认知无线电频谱感知技术研究2(硕士论文)

认知无线电频谱感知技术研究2(硕士论文)南京邮电大学硕士学位论文摘要摘要电磁波频谱是一种珍贵自然资源,要政府的授权才能使用。随着频谱资源需求的不断增长和可获得频谱的减少,美国决定允许未授权用户接入授权频段,提高频谱利用率。一份报告是这种改变的推动因素,固定授权分配频来提谱利用率大概只有%%。人们提出认知无线电高频谱利用率。认知无线电是一智能无线电系统,能与周围环境交互,改变它的传输参数,动态地利用频谱资源。认知无线电通过频谱感知动态适用周围的环境,机会利用无线电频谱空穴,提高频谱利用率。频谱感知是认知无线电系统利用频谱的关键一步,感知结果的精确性对系统的性能是至关重要的。由于每个用户所处的环境不同,特别当存在衰落时,单个次用户的感知结果无法准确判断主用户是否出现。文中提出了一种利用分集和协作的频谱感知方案。在该方案中,次用户利用接收分集技术来加强对主用户的检测,同时它们之间通过协作来进一步提高频谱感知的性能。仿真结果表明,提出的方案极大地提高了认知无线电频谱感知的性能。提出了干扰温度的概念,指出只要次用户对主用户接收机的干扰小于一个门限值,次用户就可以接入授权频谱。此时次用户收发机之间的信道容量影响着次用户的性能。假设信道状态信息是可准确获得的,文中研究了在接受干扰温度限制条件下的衰落信道香农容量容量和中断容量。与固定频谱接入相比,基于干扰温度的动态频谱接入改善了频谱利用率。关键词:认知无线电;频谱感知;频谱共享;分集;协作检测;干扰温度;衰落信道;信道容量南京邮电大学硕士学位论文,.仔.,%%.......,.,,...,南京邮电大学硕士学位论文.,,..:;;;;;;;南京邮电大学硕士学位论文缩略语缩略语认知无线电软件定义无线电动态频谱接入网络动态频谱接入干扰温度授权用户次用户主用户皤放大重传..译码重传最大比合并选择合并等增益合并频谱空穴本地振荡器,服务质量视距父Ⅵ加性白高斯噪声媒质接入控制谱相关密度谱相关函数联邦通信委员会功率谱密度南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论.课题研究背景随着人们对无线通信服务需求的不断增长,新的应用技术和高速无线接入的不断发展,使得现有的频谱资源越来越紧张。频谱资源是一种有限的自然资源,接入受到严格的限制。频谱管理的传统办法是频率规划【】,根据通信的不同把可,用频谱划分成不同的频段。每个频段分配给固定的授权用户:为了保护系统之间的不相互干扰,它们的发射功率受到严格限制。目前不同国家地区的频谱分配都有一个共同点,那就是大部分的频谱已经被分配出去。但是对电磁波的使用情况进行测量时发现,很多已经分配的频谱并没有被充分的利用,图.是伯克利无线研究中心测量数据,在一频段上,利用率只有.%,在,频段上利用率下降到.%。根据的报告【】,频谱利用率在时空上变化范围从/旷%。一方面对无线频谱资源的需求不断增长,导致可用频谱资源日益紧缺;另一方面,大量授权无线频谱却被闲置或者利用率极低。面对这个局面,近年来研究人员提出了动态频谱接入技术,以解决当前频南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论谱利用率不高的问题。动态频谱接入可以通过不干扰授权用户或者主用户:而随机接入的方式实现不同用户频谱共享,提高现存的频谱利用【】【】【被认为是解决上述无线频谱低利率。认知无线电:用率实现动态频谱接入问题的有效方法。它可以广泛应用于当今和未来的移动通信网、、『【、、各种特定用途的自组织网络和网络中,提高频谱利用率,改善通信系统的性能。。当未使用分配给它的频谱时,就会出现频谱空穴:认知无线电能够感知周围的无线电环境,特别是感知频谱空穴,机会的使用未被授权用户当前使用的频谱,实时的改变发射和接收链路参数来更有效的通信,提高频谱利用率。认知无线电技术最早由.博士提出来的,它是对软件无线电:的进一步的扩展;年月在美国华盛顿召开的会议在需求、初始化、机会和挑战等方面对展开讨论。,,己经于年月召开第一次的技术,将会议。.作组目的是使用认知无线电分配给电视广播的频带北美为的频率用作宽带访问线路。一些著名的大学研究机构如,、、、世界各大公司如、、、,一些研究学会论坛如等也纷纷展开对的研究和应用。大学实验室正在进行认知无线电平台的开发。目前美国国防部的下一代通信网络计划,将研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技术,以实现动态频谱接入和共享。.论文结构与内容安排本文具体内容安排如下:本章第一章首先简述了论文工作的研究背景和和认知无线电的由来。对课题的研究背景进行了简单介绍。第二章,对认知无线电,频谱感知和共享技术进行了全面阐述。介绍认知无南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论线电的研究进展和关键技术,重点介绍认知无线电频谱感知技术。随后介绍了无线衰落信道的相关知识,为下面的研究打下基础。第三章,本章重点研究了认知无线电频谱感知技术,提出了分集与协作频谱感知。由于每个用户所处的环境不同,特别是存在衰落时,单个次用户的感知结果无法准确判断主用户是否出现。次用户之间的协作可以提高频谱感知的准确性。利用分集技术可以提高认知无线电系统频谱感知的性能。本文提出的单用户分集和多用户之间的协作大大提高了频谱感知结果的准确性。第四章研究了在干扰温度限制条件下,动态频谱接入中的衰落信道容量问题。在收发端都可准确获得信道状态信息和主用户干扰温度的限制条件下,研究了衰落信道香农容量和中断容量。第五章,对全文进行总结并指出今后有待进一步研究的方向。第二章认知无线电和衰落信道南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道.引言随着无线通信中不同网络、不同业务和不同接入方式的不断增长,频谱资源越来越紧缺。提高频谱利用率,从而进一步提高系统容量和通信服务质量是下一代无线通信亟待解决的问题。认知无线电频谱共享技术的研究是一个崭新的课题,在新一代无线通信网络中具有非常广阔的应用前景。认识无线电是提高频谱电磁波利用率的有效手段。建立在软件无线电基础上的认知无线电是一个智能的无线通信系统,它能感知周围的环境,从外界不断的学习,根据外界的变化改变自己的参数,保证非常可靠的的通信和频谱资源高效利用。频谱感知是实现认知无线电的基础,它的主要任务是采取信号处理等手段实现实时、宽带、低功耗的频谱环境感知,识别和辨识主用户信号,从而有效地利用主用户产生的时频空穴。目前最常用的三种实现感知的信号处理方法包括匹配滤波器、能量感知和循环平稳谱估计。认知无线电中的频谱共享和现存系统的一般技术类似。在认知无线电网络和认知网中,频谱共享是一个挑战。我们将简单介绍认知无线电网络和频谱共享。随后介绍无限衰落信道的相关知识,为本文后述研究打下理论基础。最后是对本章的小结。.认知无线电研究现状首先提出的概念,在他的博士论文中提出了一种的体系架构和的循环认知模型,并在论文最后提出了一种简单的原型系统的设计实现。认知无线电,有不同的定义。例如,认为,认知无线电是具有感知能力的无线通信系统,感知能力即指无线电从无线环境中感知捕获信息的能力;这种能力不单纯是指功率监控,还包括了识别捕获无线电环境的时空变量,由此选择最佳频段和适当的操作参数这样的能力;和对认知无线电的定义则集中于认知无线电的可重配置功能【】方面,这里的可重配置指无线电根南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道据无线环境变化动态编程的能力。综上所述,认知无线电是一个智能的无线通信系统,它能感知周围无线环境,通过对环境的理解、主动学习等措施,实现特定的无线工作参数如功率、载波调制和编码等的实时改变,调整系统的内部状态,适应外部无线环境的变化,从而达到通信系统性能的最优化。认知无线电能够在不影响主用户的前提下智能地利用空闲频谱并且实现随时随地、高可靠性的通信。信号处理、人工智能、软件无线电、频率捷变、功率控制等技术的迅猛发展为认知无线电系统的实现提供了可能。从目前的研究来看,不同用户对同一频谱资源的共享有三种模式:竞争使用协作使用基于认知的使用。竞争使用模式在信息理论中已经得到充分研究,协作使用尚研究不多,而基于认知的使用无论是研究还是应用都是刚刚开始。认知无线电的认知循环如图.所示,它包括个主要步骤【】【】:频谱感知:监控可用频段并捕获其信息,根据无线电环境的射频激励,检测频谱空穴,并将空穴信息提供给频谱决策用。频谱分析:根据来自无线电环境的射频激励和频谱感知提供的频谱空穴信息,并通过分析频谱空穴特性,为频谱决策提供信道容量信息。频谱决策:根据频谱感知提供的频谱空穴信息和频谱分析所提供的信道容量信息,认知无线电用户确定数据速率、传输方式和传输带宽,根据用户需求和频段特性选取适当的频段,将要发送的信号提供给无线环境。第二章认知无线电和衰落信道南京邮电大学硕士学位论文在动态频谱接入时,已分配给主用户,但在特定的时间和特定的地理位置而没有被主用户占用的频段,叫做频谱空穴【。一旦传输频段决定后,用户可以接入信道开始通信。可是无线环境随时间和空间变化,认知无线电需要跟踪变化,如果当前频段重新变的不可用,则通过频谱切换功能‘】【来提供一个无缝的传输,环境改变、主用户出现、流量改变和用户移动都会触发切换。用户通过操作频段、调制方式、传输功率等的改变实现频谱环境的自适应,也就是它的可重配置特性【】。认知无线电最重要的挑战就是如何共享授权频段而不干扰主用户的传输。美国联邦通信委员会在年发布的报告,对频谱资源使用政策的变化,具有深远的影响。报告提出的认知无线电工作组于年月在华盛顿成立,随后年月在美国拉斯维加斯召开了第一次认知无线电方面的学术会议,标志着技术正式起步。年,弗吉尼亚理工学院的提出了一种基于遗传算法的模型,它采用了基于遗传算法的人工智能模型。年月在美国华盛顿召开的认知无线电会议对认知无线电的需求、机会和挑战等方面进行了研讨。著名通信理论专家在年月的通信选题杂志上发表了关于认知无线电的综述性文章【】,为认知无线电技术的研究指明了方向。年..通过总结的研究成果,撰写了基于认知无线电的下一代网络的综述性文章【。一些著名的大学研究机构如、、、和信息与通信方面的跨国公司如、、、以及国际电联、论坛如等也纷纷展开对的研究和应用。大学实验室正在进行认知无线电平台的开发。美国国防部高级研究计划署于年也成立了下一代通信研究项目组,着手研究认知无线电和动态频谱管理标准和以认知无线电为核心的无线通信系统及相关技术,以实现动态频谱接入和共享。该项目组将研制和开发频谱捷变无线电,这些无线电台在使用法规范围内,可以动态地自适应于变化的无线环境,在不干扰其他无线电台正常工作的前提下,使可以接入的频谱范围扩大近倍。认知无线电的目的首先在于提高频谱利用率,这不仅是个技术问题,而且涉及政府法规方面的问题,因为它要从根本上改变过去无线电资源固定的分配模南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道式。美国在年月颁布了新的法规,允许在不影响授权用户的前提下,通过认知无线电技术,使用电视广播频段中空闲的无线频谱资源,从而为实现认知无线电的实用化放宽了相关的政策限制。其它国家如日本也已宣布于年度开始探讨该技术,欧洲的德国、英国、意大利、瑞典都有相关机构在开展技术的研究。到目前为止,认知无线电有多种不同的定义和概念模型以及不同的体系架构,一些研究成果主要体现在近两年国际上召开的有关认知无线电技术和动态频谱分配的重要会议所发表的论文中。它们分别是年月份在,..召开的认知无线电会议其主要议题包括:紧急的商业和军事需求和机会,对于认知无线电的频谱政策.军事和商业要求,从软件定义的无线电发展到认知无线电,用于自适应频谱管理的工具和技术,子系统的研发.智能天线、传感器和接收机,自适应调制和波形技术、年月份召开的会议其主要议题是基于认知无线电的动态频谱分配和接入技术,会议发表了多篇文章。首届面向无线网络和通信技术的国际认知无线电技术大会于年月在希腊召开,会议探讨了与认知无线电相关的频谱共享、租借频段的收费等技术、经济等问题。和以动态频谱接入和认知无线电技术为专题,继续展开对认知无线电频谱共享技术的研究和讨论。近期通信选题杂志矛通信杂志上以认知无线电和动态频谱接入为主题,探讨了与认知无线电有关的一些问题如系统的容量分析、软硬件平台和市场实现等,以及分析其性能的相关数学工具博弈论、马尔科夫链等。.认知无线电网络架构和协议体系学术界和工业界已经提出了一些适用于认知无线电的网络体系架构,主要包括:无线区域网【】:基于.标准的无线区域网使用未使用的电视广播信道,在对电视信道不产生干扰的前提下,为农村地区、边远地区和低人口密度且通信服务质量差的市场提供类似于在城区或郊区使用的宽带接入技南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道术的通信性能。在的系统中,基站和用户预定设备是主要实体,转发器是可选的实体,采用集中式的网络结构。.标准包括物理层和层的协议。支持多信道多接口的无线网络:支持多信道多接口的无线网络按方式或者混合网络方式布置。如果网络中节点具有一个或多个无线电接口如网卡,可同时接入一个或多个无线信道,节点具有感知无线环境的功能,可以判断信道的使用情况,选择相应的信道接入。网络【】:提出基于的认知无线电网络,考虑异构环境的所有可能场景并发展跨层动态频谱接入。】:基于认知无线电方式使用虚拟非授权频谱。体系结构协调方式实现主用户的感知和频谱分配。用户分组协调通信,通过通用控制信道来交互感知和控制信息。物理层和链路层通过用于虚拟未注册频段的认知无线电方法平台测试【】【】。在物理层中,与认知无线电技术相关的主要模块包括:频谱感知、信道估计和数据传输功能模块。在链路层上,与认知无线电技术相关的主要模块是:组管理模块,链路管理模块和介质接入控制模块。频谱池系统】:一个采用的中心式共享架构,其中移动的认知用户感知,并在有主用户出现的子载波上以最大功率调制一个复杂的符号,基站接收后分配和共享频谱资源。】:采用统计复用接入和协调接入,具有捷变特性;中心式频谱租借机制提供高效频谱利用率并减小系统复杂度和满足灵活性要求。/】:在异构网络中通过通用协调信道接入实现动态频谱分配。在时间动态频谱接入中,使用当前时间未被占用的频段:在空间动态频谱接入中,自适应通信中本地流量的波动。椰】:重点强调分布式协调无需中心控制的中继实现频谱共享。】等提出了无线认知网络:】及认知网络概念及相应的网络体系架构。他们认为:无线认知网络是一种具有认知能力,能够感知网络当前的状况,通过自我配置来动态地自适应操作环境的改变。自我配置的主要功能组成是自我意识第二章认知无线电和衰落信道南京邮电大学硕士学位论文和自动学习?。.认知无线电中的频谱感知认知无线电的认知循环中最基本的步骤就是感知频谱。频谱感知最有效的方式就是在的通信范围之内检测主用户接收机。实际上,有时候很难测量主用户接收机和发射机之间的信道,因此大部分研究都建立在主用户发射机检测的基础上。频谱感知方式一般包括【】:发射机检测、协作检测和基于干扰温度的检测等。..发射机检测发射机检测的基本假设模型可以表示为删,.?Ⅳ等:翌粤,:门】】】是主用户的发射信号取样。假设】是谱密度为盯的加性高斯白噪声的取样,】~,仃。和风分别表示在相应频段上有无主用户信号出现的假设。...匹配滤波器检测在数字通信信号和雷达信号的检测中,人们往往采用匹配滤波器【】对信号进行相干检测,以实现输出信噪比最大。为了获得最佳的检测效果,其输出信号波形应为输入信号的自相关函数。如果接收机知道主用户的发射信号刀,匹配滤波器的最佳检测器为‘】掣仇萎Ⅲ哆:是检测器的门限值,最佳检测器需要的取样值为卅弓一~。南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道昂,斥分别是检测概率和虚警概率。因此最佳检测器需要的取样数量是~。但是它需要主用户信号的先验知识,例如调制方式、冲击波形和包格式。认知无线电系统可以把这些先验知识保存在其存储器中。如果这些信息不准确,检测性能将会下降。其优缺点如下:优点:接收信噪比最大化,由于相关运算耗时较少且可达到较高的处理增益,因此只要信噪比达到一定的门限即可实现检测【¨。?缺点:需要主用户在物理层和层的先验知识,解调信号需要同步相干检测,计算较复杂,因为对于每个特定的主用户需要一个专用的接收机。...能量检测能量检测不同于匹配滤波器检测,它属于非相干检测,它的实现类似于普通频谱分析仪,通过快速傅里叶变换后在时间上进行平均,最终得到感知的结果,如图?所示。能量检测器不需要主用户信号的先验知识,只需知道背景中的高斯白噪声功率。通过带通滤波器接收,计算出接收到信号的能量,根据设定的门限阈值得到判决结果。能量检测器可以表示为?丁】,∑Ⅵ,,阿。,。一【。弓一。。姗~一。昂之?因此最佳检测器需要的取样数量是~。其优缺点是:?优点:非相干检测,简单易用,采用更长的可以减小噪声,提高,是目前最主要的检测主用户的手段。?缺点:主用户检测阈值易受未知和改变的噪声电平影响,鲁棒性较差;无法区分调制信号、干扰信号和噪声信号,而且无法利用干扰对消;不能用于扩频信号包括直接序列扩频和调频信号的检测。南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道由于能量检测法比较容易实现,文献集中在能量检测器上考虑如何减小基于能量检测的感知时间。【中考虑了检测信号同时受阴影和多径衰落影响的情况。【集中讨论具有噪声和干扰的频谱感知,并从折衷的角度考虑多个感知用户之间的协调和单个感知复杂度之间的关系:由于噪声和干扰的不确定性成为影响主用户鲁棒性检测中重要的限制,通过临近节点之间的协调可以减小这种不确定性,提高检测率;如果检测形式比较简单则需要协调,这种协调增加了总的感知花费开销,可通过在协调收益和感知复杂度之间折衷来获得良好的检测效果。。...循环平稳检测、坚/.。丁由于调制中通常将正弦波作为载波,所涉及的脉冲序列、重复扩频、调频序列或者循环前缀将导致其内在的周期性。我们可以利用这种周期性来进行参数估计,如载波相位、脉冲定时或者脉冲到达等。这种内在的周期性称为循环平稳特性。一方面,循环平稳特性常用于检测有背景噪声或者其他调制信号的环境中某种特定调制类型的随机信号,这种检测基于自相关函数和功率谱密度。另一方面,循环平稳信号展示了由于周期性造成的频谱冗余,宽带的分离频谱分量之间的相关性。信号序列谱相关的重要参数是谱相关密度和谱相关函数。函数,的谱相关函数定义如下【】南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道?疋厂訇木,厂一詈西%厂血舰恕古一~』/:弘函数的谱定义为?以,研,谱相关同样定义为循环谱,不像功率谱密度是实值一维变换,是二维复值变换,且参数口叫做循环频率。功率谱密度是谱相关函数中口的特定情况。首先通过/变换得到数字信号,在进行点后进行自相关运算,并在时间上求平均,最终得到感知结果。特征检测指的是信号调制类型、符号速率和干扰的检测等。本质上,由于调制的信号具有循环平稳性,而白噪声的自相关函数为零,所以分析其谱自相关函数即得信号特征。这种方法的优缺点是:?优点:信号冗余的突出特征使得信号有了选择的余地。在域信号分析中保留了与调制信号中的定时参数有关的相位和频率信息。在中重叠的特征在中是不重叠的,不同的调制信号虽有相同的但有不同的,而且平稳噪声和干扰没有显现出谱相关特性。抗噪声性能好,不受噪声功率不确定性因素的影响。从】中可以看出,循环平稳检测比能量检测有更好的鲁棒性。?缺点:计算量大,需要很长的观察时间。..协作检测协作频谱感知利用信道的广播特性和空间分集特性。】已经研究了系统中使用正交传输的协作机制。研究了各种协作协议,包括一种固定中继协议,中继节点可以是模拟式的放大转发:..或者数字式的译码转发:..。由于多径和阴影衰落影响了检测信号的接收强度,而协作频谱感知可以缓解上述问题。协作感知依赖于不同位置和不同信号强度的分集。多个认知用户相互交换信息,比单个用户感知能提供更好的主用户感知效果,即多个用户通过各自的局部观察,得到微弱的发射机信号,共同参与主用户的检测。协作检测可以通过中心式或分布式两种方式来实现团】。中心式协作检测中由南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道基站或接入点采集各节点感知信息,之后融合分析处理,再通过下行链路通知各节点;而分布式协作检测,由局部节点实现感知信息分析处理,节点间通过通用控制信道交换共享环境感知信息。其优缺点是:?优点:协作检测比单用户检测提高检测率,能够减小阴影和多径衰落的影响】,效果要更好,更准确的检测主用户。?缺点:增加了工作量,花销更大,有可能产生拥塞,不能确定主用户接收方的位置。由于主用户与认知用户之间缺少信令交互,对主用户发射机检测的假定是基于主用户接收机位置未知的。因此认知用户只能依赖于局部观察的微弱主用户发射机信号。协作感知虽然提高了主用户的检测率,但它仍然是针对主用户发射机的检测,由于缺乏主用户接收机信息所以不能完全避免干扰,而且发射机检测模型不能避免隐藏节点问题,因此还是未能解决主用户接收机检测的问题,也就无法完全避免对主用户的干扰。..基于干扰温度的检测年为了控制频谱接入,提出了一个新的度量:干扰温度【】。不同于前面的方法,从主用户接收机检测的角度出发,可以通过干扰温度【】实现对主用户接收机的干扰的控制。干扰温度在文献】中被定义为主用户被用户干扰的部分。当前无线环境是以发射机为中心的,距离发射机一定距离的信号功率在设计中要求达到一个噪声底限,以降低可能的干扰。但是,由于新的不可预料干扰源的出现,射频噪声底限可能升高,因而引起信号覆盖范围减小。为防止这种可能性,推荐了一种对干扰的评价方法,也就是从单纯的接收机对干扰进行测量【】,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,如图.所示。乃五,:驾粤其中为波尔兹曼常数,等于.×./,为相应带宽,.是中心频率,另,为干扰功率由内部噪声源和外部射频能量累加产生,用于量化和管理无线环境的干扰源,而且干扰温度界限提供了特定频段和特定地理位置射频环第二章认知无线电和衰落信道南京邮电大学硕士学位论文境的最恶多情形的描述。在干扰温度界限内,接收机期望能满意地工作。给定任意一个频带,只要不超出干扰温度,则该频带就可以被用户使用,干扰温度限将作为该频带功率的上限。旨%∞、科删辐\\既?‘~~歹\鼽‘鼻.,、触。叼℃≯呻一.:∑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,可以使用多窗方法来估计干扰温度的功率谱,多窗谱估计联合奇异值分解【】为估计射频环境中噪声底限的功率谱提供了有效的方法。基于干扰温度的检测即基于主用户接收机的检测,允许系统有干扰,但只要干扰在被允许的范围之内就可以。类似于的扩频思想,发射功率极小则可被认为是噪声,但前提必须知道主用户接收机的相对位置。其优缺点是:优点:可以完全控制对主用户的干扰。缺点:必须提前知道主用户接收机的相对位置;没有考虑多个用户同时传输引起的累加干扰的影响。文献】中提出一个直接的接收机检测方法,通过利用主接收机前端的本地振荡器的泄漏功率来检测主接收机,判定信道是否被占用。在】中分析干扰温度模型的可用性并且发展了一个基于干扰温度的媒质接入协议。用户在通信之前先测量该频段当前的干扰温度,可达到一个期望容量而不干扰主用户即不超出干扰温度界限。最终一个物理层和数据链路层的实现被提出、分析并仿真。对于一个确定的地区,应该设定一个干扰温度门限值乃,这个值是此地区某频段上授权用户接收机容忍的最大干扰。使用此频段的所有未授权用户,它南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道本身产生的干扰加上原有干扰必须保证小于授权用户接收机处的干扰温度门限值互。根据对和是接收机还是收发机的参数,干扰温度模型可以分成两类:理想模型在干扰温度理想模型中,信号的中心频率是,带宽是。假设用户的平均发射功率是,【正一/,/】频段内重叠个授权信号,每个信号的中心频率和带宽分别是和,,,..?挖。干扰温度理想模型保证为础四警矧肌.代表发射机到接收机之间的信道由于衰落和路径损耗所产生乘性衰减系数。这就保证了所有的用户对接收机产生的干扰温度都小于门限值。广义模型广义干扰温度模型是假设对无线射频环境没有先验知识,因此也就无法知道授权用户的中心频率和带宽,也不能把授权用户信号从干扰和噪声中区分出来。如果在【/,/】内检测到主用户信号,只要保证下面一个不等式成立乃,瓦万≤瓦丘。和是用户的中心频率和带宽。干扰温度可以规定为带宽函数:乃,去,.一去篇耽一口,其中,代表当前无线射频环境的功率谱密度。干扰温度与发射概率和带宽有关,根据两种模型的约束约束条件,可以计算出相应的带宽和功率的约束条件。下面假设带宽已知,分析两种模型功率的限制条件。对于理想模型,式子?可以直接转化为第二章认知无线电和衰落信道南京邮电大学硕士学位论文尸≤鲁瓦∽一:乃,鲫,≤≤刀假设在带宽为的频段上有个中心频率为厂带宽为乓的授权用户信号。若则尸≤已双,即发射功率小于无线电的最大发射功率。若,则功率应满足咫卸,。鲁枷柚对于广义模型,由式子?直接得到功率的限制条件:≤等姒一面?;;/.认知无线电的频谱共享动态频谱接入和动态频谱管理、动态频谱分配、机会频谱接入等是类似的概念。其主要目的是有效利用空闲频谱,实现频谱共享。频谱共享技术可分为三类【】:网络架构、频谱分配方式和频谱接入方式。按照网络架构分,频谱共享技术可分为中心式和分布式;按照频谱分配方式分,可分为合作式和非合作式;按照接入方式分,可以分为覆盖式和平铺式。认知无线电系统的频谱共享必须考虑三方面的问题:一是认知无线电用户对主用户的干扰问题,二是认知无线电用户之间的干扰问题,三是认知无线电系统的效益和用户间的公平性问题.认知无线电用户的频谱感知信息是不断变化的,次用户要根据自己的要求选择最合适的频谱,因此要对频谱感知信息进行分析和决策。频谱分析就是对频谱空穴进行描述,不但要考虑它的时变特性,还要描述它所对应的主用户的活动性和这个频段的信息,如信道容量、路径损耗、延迟和保持时间等。要求除容量、延迟、保持时间、无线链路差错【之外,还包括规则礼仪比如公平性、代价和规费等、主从退让次数【】【等。频谱决策就是根据次用户的要求,确定它的传输模式、时延和带宽等,选择符合某种规则的最佳频谱。文章】假设每个信道的容量是相同的,提出了五种规则,并在复杂度和通信开销以及系统性能之间进行折衷,推导出基于这些规则的每个用户频谱分配的更低界。次用户使用的当前频谱信道变坏或者主用户出现,就产生频谱移动性问题。南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道此时次用户还要进行频谱切换。频谱共享的算法设计如下:通过无线场景感知建立频谱空穴检测,根据感知结果调节各个发射机功率输出,以适当的调制编码策略选择最合适的频段进行可靠的通信,自适应时变的无线射频环境,实现与主用户之间以及与间的频谱共享【。从协议层面,频谱共享可以看作是媒体接入控制的问题。这个领域目前研究主要集中在基于马尔科夫链以及半马尔科夫链、隐马尔科夫链等数学模型的接入性能分析上,另外基于感知信息的/机制也是频谱共享和频谱接入研究的热点。一般而言,由于主用户的优先级比用户高,当主用户出现时,需要进行频谱的切换。频谱的切换来自于两个原因:主用户出现时用户退避让出信道,选择其他的信道来传输,以保证主用户正常的通信,维持用户的通信;信道状况变差或者有更好的信道出现时,也要进行用户的切换。此时切换或者退避的目的是平滑传输,最小化更改信道引起的性能损失,改善用户通信质量。切换会产生传输延迟,这可能会对通信质量造成影响,因此,切换后传输参数将由旧的参数转向新参数,需要快速地执行切换。另外,对于数据通信,切换时存在丢包可能,所以需要存储数据包,这可以采用堆栈来实现【。切换问题也是未来研究的重点。】首次提到了退避机制即切换算法,他简单地从频谱环境的短期统计和长期统计来区分主用户出现和信道状况变差这两种情况。而文【则考虑一旦切换所引起上层协议变更时,以及切换所面临的挑战发生在保留频带中,如何选择最佳的接入,如何减小切换带来的延迟和损失,如何保证时域中的频谱特性最合适的频段也在不断变化中不受移动性干扰,保证要求等。.无线衰落信道无线信道是决定无线通信质量的关键因素。不同于有线通信信道的稳定和可预测性,无线信道是不断变化的。移动通信中发射机和接收机的移动速度,它们之间的地形,以及天气等等原因都会影响信道质量【】。南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道..散射函数和相关的信道参数衰落多径信道通常被描述成时变线性系统,它的冲击响应;或者频率响应;是时间的宽平稳随机过程。信道冲击响应或者频率响应的时变性导致经过信道传输的信号产生多普勒扩展。多径传输导致传送的信号在时间上扩展。衰落多径信道可以描述为在时间和频率上都扩展的信道。假设通过多径传输信道,不同时延的的信号是不相关的,可以使用散射函数,力描述这种双扩信道。,兄提供了信道平均功率输出的度量,是延时和频偏兄的函数。,兄在频偏见上进行积分得到信道延迟功率谱为?;旯矽力疋五;兄渺≮值不等于零,此时的范围叫做信道多径扩展乙。同理,砖五的值不等于零,此时兄的范围叫做信道多普勒扩展吃。多普勒扩展饬反映了信道冲击响应在时间上的变化快慢。岛越大,信道冲击响应变化越快。信道相干时间。定义为乙瓦因此,慢衰落信道的相干时间大,快衰落信道的相干时日。从信道相关函数和多普勒功率谱严格推导出了上式的关系。同样的方法,信道相关带宽%定义为%%表示受到信道冲击影响的带宽,也就是在这个带宽上,衰落是高度相关的。乙吃的乘积是信道的扩展因子。如果:,,岛,信道是欠扩展的;相反是过扩展南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道的。一般的,如果乙岛《,信道冲击响应很容易测量,测量结果可以运用到接收信号的解调,或者发射机用来优化发射信号。当乙易时,信道冲击响应的测量是非常困难和不可靠的。..频率非选择性信道:乘性信道模型信道上传输的等效低通信号是,门是其频域变换。接收信号等效低通表达式是?;?,日;厂Ⅸ;厂Ⅸ一Ⅲ假设门的带宽‖远比信道的相干带宽小,即《%。因此通过信道传输的信号所有频率成分经历了相同的衰减和相移。这就意味着在信号的带宽形内,信道的时变转移函数;厂在频域内是一个常量。这样的信道是频率非选择性或者慢衰落信道。当信道是频率非选择性时,接收的等效低通信号变成刎棚;’口‘’?其中,;似¨,表示包络,秒表示等效低通信道冲击的相位。由此可以看出来,频率非选择性信道对传输信号有乘性干扰。由于信号带宽《%/,信道的多径成分是不可分辨的。图?解释了乘性信道模型。;广?:南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道
.厂、,丫叩图乘性信道模型如果传输信号的持续时间远小于信道的相干时间,即瓦《,频率非选择性信道也叫慢衰落信道。也就是五《击或者饬《专。一般化,信号带宽《/,在慢衰落,频率非选择性信道是欠扩展的。如果≥乙成立,这样的信道是快衰落信道。..频率选择性信道:抽头延时线信道模型如果信号门的带宽比信道的相干带宽%大,厂信号中大于%的频率成分的增益和相移就会不同。这样的信道是频率选择性信道。由于;的时变性导致额外的失真。当≥%,信道冲击响应延迟分开至少/‖的多径成分是可分辨的。接收的可分辨信号成分可以使用取样定理表示。这样时变信道冲击响应可表示为
?,;∑./相应的时变转移函数是工;厂%咖”向矿其中,是第个多径成分的复值信道增益,三是可分辨路径分量的数量。多南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道径扩展是乙,多径的时间分辨率是/气二可表示为三帆冲击响应为;∑./的信道可以表示为抽头延迟线,有三个抽头,复值时变的抽头系数是。,。图?是适合频率选择性信道的抽头延迟线信道模型。随机时变抽头增益也可以表示为,,....,工巳%胞‘¨,?%,代表幅度,皖表示相应的相位。通常,时变抽头增益厶,是一个不自相关的复平稳随机过程,自相关函数为九【三巳】,刀,,?.,三多普勒功率谱为?最五
吮..瓯而习匕划图抽头延迟线信道模型南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道..衰落信道的统计模型有几种概率分布可运用到衰落信道统计特性的模型。通过信道传送到接收机的信号的散射分量数目很大,如电离层和对流层的信号传播,使用中心极限定理可以得到信道冲击响应的高斯过程模型。若该过程是零均值的,那么信道响应的包络具有瑞利分布,相位是在,上均匀分布的。即包络;的概率密度函数是一,加,厂≥,.百其中,瑞利分布完全由参数唯一确定。对于频率非选择性信道,包络简化为信道乘性增益的幅度口,?对于频率选择性衰落信道,每个抽头增益的幅度是服从瑞利衰落的。描述信道冲击包络另一个统计模型是纳卡伽米?分布。分布的是沪高≯”?~。?分布由参数和衰落因子共同确定,且朋????,么一、朋:箬而,/一】?分布对观测信号统计数据匹配更加灵活和精确。?分布能用来对比瑞利衰落更加苛刻的衰落信道进行建模,瑞利分布是它的一种特殊情况:。?分布最适合用于郊区无线多径信道接收的数据信号【。分布也是用来描述衰落多径信道传输信号的两参数分布模型,该分布适合建模高斯衰落信道,信道冲击响应由非零均值分量。分布户砑是纵,手厶》其中,表示非衰落信号分量中的功率,盯是相应零均值高斯分量的方差。当时,分布简化为盯/的分布。分布非常适合视距?南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道通信模型,一个直达信号分量加上其它延迟不同的二次反射多径信号分量。,和?分布是衰落多径信道最常用的统计模型。..信道容量符号薯出现的概率为薯,信息熵日定义为?一∑薯:‘假设信道输入输出符号集分别是和】,。,】,的互信息定义为?,,;,善一,乃,。;暑等量;毫:与,,,,、一,,,\一,,信道容量是指信道能传送的最大信息量。..定义了时不变信道的容量【【】为,;功?找到某种概率分布,使得互信息最大,该最大值就是信道所能传送的最大信息量,即信道容量。高斯信道容量是【争对于衰落信道,由于信道是不断变化的,因此信道容量是不确定的。如图?所示的衰落信道,假设发射机和接收机均知道信道状态信息。‘;’.址...图时变信道框图南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电和衰落信道..分集接收技术由于存在多径效应与时变性,无线衰落信道中的信号很容易受到严重的衰减,使得传输性能变得很差。在信道中,要把误码率从‘降到。,信噪比可能仅需增至个就可以了,而在无线衰落信道中要付出大约的代价【阳】。这种衰减使得接收端不可能正确地判断发送信号,除非有其它衰减程度较小的信号副本提供给接收机,这种方法称为分集。分集技术根据获得独立路径信号的方法可分为时间分集、频率分集和空间分集等。时间分集通过采用时间交织与信道编码,在时间域内提供信号的副本;频率分集通过在不同的载波频率上发送符号,在频率域内提供信号的副本;空间分集是利用多个天线来实现的。为获得好的分集效果,时间分集要求发送冗余信号的若干时隙之间相互独立,频率分集要求几个载波频率之间相互独立,而空间分集为保证多个发送或多个接收信号之间的独立性,要求各个天线之间的距离要足够大。只要被分集的几个信号之间是统计独立的,那么经适当的合并后就能使系统性能大为改善。分集接收合并技术有:最大比合并,等增益合并和选择性合并。.本章小节本章首先介绍了当前认知无线电的研究状况,包括认知无线电架构和认知网。然后重点介绍了频谱感知,从信号处理方面阐述了发射机检测、协作检测、主用户接收机检测。简单介绍了认知无线电的频谱共享,频谱共享阶段,次用户利用感知信息和本身传输要求,选择合适的中心频率和带宽进行通信。本章最后简单的介绍了无线信道模型和统计特性,信道容量以及抗衰落分集技术,为后面.的研究打下理论基础。南京邮电大学硕士学位论文第三章认知无线电中的分集与协作频谱感知第三章认知无线电中的分集与协作频谱感知.引言根据的报告,固定授权分配频谱利用率大概只有%%。因此频谱资源并不绝对短缺,而是使用效率不高。因此,解决频谱短缺的有效办法是机会地利用未被使用的频谱。认知无线电是解决频谱短缺问题的有效方案。认知无线电是一智能无线通信系统,能感知学习外在的环境,动态改变通信参数如传输功率、载波频率、调制方式等,在不影响主用户的前提下通过频谱感知,机会利用频谱。认知无线电的首要任务是频谱感知。频谱感知就是监测可获得的频谱段,检测频谱空穴。在认知无线电中,对主用户的可靠感知是至关重要的。一方面,它保证次用户对主用户造成最小的干扰;另一方面,能增加次用户的容量。频谱感知可以对主用户发射机进行检测,也可以对其接收机进行检测【】。目前研究方向大部分是对主用户发射机进行检测。主要方法有循环平稳特征值检测】,匹配滤波器检测【,能量检测【】【】,相关检测【,小波变换方法【】等。每种检测方法各有优缺点。当主用户的信号对次用户是己知的时候,匹配滤波器是最佳的,它最大化接收输出的信噪比,但是要预先知道主用户信号。能量检测实现起来最简单,但是能量检测器易受到噪声不确定因素的影响。循环谱检测可以区分信号和噪声,因为噪声是宽平稳的,谱相关函数为零,但其计算量大且需要更长的观测时间。频谱感知方法的性能会受到接收信号强度的限制,因为信号经过传输有时会受到多径、阴影、衰落等影响,导致次用户接收到的信号非常微弱。在这种情况下,协作频谱感知能够提高频谱检测率,减少