無線電畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　認(rèn)知無線電CR（Cognitive Radio）作為一種革命性智能頻譜共享技術(shù)，以不干擾授權(quán)業(yè)務(wù)為前提，允許非授權(quán)業(yè)務(wù)利用頻段傳輸信號(hào)，可顯著提高頻譜的使用率，是解決目前頻譜資源緊張的有效手段，并逐漸成為了當(dāng)今通信界的研究熱點(diǎn)。避免干擾主用戶PU（Primary User）的正常通信是認(rèn)知無線電最重要的限制，而頻譜感知?jiǎng)t為這一目

2、標(biāo)提供保障。為了提高頻譜感知的性能，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的大量節(jié)點(diǎn)可以被用來進(jìn)行協(xié)同頻譜感知，協(xié)同頻譜感知可以有效地克服單節(jié)點(diǎn)頻譜感知的局限性。</p><p>　　本文首先分析研究了常用的頻譜感知技術(shù)，尤其是能量檢測技術(shù)。在無線信道中信號(hào)會(huì)受到多徑衰落、陰影的影響，將導(dǎo)致頻譜檢測性能急劇下降。為了解決這個(gè)問題，多個(gè)認(rèn)知用戶可以通過協(xié)同感知提高檢測性能。本文研究了當(dāng)今熱門協(xié)同頻譜檢測算法和協(xié)同感知中的數(shù)據(jù)融合問題，隨

3、著參與協(xié)同檢測的認(rèn)知用戶數(shù)目的增大，頻譜檢測檢測性能逐漸增強(qiáng)。但頻譜檢測差錯(cuò)概率并不隨著認(rèn)知用戶數(shù)目的增大而繼續(xù)增大，而是趨于平緩。相反過多的認(rèn)知用戶參與協(xié)同檢測會(huì)使整個(gè)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的感知時(shí)間過長，即靈敏度降低。同時(shí)也會(huì)造成巨大的系統(tǒng)開銷。 </p><p>　　本文提出了一種新的基于可信度的協(xié)同檢測算法。在滿足目標(biāo)錯(cuò)誤概率的條件下，只選擇可信度較高的一些認(rèn)知用戶參與協(xié)同頻譜檢測。仿真結(jié)果表明當(dāng)認(rèn)知用戶中存在惡

4、意節(jié)點(diǎn)或者故障節(jié)點(diǎn)時(shí)，該算法同傳統(tǒng)算法相比較,頻譜檢測性能更好，具有更強(qiáng)的健壯性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；頻譜檢測；能量檢測；協(xié)同頻譜檢測</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Cognitive radio (CR) technique is considered as one of th

5、e solutions of current spectrum resource scarcity. The core idea of cognitive radio is to exploit the licensed but underutilized spectrum, in order to improve the spectrum efficiency. In cognitive radio systems, avoiding

6、 interference to primary users is the most important constraint. And spectrum sensing is the key technique to achieve this goal. In order to improve the performance of spectrum sensing, cooperative spectrum sensing is pr

7、opo</p><p>　　In this dissertation, we first give an overview of some well-known spectrum sensing techniques, especially energy detection. However, in wireless channels, signals often suffer from shadowing an

8、d fading, which may lead to a very poor sensing performance. In order to solve this problem, cooperative spectrum sensing has been studied to improve the spectrum sensing performance. This dissertation focuses on the we

9、ll-known cooperative spectrum sensing techniques and the optimal fusion rule for coope</p><p>　　In this dissertation, we proposed a novel cooperative spectrum sensing algorithm. Only a few cognitive users w

10、ith highest reputation are selected to cooperate while guarantees a target error bound. Numerical and simulation results show that our algorithm will be more robust and achieve better sensing performance when there exis

11、ts attackers or malfunctioning cognitive users comparing with the conventional method.</p><p>　　Key words：cognitive radio; spectrum sensing; energy detection; cooperative pectrum sensing.</p><p>

12、;<b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論5</b></p><p>　　1.1 研究背景及意義5</p><p>　　1.1.1認(rèn)知無線電研究背景5</p><p>　　1.1.2 協(xié)同頻譜感知的研究背景6</p><p>　　1.2 國內(nèi)

13、外研究現(xiàn)狀7</p><p>　　1.3 主要研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)9</p><p>　　第二章 頻譜感知技術(shù)9</p><p>　　2.1 頻譜感知技術(shù)概述9</p><p>　　2.1.1 模型定義11</p><p>　　2.1.2 頻譜感知技術(shù)的性能參數(shù)11</p><p>

14、;　　2.2 單節(jié)點(diǎn)的頻譜檢測技術(shù)12</p><p>　　2.2.1 匹配濾波器檢測12</p><p>　　2.2.2 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測13</p><p>　　2.2.3 能量檢測14</p><p>　　2.3 其他檢測方法18</p><p>　　2.3.1 本振泄漏檢測18</

15、p><p>　　2.3.2 基于干擾溫度限的檢測19</p><p>　　2.4 本章小結(jié)19</p><p>　　第三章 協(xié)作頻譜感知技術(shù)20</p><p>　　3.1 協(xié)同頻譜感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)20</p><p>　　3.2 融合與決策規(guī)則21</p><p>　　3.2.1 “

16、與”準(zhǔn)則22</p><p>　　3.2.2 “或”準(zhǔn)則22</p><p>　　3.2.3 “K”秩準(zhǔn)則22</p><p>　　3.3 控制信道帶寬受限條件下的協(xié)同頻譜檢測算法23</p><p>　　3.3.1 基于雙門限的能量檢測算法23</p><p>　　3.3.2 基于雙門限的協(xié)同頻譜檢測

17、算法性能分析24</p><p>　　3.4 基于可信度選擇認(rèn)知用戶參與協(xié)同頻譜檢測26</p><p>　　3.4.1 系統(tǒng)模型26</p><p>　　3.4.2 算法的實(shí)現(xiàn)步驟28</p><p>　　3.4.3 仿真結(jié)果與性能分析28</p><p>　　3.5 本章小結(jié)30</p>

18、;<p>　　第四章 總結(jié)和展望31</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>　　1.1.1認(rèn)知無線電研究背景</p><p>　　眾所周

19、知，無線頻譜是無線通信中的一種寶貴的自然資源，一般采用固定的分配方式，由政府機(jī)關(guān)授權(quán)使用。隨著無線通信技術(shù)在過去三十年里的飛速發(fā)展，先進(jìn)的無線接入技術(shù)和編碼調(diào)制方式使得無線資源的利用率得到了顯著提高。然而，近些年來，無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個(gè)人域網(wǎng)（WPAN）業(yè)務(wù)迅速發(fā)展，越來越多的用戶通過這些技術(shù)以無線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大多使用非授權(quán)頻段工作。隨著WLAN和WPAN通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，這些業(yè)務(wù)所工作的非授權(quán)頻段的使用率

20、已漸漸趨于飽和【1】。雖然采取一些有效的編碼和調(diào)制方式可以提高頻譜利用率，但是3-4倍的頻譜利用率的提高與人們成百上千倍的業(yè)務(wù)量需求的提高相比是微不足道的。因此，通過其他更有效的手段從根本上提高頻譜的利用率迫在眉睫。</p><p>　　當(dāng)然，頻譜資源的緊張并不是指頻譜資源真的短缺，而是在當(dāng)前固定頻譜分配制度下，頻譜資源的浪費(fèi)很嚴(yán)重，利用率低。美國加州大學(xué)Berkeley分校無線研究中心對(duì)頻譜的利用進(jìn)行了實(shí)地測量

21、和研究【2】，其結(jié)果顯示，3GHz以上的頻段幾乎沒有被使用。測量表明，當(dāng)?shù)亟紖^(qū)全年3-4GHz頻譜的利用率只有0.5%；到了4-5GHz，利用率甚至降到了0.3%。另外，即使在3GHz一下頻段，時(shí)域和頻域上的利用率也不足30%。</p><p>　　認(rèn)知無線電通信就是針對(duì)當(dāng)前的頻譜分配政策和頻譜資源利用率低的情況而產(chǎn)生的。認(rèn)知無線電的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的開創(chuàng)性研究【3】。緊接著，在

22、他2000年博士論文中【4】，他詳細(xì)地討論了這個(gè)概念，采用軟件無線電為基礎(chǔ)模型，對(duì)認(rèn)知無線系統(tǒng)控制無線電頻譜使用規(guī)則（如射頻頻段、空中接口、協(xié)議以及空間和時(shí)間模式等）進(jìn)行推理，通過RKRL語言表示無線電規(guī)則、設(shè)備、軟件模塊、電波傳輸特性、網(wǎng)絡(luò)、用戶需求和應(yīng)用場景的知識(shí)，以增強(qiáng)個(gè)人業(yè)務(wù)的靈活性，使認(rèn)知無線電技術(shù)能夠更好地滿足用戶的不同需求。</p><p>　　經(jīng)過近幾年的研究，通信界對(duì)認(rèn)知無線電概念有了更深入的理

23、解。根據(jù)FCC的建議【5】，一個(gè)能自適應(yīng)地對(duì)無線電環(huán)境進(jìn)行感知的通信系統(tǒng)可以被稱為認(rèn)知無線電系統(tǒng)。具體講，認(rèn)知無線電系統(tǒng)是這樣一個(gè)通信系統(tǒng)：它可以與其所處的無線電進(jìn)行交互，并根據(jù)交互所得的無線電環(huán)境信息來動(dòng)態(tài)地調(diào)整其傳輸信號(hào)的參數(shù)【6】。大部分的認(rèn)知無線電系統(tǒng)都以軟件無線電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，但具有軟件系統(tǒng)或可編程特性并不是認(rèn)知無線電系統(tǒng)必須具備的【7】。</p><p>　　認(rèn)知無線電技術(shù)的興起和發(fā)展為當(dāng)前頻譜資源緊張

24、的問題提供了一條有效的途徑。它通過允許非授權(quán)用戶（次用戶）自適應(yīng)的感知授權(quán)頻譜，并機(jī)會(huì)式地使用空閑頻譜（頻譜空洞），使得無線通信系統(tǒng)能不經(jīng)授權(quán)地使用傳輸條件更好、帶寬更寬的頻段，能夠極大提高頻譜的利用率。因此，對(duì)認(rèn)知無線電的研究對(duì)未來通信業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。</p><p>　　1.1.2 協(xié)同頻譜感知的研究背景</p><p>　　頻譜感知是認(rèn)知無線電物理層的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，是認(rèn)知

25、無線電研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。頻譜感知的目的是監(jiān)視和檢測特定頻段上的主用戶信號(hào)的活動(dòng)情況，當(dāng)檢測到空閑頻譜存在的時(shí)候，認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以使用該頻譜；而當(dāng)主用戶信號(hào)再次出現(xiàn)時(shí)，認(rèn)知無線電系統(tǒng)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)推出該頻段?？梢?，頻譜感知在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中起著重要的作用，通過頻譜感知，認(rèn)知無線電才能夠避免干擾和提高頻譜利用率頻譜。</p><p>　　一般將來，通信系統(tǒng)可按照ISO/OSI七層模型劃分，其中，物理層的具體功

26、能是對(duì)信號(hào)的傳輸和處理，是整個(gè)通信系統(tǒng)工作的基石。一個(gè)通信系統(tǒng)要具有良好的工作性能，首先要擁有強(qiáng)大的物理層支撐；同時(shí)，從另一個(gè)方面來講，物理層能力的大小也直接影響和局限通信系統(tǒng)其他各層的工作。即使認(rèn)知無線電是一種新型通信系統(tǒng)，也脫離不了該分層模型的框架【8】。認(rèn)知無線電中頻譜感知的目的是直接從無線電環(huán)境中提取信息，而在提取過程中，與無線電環(huán)境的直接接觸只能由系統(tǒng)物理層來完成，因此頻譜感知技術(shù)主要是一種物理層的信號(hào)處理技術(shù)。可以說，頻譜感

27、知是認(rèn)知無線電系統(tǒng)中物理層要實(shí)現(xiàn)的核心功能。</p><p>　　具體來講，認(rèn)知無線電頻譜感知主要實(shí)現(xiàn)兩大功能【9】：</p><p>　　檢測頻譜空洞是否存在。尋找在特定的時(shí)間和地理位置沒有被授權(quán)用戶（主用戶）信號(hào)占用頻譜。如果檢測到有這樣的空閑頻譜，則該頻譜就可以作為認(rèn)知無線電系統(tǒng)傳輸信號(hào)的頻譜。</p><p>　　對(duì)于某個(gè)認(rèn)知無線電接收機(jī)來講，即使已經(jīng)確認(rèn)了

28、某頻段形成頻譜空洞，該接收機(jī)還需要檢測該頻譜空洞是否已經(jīng)被其他認(rèn)知無線電用戶（次用戶）信號(hào)占用。如果有，則本地認(rèn)知無線電接收機(jī)還需要尋找其他的頻譜空洞傳輸信號(hào)，以免和其他次用戶同時(shí)使用該頻譜空洞而產(chǎn)生沖突。</p><p>　　對(duì)于認(rèn)知無線電系統(tǒng)來講，頻譜感知既要保證次用戶能有效利用授權(quán)頻譜來傳輸非授權(quán)信號(hào)，又不會(huì)對(duì)主用戶信號(hào)造成干擾而影響授權(quán)業(yè)務(wù)的進(jìn)行。此外，頻譜感知還要使得整個(gè)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中所有次用戶能夠有

29、序地使用空閑頻譜，而不會(huì)造成使用上的沖突和相互間的干擾。要滿足這些要求，認(rèn)知無線電中的頻譜感知必須保證可靠、高效，具體體現(xiàn)為能夠在低信噪比、強(qiáng)干擾下可靠地檢測到主用戶信號(hào)和其他次用戶信號(hào)的存在與否，甚至還要對(duì)不同的次用戶進(jìn)行識(shí)別以更好地掌握頻譜占用情況。</p><p>　　由此可見，頻譜感知不僅是認(rèn)知無線電實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是認(rèn)知無線電的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)頻譜感知技術(shù)的研究對(duì)于認(rèn)知無線電的發(fā)展具有重要的意義。<

30、/p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著無線電技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的學(xué)校及研究機(jī)構(gòu)投入到該領(lǐng)域。2002年11月，F(xiàn)CC發(fā)布了其頻譜政策特別工作組（Spectrum Policy Task Force,SPTF）遞交的報(bào)告，報(bào)告顯示，當(dāng)前廣播電視頻段無論是空間上還是時(shí)間上的利用率都很低下，這就促使FCC重新審視其傳統(tǒng)的頻譜管理政策，并開始尋求解決頻譜資源緊張和頻譜

31、利用率低下之間的矛盾的方法。2004年5月，F(xiàn)CC正式發(fā)布一項(xiàng)建議規(guī)則制定通告（Notice of Proposed Rulemaking,NPRM），允許未授權(quán)用戶在不影響授權(quán)用戶（如電視接收機(jī)）業(yè)務(wù)的前提下，通過基于認(rèn)知無線電的技術(shù)使用電視廣播頻段中的空閑無線資源。這一規(guī)則為認(rèn)知無線電的發(fā)展掃清了政策上的障礙，在頻譜管理部門的政策推動(dòng)下，認(rèn)知無線電開始了研究的熱潮。</p><p>　　2004年11月，美國

32、電氣電子工程師學(xué)會(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE）正式成立IEEE 802.22工作組，它是世界上第一個(gè)基于認(rèn)知無線電技術(shù)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)化組織，其目標(biāo)是開發(fā)和建立一套基于認(rèn)知無線電技術(shù)的包括物理層（）和媒體接入控制層（）的無線區(qū)域網(wǎng)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，該WRAN系統(tǒng)作為次用戶（）系統(tǒng)運(yùn)行在目前的廣播電視所在的VHF和UHF頻段，在不對(duì)廣播電視用戶造成干擾的前提下

33、，充分提高頻譜利用率。</p><p>　　其它的標(biāo)準(zhǔn)化組織也積極參與到認(rèn)知無線電技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程當(dāng)中，IEEE 802.16成立了802.16h工作組，致力于通過認(rèn)知無線電技術(shù)是WiMAX()適用于UHF電視頻段，從而使其可以工作在免授權(quán)頻段。于2005年成立的IEEE P1900標(biāo)準(zhǔn)組則致力于進(jìn)行與下一代無線通信技術(shù)和高級(jí)頻譜管理技術(shù)相關(guān)的電磁兼容研究，該工作組對(duì)認(rèn)知無線電的發(fā)展同樣具有重要意義。此外，國

34、際電信聯(lián)盟（）和軟件無線電論壇（）等組織也分別成立了認(rèn)知無線電工作組或者通過了發(fā)展認(rèn)知無線電的議案。</p><p>　　學(xué)術(shù)界同樣認(rèn)識(shí)到了認(rèn)知無線電的巨大潛力，2005年2月，國際知名學(xué)者Simon Hakin在JSAC in Communications上發(fā)表了關(guān)于認(rèn)知無線電的綜述性文章“Cognitive Radio:Brain-empowered wireless communications”,引起了廣

35、泛關(guān)注，促進(jìn)了學(xué)術(shù)界的研究。加州大學(xué)伯克利分校，弗吉尼亞理工大學(xué)等國外著名高校和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)認(rèn)知無線電展開了研究。</p><p>　　近年來，國際上成功召開了幾屆有關(guān)認(rèn)知無線電技術(shù)和動(dòng)態(tài)頻譜分配的兩個(gè)國際學(xué)術(shù)會(huì)議，會(huì)議研究了認(rèn)知無線電和動(dòng)態(tài)頻譜分配和接入技術(shù)，并累計(jì)發(fā)表了數(shù)百篇論文。其他的有影響的國際會(huì)議，也都開辟了認(rèn)知無線電專題，發(fā)表了大量高質(zhì)量的論文。</p><p>　　在國內(nèi)，2

36、005年，電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)和西安電子科技大學(xué)聯(lián)合開展了基于“863”計(jì)劃的“認(rèn)知無線電技術(shù)研究”項(xiàng)目，并取得了一些階段性成果。2008年，以北京郵電大學(xué)張平教授為主體的科研團(tuán)隊(duì)正式啟動(dòng)基于中國國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）的“認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目研究工作。</p><p>　　可以說，認(rèn)知無線電已經(jīng)成為了一個(gè)非常熱門的研究領(lǐng)域，并被廣泛看作是無線電領(lǐng)域的“下一件大事情”【10

37、】。</p><p>　　1.3 主要研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)</p><p>　　頻譜感知是認(rèn)知無線電物理層的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，是認(rèn)知無線電研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。頻譜感知的目的是監(jiān)視和檢測特定頻段上的主用戶信號(hào)的活動(dòng)情況，當(dāng)檢測到空閑頻譜存在的時(shí)候，認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以使用該頻譜；而當(dāng)主用戶信號(hào)再次出現(xiàn)時(shí)，認(rèn)知無線電系統(tǒng)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)推出該頻段。</p><p>　　本文的

38、研究方向?yàn)閰f(xié)同頻譜檢測技術(shù)。</p><p>　　第一章對(duì)認(rèn)知無線電的概念進(jìn)行了簡單闡述，介紹了認(rèn)知無線電和頻譜感知的研究背景及現(xiàn)今頻譜檢測技術(shù)的發(fā)展情況。</p><p>　　在第二章中，主要研究了認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的分類和常用的頻譜感知技術(shù)。</p><p>　　首先，對(duì)無線電頻譜感知技術(shù)做了大致的介紹，然后對(duì)不同的頻譜檢測方法分別作出了比較。對(duì)于單節(jié)點(diǎn)檢測

39、，目前主要是三種：匹配濾波器檢測、循環(huán)平穩(wěn)特性檢測和能量檢測，通過比較，在先驗(yàn)條件未知的情況下，能量檢測是最優(yōu)檢測算法，因此本章重點(diǎn)研究了能量檢測的原理和方法，為后文的研究提供基礎(chǔ)。</p><p>　　另外，也簡單介紹了其他的頻譜檢測技術(shù)，如本振泄漏檢測、干擾溫度檢測。</p><p>　　第三章，首先給出了協(xié)同感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，給出了實(shí)現(xiàn)協(xié)同頻譜檢測的步驟和主要方式，主要有兩種方式：集中

40、式和分布式。然后，詳細(xì)討論了協(xié)同頻譜檢測算法中的數(shù)據(jù)融合問題。從理論上推導(dǎo)了“與”準(zhǔn)則、“或”準(zhǔn)則和“半數(shù)”準(zhǔn)則各適合什么樣的實(shí)際應(yīng)用條件。重點(diǎn)討論了在基于雙門限的能量檢測算法和基于可信度選擇認(rèn)知用戶參與的檢測技術(shù)?；陔p門限的頻譜感知算法中每個(gè)認(rèn)知用戶基于雙門限獨(dú)立進(jìn)行頻譜感知，但只有部分可靠的認(rèn)知用戶通過控制信道向認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)基站發(fā)射本地感知報(bào)告。針對(duì)這個(gè)問題，本文提出了基于可信度的協(xié)同頻譜檢測算法。在滿足一定頻譜感知性能的條件下，

41、只選擇一些可信度較高的認(rèn)知無線電用戶參與協(xié)同檢測。</p><p>　　第四章，對(duì)全文坐了總結(jié)及后續(xù)研究工作的進(jìn)行了分析和展望。</p><p>　　第二章 頻譜感知技術(shù)</p><p>　　2.1 頻譜感知技術(shù)概述</p><p>　　認(rèn)知用戶在使用頻譜時(shí)具有較低的優(yōu)先級(jí)，這決定了授權(quán)用戶在任何授權(quán)信道的隨時(shí)出現(xiàn)都要迫使認(rèn)知用戶不得不中止該

42、信道的工作，切換到新的頻段或者調(diào)整傳輸方式以不影響授權(quán)用戶的通信。因此認(rèn)知用戶必須以較高的靈敏度連續(xù)檢測特定地域授權(quán)用戶的存在狀況，獲得當(dāng)前頻率使用情況。所以說，頻譜感知技術(shù)在認(rèn)知無線電中具有基礎(chǔ)地位，是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的基本功能，是實(shí)現(xiàn)頻譜管理、頻譜共享的前提。</p><p>　　認(rèn)知用戶在時(shí)域、頻域和空域?qū)Ψ峙浣o授權(quán)用戶的頻段不斷地進(jìn)行頻譜檢測，檢測這些頻段內(nèi)的授權(quán)用戶是否正在工作，從而得到頻譜使用的情況。如

43、果該段頻譜沒有被授權(quán)用戶使用，那么這段頻譜稱為“頻譜空穴”。</p><p>　　頻譜感知的本質(zhì)是認(rèn)知用戶通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢測來判斷某信道是否存在授權(quán)用戶。這里的信道是指廣義信道，可代表時(shí)隙、頻率、碼字等。它與信號(hào)解調(diào)不同，不是必須恢復(fù)原來的信號(hào)波形，而只需判斷授權(quán)用戶信號(hào)的有無。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，由于授權(quán)用戶信號(hào)類型和信道傳播特性的多樣性、以及授權(quán)用戶所能承受干擾級(jí)別的不同，對(duì)頻譜檢測的性能要求更高，加大了

44、頻譜檢測的技術(shù)復(fù)雜度。</p><p>　　譜感知的目的就是發(fā)現(xiàn)頻譜空穴，在利用頻譜空穴通信的同時(shí)不對(duì)授權(quán)用戶的使用造成有害干擾。為不對(duì)授權(quán)用戶造成有害干擾，認(rèn)知用戶需要能夠獨(dú)立地檢測出空閑頻譜及授權(quán)用戶的出現(xiàn)。這就要求認(rèn)知用戶能夠?qū)崟r(shí)地連續(xù)偵聽頻譜，以提高檢測的可靠性。為對(duì)授權(quán)用戶不造成有害干擾，可靠檢測概率要求達(dá)到99.9%。</p><p>　　頻譜感知技術(shù)是CR應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，現(xiàn)

45、有的頻譜感知技術(shù)主要有單節(jié)點(diǎn)檢測、多節(jié)點(diǎn)協(xié)作檢測兩個(gè)方面。如圖2.1所示。</p><p>　　單節(jié)點(diǎn)檢測是指單個(gè)CR節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地的無線射頻環(huán)境進(jìn)行頻譜特性標(biāo)識(shí)，而協(xié)同檢測則是通過數(shù)據(jù)融合, 基于多個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測結(jié)果將進(jìn)行綜合判決。單點(diǎn)檢測技術(shù)主要包括匹配濾波、能量檢測和周期特性檢測3種。由于這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn), 實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常結(jié)合使用。</p><p>　　認(rèn)知無線電要求頻譜檢測能夠準(zhǔn)確地

46、檢測出信噪比(SNR)大于某一門限值的授權(quán)用戶信號(hào),通常這個(gè)SNR的門限值是很低的,對(duì)于單節(jié)點(diǎn)檢測來說,要達(dá)到這個(gè)要</p><p>　　圖2.1 頻譜感知技術(shù)分類</p><p>　　求并不容易。為此,人們提出協(xié)同頻譜檢測,通過檢測節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作達(dá)到系統(tǒng)要求的檢測門限,從而降低對(duì)單個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)的要求,降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。協(xié)同頻譜檢測的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以有效的消除陰影效應(yīng)的影響。協(xié)同檢測可以采

47、用集中或者分布式的方式進(jìn)行。集中式協(xié)同檢測是指各個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)將本地檢測結(jié)果送到基站(BS)或接入點(diǎn)(AP)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,做出決策；分布式協(xié)同檢測則是指個(gè)節(jié)點(diǎn)間相互交換檢測信息,各個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)自決策。影響協(xié)同頻譜檢測的關(guān)鍵因素除了參與協(xié)同的單節(jié)點(diǎn)的檢測性能外,還包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)融合方法；另外,在協(xié)同頻譜檢測中,不同檢測節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性和單個(gè)節(jié)點(diǎn)的不可靠性也會(huì)對(duì)頻譜檢測的性能產(chǎn)生重要影響。</p><p>　　本章主

48、要對(duì)單節(jié)點(diǎn)的感知技術(shù)進(jìn)行介紹。</p><p>　　2.1.1 模型定義</p><p>　　在存在干擾噪聲的前提下，識(shí)別觀測數(shù)據(jù)中是含有授權(quán)用戶信號(hào)還是純屬干擾噪聲，這一類識(shí)別問題構(gòu)成了典型的信號(hào)檢測問題。認(rèn)知用戶通過對(duì)授權(quán)用戶頻段檢測，從而對(duì)授權(quán)用戶是否出現(xiàn)做出判斷，這可以抽象為一個(gè)二元假設(shè)檢驗(yàn)問題【11】:</p><p><b>　?。?.1）

49、</b></p><p>　　(2.2) </p><p>　　其中x(t)為認(rèn)知用戶接收到的實(shí)際信號(hào)，s(t)為授權(quán)用戶發(fā)射信號(hào)，n(t)為加性高斯白噪聲(AWGN),h(t)為乘性信道增益，表示卷積， 表示授權(quán)用戶存在， 表示授權(quán)用戶不存在。<

50、;/p><p>　　2.1.2 頻譜感知技術(shù)的性能參數(shù)</p><p>　　頻譜感知技術(shù)中的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)包括：檢測概率 和虛警概率 ，分別用如式（2.2.1）、（2.2.2）表示：</p><p><b>　?。?.2.1）</b></p><p><b>　?。?.2.2）</b></p>

51、;<p>　　其中檢測概率 表示授權(quán)用戶正在使用頻譜同時(shí)認(rèn)知用戶也檢測到授權(quán)用戶的情況。當(dāng)授權(quán)用戶正在使用頻譜而認(rèn)知用戶沒有檢測到授權(quán)用戶時(shí)即為漏檢，漏檢概率 和檢測概率 的關(guān)系為 。檢測概率 的大小表明授權(quán)用戶被保護(hù)而不受認(rèn)知用戶干擾的程度。因?yàn)檎J(rèn)知用戶一旦檢測到授權(quán)用戶就必須讓出信道。虛警概率 表明認(rèn)知用戶檢測到授權(quán)用戶而實(shí)際上授權(quán)用戶并不存在的情況。如果虛警概率較高，則認(rèn)知用戶對(duì)空閑信道的利用率降低，喪失接入無線網(wǎng)絡(luò)

52、的機(jī)會(huì)。因?yàn)榧词惯@時(shí)實(shí)際上沒有授權(quán)用戶存在，認(rèn)知用戶仍然會(huì)認(rèn)為授權(quán)用戶正在使用信道而讓出信道。實(shí)際系統(tǒng)要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要對(duì)性能參數(shù)折中考慮。從給授權(quán)用戶一定保護(hù)的角度出發(fā)，應(yīng)該在固定檢測概率 的同時(shí)使虛警概率 盡量減少從認(rèn)知用戶增大頻譜利用率的角度出發(fā)，則需要在保證較低的虛警概率 的同時(shí)最大化檢測概率 。</p><p>　　2.2 單節(jié)點(diǎn)的頻譜檢測技術(shù)</p><p>　　基于以上模

53、型，現(xiàn)今單節(jié)點(diǎn)頻譜檢測技術(shù)主要可以分為以下三種：匹配濾波器檢測（matched filter）【12】、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測（cyclo-stationatry feature detecor）【13】、【14】、【15】和能量檢測（energy detector）【16】。針對(duì)這三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，下面分別進(jìn)行介紹。</p><p>　　2.2.1 匹配濾波器檢測</p><p>　　匹配濾

54、波器檢測是一種使輸出信噪比最大的常用檢測算法， 在數(shù)字通信和雷達(dá)信號(hào)的檢測中具有非常重要的意義。在認(rèn)知無線電環(huán)境中，如果認(rèn)知無線電用戶在知道授權(quán)用戶的先驗(yàn)信息（例如導(dǎo)頻信號(hào)、同步碼或擴(kuò)頻碼等）的情況下，匹配濾波器檢測是最優(yōu)頻譜檢測方法。匹配濾波器檢測框圖如圖2.2所示，其中x(t)是被檢測信號(hào)， 是授權(quán)用戶的先驗(yàn)信息。</p><p><b>　　x(t) xp</b></p>

55、<p>　　圖2.2 匹配濾波器框圖</p><p>　　匹配濾波器檢測的主要優(yōu)點(diǎn)是能使被檢測信號(hào)的信噪比最大化，并在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的處理增益。但是這種檢測方法的缺點(diǎn)也是非常明顯的，匹配濾波器是一種相干檢測，對(duì)系統(tǒng)的同步要求很高，并且計(jì)算量很大。在授權(quán)用戶的先驗(yàn)信息并不是很準(zhǔn)確時(shí)，系統(tǒng)的檢測性能會(huì)急劇惡化。而且在感知無線電環(huán)境中，可能存在不只一種類型的授權(quán)用戶，如果采用匹配濾波器檢測的話，針對(duì)

56、每一種類型的授權(quán)用戶都必須設(shè)置專門對(duì)應(yīng)得匹配濾波器。</p><p>　　2.2.2 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測</p><p>　　低信噪比條件下的微弱信號(hào)檢測一直是信號(hào)處理領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。循環(huán)平穩(wěn)特征檢測是在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)低信噪比信號(hào)進(jìn)行檢測和估計(jì)的一種有效檢測方法。循環(huán)平穩(wěn)特征檢測原理框圖如圖2.3所示。其原理主要是利用了被檢測信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特性，通過分析頻譜自相關(guān)函數(shù)來檢測被測信號(hào)的特有

57、特征，諸如載波頻率、數(shù)據(jù)數(shù)率、調(diào)制方式和循環(huán)前綴等。因?yàn)闊o線信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后一般都會(huì)有載頻、跳頻序列、循環(huán)前綴等，它們使得無線信號(hào)的均值和自相關(guān)函數(shù)都具有周期性。</p><p><b>　　x(k)</b></p><p>　　圖2.3 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測原理框圖</p><p>　　而噪聲是不相干廣義平穩(wěn)信號(hào)，因此循環(huán)平穩(wěn)特征檢測通過分析被檢測

58、信號(hào)的頻譜自相關(guān)函數(shù)可以很好的把噪聲能量和授權(quán)用戶的能量區(qū)分開來。跟傳統(tǒng)相關(guān)函數(shù)類似，根據(jù)文獻(xiàn)【16】譜相關(guān)函數(shù)定義如下：</p><p><b>　?。?.2） </b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　(2.3) </p&

59、gt;<p>　　循環(huán)平穩(wěn)特征檢測的判決方法如下： </p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　當(dāng) 出現(xiàn)峰值時(shí)，則判定被檢測信號(hào)存在。</p><p>　　概括來說循環(huán)平穩(wěn)特征檢測的最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠區(qū)分噪聲和被檢測信號(hào)，能在低信噪比的環(huán)境下獲得很好的檢測性能。文獻(xiàn)【17】表明即使在-20dB 的條件下，循

60、環(huán)平穩(wěn)特征檢測仍然能很好的檢測出調(diào)制信號(hào)。但其缺點(diǎn)也很明顯，計(jì)算復(fù)雜度高，并且無法通過一次觀測樣本的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行估計(jì)，所需要的檢測時(shí)間相對(duì)較長。</p><p>　　2.2.3 能量檢測</p><p>　　在授權(quán)用戶信號(hào)的先驗(yàn)信息未知的情況下，對(duì)于檢測零均值的星座信號(hào)，能量檢測是最優(yōu)檢測方法【12】。整個(gè)檢測方法如圖 2.4 所示，能量檢測通過衡量感興趣的頻段內(nèi)的射頻信號(hào)能量，并與一個(gè)預(yù)

61、先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，來判斷該頻段是否存在頻譜空洞。接下來我們對(duì)能量檢測算法的性能進(jìn)行詳細(xì)的分析。</p><p><b>　　x(t)</b></p><p>　　圖2.4 能量檢測原理框圖</p><p>　　2.2.3.1 能量檢測性能分析</p><p>　　能量檢測通過測量認(rèn)知用戶在感興趣頻段所接收到的接收

62、信號(hào)的能量值來判斷是否存在頻譜空洞。設(shè)認(rèn)知用戶在頻域收到的信號(hào)能量大小為，則其服從如下分布【18】-【19】。</p><p><b>　　（2.5）</b></p><p>　　其中 表示自由度為2 的中心卡方分布， 表示非中參數(shù)為2 且自由度為2 的非中心卡方分布。</p><p>　　AWGN信道下的檢測性能：</p>&l

63、t;p>　　假設(shè)噪聲u(n)是獨(dú)立同分布的加性高斯白噪聲，其均值為0，方差 。授權(quán)用戶信號(hào)是一個(gè)均值為0，方差 的獨(dú)立同分布的隨機(jī)過程，并且s(n)與u(n)相獨(dú)立。則能量檢測器的統(tǒng)計(jì)特性如式（2.5）所示：</p><p>　　(2.6) </p><p>　　其中N是采樣點(diǎn)數(shù)： </p><p><

64、b>　　(2.7)</b></p><p>　　是感知時(shí)間， 是采樣頻率。</p><p>　　在假設(shè) 的條件下，則T(y)的概率密度函數(shù) 服從自由度為N的卡方分布，如果我們?nèi)z測門限為 ，則虛警概率如下式所示：</p><p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　根據(jù)中心極限定義，對(duì)于

65、一個(gè)極大的采樣點(diǎn)數(shù)N，T(y)的概率密度函數(shù)可以近似看成是一個(gè)均值為 ，方差為 的高斯分布【20】。則虛警概率如下式所示：</p><p><b>　　(2.9) </b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　?。?.10）</b></p><

66、p>　　在假設(shè) 的條件下，設(shè)s(n)是復(fù)PSK信號(hào)，u(n)是循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯信號(hào)。則T(y)的概率密度函數(shù)可以近似看成是一個(gè)均值為 ，方差為 的高斯分布。則檢測概率由下式所示：</p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　其中在假設(shè) 的條件下，認(rèn)知用戶接收機(jī)的信噪比 。給定檢測概率 的條件下，則檢測門限 可由下式確定：</p>

67、;<p><b>　　(2.12)</b></p><p>　　同理，給定虛警概率 的條件下，檢測門限 可由下式確定：</p><p><b>　　(2.13)</b></p><p>　　比較式(2.12)和式(2.13)，可以得到檢測概率 和虛警概率 之間的關(guān)系：</p><p>

68、<b>　　(2.14)</b></p><p><b>　　(2.15)</b></p><p>　　比較式(2.14)和式(2.15)，對(duì)于給定一對(duì)目標(biāo)概率 ，最小采樣點(diǎn)數(shù)：</p><p><b>　　(2.16)</b></p><p>　　瑞利（Rayleigh）信道

69、下的檢測性能：</p><p>　　Rayleigh分布通常用于描述非視距傳輸信號(hào)，是常見的用于描述平坦衰落信號(hào)或獨(dú)立多徑分量接收包絡(luò)統(tǒng)計(jì)時(shí)變特性的一種分布類型。如果信號(hào)的幅度服從瑞利分布，則信噪比的概率密度函數(shù)為：</p><p><b>　　(2.17)</b></p><p>　　認(rèn)知無線電中瑞利信道下的平均檢測概率為：</p>

70、;<p><b>　　(2.18)</b></p><p>　　平均虛警概率如下式所示：</p><p><b>　　(2.19)</b></p><p>　　其中 是gamma函數(shù)： </p><p>　　(2.20) </p><p>　　是

71、不完全gamma函數(shù)： </p><p>　　(2.21) </p><p>　　萊斯（Rician）信道下的檢測性能：</p><p>　　如果接收信號(hào)不僅散射、繞射等到達(dá)的信號(hào)副本，還有一個(gè)直視信號(hào)，Rician分布描述此類信道非常合適。其概率密度函數(shù)為：</p><p><b>　　(2.22)</b>

72、;</p><p>　　其中K為Rician衰落因子，表示直視信號(hào)與散射信號(hào)的功率比。當(dāng)K=0時(shí)，即為瑞利信道的情況。 是第一類修正的零階貝塞爾函數(shù)。</p><p>　　認(rèn)知無線電中，當(dāng)u=1時(shí)萊斯信道下的平均檢測概率為：</p><p><b>　　(2.23)</b></p><p>　　Nakagami信道下的檢

73、測性能:</p><p>　　Nakagama.n信號(hào)的衰落分布本質(zhì)上說是一個(gè)中心的 分布。上面所述兩種衰落信道其實(shí)都是Nakagama信道的特例，只要m的取值合適，就可以得到相應(yīng)的分布。相互轉(zhuǎn)化的條件如下：</p><p>　　m=1 , Rayleigh 信道。</p><p>　　;n 0,Nakagama.n(Rician)信道。</p>

74、<p>　　若信號(hào)幅度服從Nakagami分布，則信噪比 的概率密度函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.24）</b></p><p>　　其中m為Nakagami參數(shù)。令 ，得認(rèn)知無線電中Nakagami信道下的平均檢測概率：</p><p><b>　　(2.25)</b></p>&l

75、t;p>　　其中， 。</p><p>　　2.2.3.2 能量檢測的計(jì)算機(jī)仿真分析</p><p>　　假設(shè)u（n）為均值為0的獨(dú)立同分布循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯（CSCG）噪聲，s(n)是帶寬為6MHz的QPSK信號(hào)。采樣頻率 。授權(quán)用戶出現(xiàn)的概率 ，出于對(duì)授權(quán)用戶保護(hù)的角度考慮所設(shè)定的目標(biāo)檢測概率 。Monte Carlo仿真基于20000個(gè)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量

76、。</p><p>　　圖2.6所示為認(rèn)知用戶的檢測概率、虛警概率同采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系。在仿真過程中，我們首先通過目標(biāo)檢測概率 預(yù)先設(shè)定門限 ，然后應(yīng)用這個(gè)門限到假設(shè) 中，通過仿真得到虛警概率 ?？梢詮膱D中看到虛警概率 隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增大而減小。在采樣頻率 一定的條件下，即隨著感知時(shí)間的增大，虛警概率 逐漸減小。仿真曲線與理論曲線基本重合，證明了所采用的仿真方法的有效性。</p><p>　　

77、圖2.6 檢測概率、虛警概率的仿真值和理論值比較</p><p>　　2.3 其他檢測方法</p><p>　　2.3.1 本振泄漏檢測</p><p>　　認(rèn)知無線電要求能夠預(yù)知對(duì)鄰近用戶的干擾，即要求對(duì)授權(quán)用戶的干擾低于臨界值。解決這個(gè)問題的關(guān)鍵是降低授權(quán)用戶位置的不確定性。目前，這方面的工作主要針對(duì)授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)的弱信號(hào)檢測，但是如果不確定接收機(jī)的噪聲變量

78、，這個(gè)問題就很難解決?？梢酝ㄟ^利用授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)的導(dǎo)頻音來提高偵測概率。如果授權(quán)用戶位置未知，這導(dǎo)致認(rèn)知用戶需要依賴于微弱的授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)做出判斷。</p><p>　　可以利用授權(quán)用戶射頻(RF)前端發(fā)射的本振泄漏功率【21】來檢測授權(quán)用戶，定位授權(quán)用戶并保證授權(quán)用戶不受干擾。無線電接收機(jī)在接收射頻信號(hào)并把射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)過程中，不可避免的會(huì)存在泄漏。在授權(quán)用戶接收機(jī)處安裝一個(gè)微小的低花費(fèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)

79、，此節(jié)點(diǎn)首先偵測本振泄漏以判斷接收機(jī)轉(zhuǎn)向哪個(gè)信道，并將此信息以特定功率通過一個(gè)獨(dú)立的控制信道發(fā)給認(rèn)知用戶。</p><p>　　2.3.2 基于干擾溫度限的檢測</p><p>　　在對(duì)外輻射電磁波時(shí)干擾控制是必須考慮的環(huán)節(jié)，可以通過發(fā)射源輻射功率控制、帶寬外的輻射源管理和調(diào)制個(gè)別輻射源的位置來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　當(dāng)前，F(xiàn)CC提出一種新的干擾測量模型—干擾

80、溫度，即接收端所能容忍的新增干擾數(shù)量。在給定區(qū)域內(nèi)確定干擾溫度界限值 ，就是指在該指定區(qū)域內(nèi)，給定頻段所能容忍的干擾最大值。</p><p>　　依據(jù)干擾溫度模型【22】，在某段頻內(nèi)，只要認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)的工作數(shù)量不超過判決門限，認(rèn)知用戶就可以使用該頻段。而干擾溫度模型也不再使用噪聲電平作為判決門限，而是使用干擾溫度作為判決門限，即對(duì)多個(gè)射頻信號(hào)的能量進(jìn)行累積，獲得其最大容量時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)數(shù)量就是判決門限。只要認(rèn)知用

81、戶發(fā)射機(jī)工作數(shù)量不超過判決門限，認(rèn)知用戶就可以使用該頻段。</p><p>　　干擾溫度用來衡量干擾功率和所占帶寬的大小，定義為</p><p><b>　?。?.26）</b></p><p>　　其中， 為噪聲溫度， 為帶寬為B頻率處于干擾的平均功率，K為玻爾茲曼常量。</p><p>　　根據(jù)該定義，噪聲和干擾被合

82、并，作為一個(gè)參數(shù)來考慮和檢測。對(duì)于干擾溫度模型，提出了干擾溫度的理想模型和廣義模型。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要研究了認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的分類和常用的頻譜感知技術(shù)。</p><p>　　首先，對(duì)無線電頻譜感知技術(shù)做了大致的介紹，然后對(duì)不同的頻譜檢測方法分別作出了比較。對(duì)于單節(jié)點(diǎn)檢測，

83、目前主要是三種：匹配濾波器檢測、循環(huán)平穩(wěn)特性檢測和能量檢測，通過比較，在先驗(yàn)條件未知的情況下，能量檢測是最優(yōu)檢測算法，因此本章重點(diǎn)研究了能量檢測的原理和方法，為后文的研究提供基礎(chǔ)。</p><p>　　另外，也簡單介紹了其他的頻譜檢測技術(shù)，如本振泄漏檢測、干擾溫度檢測。</p><p>　　第三章 協(xié)作頻譜感知技術(shù)</p><p>　　理想情況下，只要有足夠長的檢測

84、時(shí)間，單節(jié)點(diǎn)感知總能滿足認(rèn)知無線電的要求，但是在實(shí)際中，單節(jié)點(diǎn)頻譜感知卻面臨著諸多的困難，在眾多限制條件下，單節(jié)點(diǎn)感知很難達(dá)到系統(tǒng)要求的性能，同時(shí)，頻譜感知在陰影效應(yīng)和無線衰落信道的時(shí)變特性下變得更加困難。為了改善頻譜感知的性能，可以不同的認(rèn)知用戶分享彼此的信息，采用協(xié)作檢測來完成這一目標(biāo)。</p><p>　　3.1 協(xié)同頻譜感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　yi&l

85、t;/b></p><p>　　ui ……</p><p><b>　　u0</b></p><p>　　圖3.1 協(xié)同頻譜感知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)</p><p>　　協(xié)同頻譜感知的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以由圖3.1表示，其實(shí)現(xiàn)步驟可以表述為：</p><p>

86、;　　各本地節(jié)點(diǎn) ， ，……， 分別根據(jù)觀測到的信號(hào)進(jìn)行檢測，得到檢測結(jié)果。</p><p>　　各本地節(jié)點(diǎn)將檢測結(jié)果 , ……， 傳送至中心節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　中心節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的本地檢測結(jié)果進(jìn)行融合，得出表示主用戶信號(hào)是否存在的全局判決 。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)頻譜的協(xié)作檢測通常采用以下兩種方式：</p><p>　　一種是采用

87、分布式或集中式數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將認(rèn)知用戶各自獨(dú)立獲取的檢測數(shù)據(jù)按照一定的融合規(guī)則進(jìn)行融合處理后完成頻譜決策，目前采用的融合規(guī)則主要有“或”規(guī)則、“與”規(guī)則和“”秩。能量檢測下，這種協(xié)作方式一般將不同認(rèn)知用戶的檢測信息和相應(yīng)的門限比較后量化為比特信息，也稱為硬判決。這種硬判決在用戶間需要交換的信息量較少，但是在量化過程中損失了一部分信息，限制了判決性能。</p><p>　　另一種方式是采用空間協(xié)作分集協(xié)議，通過多路

88、信號(hào)的分集合并來實(shí)現(xiàn)頻譜的可靠檢測。如常用的合并方式有等增益合并（Equal Gain Combining,EGC）、選擇合并(Selection Combining,SC)和似然比合并(LRC)等。研究表明，即使最簡單的等增益合并也能使檢測性能較之傳統(tǒng)的硬判決有很大的改善。</p><p>　　3.2 融合與決策規(guī)則</p><p>　　目前，認(rèn)知無線電中多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合檢測研究主要基于中心控

89、制方式，分布于不同位置的多個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行對(duì)授權(quán)用戶信號(hào)的本地檢測算法，并做出信號(hào)存在與否的判決。判決結(jié)果取值范圍為{0,1}（0表示沒有授權(quán)用戶信號(hào)存在，1表示有授權(quán)用戶信號(hào)存在）。中心接入點(diǎn)根據(jù)收到的來自各個(gè)節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果綜合做出信號(hào)存在與否的最終判決。數(shù)據(jù)融合規(guī)則主要有“與”、“或”和“K”秩三種方式。</p><p>　　3.2.1 “與”準(zhǔn)則</p><p>　　“與”準(zhǔn)則，

90、即中心接入點(diǎn)將每個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果用邏輯“與”的方式進(jìn)行合并。從物理意義上可理解為：當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都認(rèn)為有授權(quán)用戶存在時(shí)才最終判決有授權(quán)用戶出現(xiàn)，否則判決沒有授權(quán)用戶出現(xiàn)。</p><p>　　假設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測概率與虛警概率分別為 ， ,則可得到采用“與”邏輯后得到的虛警概率 與檢測概率 分別為：</p><p><b>　　(3.1) </b></p>

91、;<p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　其中，N表示協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。</p><p>　　3.2.2 “或”準(zhǔn)則</p><p>　　“或”準(zhǔn)則，即中心接入點(diǎn)將每個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果用邏輯“或”的方式合并。從物理意義上可理解為：當(dāng)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為有授權(quán)信號(hào)存在時(shí)就最終判決有授權(quán)用戶出現(xiàn)，否則判決沒有授權(quán)用戶出

92、現(xiàn)。</p><p>　　假設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測概率和虛警概率分別為 ， 則可得到采用“或”邏輯得到的檢測概率 和虛警概率 分別為：</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　3.2.3 “K”秩準(zhǔn)則</p>&

93、lt;p>　　“K”秩合并的原理是中心接入點(diǎn)將每個(gè)判決節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果相加，將所得的數(shù)值與預(yù)先設(shè)定的門限K相比較，若超過該門限值K，則判決有信號(hào)存在，否則判決沒有信號(hào)存在。</p><p>　　(3.5) </p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　3.3 控制信道帶寬受限條件下的協(xié)同頻譜檢測算法<

94、/p><p>　　頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)頻譜管理、頻譜共享的前提。由于實(shí)際信道中的多徑、陰影效應(yīng)和噪聲不確定性，單個(gè)認(rèn)知用戶頻譜感知的性能并不樂觀，針對(duì)這個(gè)問題D.Cabric等人提出了協(xié)同頻譜感知算法【17】。協(xié)同頻譜感知算法能有效的提高檢測性能，但是當(dāng)參與協(xié)同的認(rèn)知用戶數(shù)量很大的時(shí)候，控制信道的帶寬將不夠用。文獻(xiàn)【23】中提出了一種在控制信道帶寬受限條件下的基于雙檢測門限的頻譜感知算法

95、，該算法中每個(gè)認(rèn)知用戶基于雙檢測門限獨(dú)立進(jìn)行頻譜感知，但只有部分可靠的認(rèn)知用戶通過控制信道向認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)基站發(fā)射本地感知報(bào)告。該算法能夠以較小的網(wǎng)絡(luò)開銷，獲得接近普通單門限頻譜檢測算法的性能。</p><p>　　3.3.1 基于雙門限的能量檢測算法</p><p>　　頻譜感知的實(shí)質(zhì)是一個(gè)二元假設(shè)問題，即</p><p><b>　?。?.7） <

96、;/b></p><p>　　其中x(t)代表認(rèn)知用戶接收到的信號(hào)，s(t)表示授權(quán)用戶的發(fā)送信號(hào)，h(t)代表授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶之間信道的衰落因子。 代表授權(quán)用戶沒有工作， 代表授權(quán)用戶正在工作。設(shè) 是認(rèn)知用戶接收信號(hào)的能量，根據(jù)能量檢測理論【23】， 服從以下分布</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　其

97、中 表示瞬時(shí)信噪比，并且其服從均值為 的指數(shù)分布， 代表自由度為2m的中心卡方分布， 代表自由度為2m且非中心參數(shù)為的卡方分布，m表示時(shí)間帶寬積。</p><p>　　在能量檢測算法本地判決中，每個(gè)認(rèn)知用戶把接收到的能量 跟預(yù)設(shè)的門限 進(jìn)行比較，如圖3.2（a）所示。當(dāng) 時(shí)，本地能量檢測器做出本地判決D=1，表示授權(quán)用戶在工作，否則判決D為0。而雙門限能量檢測算法本地判決如圖3.2(b)所示，本地能量檢測器判決規(guī)

98、則如下：</p><p><b>　　（3.9）</b></p><p>　　其中ND表示認(rèn)知用戶接收到的能量 的值不可靠，認(rèn)知用戶不做判決，發(fā)送感知報(bào)告給認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)基站。</p><p>　　圖 3.2 (a)一般能量檢測算法本地判決示意圖</p><p>　　(b)雙門限能量檢測算法本地判決示意圖</p&

99、gt;<p>　　據(jù)文獻(xiàn)【23】可知，認(rèn)知用戶在瑞利信道下的平均檢測概率、平均漏檢概率和平均虛警概率如下所示：</p><p><b>　　（3.10） </b></p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　　（3.12）</b></p>&

100、lt;p>　　3.3.2 基于雙門限的協(xié)同頻譜檢測算法性能分析</p><p>　　3.3.2.1 網(wǎng)絡(luò)開銷 </p><p>　　假設(shè)1bit量化的條件下， 代表歸一化平均感知位數(shù)， 和 分別代表K個(gè)認(rèn)知用戶向認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)基站發(fā)送感知報(bào)告和N-K個(gè)認(rèn)知用戶沒有發(fā)送感知報(bào)告。則：</p><p><b>　　(3.13)</b>&l

101、t;/p><p><b>　　(3.14)</b></p><p>　　設(shè) 和 ，則歸一化平均感知位數(shù) 如式所示：</p><p><b>　　(3.15)</b></p><p><b>　　定義:</b></p><p><b>　　(3.16

102、)</b></p><p>　　則： (3.17)</p><p>　　由式可以得到： (3.18)</p><p>　　即基于雙門限的協(xié)同頻譜檢測算法的網(wǎng)絡(luò)開銷始終小于常規(guī)的能量檢

103、測算法。</p><p>　　3.3.2.2 檢測性能分析</p><p>　　設(shè)F（ ）和G（ ）分別表示在假設(shè)和下的概率分布，則根據(jù)文獻(xiàn)【23】可知</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p><b>　　(3.20)</b></p><p>　　

104、顯然 , 。假設(shè) 和 分別代表在假設(shè) 和 下沒有認(rèn)知用戶發(fā)送感知報(bào)告，即k=0的事件。則：</p><p><b>　　(3.21)</b></p><p><b>　　(3.22)</b></p><p>　　則基于雙門限的協(xié)同頻譜檢測算法在瑞利信道下的虛警概率 ，檢測概率 和漏檢概率 分別為：</p>&

105、lt;p><b>　　(3.23)</b></p><p><b>　　(3.24)</b></p><p><b>　　(3.25)</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　(3.26)</b

106、></p><p><b>　　(3.27)</b></p><p>　　則： (3.28)</p><p><b>　　(3.29)</b></p><p>　　顯然當(dāng) 時(shí)，本文算

107、法性能跟常規(guī)能量檢測算法一致。當(dāng)參與協(xié)同的用戶數(shù)目N較大時(shí)， ，則基于雙門限的協(xié)同頻譜檢測算法的檢測性能與常規(guī)能量檢測算法相似。即在控制信道帶寬受限的情況下，以較小的性能損失大大減小了網(wǎng)絡(luò)開銷。</p><p>　　3.4 基于可信度選擇認(rèn)知用戶參與協(xié)同頻譜檢測</p><p>　　3.4.1 系統(tǒng)模型</p><p>　　假設(shè)一個(gè)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)認(rèn)知無線電

108、網(wǎng)絡(luò)基站和K個(gè)認(rèn)知用戶。授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶之間的信道為無衰落的高斯信道。每個(gè)認(rèn)知用戶均采取簡單有效的能量檢測算法來進(jìn)行本地頻譜感知。則本地判決結(jié)果由下式?jīng)Q定：</p><p><b>　　(3.30)</b></p><p>　　其中x(n)為認(rèn)知用戶接收到的實(shí)際信號(hào)；s(n)為授權(quán)用戶發(fā)射信號(hào)；u(n)為加性高斯白噪聲： 為授權(quán)用戶未出現(xiàn)，即信道空閑； 為授權(quán)用戶出

109、現(xiàn)。設(shè)N是采樣點(diǎn)數(shù)，則能量檢測器的統(tǒng)計(jì)特性如式所示：</p><p><b>　　(3.31)</b></p><p>　　假設(shè)授權(quán)用戶信號(hào)是均值為0的BPSK信號(hào)。在低信噪比條件下，即采樣點(diǎn)數(shù)N很大時(shí)，T(x)在假設(shè) 條件下的概率密度函數(shù)可以近似看成一個(gè)均值為 ，方差為 的高斯分布；T(x)在假設(shè) 條件下的概率密度函數(shù)可以近似看成一個(gè)均值為 ，方差為 的高斯分布【2

110、0】。其中 表示加性高斯噪聲u(n)的方差， 表示在認(rèn)知用戶接收端在假設(shè) 條件下的SNR。</p><p>　　每個(gè)認(rèn)知用戶獨(dú)立的完成本地頻譜檢測，則每個(gè)認(rèn)知用戶處的本地虛警概率如下式所示： (3.32)</p><p><b>　　其中</b></p><p>

111、;<b>　　(3.33)</b></p><p>　　本地檢測概率如下式所示： (3.34)</p><p>　　檢測門限 可由下式確定：</p><p><b>　　(3.35)</b></p><p>　　同理，給定本地虛警概率 的條件下，檢

112、測門限 可由下式確定：</p><p><b>　　(3.36)</b></p><p>　　比較式(3.35)和式(3.36)，可以得到本地檢測概率 和本地虛警概率 之間的關(guān)系：</p><p><b>　　(3.37) </b></p><p><b>　　(3.38)</b&g

113、t;</p><p>　　比較式(3.37)和式(3.38)，對(duì)于給定一對(duì)目標(biāo)概率( )，最小采樣點(diǎn)數(shù)：</p><p><b>　　(3.39)</b></p><p>　　每個(gè)認(rèn)知用戶獨(dú)立的完成頻譜檢測，并把本地判決結(jié)果傳輸給認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基站進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。出于限制對(duì)授權(quán)用戶的干擾的角度考慮，在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基站采取“或”準(zhǔn)則對(duì)所有認(rèn)知用戶