（通信与信息系统专业论文）认知无线电系统中频谱感知算法的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 认知无线电已经成为解决现有频谱资源匮乏的非常有前途有前景的技术。认知无线电 是一种智能的无线通信系统，它能够感知周围的无线环境，通过一定的方法相应地改变某 些工作参数来实时地适应环境，从而达到提高频谱利用率、缓解频谱资源紧张的目的。频 谱感知是认知无线电中最具挑战的问题之一。如何在低信噪比( s n r ) 情况下检测出授权 用户对于认知无线电的应用非常关键。 论文就认知无线电系统中的频谱感知算法进行了研究。首先，论文介绍了认知无线电 的研究背景和意义、认知无线电的关键技术，并分析了现有认知无线电系统中的频谱感知 方法以及它们面临的挑战。接着，论文介绍了现有的典型频谱感知算法一能量检测法，并 通过仿真研究了它在认知无线电系统中的性能。仿真结果表明，在低信噪比情况下，这种 算法将无法提供可靠的检测性能。究其原因，则在于这种算法门限值设置的准确性极易受 到噪声不确定性因素的影响。 针对现有算法应用于认知无线电系统所存在的问题，论文研究了一种基于最大最小特 征值的感知算法，并在此基础上提出了一种基于最大特征值的感知算法。仿真结果表明这 种算法不需要知道关于信道和噪声的信息，并能有效改善低信噪比情况下信号的检测性 能。当认知用户无法获得关于授权用户足够多的信息时，这种算法是非常适用的。 最后，论文分析了信号的周期平稳特性，在此基础上进一步研究了单周期特征检测法， 并将其应用到认知无线电系统中。分析和仿真表明，相对于能量检测法和特征值检测法， 单周期检测法在低信噪比情况下拥有更好的检测性能，并且能够分辨出能量的来源，所以 它更适用于认知无线电中的频谱空穴的检测。 关键词：认知无线电，频谱感知，能量检测，最大特征值，周期平稳特性，频谱空穴 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c o g n i t i v er a d i oh a se m e r g e da so n ep r o m i s i n gt e c h n i q u eo fs o l v i n gc u r r e n ts p e c t r u m r e s o u r c es c a r c i t y i ti sd e f i n e da sa ni n t e l l i g e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a ti sa w a r eo f i t se n v i r o n m e n ta n dh s e st h em e t h o d o l o g yo fu n d e r s t a n d i n g - - b y - b u i l d i n gt ol e a r nf r o mt h e e n v i r o n m e n ta n da d a p ti t si n t e r n a ls t a t e sb ym a k i n gc o r r e s p o n d i n gc h a n g e si nc e r t a i no p e r a t i n g p a r a m e t e r si nr e a lt i m e ，i no r d e rt op r o m o t et h ee f f i c i e n tu s eo ft h es p e c t r u ma n dr e v i v et h el a c k o fs p e c t r a lr e s o u r c e s p e c t r u ms e n s i n gi so n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n gp r o b l e m si nc o g n i t i v er a d i o d e t e c t i o no fp r i m a r yu s e r sa tv e r yl o ws n ri sc r i t i c a lf o rc o g n i t i v er a d i of u n c t i o n a l i t y t h et h e s i ss t u d i e st h ea l g o r i t h mf o rs p e c t r u ms e n s i n gi nc o g n i t i v er a d i os y s t e m f i r s t ，t h e t h e s i sg i v e sa ni n t r o d u c t i o no fc o g n i t i v er a d i o ，a n dt h e nm a k e sa l la n a l y s i so fs o m et y p i c a l t r a d i t i o n a la l g o r i t h m sf o rs p e c t r u ms e n s i n gi nc o g n i t i v er a d i os y s t e m f o l l o w i n g ，t h et h e s i si n t r o d u c et h et y p i c a la l g o r i t h mf o rs p e c t r u ms e n s i n g - e n e r g yd e t e c t i o n s i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi sn o ts u i t a b l ef o rc o g n i t i v er a d i os y s t e ma tl o ws n r b e c a u s et h en o i s ep o w e r u n c e r t a i n t ya f f e c t st h et h r e s h o l do ft h ea l g o r i t h me a s i l y c o n t r a s tt ot h el i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m ，t h et h e s i sp r o p o s e dam a x i m u m e i g e n v a l u eb a s e ds e n s i n ga l g o r i t h m t h ea l g o r i t h md o e sn o tr e q u i r ek n o w l e d g eo ft h ec h a n n e l a n dt h en o i s ep o w e r c o m p a r e dw i t he n e r g yd e t e c 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 tt h ep r o p o s e d a l g o r i t h md o e sab e t t e rj o b t h ea l g o r i t h mi sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l e ，i ft h es e c o n d a r yu s e rd o e sn o t h a v em u c hi n f o r m a t i o na b o u tt h ep r i m a r yu s e l f i n a l l y , b a s e do nt h ed e t e c t i o nb yc y c l i cs p e c t r u ma n a l y s i s ，t h es i n g l ec y c l i cd e t e c t i o nh a s b e e nr e s e a r c h e df u r t h e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，i nc o g n i t i v er a d i os y s t e m ，t h es i n g l e d e t e c t i o no f f e r ss i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t su n d e rl o ws n r ，m o r e o v e r , t h em e t h o d c a nd i s t i n g u i s ht h es o u r c eo ft h ee n e r g y c o n s e q u e n t l y ，t h em e t h o di ss u i t a b l ef o rt h es p e c t r u m p o l ed e t e c t i o ni nc o g n i t i v er a d i os y s t e m k e yw o r d s ： c o g n i t i v er a d i o ，s p e c t r u ms e n s i n g ，e n e r g yd e t e c t i o n ，m a x i m u me i g e n v a l u e ， c y c l o s t a t i o n a r y , s p e c t r u mp o l e i l 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南京邮电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作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅；可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 南京有邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着信息时代的到来，无线设备被广泛使用，无线频谱资源日趋紧张，已成为现代社 会不可或缺的宝贵资源。无线资源的分配利用通常是由无线电法规部门确定的。目前世界 各国采用的是基于静态( 固定) 频带分配的原则和方案。 近来，通信界普遍认识到，固定频带分配是造成目前频谱资源日趋缺乏的一个主要原 因。2 0 0 2 年1 1 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 发布了一项由s p e c t r u m - p o l i c y t a s k f o r c e 提交的旨在有效管理美国频谱资源的报告【1 】。该报告明确指出：“在许多频带，频谱的准入 是一个比频谱本身稀缺更加重要的问题，很大程度上是由于法规限制了这些频谱上的潜在 用户获得准入。”事实确实如此，如果审视包括郊区在内的各类地域内的频谱占有率，将会 发现一些频带在绝大数时间是未被占据的；一些频带是部分时间被占据的；而另外一些频 带则是被密集使用的【2 】。这种频谱利用的不均的情况引导了通信业界研究人员去思考“频谱 空穴”( s p e c t r u mh o l e s ) 这样一个崭新的概念1 3 】，即“一个频谱空穴是分配给授权用户的频 带，但是，在某一指定时间和空间，在授权用户不占用这一频带的情况下，此频带可以被 其他用户使用。”这样，频谱资源的潜在利用率可以得到明显提高。认知无线电( c r ： c o g n i t i v er a d i o ) 技术被认为是未来探测频谱空穴特性、高效利用无线频谱的主要手段。 1 2 研究背景和意义 1 2 1 软件无线电和认知无线电 软件无线电( s d r s o f t w a r er a d i o ) 是一种用软件来改变系统参数，实现物理层连接 的无线通信技术，它的核心思想是：构造一个具有开放性，标准化，模块化的通用硬件平 台，将各种通信功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模型、通信协议等由 软件来完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能的靠近天线，以研制出具有高度灵活性、 开放性的新一代无线通信系统【4 】【5 1 。 认知无线电是软件无线电技术向市场迈进的过程中衍生出的新思想。认知无线电是建 立在软件无线电平台之上的一个智能无线通信系统，它能够感知外部环境、使用边了解边 1 南京有邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 累积的方法对外部环境进行学习、并根据外部环境提供的激励，对运行参数进行相应的修 改( 如：传输功率、载波频率、调制方式等) ，从而达到内部状态的自适应调整。其主要 目的就是提高无线通信的可靠性和提高无线频谱资源的使用效率1 6 】f 刀。 认知无线电是软件无线电的特殊扩展。一般来说，软件无线电是一个通信体系结构， 而认知无线电是一种通信技术，大多数认知无线电技术都是在软件无线电平台上实现的， 两者是互相结合的，而认知无线电相对于软件无线电来说有更强的自适应性和学习能力。 也就是说认知无线电台是以软件无线电台为基础平台的，再加上频谱分析模块，载波成形 模块，网络协议生成模块，实用数据库模块和其他自适应模块的无线电台。 1 2 2 认知无线电研究背景和现状 认知无线电”这词最早是由j o s e p hm i t o l ai i i 在1 9 9 9 年创造的【8 】【9 1 。他描述了认知无线 电怎样通过一种称作“无线电知识表达语言”( r k r i ，) 的新语言来提高个人无线电业务的 灵活性。随后，m i t o l a 的博士论文 9 1 这样描述认知无线电：无线数字设备和相关的网络在 无线电资源和通信方面具有天分的计算智能来探测用户通信需求，并根据这些需求来提供 最适合的无线电资源和无线业务。这被认为最终会演进成一个扩展的软件无线电平台 一个能根据网络或用户要求完全重新配置通信功能、参数的无线黑盒子。 认知无线电也被称为智能无线电，从广义上来说是指无线终端具备足够的智能或者认 知能力，通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划，利用 相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源( 包括频率、调制方式、发射功率等) 完成无线传输。认知无线电能够帮助用户自动选择最好的、最廉价的服务进行无线传输， 甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。 认知无线电在提高频谱利用率方面的价值引起了各国电信管制机构的兴趣，不过由于 认知无线电的技术和概念都非常超前，多数国家仍在研究讨论当中，只有美国的f c c 已经 正式批准具备认知无线电性能的设备进入市场。 美国是最早推动和批准使用认知无线电设备的国家。f c c 从2 0 0 3 年就开始尝试引入 认知无线电提高频谱的利用。2 0 0 3 年1 2 月，f c c 公布了使用认知无线电技术促进频谱 利用的通知就( ( f c c 规则第1 5 章f f c cr u l ep a r t1 5 ) 进行了修订，并于2 0 0 5 年l o 月， 正式批准了关于引入认知无线电技术、使用认知无线电设备的法规。 认知无线电听起来是个十分新颖的概念，但事实上无线局域网( w l a n ) 领域已经开始 利用认知无线电技术。w l a n 是最早利用认知无线电技术的无线通信系统。f c c 等法规机 2 南京有邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 构要求8 0 2 1 l a 无线电能检测雷达信号并避免与它们形成干扰，这种躲避雷达的能力要求 系统具有强大的认知无线电类自适应能力，而这只是w l a nc r 功能的开始。 目前a t h e r o s 公司推出的基于s u p e rg 技术的无线局域网技术，加入了自动检测功能， 可以根据检测到的邻近无线局域网用户情况自适应调整信道占用，最大限度提高系统传输 速率。基于该技术的无线局域网设备可以工作在两种模式，一种为基本模式，另一种为 d y n a m i ct u r b o 模式。在d y n a m i ct u r b o 模式下，通过扩展信号传输带宽可以将传输速率提 高到传统8 0 2 1 1 9 的三倍。当检测到周围其它无线局域网络运行时，具备d y n a m i ct u r b o 功能的s u p e rg 设备可以自动调整为单一频道，避免对其它用户产生影响，当没有其它用户 存在时又可以自动调整为多信道传输，获得最大的传输速率。 无论在军用还是民用领域，认知无线电的研究与应用都处于起步阶段。在军用领域，美 国国防部高等研究计划署( d a r p a ) 于2 0 0 3 年成立了下一代通信计戈i j ( x g ) ，着眼于开发认 知无线电的实际标准和动态频谱管理标准。2 0 0 3 年开始，r a y t h e o n 公司与d a r p a 签订了 下一代无线通信计划的合同，从事认知无线电相关的技术研究与开发。在民用领域， m o t o r o l a 、i n t e l 等公司也已经成立认知无线电研究组并开始开展相关的研究。 当然，认知无线电技术的发展目前还存在一些障碍：首先，目前频谱管制政策尚没有完 全放开，认知无线电技术的应用还存在很大障碍。其次，认知无线电的灵活性还需要不断 提高，必须能够随着应用策略的更改灵活配置：认知无线电技术需要强大的可重配置硬件平 台，目前的硬件技术发展还满足不了相关需求。另外认知无线电组网工作的语言和协议目前 很不完善，需要开发专门语言和协议在设备之间共享无线背景信息。 作为无线通信领域的最新进展，认知无线电技术受到日益关注。虽然由于技术的限制 认知无线电近几年内市场不会很大，但在不久的将来将会获得突破性的进展，为无线电资 源管理和无线接入市场带来新的发展契机和动力。 1 3 认知无线电概述 1 3 1 认知无线电的定义和特点 当今的无线网络采用的是固定频谱分配政策，即无线频谱资源的规划和使用是由政府 部f - i n 定的，收发机对它的使用需要得到政府的许可。然而，各国的无线电法规制定部门， 比如美国联邦通信委员会( f c c ) 发现无线频谱资源并没有得到充分利用1 1 0 1 1 。f c c 在 2 0 0 3 年底的发布了关于认知无线电技术及其应用的政策制订提案公告( n p r m ) 1 1 2 】，公告 南京有邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 中指出目前分配的频段的利用率是从1 5 8 5 不等，某些频带如移动手机网络的频带是超 负荷的，但是诸如业余无线电等相当多的频段并没有得到充分使用。并且，频谱利用率在 不同的空间和时间段也是不同的，如图1 1 所示。 m a - x l m u r a ：n l p h t u d c s e 日i c e | ，i l ”d _ _ _ ! 。 , t i l l i i l 。s ci ：卵 m c d l l l i l lu f , 0 l li l j 1 1 i“il f r e q u e n c y , ih l ll i , i 图1 10 - 6 g h z 频谱利用率测量 然而，纵然拥有频谱使用批准的授权用户很少使用分配给它们的频段，法规也限制了 那些潜在的、但不具备使用许可的用户准入。尽管固定频谱分配政策在过去很有效，但是 最近几年，无线业务急剧增长，对有限的频谱的需求也随之剧增，这挑战了传统频谱政策 的有效性。有限的可利用频谱及频谱利用率的低下等问题使得一种全新的、优越使用频谱 的无线通信模式变得十分必要。因此，研究者一致认为：动态频谱接入( d y n a m i cs p e c t r u m a c c e s s ) 是解决目前频谱低效利用的有效技术。 人们开始考虑允许没有使用许可的用户在对授权用户不产生任何干扰的情况下来使 用已分配的许可频段。这样一种无线通信也被称作认知无线电。 自1 9 9 9 年“软件无线电之父”j o s e p hm i t o l a 博士首次提出了认知无线电的概念并系统地 阐述了认知无线电的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了认知无线电的 定义【6 】【1 3 】，其中比较有代表性的包括f c c 和著名学者s i m o nh a y k i n 教授的定义。f c c 认 为：“认知无线电是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”【1 4 】。s i m o n h a y k i n 则从信号处理的角度出发，他认为：“认知无线电是一个智能无线通信系统。它能 够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数( 比如传 输功率、载波频率和调制技术等) ，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以 达到两个最主要目标：高度可靠的通信方式以及高效的频谱利用效率”。总结上述定义，认 知无线电应该具备的两大主要特征是认知能力( c o g n i t i v ec a p a b i l i t y ) 和重配置能力 4 南京有邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( r e c o n f i g u r a b i l i t y ) 。认知无线电的最终目的是通过认知和重配置获得最好的可用频谱。 ( 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 2 所示的认知环进行表示，包括三个主要的步骤：频谱感知、频谱分析 和频谱判决。 频谱感知：主要功能是监测可用频段，检测频谱空洞； 频谱分析：估计频谱感知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。 图1 2 认知周期图 ( 2 ) 重配置能力 重配置能力使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。重配置的核心思想是在不对频谱授权用户，也就是授 权用户( p r i m a r yu s e r ) 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授权用户的有害干扰。可以重 配置的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议。 工作频率：认知无线电用户能够根据环境改变运行频率，同时决定最适合的运行 频率并能够使通信在这个工作频率上动态实现。 调制方式：认知无线电用户改变调制机制以适应用户的需求和信道的条件。例如， 气 南京有邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 在一个灵敏度要求高的延迟探测应用中，数据速率比误码率更重要。因此，能获得更 高频率利用率的调制机制将被采用。与之相反，在一个灵敏度要求比较低的延迟探测 应用中，则需要强调误码率的调制方式。 发射功率：发射功率在功率限制的条件下能够被重新配置。这能够在允许的功率 范围内实现动态的功率配置。如果不需要太大的功率，认知无线电用户将减少发射功 率从而让更多的用户共享他的频率，同时可以降低干扰。 通信协议：认知无线电用户不仅能在信号开始发射的时候实现发射参数的重配置， 而且能在发射的过程中实现。根据频谱的特点，认知无线电用户能够通过以上参数的 重配置实现频段的切换，接收和发送参数的重配置，以及合适的通信协议和调制机制。 1 3 2 认知无线电中的关键技术 认知无线电一个基本的认知周期要经历三种基本过程( 见图l 一3 ) ，分别是无线传输场景 分析、信道状态估计及其容量预测、功率控制和频谱管理，它们的顺序执行使认知无线电 系统的认知功能得以实现。 结合认知无线电工作流程图( 图1 - 3 ) ，下面我们介绍认知无线电的关键技术。 图1 3 认知无线电工作流程图 1 无线传输场景分析 认知无线电系统传输信号时，首先要分析无线传输场景，由无线发射机产生的激励是 非平稳、空时信号，因为它们的统计特性依赖于时间和空间。对无线场景分析的任务涉及 到空时处理，包含如下操作：对频谱自适应检测的各种相关功能，比如干扰温度的估计和 频谱空穴的检测、用于干扰抑制的自适应波束形成【1 5 】【1 6 】。 ( 1 )干扰温度的定义和测量 当前的无线环境是以发射机为中心，距离发射机一定距离的信号功率在设计中要求达 f ； 南京有邮电大学硕十研究生学位论文第一章绪论 到一个噪声底限以降低可能的干扰，可是，由于新的不可预料的干扰源的出现，射频噪声 底限可能升高，因而引起信号覆盖范围衰减。为防止这种可能性，f c c 推荐了一种对于扰 的新的评价方法。也就是，从单纯的接收机对干扰进行测量的方向，向发射机和接收机之 间自适应实时交互测量的方向转变。这种变化导致对干扰给出了一个新的度量，叫做干扰 温度。在干扰温度界限内，接收机能满意地工作。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，干扰温度界限将作为该频带的无 线电频率功率的上限。 对于认知无线电，接收机提供可靠的干扰温度的谱估计非常重要，主要有以下2 项任 务： 基于固有干扰源和客观的无线频率能量的累积分布，用多抽头方法估计干扰温度 的能量谱。 - 用大量的传感器探测无线射频环境。基于周期平稳过程特征检测的多抽头频谱估 计与奇异值分解法相结合，为无线传输环境中噪声基准能量谱的估计提供了有效的方 法。 ( 2 ) 频谱空穴感知 频谱空穴是指被分配给某初始用户但在特定时间和具体位置该用户并没有使用的频 带。如图1 4 所示，空白部分就是频谱空穴。在认知无线电系统中，如何有效地进行频谱 空穴的检测是一项非常重要的任务。首先，将频谱区域分成三种类型： 黑色区域，常被高能量的局部干扰占用； 灰色区域，在部分时间被低能量干扰占用； 白色区域，只有环境噪声而没有射频干扰的占用。 p o w e r $ p 吲r u m i nu 如 图1 - 4 频谱空穴的概念 7 南京有邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 一般情况，白色区域和有限度的灰色区域可被等待服务的用户使用。在认知无线电系 统中，频谱空穴检测晦可靠方案对于系统的设计和实现是极其重要的。目前针对授权用户 的( 有授权用户意味着频谱空穴不存在) 感知和检测主要采用两种方法：基于能量的感知和 基于波形的感知。相比之下，基于波形的感知( 比如周期平稳谱估计和特征检测等) 性能要 比单纯的能量感知好。但无论使用哪种方法，检测过程不得不在某个具体的地点进行，另 外应保证检测过程的灵敏性和可靠性。 ( 3 ) 基于自适应天线波束形成技术的干扰抑制 为了优化射频激励的空间特性，可以采用自适应天线波束形成技术，对认知无线电接 收端的干扰进行抑制。干扰抑制可由下面2 个工作阶段完成： 在发送端应用地理感知技术使其辐射模式沿着接收端方向，这样可避免在发送端 传输信号向各个方向辐射，保持传输能量，若所有系统均采用该技术，在某系统接收 端，可使其他传输系统对其的干扰最小化； 在接收端应用天线波束形成技术，可以自适应消除其他已知或未知传输系统的残 余干扰。 2 信道状态估计及其容量预测 为了解决信道状态估计问题，一般采用如下两种方法：差分检测、导频传输。他们各 有优缺点。差分检测法鲁棒性强，实现简单，但是接收端的帧差错率( f e r ) 显著下降，所 需信噪l g ( s n r ) 代价高。导频传输法接收机性能虽然得到了提高，但是使用导频在发射功 率和信道带宽方面是要付出代价的。基于上述两种方法的结合，可以使用半盲训练的方法 达到性能和带宽资源的折衷，这种方法既不同于全盲处理的差分检测法，也不同于指导处 理的训练序列传输法。 信道状态信息是随时间变化的，可由状态空间模型表述。动态噪声和度量噪声的特征 决定了使用怎样的状态空间模型。高斯噪声环境下，使用高斯状态空间模型，可用传统的 卡尔曼滤波器进行信道状态的跟踪；非高斯噪声环境下，使用非高斯状态空间模型，可用 粒子滤波器进行跟踪。 信道估计的结果可用来计算信道容量。用于控制发送端的信号能量，可使用香农定理 对信道容量进行计算。另外在信道容量分析过程中，系统反馈时延的影响和高阶马尔可夫 模型的使用也是两个值得考虑的问题，一定条件下会影响到通信系统的性能。 3 功率控制和频谱管理 功率控制和频谱管理的功能是在认知无线电系统的发送端实现。接收机把检测到的信 道特征等传输参数反馈到发送端。基于这些参数，发送端通过某些策略来实现功率控制和 8 南京有邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 频谱管理的功能，使认知无线电系统的传输性能达到最佳。 ( 1 )功率控制 在传统的围绕基站建立的无线通信系统中，功率控制通过基站实现。因此可以提供必 要的覆盖范围和比较理想的接收机性能。对于一个认知无线电系统，也可以采用这种功率 控制技术。不过，还是有必要考虑它也可以工作在无中心方式，因而可以拓宽它的应用范 围。这种情形下，应找到某些可选的方式来控制发射功率。多用户认知无线电系统的功率 控制问题可看作是一个对策论的问题。不考虑竞争现象，可看作合作对策，该问题就简化 为一个最优控制理论问题。对策论方法研究的功率控制问题中每个用户最大化自己的效 用，则功率控制问题被归结为一个非合作对策。博弈论和信息论中的注水法可以用来解决 功率控制的问题。迭代的注水法有很多方法可以用来处理多用户的场景，两者可相互结合 用于提高性能。 ( 2 ) 动态频谱管理 动态频谱管理也称为动态频谱分配。频谱管理的主要目的在于发展一个自适应的策略 用于有效的利用射频频谱。特别的频谱管理算法设计如下：通过无线场景分析器建立的频 谱空穴检测各个发射功率控制器的输出，选择合适的调制策略以自适应时变的无线射频环 境，始终确保在可靠的信道上保持通信。通过适当的频谱分配实现认知无线电系统与授权 用户之间的频谱共享。 调制技术方面，可以考虑采用正交频分复用调f i b t j ( o f d m ) 技术，灵活而高效，这也是移 动通信中b 3 g 4 g 网络将要采用的技术。o f d m 使用一组正交的载波频率集合，信息被分 别调制到各个载波上，特别适合频率选择性信道或者可变信道的信息传递。 通信业务量方面的考虑，如果在一个码分多址( c d m a ) 系统中，通信业务量和干扰等级 是相关的。在一个认知无线电系统中，基于c d m a 则动态频谱管理算法自然集中在用户 的分配上。首先是分配较低干扰级的白色频谱空间。其次是有较高干扰级的灰色频谱空间。 当使用其他的多址技术时，例如o f d m ，同信道干扰必须避免。为了满足要求，动态频谱 管理算法必须包括占用黑色空间的授权用户的通信业务量模型。 认知无线电是未来无线通信新时代的希望。特别地，通过频谱共享过程的动态协调， 可以创造重要的“白色空间”，使得系统可以在动态无线环境下实现频谱利用率的大幅度提 高。 9 南京有邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 4 关于本课题的研究 1 4 1 课题来源 本课题的研究直接来源于下列项目的支持： ( 1 ) 国家自然资金项目( 6 0 7 7 2 0 6 2 ) ( 2 ) 国家9 7 3 项目( 2 0 0 7 c b 3 1 0 6 0 7 ) 1 4 2 作者所做的工作 ( 1 ) 对传统信号处理方法中常用的能量检测法进行了研究。重点分析了能量检测算法的基 本过程，并从理论和仿真的角度讨论了噪声功率不确定因素对能量检测算法性能的影 响。 ( 2 )在研究最大最小特征值检测法的基础了，提出了基于最大特征值的频谱感知算法。在 仿真分析了不同调制方式下的o f d m 信号的检测性能后，进一步分析了不同信道下 算法的检测性能，并与能量检测算法的性能进行了比较。仿真结果表明这种算法不受 噪声功率不确定性因素的影响，并能有效改善低信噪比情况下的检测性能。虽然这种 算法的性能略差于最大最小特征值检测法，但是由于其只需要计算最大特征值，一定 程度上减少了运算量、降低了复杂度。 ( 3 )重点研究了基于信号周期平稳特性的频谱感知算法。在推导分析了常见调制信号的周 期平稳特性后，进一步分析了噪声对信号周期谱特性的影响。接着研究了单周期特征 检测法，并对其检测性能进行了详细分析。仿真结果表明，与能量检测算法和特征值 检测算法相比，这种算法在低信噪比情况下拥有更好的检测性能，更适用于认知无线 电中频谱空穴的检测。 1 4 3 论文内容安排 本论文共分七章，具体结构安排如下： 第一章，绪论。简要阐述了课题的研究背景和意义，对认知无线电的研究背景和现状 进行了简要介绍。接着对认知无线电的定义、功能、关键技术以及标准化问题进行了详细 介绍。最后给出了本论文研究的主要内容和结构安排。 第二章，认知无线电中的频谱感知。详细介绍了认知无线电中的频谱感知方法的原理 1 0 南京有邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 和分类，并重点分析了现有频谱感知方法面临的问题。 第三章，未知确定性信号的能量检测法。重点分析了能量检测算法的基本过程，并从 理论和仿真的角度讨论了噪声功率不确定因素对能量检测算法性能的影响。 第四章，基于特征值的频谱感知方法的研究。在研究了基于最大最小特征值检测法的 基础了，提出了基于最大特征值的频谱感知算法，并通过仿真进行检测性能分析。 第五章，基于信号周期平稳特性的频谱感知方法。将信号的周期平稳特性应用到认知 无线电系统中频谱空穴的检测，着重分析研究了单周期特性检测法。 第六章，总结与展望。对全文研究内容进行总结，并指出在本论文研究基础上进一步 可展开的工作。 南京有邮电大学硕士研究生学位论文 第二章认知无线电中的频谱感知 2 1 引言 第二章认知无线电中的频谱感知 认知无线电通信的一个重要前提就是频谱感知( s p e c t r u ms e n s i n g ) 能力。如第一章所 讲，认知无线电能够灵敏地感知周围环境的变化，通过频谱感知功能发现频谱空洞，使得 认知无线电能与周围通信环境相适应。由于授权用户网络没有义务改变它的结构来与认知 无线电网络共享频谱，因此，认知无线电只能独立地、可靠地、通过连续的频谱感知对授 权用户进行探测。这是认知无线电的一项核心功能。最有效的探测频谱空洞的方式就是探 测在认知无线电通信范围内的、正在接收数据的授权用户。这里，授权用户也称为第一用 户( p r i m a r yu s e r ) ，此时，认知无线电用户( 即认知用户) 相应地被称为第二用户( s e c o n d a r y i j s e r ) 。 2 2 频谱感知方法 认知无线电通过获知外部环境中的电磁变化，以逻辑推理的方式自适应调整系统的参 数，如载频、带宽、传输功率和调制方式等。认知无线电的一个基本的认知周期要经历三 种基本过程：感知频谱环境、信道识别、功率控制和频谱管理。其中认知无线电的首要任 务是感知频谱环境，即空穴频段的检测和选择。 频谱空穴是指被分配给某初始用户但在特定时间和具体位置该用户并没有使用的频 带。在认知无线电系统中，如何有效地进行频谱空穴的检测是一项非常重要的任务。首先， 将频谱区域分成三种类型：1 ) 黑色区域，常被高能量的局部干扰占用；2 ) 灰色区域，在 部分时间被低能量干扰占用；3 ) 白色区域，只有环境噪声而没有射频干扰的占用。 一般情况，白色区域和有限度的灰色区域可被等待服务的用户使用。在认知无线电系 统中，频谱空穴检测的可靠方案对于系统的设计和实现是极其重要的。 认知无线电设备是通过检测频谱，利用空闲频段来进行通信的。因此认知用户( 认知 用户) 要进行通信的首要条件就是检测出授权用户的空闲频谱段( 频谱空穴的检测) ，这 也体现了认知无线电具有智能的一面。 在认知无线电系统中，认知无线电的频谱感知功能就是感知某个频段以判断该频段内 是否有授权用户的存在，也即对授权用户信号的监测。如图2 1 所示，一般，频谱感知方 1 2 南京有邮电大学硕士研究生学位论文 第二章认知无线电中的频谱感知 法可以分以归纳为发射机检测、协同检测和基于干扰的检测【i 7 】。 2 2 1 发射机检测 图2 1 频谱感知方法的分类 发射机检测也称为非合作检测。认知无线电应该能够识别被使用的和未被使用的频 段。因此，如果授权用户的信号在某一确定频段内出现，认知无线电应该具有检测出这个 信号的能力。发射机检测正是基于认知无线电对授权用户发射机发出的微弱信号进行检 测。如文献 1 8 】定义的那样，发射机检测的基本假设模型定义如公式( 2 1 ) 所示： 。 刀( f ) ，h o ，t “d 5 h s ( f ) z ( 2 _ 1 ) 其中，x ( f ) 是认知无线电接收到的信号，s ( f ) 是授权用户传输的信号，力( ，) 是加性高斯 白噪声，h 是信道的增益。瓯表示频段未被占用，表明了目前这一确定频段上没有授权用 户；h 表示目前在这一确定频段上存在授权用户。传统通信系统中用到的信号处理技术， 如匹配滤波器检测( m a t c h e df i l t e rd e t e c t i o n ) 、能量检测( e n e r g yd e t e c t i o n ) 和周期平稳 特性检测( c y c l o s t a t i o n a r yf e a t u r ed e t e c t i o n ) 均可以应用于频谱感知中。下面我们介绍这 三种传统的信号检测方法。 1 、匹配滤波器检测 匹配滤波器在数字通信信号和雷达信号的检测中具有特别重要的意义。匹配滤波器的 冲激响应便是信号s ( f ) 的镜像信号j ( 叫) 在时间上再平移t o ，即如式( 2 2 ) 所示： 乃(，)=ks+(f0一f)(2-2) 匹配滤波器的输出信号波形是输入信号的自相关函数的k 倍。 当认知无线电获知了授权用户的信号后，静态高斯噪声理想探测器就是匹配滤波器。 这是由于匹配滤波器能够使接收到的信号的信噪比( s n r ) 最大化。匹配滤波器的主要优 南京有邮电大学硕l 研究生学位论文 第二章认知无线电中的频谱感知 点是它只需很短的时间就可以获得高处理增益。然而，它必须有效地对授权用户的信号进 行解调，这就意味着它需要授权用户信号的先验知识，比如调制方式和阶数、脉冲波形、 数据包格式等。上述信息可以预存于认知无线电的内存中，然而，对解调来讲，认知无线 电必须通过时间和载频同步甚至信道同步来获得与授权用户信号的相关性。如果这些信息 不准确，那么匹配滤波器的性能就会变得很差。大多数的无线网络系统都具有信息头、同 步字和扩展码字等，这些都可以用来做相关检测。匹配滤波器检测法的一个明显缺点在于， 认知无线电对每一类型的授权用户都要有一个专门的接收器。 2 、能量检测 如果接收机不能够收集到授权用户信号的足够的信息，此时的最佳检测器就是能量检 测器。为了测量接收信号的能量，需要对带宽为w 的带通滤波器的输出信号进行平方运算 并在观测时间段t 内进行积分，并将积分器的输出y 与门限名进行比较，从而判定合法用 户是否出现。 如果能量检测应用在非衰落环境中，及信道增益如式( 2 1 ) 中的h 所示，那么检测到 授权用户信号的概率和错误判定警报的概率分别为【1 9 】 = 尸 r 见l q = 绋( 万，以) ( 2 3 ) 哆= 尸 y 力i 风) = ! 号专竽 ( 2 4 ) 其中，7 是信噪比，r ( ) 和i ( ，) 是完整和不完整g a m m a 函数，绒( ) 是普通m a r c u m q 函数。从上述公式可以看出，一个低检测概率将会导致有很大的概率丢失已出现的授 权用户信号，这就反过来增加了授权用户的干扰；如果只过高的话，由于错误警报会使用 频谱利用机会丢失，这将会导致频谱利用率的低下。由于这种检测方法易于实现，最近的 有关授权用户检测方面的研究主要集中在能量检测器上。 在文献吲中，能量检测器考虑了多径衰落的因素。在这种情况下，由于信道衰落的原 因，信道增益h 是变化的，检测概率便与瞬时信噪比有关了，即 易= ，绋( 万，瓴谚( x ) 出 ( 2 5 ) 其中，乃( z ) 是在衰落情况下的信噪比的概率分布函数。 虽然能量检测法简单易行并且不需要被检测信号任何的先验知识，但它固有的缺陷限 制了它的使用。首先，能量检测法门限的设置非常困难。认知无线电接收机在感知周围无 1 4 南京有邮电入学硕上研究生学位论文第- 二覃认知无线电中的频谱感知 线电环境时，由于授权用户的存在而引起认知无线电接收机周围噪声和干扰的等级是不断 变化的，这就要求能量检测的判决门限也是不断变化的。即使这样任何带内的干扰都会使 判决出现错误，容易将衰落的、比较微弱的信号排除在外，而将幅度较大的脉冲噪声或突 发干扰检测为信号。其次，能量检测法无法区分出有用信号、干扰及噪声。因此，接收机 无法自适应的抵消干扰d 另外在信噪比很低时，由于信号能量都淹没在噪声中，这时能量 检测法根本无法检测出信号。最后，能量检测法无法检测扩频信号，如直接序列扩频和跳 频扩频信号。 3 、周期平稳特征检测 调制信号通常都经过了载波、脉冲序列、重复性扩展、调频及周期前缀等耦合处理， 使己调信号具有了内在的周期性。虽然数据是随机的，但是这些调制后的信号的均值和自 相关函数都具有周期性，因而称其为周期平稳特性( c y c l o s t a t i o n a r i t y ) 【2 们。通过分析频谱 自相关函数可以检测出这些特性。周期平稳特征检测法最主要的优点就是它能够把噪声能 量和已调信号的能量区分开来，这是因为噪声是一个宽带的、静态的、没有相关性的信号， 而己调信号具有频谱相关性和周期性。 通常对周期平稳信号的分析是基于信号周期自相关函数和周期功率谱密度函数。周期 功率谱密度函数不同于通常意义的功率谱密度函数。它反映的是已调