认知无线电集中式联合频谱感知算法研究

1、 2022-4-291认知无线电集中式联合频谱感知认知无线电集中式联合频谱感知算法研究算法研究2/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所2022-4-29课题来源及研究的目的与意义课题来源及研究的目的与意义1国内外研究现状国内外研究现状2硬判决联合频谱感知算法硬判决联合频谱感知算法4软判决联合频谱感知算法软判决联合频谱感知算法5周期性联合频谱感知机制及其优化周期性联合频谱感知机制及其优化6主要内容主要内容结论结论7频谱感知关键技术频谱感知关键技术33/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所2022-4-29课题来源及研究的目的与意义课题来源及研究的目的与意义1国内外研究现状国内外研

2、究现状2硬判决联合频谱感知算法硬判决联合频谱感知算法4软判决联合频谱感知算法软判决联合频谱感知算法5周期性联合频谱感知机制及其优化周期性联合频谱感知机制及其优化6主要内容主要内容结论结论7频谱感知关键技术频谱感知关键技术34/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所2022-4-29频谱资源使用不充分频谱资源使用不充分美国美国0-6GHz频谱资源利用率频谱资源利用率的测量结果的测量结果p 绝大多数频段未被充分使用绝大多数频段未被充分使用p 高频频段的频谱使用率非常低高频频段的频谱使用率非常低 美国美国0-6GHz频谱资源的使用情况频谱资源的使用情况频率(GHz)0-11-22-33-44-

3、55-6利用率(%)54.435.17.60.0250.1284.6 美国美国0-6GHz的频谱资源利用率的频谱资源利用率5/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所2022-4-29FCC将没有被授权用户充分利用的频谱叫做将没有被授权用户充分利用的频谱叫做“频谱空穴频谱空穴” 或者或者“空闲频谱空闲频谱” FCC提出非授权用户可以采用认知无线电提出非授权用户可以采用认知无线电 (Cognitive Radio, CR) 技术实现对空闲频谱的感知和利用技术实现对空闲频谱的感知和利用 充分利用空闲频谱充分利用空闲频谱6/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所认知无线电频谱感知认知无线电

4、频谱感知频谱感知的作用频谱感知的作用使无线通信设备具有感知空闲频谱并合理利用的能力使无线通信设备具有感知空闲频谱并合理利用的能力避免对授权用户产生任何干扰避免对授权用户产生任何干扰 频谱感知挑战频谱感知挑战快速、准确地检测授权用户是否存在快速、准确地检测授权用户是否存在解决隐终端问题解决隐终端问题联合频谱感知的作用联合频谱感知的作用对授权用户不同方位的检测，有效地克服隐终端问题对授权用户不同方位的检测，有效地克服隐终端问题在达到相同检测精度下，可以降低系统对单用户检测灵敏度的要求在达到相同检测精度下，可以降低系统对单用户检测灵敏度的要求 7/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所认知无线

5、电联合频谱感知认知无线电联合频谱感知联合联合频谱频谱感知感知分类分类集中式集中式分布式分布式协调控制认知用户协调控制认知用户基站获得所有用户的感知信息，检测精度高基站获得所有用户的感知信息，检测精度高 最大化自己的感知性能，合并的信息有最大化自己的感知性能，合并的信息有限，检测精度较低限，检测精度较低 认知用户本身需要融合功能，终端的设计复杂认知用户本身需要融合功能，终端的设计复杂频谱频谱感知感知性能性能体现体现发现空闲频谱的能力，感知性能越高认知无发现空闲频谱的能力，感知性能越高认知无线电能够识别更多的空闲频谱线电能够识别更多的空闲频谱 探测授权用户的能力，感知性能越高认知探测授权用户的能力

6、，感知性能越高认知无线电能够发现越微弱的授权用户信号无线电能够发现越微弱的授权用户信号 8/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所课题来源及研究目的课题来源及研究目的课题来源课题来源国家自然基金项目认知无线电中基于图论和博弈论的国家自然基金项目认知无线电中基于图论和博弈论的联合频谱分配算法研究联合频谱分配算法研究(编号：编号：61071104) 研究目的研究目的为认知无线电的频谱分配提供先期的频谱感知和频谱空穴的获取为认知无线电的频谱分配提供先期的频谱感知和频谱空穴的获取 9/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所2022-4-29课题来源及研究的目的与意义课题来源及研究的目的与意

7、义1国内外研究现状国内外研究现状2硬判决联合频谱感知算法硬判决联合频谱感知算法4软判决联合频谱感知算法软判决联合频谱感知算法5周期性联合频谱感知机制及其优化周期性联合频谱感知机制及其优化6主要内容主要内容结论结论7频谱感知的关键技术频谱感知的关键技术310/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所认知无线电的概念认知无线电的概念Joseph Mitola认知无线电应该基于软件认知无线电应该基于软件无线电的平台，是一种智无线电的平台，是一种智能化的软件无线电。认知能化的软件无线电。认知无线电通过无线电知识表无线电通过无线电知识表式语言采用模式推理的方式语言采用模式推理的方式与网络进行智能交流

8、式与网络进行智能交流 .认知循环认知循环 FCC认知无线电是一种通过与频谱环境进行交互而改变传输参数认知无线电是一种通过与频谱环境进行交互而改变传输参数的无线电，它能够采用动态频谱接入的方式使用授权频谱的无线电，它能够采用动态频谱接入的方式使用授权频谱,具具有认知和重配置能力有认知和重配置能力.11/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所国外研究现状国外研究现状 认知无线电系统结构的研究认知无线电系统结构的研究美国国防部制定的下一代通信计划美国国防部制定的下一代通信计划(Next Generation Communication Program, XG)美国佐治亚理工学院提出了基于美国佐

9、治亚理工学院提出了基于OFDM的认知无线电宽带频谱池系统的认知无线电宽带频谱池系统美国加州大学伯克利分校和柏林技术大学合作研发的一种利用虚拟无美国加州大学伯克利分校和柏林技术大学合作研发的一种利用虚拟无许可频谱的认知无线电系统许可频谱的认知无线电系统 美国加州大学智能网实验室研发的采用可升级的分布式频谱共享方案美国加州大学智能网实验室研发的采用可升级的分布式频谱共享方案 的的Nautilus系统系统FCC与与2005年提出了第一个基于认知无线电的标准化协议年提出了第一个基于认知无线电的标准化协议IEEE 802.22，也叫无线区域网也叫无线区域网 (Wireless Regional Area

10、 Networks, WRAN) 12/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所国外研究现状国外研究现状 认知无线电频谱感知的研究认知无线电频谱感知的研究美国佐治亚理工学院的美国佐治亚理工学院的Ganesan博士提出了一种分布式的联合频谱感博士提出了一种分布式的联合频谱感知算法，信噪比较高的用户作为中继将感知信息转发给信噪比低的用户知算法，信噪比较高的用户作为中继将感知信息转发给信噪比低的用户韩国首尔大学的韩国首尔大学的Chongjoon You提出了使用提出了使用TV频段的集中式联合频谱频段的集中式联合频谱感知方法，各认知用户独立的采用能量检测法感知授权用户，并通过一感知方法，各认知用户

11、独立的采用能量检测法感知授权用户，并通过一个融合中心收集所有用户的感知信息并作出最终决策个融合中心收集所有用户的感知信息并作出最终决策美国佛罗里达大学的美国佛罗里达大学的Jose C P提出联合频谱感知能够产生分集增益，提出联合频谱感知能够产生分集增益，可以通过改变门限来控制联合频谱感知性能可以通过改变门限来控制联合频谱感知性能 佐治亚理工学院的佐治亚理工学院的Jun Ma等人提出了采用软判决的联合频谱感知算法，等人提出了采用软判决的联合频谱感知算法，算法基于算法基于Neyman-Pearson原则能够提高认知无线电的检测概率原则能够提高认知无线电的检测概率 伦敦国王学院的伦敦国王学院的Sto

12、ta教授提出了基于放大中继和检测中继的认知无线电教授提出了基于放大中继和检测中继的认知无线电联合频谱感知算法，通过增加中继用户数可以提高检测概率联合频谱感知算法，通过增加中继用户数可以提高检测概率 13/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所国内研究现状国内研究现状 国内会议和基金国内会议和基金2008年年5月，北京邮电大学承办了中欧认知无线电研讨会月，北京邮电大学承办了中欧认知无线电研讨会 2011年中国通信与网络国际学术会议年中国通信与网络国际学术会议 认知无线电专题认知无线电专题973计划、计划、863计划和国家自然科学基金都对认知无线电进行了立项支持计划和国家自然科学基金都对认知

13、无线电进行了立项支持 国内频谱感知研究国内频谱感知研究大连理工大学的刘航等人采用循环平稳特征检测法实现了低信噪比大连理工大学的刘航等人采用循环平稳特征检测法实现了低信噪比条件下的频谱感知条件下的频谱感知 南京邮电大学的程世伦提出了基于纳什议价的联合频谱感知算法南京邮电大学的程世伦提出了基于纳什议价的联合频谱感知算法 中国电子科技集团三十六所的郑轶等人提出了一种基于融合中心进行中国电子科技集团三十六所的郑轶等人提出了一种基于融合中心进行信噪比比较的认知无线电联合频谱感知算法信噪比比较的认知无线电联合频谱感知算法 14/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所国内研究现状国内研究现状 北京邮电

14、大学的虞贵财研究了感知时长和噪声功率波动对联合频谱北京邮电大学的虞贵财研究了感知时长和噪声功率波动对联合频谱感知灵敏度的影响感知灵敏度的影响 哈尔滨工业大学的石磊提出了基于分布式优化的联合频谱感知算法，哈尔滨工业大学的石磊提出了基于分布式优化的联合频谱感知算法，通过对信号和噪声的概率密度函数进行逐步二次规划，可以提高性能通过对信号和噪声的概率密度函数进行逐步二次规划，可以提高性能解放军理工大学的崔丽提出了基于信息简约的最大似然联合频谱感知解放军理工大学的崔丽提出了基于信息简约的最大似然联合频谱感知算法，采用简约信息降低了传送感知信息所需要的开销算法，采用简约信息降低了传送感知信息所需要的开销

15、清华大学的马志清华大学的马志垚垚提出采用联合频谱感知对授权用户进行定位，通过提出采用联合频谱感知对授权用户进行定位，通过建立检测概率与测距的关系，估计授权用户的三维地理位置信息建立检测概率与测距的关系，估计授权用户的三维地理位置信息15/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所认知无线电的关键技术和应用认知无线电的关键技术和应用 关键技术关键技术频谱感知：检测授权用户频谱感知：检测授权用户频谱分析和决策：选择最佳的可用频段频谱分析和决策：选择最佳的可用频段 频谱共享：允许认知用户在不影响授权用户的前提下动态共享频谱频谱共享：允许认知用户在不影响授权用户的前提下动态共享频谱 认知无线电组网：

16、跨层设计认知无线电组网：跨层设计主要应用主要应用租用网络租用网络 ：租借给私人移动通信网络进行频谱接入：租借给私人移动通信网络进行频谱接入 认知认知Mesh网网 ：智能的宽带无线接入网络，具备认知与重配置功能：智能的宽带无线接入网络，具备认知与重配置功能 军用认知无线电军用认知无线电 ：提高军事通信对外界复杂环境的适应性和保密性：提高军事通信对外界复杂环境的适应性和保密性应急通信认知无线电：迅速地感知突发事件现场的外界环境信息，并应急通信认知无线电：迅速地感知突发事件现场的外界环境信息，并且能够快速的组网通信且能够快速的组网通信 16/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所2022-4-

17、29课题来源及研究的目的与意义课题来源及研究的目的与意义1国内外研究现状国内外研究现状2硬判决联合频谱感知算法硬判决联合频谱感知算法4软判决联合频谱感知算法软判决联合频谱感知算法5周期性联合频谱感知机制及其优化周期性联合频谱感知机制及其优化6主要内容主要内容结论结论7频谱感知的关键技术频谱感知的关键技术317/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所单用户频谱感知单用户频谱感知发射端频谱感知发射端频谱感知匹配滤波器检测匹配滤波器检测 能量检测能量检测 循环平稳特征检测循环平稳特征检测18/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所单用户频谱感知单用户频谱感知接收端频谱感知接收端频谱感知干

18、扰温度检测干扰温度检测 本振泄露检测本振泄露检测 频谱感知方案频谱感知方案优点优点缺点缺点匹配滤波器检测匹配滤波器检测检测时间短、增益大。检测时间短、增益大。必须知道每一类授权用户的各种先验信息。必须知道每一类授权用户的各种先验信息。能量检测能量检测实现简单、准确度高、可靠性好，并且不需要实现简单、准确度高、可靠性好，并且不需要信号的先验信息。信号的先验信息。不适合极弱信号的检测，判决门限较难确定。不适合极弱信号的检测，判决门限较难确定。循环平稳特征检测循环平稳特征检测性能良好，能识别不同调制方式的信号，可用性能良好，能识别不同调制方式的信号，可用于扩频信号的检测。于扩频信号的检测。计算量大，

19、检测时间相对较长。计算量大，检测时间相对较长。本振泄漏检测本振泄漏检测低成本、检测时间短。低成本、检测时间短。检测本振泄露信号，应用范围受局限。检测本振泄露信号，应用范围受局限。干扰温度检测干扰温度检测很好地控制对授权用户的干扰。很好地控制对授权用户的干扰。干扰温度界限很难确定。干扰温度界限很难确定。19/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知联合频谱感知隐终端隐终端授权用户处于阴影或者严重的多径授权用户处于阴影或者严重的多径衰落的情况下，隐终端问题就会产生衰落的情况下，隐终端问题就会产生 集中式联合频谱感知步骤集中式联合频谱感知步骤 本地能量检测本地能量检测向融合中心发送

20、感知信息向融合中心发送感知信息融合中心合并及最终决策融合中心合并及最终决策20/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知联合频谱感知硬判决联合频谱感知硬判决联合频谱感知本地判决是本地判决是0/1判决判决 三种融合准则三种融合准则公共信道带宽小，检测公共信道带宽小，检测 性能不高性能不高AND 准则准则,1,1,11(1)Nff iiNdd iiNmm iiQPQPQP OR 准则准则,1,1,11(1)1(1)Nff iiNdd iiNmm iiQPQPQP K-OUT-N 准则准则,11,111,011(1)(1)(1)jNNjfNf if ij kiijjNNjdNd i

21、d ij kiijjNkjmNm im ijiijQCPPQCPPQCPP 软判决联合频谱感知软判决联合频谱感知本地判决是能量统计值本地判决是能量统计值 融合中心累积判决融合中心累积判决公共信道带宽大，检测公共信道带宽大，检测 性能高性能高22(1)2(1)42fndnMNQQMNQQ21/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 周期性联合频谱感知机制周期性联合频谱感知机制 优点优点终端只需要一根天线终端只需要一根天线及时地探测到授权用户及时地探测到授权用户保证足够的通信时间保证足够的通信时间 设计目标设计目标尽可能的降低合作开销尽可能的降低合作开销保证检测性能的前提下，尽可能的提高认知

22、无线电吞吐量保证检测性能的前提下，尽可能的提高认知无线电吞吐量 22/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所2022-4-29课题来源及研究的目的与意义课题来源及研究的目的与意义1国内外研究现状国内外研究现状2硬判决联合频谱感知算法硬判决联合频谱感知算法4软判决联合频谱感知算法软判决联合频谱感知算法5周期性联合频谱感知机制及其优化周期性联合频谱感知机制及其优化6主要内容主要内容结论结论7频谱感知的关键技术频谱感知的关键技术323/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知门限优化联合频谱感知门限优化 能量检测门限优化能量检测门限优化较低的虚警概率较低的虚警概率 较低的漏检

23、概率较低的漏检概率 01*argmineHfHmPP PP P最小化错误检测概率最小化错误检测概率最优门限最优门限2*2142ln21242nnM00.20.40.60.811.21.41.61.820.20.250.30.350.40.450.5Pe SNR=-10dBSNR=-6dBSNR=-2dBSNR=2dB24/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知门限优化联合频谱感知门限优化 AND准则准则各认知用户的接收信噪比和噪声方差相同，那么各用户门限相同各认知用户的接收信噪比和噪声方差相同，那么各用户门限相同(数值数值搜索搜索)，反之则不同，反之则不同(复杂的多元优化复

24、杂的多元优化 问题问题)( )(1),( )(1),qqfff qqqddd qQQPQQP虚警概率和检测概率迭代表示虚警概率和检测概率迭代表示用户用户q门限优化门限优化01*( )( )( )argminqqqqqeHfHmPP QP Q用户用户q最优门限最优门限2(1),*2,(1)421ln21242qn qqqfqn qqqqdrrQrMrQ加入的必要性加入的必要性( )(1)( )0qqqeePPOR准则准则2(1),*2,(1)4211ln212421qn qqqfqn qqqqdrrQrMrQ用户用户q最优门限最优门限25/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感

25、知门限优化联合频谱感知门限优化 K-OUT-N准则准则2( ,1)(1,1),*2,( ,1)(1,1)421ln21242k qkqn qqqffqn qqk qkqqddrrQQrMrQQ用户用户q最优门限最优门限仿真参数仿真参数26/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知门限优化联合频谱感知门限优化 00.511.522.533.540.20.250.30.350.40.450.5Pe AND准则,相同门限OR准则,相同门限K-OUT-N准则,相同门限AND准则,优化OR准则,优化K-OUT-N准则,优化00.511.522.533.540.20.250.30.350

26、.40.450.5Pe AND准则,相同门限OR准则,相同门限K-OUT-N准则,相同门限AND准则,优化OR准则,优化K-OUT-N准则,优化场景场景1(信噪比和噪声均相同信噪比和噪声均相同)场景场景2(信噪比相同信噪比相同, 噪声不同噪声不同)27/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所00.511.522.533.500.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5Pe AND准则,相同门限OR准则,相同门限K-OUT-N准则,相同门限AND准则,优化OR准则,优化K-OUT-N准则,优化00.511.522.533.500.050.10.150.20.250

27、.30.350.40.450.5Pe AND准则,相同门限OR准则,相同门限K-OUT-N准则,相同门限AND准则,优化OR准则,优化K-OUT-N准则,优化场景场景3(信噪比不同信噪比不同, 噪声相同噪声相同)场景场景4(信噪比和噪声均不同信噪比和噪声均不同) 联合频谱感知门限优化联合频谱感知门限优化 28/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 分簇联合频谱感知算法分簇联合频谱感知算法认知用户和融合中心之间的信道可能是衰落信道，此时认知用户认知用户和融合中心之间的信道可能是衰落信道，此时认知用户发送的发送的0可能被融合中心错译为可能被融合中心错译为1，发送的，发送的1被错译为被错译为

28、0 分簇联合频谱感知算法的步骤分簇联合频谱感知算法的步骤本地频谱感知本地频谱感知簇内融合簇内融合最终决策最终决策 29/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所分簇算法分簇算法选取参考节点：选取距离融合中心最近的节点作为初始簇中心选取参考节点：选取距离融合中心最近的节点作为初始簇中心聚类：将其余节点归到距离最近的簇聚类：将其余节点归到距离最近的簇存储簇和簇头存储簇和簇头 分簇联合频谱感知的虚警概率和检测概率为分簇联合频谱感知的虚警概率和检测概率为 , , ,111, , ,1111(1)(1)1(1)1(1)(1)1(1)JDDfb jf j ib jf j ijiiJDDdb jd j

29、ib jd j ijiiQPPPPQPPPP 分簇联合频谱感知算法分簇联合频谱感知算法30/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所瑞利衰落瑞利衰落11, , , , ,2121exp()()222d j if j if j if j ijjjPPQPQQPMMM11,10( 1)12()DjmD mb jDmjDPCDmDm 分簇联合频谱感知算法分簇联合频谱感知算法-5-4-3-2-101234510-510-410-310-210-1100SNR (dB)BER D=1D=4D=8D=16簇内节点数不同时簇内节点数不同时簇头节点的误码率簇头节点的误码率 31/64通通 信信 技技 术术

30、 研研 究究 所所 分簇联合频谱感知算法分簇联合频谱感知算法00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.500.10.20.30.40.50.60.70.80.91QfQd 未分簇J=8J=4J=200.050.10.150.20.250.30.350.40.450.500.10.20.30.40.50.60.70.80.91QfQd 未分簇J=8J=4J=2p衰落信道下，分簇越少，算法的感知性能越好衰落信道下，分簇越少，算法的感知性能越好 p分簇越少，簇头节点处理的信息量越大，设计越复杂分簇越少，簇头节点处理的信息量越大，设计越复杂 不同分簇数下的检测概率不同分簇数

31、下的检测概率(SNR=20dB) 不同分簇数下的检测概率不同分簇数下的检测概率(SNR=-5dB) 32/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所2022-4-29课题来源及研究的目的与意义课题来源及研究的目的与意义1国内外研究现状国内外研究现状2硬判决联合频谱感知算法硬判决联合频谱感知算法4软判决联合频谱感知算法软判决联合频谱感知算法5周期性联合频谱感知机制及其优化周期性联合频谱感知机制及其优化6主要内容主要内容结论结论7频谱感知的关键技术频谱感知的关键技术333/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的软判决联合频谱感知算法基于加权的软判决联合频谱感知算法高信噪比用户的

32、检测高信噪比用户的检测性能要好于低信噪比性能要好于低信噪比用户的检测性能，因用户的检测性能，因此在融合决策中，如此在融合决策中，如果提高高信噪比用户果提高高信噪比用户的检测信息所占的比的检测信息所占的比重，联合频谱感知的重，联合频谱感知的性能会获得提高性能会获得提高 加权软判决联合频谱感知模型加权软判决联合频谱感知模型 21224212122421( )2(1)( )2(12 )NgiinifNiinviNgiiinidNiiinvigQQgMgQQgM 虚警概率和检测概率虚警概率和检测概率 34/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的软判决联合频谱感知算法基于加权的软判决联

33、合频谱感知算法基于信噪比的权重基于信噪比的权重 21,1,2,.,iiNiiiN最大化吞吐量加权最大化吞吐量加权军事通信中，首要目的是提高认知无线电的吞吐量，同时还应该确保军事通信中，首要目的是提高认知无线电的吞吐量，同时还应该确保认知无线电对授权用户的干扰容量在授权用户允许的范围内认知无线电对授权用户的干扰容量在授权用户允许的范围内 maxs.t.1TIIRR 00(1)THfRC PQ吞吐量吞吐量11(1)IHdRC PQ干扰容量干扰容量min( )s.t.( )1fdQQ 21221max( )s.t.1NiiiiNiiigg 未考虑认知用户和融合未考虑认知用户和融合中心之间信道状况中心

34、之间信道状况35/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的软判决联合频谱感知算法基于加权的软判决联合频谱感知算法最优权重最优权重2211,2,.,NiiiiiiiNgg，12,min1( ) 122NfiiMQQ Q最小虚警概率最小虚警概率,max0,min0(1)THfRC PQ最大吞吐量最大吞吐量36/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所最小化干扰容量加权最小化干扰容量加权民用通信中，保证认知无线电正常通信需要的最低吞吐量的前提下，民用通信中，保证认知无线电正常通信需要的最低吞吐量的前提下，最小化对授权用户的干扰最小化对授权用户的干扰 mins.t.1ITTRR m

35、ax( )s.t.1dfQQ 21221max( )(12 )s.t.1NiiiiNiiiigg 最优权重最优权重2221,1,2,.,(12 )(12 )NiiiiiiiiiNgg最大检测概率最大检测概率21,max1( )21212NidiiQMQQ最小干扰容量最小干扰容量,min1,max1(1)IHdRC PQ 基于加权的软判决联合频谱感知算法基于加权的软判决联合频谱感知算法37/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的软判决联合频谱感知算法基于加权的软判决联合频谱感知算法0.20.30.40.50.60.70.80.9100.511.522.533.544.55RI(

36、kbps)RT(kbps) 最大化吞吐量加权基于信噪比加权OR准则硬判决2.533.544.500.20.40.60.811.21.41.61.8RT(kbps)RI(kbps) 最小化干扰加权基于信噪比加权OR准则硬判决吞吐量随干扰容量的变化吞吐量随干扰容量的变化 干扰容量随吞吐量的变化干扰容量随吞吐量的变化 为低信噪比用户分配较小的权重，降低了它对联合感知性能的负面影响为低信噪比用户分配较小的权重，降低了它对联合感知性能的负面影响 38/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的软判决联合频谱感知算法基于加权的软判决联合频谱感知算法-15-10-5011.522.533.54

37、4.5g (dB)RT (kbps) 最大化吞吐量加权基于信噪比加权OR准则硬判决-15-10-500.40.60.811.21.41.61.82g (dB)RI (kbps) 最小化干扰加权基于信噪比加权OR准则硬判决吞吐量随平均信道增益的变化吞吐量随平均信道增益的变化 干扰容量随平均信道增益的变化干扰容量随平均信道增益的变化 为到融合中心信道增益较小的用户分配较大融合权重，用来补偿认知为到融合中心信道增益较小的用户分配较大融合权重，用来补偿认知用户传送感知信息时所造成的信息损失。用户传送感知信息时所造成的信息损失。 39/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的宽带联合频谱

38、感知算法基于加权的宽带联合频谱感知算法认知无线电宽带频谱感知的主认知无线电宽带频谱感知的主要目的是检测这些子信道，选要目的是检测这些子信道，选择出其中空闲的子信道供自己择出其中空闲的子信道供自己使用。使用。 宽带认知无线电的吞吐量宽带认知无线电的吞吐量和干扰容量和干扰容量 01,0,1,1,11(,)1(,)LTHllf lg lllLIH lld lg lllRPCQRPCQ 宽带最大化吞吐量加权宽带最大化吞吐量加权总效益总效益单独子信道感知性能单独子信道感知性能 ,maxs.t.1,2,.,g llTIIf lld llRRQQlL 0,11,0,1,1,11,min() 122s.t.(

39、)0.5121,2,.,d lLHlld lllQlLH lld llllld llMPC Q QQPC QQMQQlL40/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的宽带联合频谱感知算法基于加权的宽带联合频谱感知算法宽带最小化干扰容量加权宽带最小化干扰容量加权,mins.t.1,2,.,g llITTf lld llRRQQlL1,01,1,1,0,11,()min1212s.t.() 12(0.5)1,2,.,f lLf llH llQllLHllf llllljf llQQMPCQPC QQ QMQlL定理定理4-1和和4-2证明了当证明了当 和和 时，目标函数为下凸函时，

40、目标函数为下凸函数，可采用牛顿迭代优化算法求解数，可采用牛顿迭代优化算法求解 0.5l0.5l41/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的宽带联合频谱感知算法基于加权的宽带联合频谱感知算法1.61.822.22.42.62.833.224681012141618RI (kbps)RT (kbps) 宽带最大化吞吐量信噪比加权OR准则硬判决0.40.8,1,2,.,lllL不同方法的吞吐量比较不同方法的吞吐量比较42/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所1234500.10.20.30.40.50.60.70.80.9子信道序号Qf 宽带最大化吞吐量信噪比加权OR准则硬

41、判决限 制 值1234500.10.20.30.40.50.60.70.80.91子信道序号Qd 宽带最大化吞吐量信噪比加权OR准则硬判决限 制 值不同子信道虚警概率不同子信道虚警概率不同子信道检测概率不同子信道检测概率43/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的宽带联合频谱感知算法基于加权的宽带联合频谱感知算法1212.51313.51414.51522.533.544.555.566.57RT(kbps)RI(kbps) 宽带最小化干扰容量信噪比加权OR准则硬判决不同方法的干扰容量比较不同方法的干扰容量比较44/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所1234500.

42、10.20.30.40.50.60.70.8子信道序号Qf 宽带最小化干扰容量信噪比加权OR准则硬判决限 制 值1234500.10.20.30.40.50.60.70.80.91子信道序号Qd 宽带最小化干扰容量信噪比加权OR准则硬判决限 制 值不同子信道虚警概率不同子信道虚警概率不同子信道检测概率不同子信道检测概率 基于加权的宽带联合频谱感知算法基于加权的宽带联合频谱感知算法45/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的双门限联合频谱感知算法基于加权的双门限联合频谱感知算法硬判决发送信息量少，但性能低；软判决性能高，需要发送大量信息。硬判决发送信息量少，但性能低；软判决性能

43、高，需要发送大量信息。硬软结合，性能折中。硬软结合，性能折中。设置检测概率上限设置检测概率上限 使得使得 和和 ，得到双门限，得到双门限0.5,f iP,m iP 12112221121nnQMQM当当 时，时， ，双门限退化为软判决联合频谱感知，双门限退化为软判决联合频谱感知012, 当当 时，时， ，双门限退化为硬判决联合频谱感知，双门限退化为硬判决联合频谱感知0.51246/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的双门限联合频谱感知算法基于加权的双门限联合频谱感知算法检测概率、虚警概率和漏检概率检测概率、虚警概率和漏检概率 每个认知用户平均发送比特每个认知用户平均发送比特

44、47/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的双门限联合频谱感知算法基于加权的双门限联合频谱感知算法00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.100.10.20.30.40.50.60.70.80.91QfQd =0.1=0.2=0.3=0.400.010.020.030.040.050.060.070.080.090.100.10.20.30.40.50.60.70.80.91QfQd 最小化干扰容量加权非加权软判决双门限=0.1双门限=0.4OR准则硬判决48/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 基于加权的双门限联合频谱感知算法

45、基于加权的双门限联合频谱感知算法00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.501234567Bave (bit) 加权软判决双门限算法OR准则硬判决49/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所2022-4-29课题来源及研究的目的与意义课题来源及研究的目的与意义1国内外研究现状国内外研究现状2硬判决联合频谱感知算法硬判决联合频谱感知算法4软判决联合频谱感知算法软判决联合频谱感知算法5周期性联合频谱感知机制及其优化周期性联合频谱感知机制及其优化6主要内容主要内容结论结论7频谱感知的关键技术频谱感知的关键技术350/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 授

46、权用户占用模型授权用户占用模型信道可以建模为信道可以建模为ON-OFF随机过程随机过程 01,llOFFONHlllllONOFFONOFFllONOFFH lllllONOFFONOFFE TuPuuE TE TE TuPuuE TE T信道空闲和繁忙的概率信道空闲和繁忙的概率51/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 周期性单信道联合频谱感知机制周期性单信道联合频谱感知机制p认知无线电认知无线电“先听后传先听后传”避免干扰避免干扰p周期检测及时捕获授权用户信号周期检测及时捕获授权用户信号周期感知周期感知周期传输周期传输信道搜索信道搜索信道切换信道切换 52/64通通 信信 技技 术

47、术 研研 究究 所所 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化优化参数：感知周期、感知时间、搜索时间以及参与合作感知的用户数优化参数：感知周期、感知时间、搜索时间以及参与合作感知的用户数 感知周期的优化感知周期的优化传输中产生的频谱浪费传输中产生的频谱浪费传输中对授权用户产生的干扰传输中对授权用户产生的干扰感知中产生的频谱浪费感知中产生的频谱浪费los,1int,1maxlos111(1)(1)Llld lBIf lIlLlld lBf lIBllLONlllONOFFTQ TQ TLTQTQTLTuTLuu 53/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所优化函数（感知代价）优化函数（

48、感知代价）1loslos2intmax()mins.t.pTTppTTTQTTTloslosintRRRTTTURTTIRT频谱利用率和对授权用户的干扰时间比频谱利用率和对授权用户的干扰时间比 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化本地感知时间和合作用户数的联合优化本地感知时间和合作用户数的联合优化,maxmax(,)s.t.1,mlmTkf lld llmR TkQQTTkN kZ,21(1)max(,)1( )()s.t.( )( )1,mpmmlmlTkpllmlTTkU TkQTkTQTu kkkN kZdpmrTTTT( +1)rTk定理定理5-1证明目标函数存在极大值证明目标

49、函数存在极大值54/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化搜索时间优化搜索时间优化*,maxmins.t.1,msfTkI lf lld llmTTPQQTTkN kZ *01*,21max(1)min1( )(1)( )s.t.( )1,mmTkmllHllH llmlTkQTkPPQTTkkN kZ单信道感知时间单信道感知时间(1)smTTk信道空闲的概率信道空闲的概率 01,(1)(1)I lf lHld lH lPQPQP55/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化123456789

50、100.40.450.50.550.60.65Tp (s)QT最 小 值121时感知代价随感知周期的变化时感知代价随感知周期的变化 56/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化00.050.10.150.20.250.30.350.40.10.20.30.40.50.60.70.8QfUR 优化周期Tp=2sTp=5sTp=10s00.050.10.150.20.250.30.350.40.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50.55QfIR 优化周期Tp=2sTp=5sTp=10s1120.1和和时频谱利用率和

51、干扰时间比随虚警概率的变化（军用）时频谱利用率和干扰时间比随虚警概率的变化（军用） 57/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化00.050.10.150.20.250.30.350.40.20.250.30.350.40.450.50.550.60.65QfUR 优化周期Tp=2sTp=5sTp=10s00.050.10.150.20.250.30.350.400.10.20.30.40.50.60.7QfIR 优化周期Tp=2sTp=5sTp=10s10.121和和 频谱利用率和干扰时间比随虚警概率的变化（民用）频谱利用率和干扰时间比随虚

52、警概率的变化（民用）58/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化00.20.40.60.8102468101.522.53k (个)Tm (s)R (kbps)吞吐量随本地感知时间和合作用户数的变化吞吐量随本地感知时间和合作用户数的变化 59/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.822.22.42.62.83Tm (s)R (kbps) k=1k=5k=101234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93k (个)R (kbps) Tm=0.

53、1sTm=0.45sTm=1s吞吐量随本地感知时间的变化吞吐量随本地感知时间的变化 吞吐量随合作用户数变化吞吐量随合作用户数变化 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化60/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化联合优化算法和其它优化算法的比较联合优化算法和其它优化算法的比较 -10-9-8-7-6-5-4-3-2-103.23.43.63.844.24.44.64.855.2SNR (dB)R (kbps) 联合优化Tm=0.2s,文献144优化kTm=1s,文献144优化kk=5,文献143优化Tmk=10,文献143优化Tm143

54、 Stotas S, Nallanathan A. Overcoming the Sensing-throughput Tradeoff in Cognitive Radio NetworksC. 2010 IEEE International Conference on Commu- nications, ICC. Cape Town, IEEE Inc, 2010: 1-5. 144 林威林威, 吴捷吴捷, 张钦宇等张钦宇等. 基于认知无线基于认知无线电系统合作检测的数据融合研究电系统合作检测的数据融合研究J. 通信学通信学报报. 2009, 30(10): 135-140.61/64通通

55、 信信 技技 术术 研研 究究 所所 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化00.050.10.150.202468100.511.522.53k (个)Tm (s)Tf (s)搜索时间随本地感知时间和合作用户数的变化搜索时间随本地感知时间和合作用户数的变化 62/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所0.020.040.060.080.10.120.140.160.180.200.511.522.533.54Tm (s)Tf (s) k=1k=3k=101234567891000.511.522.533.54k (个)Tf (s) Tm=0.02sTm=0.08sTm=0.2s搜

56、索时间随本地感知时间的变化搜索时间随本地感知时间的变化 搜索时间随合作用户数变化搜索时间随合作用户数变化 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化63/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所联合优化算法和其它优化算法的比较联合优化算法和其它优化算法的比较 联合频谱感知机制的优化联合频谱感知机制的优化-5-4-3-2-10123450123456SNR (dB)Tf (s) 联合优化Tm=0.08s 文献144优化kTm=0.2s, 文献144优化kk=3, 文献143优化Tmk=10, 文献143优化Tm64/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 周期性宽带多时隙联合频谱感知

57、机制周期性宽带多时隙联合频谱感知机制宽带认知无线电需要同时对所有的授权用户子信道进行感知，可以利用宽带认知无线电需要同时对所有的授权用户子信道进行感知，可以利用 所有的空闲子信道进行通信，同时节省了信道搜索时间。所有的空闲子信道进行通信，同时节省了信道搜索时间。各子信道总的吞吐量各子信道总的吞吐量 0,0,1(1)1lLplHf llpTkRC PQT11,.,1max( ,., )s.t.1,1,2,.,LLkf lld llLllpRkQQkkTkN kZlL 优化函数优化函数 65/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 周期性宽带多时隙联合频谱感知机制周期性宽带多时隙联合频谱感知机制L个子信道的感知时隙分配算法个子信道的感知时隙分配算法(贪婪算法贪婪算法) 联合谱感知机制的联合优化算法联合谱感知机制的联合优化算法 1mk1( , )(1)Lllg m kk mk66/64通通 信信 技技 术术 研研 究究 所所 周期性宽带多时隙联合频谱感知机制周期性宽带多时隙联合频谱感知机制020406080100024681002