享一个频段，在保证不影响其它系统通信的前提 下，允许后接入的系统占用频率，这种控制干扰的频谱共享机制，能大幅提高频 谱利用率，并使频谱短缺的现象得到明显缓解。为与现有通信系统兼容，在已分 配频段，动态频谱分配给拥有频率使用牌照的现有通信系统( 又称为授权系统， l i c e n s e ds y s t e m ，l s ) 赋予频谱使用的最高优先级，其它通信系统在授权系统不使 用频段时可租借频率，这些系统称为租借系统( r e n t a ls y s t e m ，r s ) 。当授权系统重 新占用频段时，租借系统必须及时的归还该频段，尽量降低对授权系统的通信质 量的影响。 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 4 i 5 】技术是实现上述动态频谱共享方案的一 种主流方案。认知无线电从软件无线电f 6 l r l 发展而来【4 】【8 】，它通过检测空中信号占 用的频谱，探知所处无线环境中空闲的频谱资源，然后选择可被自己使用的频率 进行通信。租借系统采用认知无线电技术，就能实时地跟踪授权系统占用频率的 状况，及时地使用、及时地释放频段，在保障授权系统通信的前提下，与授权系 统动态共享频谱。由于采用频谱检测的方式获取频谱信息，认知无线电技术能适 认知无线电频谱检测技术的研究 应无线环境频谱使用状况的短期变化，实现频谱的高效利用，并且它不要求改造 现有系统，对无线信道环境和用户需求都具有较好的适应性。 经过以上讨论，认知无线电应该具备以下两个主要特征： 1 认知能力 认知能力使认知无线电能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而 可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源( 也称为频谱空洞) ，并选择最适当的频 谱和工作参数，这一任务通常采用图1 1 所示的认知环来完成。 射 频 激 励 图1 1 认知环 图1 1 所示的认知环中包括三个主要的步骤：频谱检测、频谱分析和频谱判决。 频谱检测的主要功能是监测可用频段，检测频谱空洞；频谱分析估计频谱检测获 取的频谱空洞的特性；频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段 传输数据。 2 重构能力 重构能力使得认知无线电设备可以根据无线环境动态编程，从而允许认知无 线电设备采用不同的无线传输技术收发数据。重构的核心思想是：在不对主用户产 生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段 被主用户使用，认知无线电有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是 继续使用该频段，但改变发射统率或者调制方案避免对主用户的有害干扰。图1 2 描述了认知无线电功能的认知循环模型。 第一章绪论 3 图1 2 认知无线电模型 从图1 2 可以看出，认知无线电通过分析外部环境提供的激励来认识它通信的 任务和内容，然后对接收和发送的内容进行分析，再选择合适的解决方式，目的 是为了实现通信的高可靠性和频谱的高利用率。 1 2 认知无线电中的频谱检测 频谱检测是实现频谱自适应、乃至动态频谱共享的关键点，因此也是认知无 线电实现的第一步，也是实现的难点所在。在认知无线电中，次用户比主用户频 谱接入优先权低，为不对主用户造成有害干扰，次用户需能够独立地检测出空闲 频谱。为此认知无线电中的频谱检测需要达到以下两个方面的要求： 1 适应复杂多变的无线传播环境的要求 由于频谱检测是盲检测，它往往需要提取信号特征来判断信号频率。关于各 频段的授权系统的信号特征可以事先记入认知无线电系统中，查询就可知道某一 频段可能出现的授权系统的信号特征1 9 。但其它共存的非授权系统的信号特征可以 是任意的，这增加了频谱检测的难度。同时，同一环境下可能存在多个授权系统 和多个认知无线电系统，认知无线电不但要能分别检测出各种模拟的或数字的、 宽带的或窄带的、强劲的或微弱的信号所占用的频段，而且还要解决各种系统共 存、各种信号共存的频谱识别问题。认知无线电所面临的无线传播环境非常复杂， 无线传播环境中存在路径损耗、阴影衰落和多径衰落，并且在不同频段和不同通 信环境下，路径损耗、阴影衰落和多径衰落还将呈现不同的特点。此外，认知无 线电系统的覆盖范围越广，各认知无线电设备所处无线环境的差异就也将越大。 这些都要求认知无线电对无线传输环境具有高度的适应能力，能在各种条件下正 确地检测信号频谱。 2 认知无线电系统自身效率的要求 频谱检测可以看作是认知无线电系统的一种系统开销。为避免认知无线电系统 自身信号传输对频谱检测的干扰，有些系统( 如i e e e8 0 2 2 2 系统) 专门设置了静默 4 认知无线电频谱检测技术的研究 期( s i l e n c ep e r i o d ) 1 0 1 ，在静默期内认知无线电系统不进行通信。同时，为跟踪无线 环境中频谱使用状况的变化，如授权系统是否重新占用频率，认知无线电系统需 要周期性地进行频谱检测。周期性出现的静默期将占据可观的系统开销。并且， 一些频谱检测方法需要通过多个认知无线电节点进行协作频谱检测，这将进一步 减少认知无线电系统可用于自身通信的时间资源。为降低频谱检测的系统开销， 需要尽量减少单次频谱检测所需的信号观测时长，延长频谱检测的周期，并减少 参与频谱检测的节点数。 在认知无线电中，频谱检测技术不仅仅在“频谱空洞的搜寻和判定中起关 键作用，在系统的通信过程中，它还需要负责频谱状态的实时监测。对频谱的监 测一方面可以搜集无线环境的统计资料，为高层的频谱管理提供辅助；另一方面 进行实时的干扰估计，为系统的发射端进行功率控制提供必要的参数支持。 1 3 认知无线电中频谱检测技术的现状 现在对于认知无线电频谱检测技术的研究主要可分为两类：一类是利用认知 无线电系统提供的资源，通过一定的信号处理技术来提高频谱检测性能的增强型 技术。另一类是利用接收信号某些特征进行频谱检测的基础型方法。对这类技术 的研究，将主要解决各种信号的频谱检测问题，以及多种信号共存时的频谱检测 问题。 对于增强型技术，研究主要集中于解决抵抗无线信道路径损耗、阴影衰落和 多径衰落的能力，并且提高认知无线电系统自身的效率等问题。例如，受无线传 播环境的影响，单个认知无线电节点的接收信号可能会出现深度衰落，这时单纯 依靠基础型的频谱检测技术将无法准确地检测出主用户占用的频谱，可以通过协 作频谱检测技术合并多个认知无线电节点的检测结果，利用空间分集来抵抗信号 衰落。由于此类方法不是本论文研究重点，下文将不再赘述。 对于频谱检测的基础型方法，目前国内外已经有很多文献在研究未知信号检 测的参数估计，归纳起来主要有能量检测法和循环平稳检测法两种。 能量检测法由u r k o w i t z 在1 9 6 7 年提出】，能量检测的基本出发点是在通信信道 中信号加噪声的能量大于噪声的能量。作者还推导了理想的全功率辐射计在平稳 高斯白噪声背景下的输出统计分布。能量检测算法能得到比较满意的检测效果并 且实现简单，但能量检测法对未知噪声、功率变化噪声及强干扰十分敏感。实验 认证了当信道环境较差时，由于噪声的功率较大，因此是否存在通信信号对能量 检测的检测统计量影响不大，此时能量检测性能大大降低。针对这些问题从上世 纪6 0 年代，开始很多学者深入研究了这种算法并提出了不少改进算法。如 m k s i m o n 等1 1 2 提出的加入自适应滤波器的能量检测算法，原理是在能量检测法前 第一章绪论 5 加入自适应滤波器来抑制噪声，提高能量检测算法性能。但这种改进算法需要对 噪声做出准确的测量，噪声测量的误差对算法性能影响很大，而且加入自适应滤 波器后，能量检测计算复杂度明显增大。a m o r o s o 【l3 j 提出的自适应调节门限值的能 量检测算法，其原理是随噪声环境的变化自动调节检测门限，提高检测率，但这 种算法也有其不足之处：第一是需要对信道中的噪声做出比较准确的测量，第二 是当信道环境较差时，调整门限值也不能提高算法的检测率。还有y h u r 等提出的 多分辨率能量检n t l 4 】，原理是使输入信号和小波相乘进行小波变换，使用小波变 换代替常用的傅里叶变换，将输入信号相关变换的结果作为统计量进行检测，能 够提取多路检测信号的特征以达到更好的检测性能。虽然历年来各国学者提出了 很多有关能量检测的改进算法，但这些方法并不能从根本上解决能量检测在低信 噪比下检测率低的问题。 国内学者对能量检测也做了很多研究，如张瑛瑛等【l5 】提出了种协作式能量 检测的方法，通过近似计算将检测时间缩短，提高检测效率。仿真结果证实，该方法 能有效提高检测结果的准确性。还有隋丹f l6 】等提出的基于能量检测的突发信号存 在性检测算法，推导了复高斯白噪声信道中噪声方差未知时检测突发信号的能量 检测算法，给出了其检测概率和虚警概率的表达式。作者还提出了一种基于主分 量分析的短时能量检测算法，能够用较少的观测数据获得与原算法相当的检测结 果，在不同信噪比下对不同调制类型的突发信号进行了仿真。 另一种使用非常广泛的信号检测算法就是w a 。g a r d n e r 提出的利用信号循环 平稳特性的循环平稳检测法【1 7 1 1 8 】，循环检测算法通过计算调制信号的循环谱提取 出调制信号的循环平稳特性，能够在低信噪比下将信号和噪声有效分开，具有低 信噪比时检测性能良好以及实现简单的优点。g a r d n e r 对循环平稳基础理论及其应 用做了很多研刭1 9 1 1 2 0 l ，他运用循环平稳理论建立了对弱信号检测的统一理论框架 f 2 】1 ，并指出已有的或正在研究的各种检测方法之间的相互关系，论证了在未知噪 声、功率变化噪声及强干扰情况下，循环平稳检测性能比能量检测更优越。l 1 z z o 等研究了对低截获率信号检测的同步多循环检测法与单循环检测法【2 2 】，使用计算 “偏移 的方法代替计算检测统计量分布的方法，论证了循环平稳检测法检测低 截获率信号的性能，仿真表明了循环平稳检测抗噪性能更强，检测性能明显优于 能量检测。g a r d n e r 还研究了用两个截获接收机对弱循环平稳信号的检测与时差定 位【2 3 1 ，使用循环平稳检测法构造出最大似然概率和最大信噪比两种最优接收机， 通过计算信号到达接收机的时差来进行信源定位，作者还研究了弱循环平稳信号 的谱相关性，提出了实现部分截获性能最优的循环平稳检测法。l 1 z z o 等1 2 4 1 1 2 5 j 延 续g a r d n e r 的研究，讨论了在非高斯噪声信道下，使用双截获接收机对弱循环平稳 信号的检测与时差定位，通过计算“偏移”的方法来验证接收机的检测性能和信 源定位性能，研究了选择不同循环频率对接收机性能的影响。作者还使用能量检 6 认知无线电频谱检测技术的研究 测法来构成接收机，并与循环平稳检测构成的接收机性能进行了对比，证明了在 非高斯噪声信道下，不管是检测信号还是信源定位，循环平稳检测性能都优于能 量检测。 国内学者对循环平稳检测也进行了很多研究，如陈星等【2 6 1 提出了基于循环平 稳特性的多天线合并频谱检测方法，首先从各天线接收信号的谱相关函数中提取 信道频域响应信息，在频域合并各天线的接收信号然后对合并信号进行频谱检测。 该方法能充分利用多天线系统的空间分集，提高频谱检测的性能。如曹士坷等1 2 7 】 提出的基于调制引入循环平稳的多用户系统盲检测研究，使用了基于循环平稳检 测等干扰抑制技术的新型检测，克服了近远问题，性能可以与多用户检测相当。 另外还有利用信号高阶统计量特征的高阶统计量检测法【2 8 】【2 9 】，利用信号时频 特性的时频检测法【3 0 】【3 l 】等等，但综合来说能量检测法与循环平稳检测法是使用最 广泛并且被国内外学者研究最多的两种算法。能量检测法虽然计算量低，但检测 性能差，不能分辨噪声与信号，也不能分辨在同一频段上共存的信号。循环平稳 检测法、高阶统计量检测法和时频检测法都具有信号分辨能力，但计算复杂度较 高。综合考虑计算复杂度和对信号的分辨能力，尤其是分辨共存信号的能力，循 环平稳检测法具有明显优势，它通过极少的几种循环统计量就能分辨绝大多数通 信信号。 1 4 论文内容安排 本论文重点研究了认知无线电的频谱检测技术，特别是能量检测算法和循环 平稳检测算法，在m a t l a b 环境下进行了仿真，对仿真算法的性能和适用情况进 行了比较分析。 第一章概述了认知无线电的产生背景和模型以及认知无线电主用户信号的检 测方法发展现状，最后给出论文的结构安排。 第二章简要概述了现有的认知无线电频谱检测技术的一些算法。 第三章重点研究了循环平稳检测算法，论述了循环平稳检测算法的原理并在 m a t l a b 下仿真实现。分析了循环平稳信号检测系统性能，并与能量检测算法进 行了比较。研究了循环平稳信号检测量的选取问题，m a t l a b 仿真表明，使用循 环谱峰均比作为检测统计量的检测系统在性能上具有优势。 第四章研究了在时变信道下使用的自适应循环平稳检测法，简要叙述了其算 法思路，在m a t l a b 下进行仿真，并和循环平稳检测算法作性能对比。 第二章认知无线电检测技术 第二章认知无线电频谱检测技术 虽然认知无线电技术能以更灵活的方式来管理有限的频谱资源，但是真正将 其应用实际通信系统还需要解决包括频谱检测，自适应频谱资源分配等问题。认 知无线电技术能够感知并分析特定区域的频段，找出适合通信的“频谱空洞”，利 用某些特定的技术和处理，在不影响已有通信系统的前提下进行工作。因而，从认 知无线电工作流程上可以看到，应用认知无线电技术最先进行的是检测主用户信 号的有无，即频谱检测和“空洞”搜寻与判定。 2 1 认知无线电检测概述 如果将频段分为三种不同的情况：黑空，存在高功率的干扰；灰空，存在低功率 的干扰；白空：仅存在环境噪声量，包括热噪声、瞬时反射、脉冲噪声等。那么频 谱检测的任务就是查找适合认知无线电业务的白空，同时对工作频段在黑空( 或灰 空) 和白空之间的转变进行监测。认知无线电检测就是要在主用户不使用该频段的 情况下检测出该频段未被使用。 认知无线电检测就是在各频段连续不断的检测是否有主用户在发射信号，若 检测有主用户信号，则认为主用户存在，次用户暂时不使用该频段；反之次用户 可以利用该频段传送信息。这是认知无线电的一种智能化的动态频谱资源管理方 式，即主用户拥有最高的频谱使用优先级，若干具有低优先级的认知无线电用户 可以与它分时段分享频谱资源，提高频谱资源的利用率。在认知无线电网络中， 认知动态频谱处理的第一个任务是无线环境下频谱空洞的检测。认知无线电系统 中频谱检测的作用是尽量快而准确的确定未被占用的频段，因此，频谱检测的速 度和准确性是极其重要的。频谱检测技术是c r 应用的基础和前提。现有的频谱检 测技术可以按照图2 1 进行分类。 认知无线电频谱检测技术的研究 图2 1 频谱检测技术分类 单节点检测是指单个次用户根据本地的无线射频环境进行频谱检测；而协同 检测则是通过数据融合，基于多个次用户的感知结果来进行综合判决。 单节点检测技术包括主用户发射端检测和主用户接收端检测两类，其中主用 户发射端检测主要通过判断主用户发射端是否处于工作状态来进行频谱检测，主 要包括匹配滤波、能量检测和特性检测三种。由于这些方法各有优缺点，实际应 用时通常结合使用。匹配滤波中次用户需要知道主用户信号的信息，检测时间短： 能量检测中次用户不需要知道主用户的信号信息，实现简单，受噪声不确定性影 响较大而且不能区别信号类型：特征检测检测性能高而且可以区别噪声和信号类 型，但要求主用户信号具有周期自相关特性而且计算复杂度高。 主用户接收端检测是通过判断主用户接收端是否处于工作状态来判断主用户 是否正在使用频谱的方法。主用户接收端检测的主要算法有本振泄露能量检测和 基于干扰温度的检测。本振泄露能量检测主要根据主用户接收机射频前端有无本 地振荡器泄露的功率进行判断，该方法的检测范围比较小，而且检测时间也比较 长。干扰温度是美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 提出的一个新概念，是一种测量预期产生噪声的办法。次用户检测频带内已有的 通信，并预测自己的传输对主用户接收机产生多大的干扰，这个干扰被称为干扰 温度。只要次用户传输时造成的干扰温度不超过干扰温度门限，次用户就可以使 用这个频段中的频谱空洞，该方法对处于边缘的主用户接收机不能提供有力的保 护，很容易受到次用户的干扰。 认知无线电要求频谱检测能够准确地检测出信噪比( 讣限) 大于某一门限值的 主用户信号，通常这个s n r 的门限值是很低的，对于单节点检测来说，要达到这 个要求并不容易。为此，人们研究协同频谱检测，通过检测节点间的协作达到系 统要求的检测门限，从而降低对单个检测节点的要求，降低单个节点的负担。协 同频谱检测的另一个优点是可以有效的消除阴影效应的影响。协同检测可以采用 第二章认知无线电检测技术 9 集中或者分布式的方式进行。集中式协同检测是指各个检测节点将本地感知结果 送到基站( b a s e s t a t i o n ，b s ) 或接入点( a c c e s s p o i n t ，a p ) 统一进行数据融合，做出 决策；分布式协同检测则是指各个节点间相互交换感知信息，各个节点独自决策。 影响协同频谱检测的关键因素除了参与协同的单节点的感知性能外，还包括网络 拓扑结构和数据融合方法：另外在协同频谱检测中，不同感知节点的相关性和单 个节点的不可靠性也会对频谱检测的性能产生重要影响。 在认知无线电应用中，在一般情况下可以把信号检测看作是一个二元信号检 测问题，可以建立一个相对应的信号检测模型，有风和日。两个假设： 地，也箸 仁， 其中x ( f ) 为接收端接收到的信号，s ( f ) 为主用户发端信号，刀( f ) 为噪声，日。代 表在检测频段上不存在主用户信号，鼠代表在检测频段上存在主用户信号。 2 2 干扰温度 干扰温度1 3 2 】可以看作是频段内的干扰功率谱密度，它的设定是用来量化和管 理无线环境中的干扰问题。针对经过谱估计得到的干扰温度，可以给出干扰温度 界限。通过干扰温度界限可以对观测的“频谱空洞进行选择，超过界限的干扰 或其它噪声都是不符合通信要求的频谱。 通常的无线电环境是以发送端为中心考虑的，但由于信道中经常存在不可预 测的干扰源，从而引起信号传输性能的下降。为了避免这种情况，确定和控制无 线电环境中的干扰源，f c c 研究了干扰的估测过程，提出了新的度量标准干扰温 度，干扰温度门限规定了在某频带和特定地理位置满足接收者需求的最差场合的 无线传输环境特征。上述建议的用途可表述为： 1 在某感兴趣的频带内，接收天线处测量到的干扰温度为可接受的无线电干扰提 供了精确的量度标准，如果噪声基准超出了干扰温度限，将认为在该频带内的 通信系统性能是很差的。 2 给定任一个频带，测得通信系统接收处干扰温度不超过一定界限，等待服务的 用户就能使用它，干扰温度门限将作为该频带的无线电频率能量的上限。 在认知无线电领域进行干扰温度估计时，为了能够更好地感知待测区域内的干 扰温度，在频谱分析算法中引入了空间的概念，通常用大量的传感器分布在该区 域内，进行无线信号的接收。这些传感器可以是指专门设置的接收天线，也可以 是认知无线电系统的各个无线用户终端，其基本结构如图2 2 所示。 1 0 认知无线电频谱检测技术的研究 频谱算 图2 2 干扰温度估计示意图 通过这些传感器进行无线环境的探测，可以区分无线信号在空间上的差异。 针对来自多个传感器测量得到的多组接收信号，经过恰当的频谱分析算法即可得 到对应于特定空间、时间和频段的干扰温度估计值。将该干扰温度估计量和设定 的干扰温度门限比较，若在连续的几个时段内均小于门限要求即可认为出现了“频 谱空洞 。 总之，干扰温度用来表征次用户在共享频段内对主用户接收机产生的干扰。 系统设定一个保证主用户正常运行的干扰温度门限，该门限由主用户能够正常工 作的最坏信噪比水平决定。次用户被看作是主用户的干扰，一旦包括次用户信号 在内的积累干扰超过了干扰温度的门限，主用户系统就无法正常工作，反之，可 以保证主用户与次用户同时正常工作。 为了成功的通信，认知无线电系统必须保证在共享频谱资源的同时不造成干 扰，然而干扰温度方法不能提供这种保证。其原因是“干扰温度”机制存在一些 问题，如次用户工作机会小，干扰温度值检测困难，影响主用户的服务质量等。 2 3 匹配滤波器检测法 匹配滤波器检测法是信号检测中的一种比较常用的方法，当次用户知道主用 户信号的先验信息( 如调制类型、脉冲整形、帧格式等) 时，匹配滤波器检测法 是最优检测算澍3 3 1 ，它能够使接收信号的信噪比最大化。匹配滤波器检测法框图 如图2 3 所示。 第二章认知无线电检测技术 图2 3 匹配滤波器检测框图 图2 3 中输入信号为： x ( t ) = s ( t ) + ( f ) ( 2 - 2 ) 其中，s ( f ) 为发端发射信号， ( f ) 为加性高斯白噪声。 匹配滤波器检测原理是在接收端使用发端发射信号s ( ，) ( 假定接收端已知发端 发射信号) 与接收到的输入信号工( f ) 取样后相乘作为检测法的检测统计量n 】，= x ( 力) s ( 刀) ( 2 3 ) | 1 1 ， 式中，n 为检测法观测长度，x ( 刀) 为x ( f ) 取样后得到的接收信号序列，s ( n ) 为s ( ，) 取 样后得到的发端发射信号序列。将检测统计量y 与预先设定的门限a 进行比较， 大于门限则表示存在主用户信号，反之表示不存在主用户信号。 假设检测模型式( 2 - 1 ) 中n ( t ) 为加性高斯白噪声，均值为0 ，方差为仃2 ，信号 能量为占，即： 占= x 2 ( 刀) ( 2 - 4 ) 则检测统计量y 的服从如下分布： 一卜僦 n ( 0 , o 以2 6 ) ) 盖 ( 2 - 5 ) i ( 占，仃2 占) 月1 、 虚警概率和检测概率分别为： 如叫y 弛，= 协) c 2 呦 p o = p ( y 2 m = q ( 篝) 倍7 ， 式中，q 为m a r e u mq 函数，m a r c u mq 函数定义如下： q ( 口，6 ) = r 以b ) e x p f 一_ x + a 2 ) l 威 ( 2 8 ) 其中厶是修正的0 阶贝塞尔函数。 认知无线电频谱检测技术的研究 匹配滤波器检测算法实际上是一种相干检测，它可以使得信噪比最大化，同 时达到较高的处理增益所需的时间比较少。但是匹配滤波器检测算法需要知道主 用户信号的先验知识，当先验知识不准确的时候，该检测算法的性能会受到较大 影响。而且由于该算法是一种相干检测，因此对于相位同步的要求很高，使用时 必须通过时间同步或者载波同步甚至是信道均衡来满足同步要求。 2 4 能量检测 能量检测是最基本的信号检测方法，传统的信号检测方法都是基于能量检测 ( e n e r g yd e t e c t i o n ) t 11 1 【3 4 1 的，由于文章最后需要对能量检测性能和循环平稳检测性能 做一个对比，在这里稍微详细阐述一些能量检测的原理。能量检测的基本算法是 对接收信号做n 点f f t ，转换到频域，然后求频域信号的模的平方，检测判决方 法是先设置一个门限，然后将设置的能量计算值与设置的门限相比较，超过判决 门限，就认为该频段内有主用户的存在。 能量检测是一种非连贯性非相干的检测，通过对特定频带的频谱能量进行测 量达到频谱检测的目的。能量检测的基本实现原理是在相同的时间间隔段对频谱 进行取样，然后对取样信号进行快速傅里叶变换来检测频率，对于窄带信号检测 可以通过加大快速傅里叶变换的抽样频率来实现，从而提高检测精度。能量检测 流程图如图2 4 所示。 大于门限判为 有信号 小于门限判为 无信号 图2 4 能量检测流程图 检测模型如式( 2 - 1 ) 所示，假设s o ) 均值为0 ，方差为2 。噪声刀( f ) 均值为0 ， 方差为盯2 ，且与信号相互独立。如果似然比三( x ) = 爱詈等 ，“为预设门限) ， 则判h 。成立。 则在h i 条件下，接收信号f ) ( o ，一十仃2 ) ，在风条件下，x ( ，) ( o ，口2 ) ， 于是有： l ( x ) = l 一可e x p 卜肆r l 【2 万( 仃；+ r y 2 ) 】2 熹艺“洲z(0 7 + 仃2 ) 厶n = o “、t s j 去唧卜刍势纠 ( 2 ，r c r 2 ) 2 “脚 ( 2 9 ) 1 3 对l ( x ) 取自然对数可得： 扯，= i nl n ( 寿) 畦褊：2 善n - i x 2 ( 2 _ 1 0 ) n - l f ( 力= x 2 ( 拧) ，。 ( 2 1 1 ) n = o 舯，叫m 一争专，掣。 和，在日。条件下：等z 寻，在风条件下：；三z ；。能量检测的虚警概 = ( 寺) ( 2 - 1 2 ) 巳之( 南) ( 2 - 1 3 ) 匕：a 。嗤， 协1 4 ， 易= ( - - _ o l ) ( 2 一) o - ；，1 能量检测法的主要优势在于算法简单，但缺点是性能较差。当然，可以通过 增加检测时间来提高能量检测法的性能。但由于噪声的不确定性和量化误差，当 信道环境恶化到一定程度后即信号完全湮灭在噪声中，不管信号采集时间有多长 都无法保证正确检测【3 5 1 。并且能量检测法不能用于检测像扩频信号这样的伪噪声 信号。因此，能量检测法只能应用于频谱检测性能要求不太高、频率范围不太大、 无线环境不复杂、授权系统确定的认知无线电系统中，例如i e e e8 0 2 2 2 系统。 能量检测法主要缺点在于低信噪比检测性能不高，针对这一缺点下面介绍一 种多分辨率频谱检测方法( m u l t i r e s o l u t i o ns p e c t r u ms e n s i n g ) i t 4 】，通过改变扫频信 号的时间间隔针对不同类型的输入频谱分别进行粗略检测和精确检测量。利用小 波变换的检测性能，使输入信号和小波相乘进行小波变换，在检测的过程中将输 入信号相关变换的结果作为统计量进行检测，使用小波变换代替常用的傅里叶变 1 4 认知无线电频谱检测技术的研究 换，从而能够提取多路检测信号的特征，最后的频谱检测是基于能量检测的过程， 以达到更好的检测性能。多分辨率频谱检测方法原理图如图2 5 所示。 图2 5 多分辨率频谱检测的基本原理模块 相关器由一个乘法器，一个积分电路，一个等时取样模块，一个放大器和相 关值计算模块组成。射频输入信号为小波脉冲，小波脉冲由扫描振荡器和小波基 函数相乘构成，小波脉冲带宽设定为瓦，通过改变乙值，频谱检测带宽值玩随着 改变，频谱检测间隙值设为厶即，通过改变厶卸的值可以实现精确检测和粗略检 测。对这个基本模块进行多路的重复并行连接，就完成了多分辨率频谱检测方法 的系统实现。 2 5 特征检测 调制信号一般都具有某种程度上的周期性，其统计特性诸如均值和自相关都 呈现出周期性，而噪声没有这个特性，所以我们可以利用调制信号的这一特性进 行检测。 特征检测( f e a t u r ed e t e c t i o n ) 主要是基于平稳信号在一些运算值上的周期性特 点，如均值，统计值，自相关值等。通过频谱相关方程( s p e c t r a lc o r r e l a t i o nf u n c t i o n ) 对信号进行分析。 谱相关检测法的优点是基于信号特征离散地分布在循环谱的循环频率中，而 背景噪声和干扰在非零循环频率处不会呈现谱相关特性，因而有较高的信号辨识 能力。谱相关的局限在于算法要进行两次傅里叶变换对信号进行处理，它所能提 供的只能是对傅里叶频谱的补充，此外它的计算量很大，约为d f t 的两倍。特征 检测法的框图如图2 6 所示。 第二章认知无线电检测技术 图2 6 特征检测的一般模型 、 对不同类型的调制信号可以采用不同的相关函数方程。由于静态噪声和部分 干扰是没有相关函数值的，所以特征检测抗噪性能相对较好。最后的特征检测模 块可以对信号的调制类型，信号特征和携带的干扰信号进行检测。循环检测正是 利用调制信号的循环平稳性计算信号的循环相关谱来进行频谱检测，第三章中将 详细叙述循环平稳检测原理。 2 6 协同频谱检测技术 上面介绍的几种频谱检测方法都是独立完成检测频段的使用情况。在认知无 线电系统中，邻近节点的感知信息是可以互相传递的，在阴影衰落信道环境下， 协同检测蚓比单节点检测在保护主用户的性能上会有所提高。 下面建立一个简单的模型来说明协同机制的原理，协同机制原理图如图2 7 所 示。 图2 7 认知无线电中的协l 司机制 接收机r 距离授权发送机p 很远，只能从p 用户功率边缘上接收信号，即接 收极弱的信号。此时c 1 进行频谱检测后，极有可能误认为该频带是频谱空穴。为 了防止对主用户p 造成干扰，我们引入协同机制。假设存在次用户c 2 满足条件： c 2 处于p 发射的功率主瓣范围内，并且c 2 与p 之间的距离比r 与p 之间的距离 更近。这时，由c 2 作为c l 的中继点来感知p 的发射功率，则能比较准确地分辨 出p 是否在和r 进行通信。c 1 将数据包发送给c 2 ，由c 2 来转发，如果p 与r 正在通信，c 2 就返回给c l 一个信息，由c l 决定是否等待或是寻找另外的频谱空 穴。这样，c l 和c 2 就构建了协同的关系，使c l 更快更准确地感知频谱环境。 上述的模型是比较简单的情况，只考虑了两个次用户。当模型更复杂些，例 1 6 认知无线电频谱检测技术的研究 如多用户的感知网络时，就必须考虑怎样建立协同机制的问题了。两两绑定的协 同机制是比较实用的，即每两个次用户为一组，相互协同完成频谱环境的感知【3 1 1 。 在各个单用户准确检测频谱空洞的前提下，协同机制在很大程度上提高了感知频 谱环境的准确性与效率，并且实现起来也较容易。 2 7 性能评价标准 本节概述认知无线电系统中衡量检测性能的一些重要参数。假设状态d o 为检 测法判定信道中不存在主用户信号，而d 1 为检测法判定信道中存在主用户信号。 则频谱检测中的虚警概率如为： = p ( d 1 i 风) ( 2 1 5 ) 即如为信道中不存在主用户信号，但由于噪声影响，而接收到的信号通过检 测算法检测后，判定信道中有信号的概率。 检测率只为： 昂= p 蛾1 日l j ( 2 1 6 ) 即尸n 为信道中存在主用户信号，而接收到的信号通过检测算法检测后，正确 判定信道中有信号的概率。 漏检概率只为： 昱= p ( d o l h lj = i p d ( 2 1 7 ) 即只为信道中存在主用户信号，但由于受到噪声的影响，而