认知无线电系统中频谱感知方法的研究

1、2007年第11期，第40卷 通 信 技 术 Vol.40，No.11,2007 总第191期 Communications Technology No.191,Totally认知无线电系统中频谱感知方法的研究邓 韦， 朱 琦（南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京210003）【摘 要】由于无线通信技术的飞速发展，因此无线资源频谱日趋紧张。而另一方面现有无线通信网络采用的固定频谱分配策略导致许多已分配的频段在大多数情况下未能被充分利用。认知无线电技术的出现为提高频谱利用率提供了一条新的思路。认知无线电的一个重要要求就是能够动态的感知并接入频段，这就需要人们能够感知出空闲频段。论文主要介

2、绍了认知无线电系统中的频谱感知方法，并运用能量检测法对对OFDM信号进行了仿真分析。【关键词】认知无线电；频谱感知；能量检测【中图分类号】TN911 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2007)11-0076-02Methods to Spectrum Sensing in Cognitive RadioDENG Wei， ZHU Qi（College of Communication & Information Engineering Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing Jiangs

3、u 210003, China）【Abstract】With the rapid development of wireless communications technology, radio spectrum has become a scare resource. On the other hand, many frequency bands are not used efficiently in most time due to the fixed spectrum assignment policy of todays wireless networks. Cognitive Rad

4、io is a novel approach for improving the utilization of radio spectrum. An important requirement of cognitive radio devices is to sense and use in a dynamic way the frequencies for network access, which is done by autonomous detection of idle bands in the spectrum radio. This paper focuses on variou

5、s methods for detecting a signal embedded in the noise by specifying their advantages and their drawbacks. Thus, an energy detection method is applied in the detection of free channels.【Key words】cognitive radio；spectrum sensing；energy detection0 引言随着无线通信技术的飞速发展，无线电频谱资源日趋紧张。另一方面，许多已经分配的频段在大多数情况下并没有被

6、充分利用。传统的无线电频谱分配采用的是一种固定的分配策略，一旦授权分配给了某个用户，其他的用户就不能再使用该频段即使它并没有被授权用户使用，否则就被视为非法。所以在许多频段，相对于频谱资源匮乏而言频谱接入技术是一个更重要的问题，传统的频谱分配机制限制了这些空1闲频谱的接入。为了解决这一矛盾，Joseph Mitola III它使用边了解边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。从定义中，可以得出认知无线电的两个主要特点：认知能力和重配置能力。认知无线电的认知能力是指它能够捕获和感知来自

7、无线环境的信息，从而能够选择最佳的频段和适当的操作参数。重配置能力指认知无线电能够动态选择在哪个频段进行发送和接收工作，同时通过硬件设计的支持，能够支持不同的收发技术。认知无线电的最终目的就是通过上述的认知能力和重配置能力实现频谱的最佳利用。美国联邦通信委员会（FCC）通过法规，允许具备认知功能的无线终端在不对授权用户（也称授权用户）产生干扰的情况下使用授权给其他用户的频段，这为认知无线电技术的发展和应用奠定了政策基础。在他的博士论文中提出了认知无线电（CR：cognitive radio）2的概念，它是以提高频谱利用率这一核心思想为主导的。1 认知无线电认知无线电是一个可以感知外界通信环境的

8、通信系统，收稿日期：2007-07-12。基金项目：江苏省工业高科技研究项目（编号：BG2006039）；江苏省高校自然科学研究计划（编号：05KJB510090）。 作者简介：邓 韦（1982-），硕士，主要研究方向为认知无线电技术；朱 琦（1965-），教授，硕士生导师，主要研究方向为移动通信与无线技术。76认知无线电的感知能力涵盖了许多方面，其中频谱感知是目前人们最为关注的一个方面。为了在某个区域应用认知无线电技术，笔者首先进行的工作是对该区域的无线通信环境的感知，即频谱检测和“频谱空洞”搜寻和判定。如何检测频谱空洞这就涉及到频谱感知方法的研究，下面笔者将着重介绍认知无线电中的频谱感知方

9、法。且需要足够长的监测时间。3 能量检测能量检测是Urkowitz首先提出来的，它也是基于公式的二元假设。图1给出了能量检测器的实现框图。假设噪声是零均值的加性高斯白噪声并且能量为0，信号是确定信号但具体细节并不知道。接收信号首先被带宽为W的带通滤波器滤波，然后通过一个平方律检测器和一个观察时间为T的积分器。从文献4中可以知道只有噪声存在时检验统计量42 频谱感知方法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。因此非授权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），也就是必须具备信号的检测功能。通常对于特定的频段，如果接收到的这个频段的信号经过滤波器滤波

10、后只含噪声，那么笔者认为这个频段未被占用；反之，这个信号就含有噪声和未知通信信号。这就是一个二元的信号检测问题，可以建立一个假设检验的模型。有H0和H1两个假设：V服从自由度为2TW的中心2分布，有信号时V服从自由信噪比SNR用Es0表示，Es度为2TW的非中心2分布。为信号能量。在判决时必须有一个判决的标准，称为门限值。当积分器输出V值大于门限值，判定为信号存在，认知用户检测到授权用户在使用检测频谱，认知用户无法伺机共享无线资源；当积分器输出V值小于门限值，判定为信号不存，认知用户检测到“频谱空洞”，可以暂时使用授权频谱。n(t)H0,x(t)= s(t)+n(t)H1，其中，x(t)是非授

11、权用户接收到的信号，s(t)是授权用户的发射信号，n(t)表示理想高斯白噪声。H0表示在某个频段内没有授权用户存在；H1表示在某段频段内存在一定数量的授权用户。根据假设模型，一般有三种方案：匹配滤波器检测、能量检测和循环性平稳特性检测3。（1）匹配滤波器检测。当非授权用户已经获得了授权用户的信号的先验知识，在加性高斯白噪声信道中，最佳的检测装置是匹配滤波器。匹配滤波器法在加性高斯白噪声信道中是一种最优的频谱感知方法，但它的缺点就是为了获得匹配滤波器而必须具备授权用户信号的先验知识，并且计算量也比较大。因此如果先验知识不准确，那么匹配滤波器的性能就会大大下降。（2）能量检测。如果接收者无法知道关

12、于授权用户信号的先验知识，那么最佳的检测装置就是能量检测装置。能量检测法是一种比较简单的信号检测方法，属于信号的非相干检测，直接对时域信号采样值求模，然后平方即可得到；或利用FFT转换到频域，然后对频域信号求模平方也可得到。它的另外一个优点是无需知道授权用户信号的任何先验知识。虽然能量检测法简单且不需要任何的先验知识，但它固有的缺陷限制了它的使用。首先，能量门限的设置非常困难，很可能将衰落的、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，能量检测法不能区分出有用信号、干扰及噪声。（3）循环性平稳特性检测。调制信号通常和正弦载波，冲激序列，反复扩展，跳频序列或者循环前

13、缀联系在一起。一般而言，各种调制信号都有潜在的周期性。而噪声没有这个特性，所以可以利用信号的循环性平稳特性进行检测。循环性平稳特性检测不易受到不确定噪声功率的影响，所以在噪声环境中它的检测要优于能量检测，但是它计算复杂，并<f>KHH1图1 能量检测器框在噪声功率确定的情况下，对于特定的虚假概率PFA，4能量检测的检测概率PD的计算公式如下：1PD=Q。 实际上，背景噪声是不断变化的，这里引入参数U来量化背景噪声的变化程度。在不断变化的背景噪声中，N0为理想高斯白噪声双边功率谱密度N0的估计值，则两者可以满足下面的关系式：(11)N0N0(1+2)N0， （3）式中，011，20。

14、用下面的公式定义参数U：U=1+21。 11于是，在噪声功率不确定情况下，可以得到正确检测概率PD的计算公式：PD=Q。 当U=1(U=0 dB）时，即背景噪声的双边功率谱密度的估计N0与N0在数值上相等，公式就可以直接写成公式的形式。可见，公式是公式的特殊形式。4 仿真分析假设发送信号为OFDM信号，采用QPSK调制。接收信号为经过传输衰减后OFDM信号、信道噪声和突发干扰之和。仿真中信道噪声为高斯白噪声，突发干扰为随机信号。噪声不确定参数U选取了5个值，分别为0 dB，0.5 dB，1 dB，1.5 dB，2 dB。虚假概率PFA取10%。能量检测仿真图如图2所示。（下转第80页）77th

15、en m<=m+1; -计xx信号的脉冲个数 end if; end process; end fun;4 仿真结果解调器的仿真波形如图4。图5 增加了容错的解调器的仿真波形5 结语文中通过对FSK调制信号原理的研究，根据过零检测法图4 解调器的仿真波形由图4可以看出：输入调制信号FSK和输出解调信号y之间存在着一个周期的时延。在q等于10时计数器m的值清零。在输出端y输出的信号和原始信号不同，产生了误差。当在q等于9判决的时候m的记数值却变成了3，如果将门限设为2仿真的结果就会产生误差。这主要是由时延和仿真时的失误产生的，在实际的运用中肯定会有干扰的出现，从而影响该系统的性能。为了提高

16、系统的抗干扰性能，可将判决门限m的值改为3，这样就使系统有了一定的容错能力。增加了容错的解调器的仿真波形如图5所示。 （上接第77页）下却严重限制了它的使用。首先，能量门限的设置非常困难，很可能将衰落的、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，能量检测法不能区分出有用信号、干扰及噪声，进而更不能区分出接收信号的类型和调制方式等。社, 2001.2 冯玉岷,通信系统原理M.北京:清华大学出版社,2003.3 侯伯亨. VHDL硬件描述语言与数字电路设计M. 西安:西安电子科大出版社,2003.4 基于CPLD的FSK信号发生器的设计J.漯河技术学院学报,2004

17、,(2):2023.设计了一种FSK数字解调器，实现了对FSK数字调制信号的解调，达到了设计的目的。Altera公司的MAXPLUS2应用软件具有较强大的开放性和综合性，它可以利用其他各种EDA资源以及先进的设计方法，使其功能更加完善和强大。它的可编程特性带来了电路设计的灵活性，缩短了产品的上市时间。参考文献1 樊昌信,张甫翊,徐炳祥. 通信原理M.第5版,北京:国防工业出版5 结语RSN/dB图2 能量检测（OFDM_QPSK，PFA=10%,0 dBU2 dB） 从图2中所示的5条曲线可以看出：dB，即背景噪声确定的情况下，能量检测的（1）U=0性能都比较令人满意，直到20 dB为止，正确

18、检测概率PD都十分接近100%对于认知无线电来说，这样的检测性能才是可靠的。（2）随着噪声不确定程度的加大，正确检测概率PD的值都在变小,能量检测的可靠性也都在降低。尤其是在授权dB），正确检测概率PD均用户发送弱信号时（比如U=22接近于一半，换句话说，能量检测已经丧失了它的检测功能。（3）背景噪声的不确定程度对能量检测的性能影响也是很大的。噪声不确定参数U越小，能量检测算法的性能越好。（4）在信噪比接近1的情况下，能量检测的结果都是值得信赖的。当然信噪比大于1的情况下，利用能量检测查寻频谱空洞也是绝对可行的。虽然能量检测算法实现相对来说十分简单，而且不需要任何关于接收信号的先验知识，但它固有的缺陷在某些情况文中介绍了认知无线电技术，主要讨论了认知无线电系统中的频谱感知方法，介绍了常用的授权用户的检测方法。另外，文中着重研究了能量检测法，并对能量检测性能进行了仿真分析。能量检测法的固有缺陷限制