認(rèn)知無線電中多用戶協(xié)作頻譜感知技術(shù)研究.pdf

1、無線頻譜是無線通信系統(tǒng)中寶貴的、不可再生的資源。目前各個(gè)國(guó)家基本上采取靜態(tài)的頻譜分配政策，且可用的頻譜資源也基本上分配完畢。但是隨著無線通信的快速發(fā)展，越來越多的通信業(yè)務(wù)需要新的頻段。如此同時(shí)，一些授權(quán)頻段的頻譜利用率極低，很多頻段基本處于空閑狀態(tài)。認(rèn)知無線電被認(rèn)為是提高頻譜利用率的潛在技術(shù)之一。在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，認(rèn)知用戶通過頻譜感知實(shí)時(shí)檢測(cè)頻譜空洞并伺機(jī)接入該頻段。頻譜感知技術(shù)主要分為獨(dú)立感知和協(xié)作感知兩種方式。協(xié)作感知能有效地克服

2、獨(dú)立感知中存在的陰影、衰落和隱藏終端等問題，通過硬合并或軟合并方式來融合各認(rèn)知用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)，以對(duì)主用戶是否存在做出綜合判決。針對(duì)協(xié)作頻譜感知技術(shù)的研究，本文主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　?。?）研究了能量檢測(cè)（Energy Detection，ED）法的感知性能，考慮到循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)（Cyclostationary Feature Detection，CFD）的特點(diǎn)，對(duì)ED算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于能量的ED-CFD雙門限協(xié)作感知算

3、法，推導(dǎo)了算法的檢測(cè)概率和虛警概率的閉合表達(dá)式。該算法中，當(dāng)信號(hào)能量位于兩個(gè)門限之外時(shí)，由認(rèn)知用戶直接進(jìn)行ED檢測(cè)并發(fā)送決結(jié)果至數(shù)據(jù)融合中心（Fusion Center，F(xiàn)C）， FC再采用OR規(guī)則進(jìn)行硬合并；僅當(dāng)能量處于中間區(qū)域時(shí)才發(fā)送觀測(cè)信號(hào)至FC，并由FC采用CFD算法進(jìn)行二次軟判決。仿真表明ED-CFD雙門限協(xié)作感知算法檢測(cè)性能優(yōu)于ED協(xié)作方式，在能量不確定性概率較大時(shí)也優(yōu)于CFD協(xié)作方式，但網(wǎng)絡(luò)開銷較CFD方式有很大下降。

4、r>　?。?）在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)（Cognitive Radio Network，CRN）中，當(dāng)參與協(xié)作的認(rèn)知用戶離主用戶的距離相近時(shí)其感知結(jié)果相似，為了減少網(wǎng)絡(luò)開銷，不需要每個(gè)認(rèn)知用戶都向FC報(bào)告檢測(cè)結(jié)果。同時(shí)，由于認(rèn)知用戶和主用戶之間的距離不同，報(bào)告的可信度也不一樣。針對(duì)此研究提出了一種基于能量的分簇加權(quán)協(xié)作感知算法。該算法首先假定認(rèn)知用戶已經(jīng)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某種分簇算法進(jìn)行了分簇，簇內(nèi)認(rèn)知用戶各自利用ED算法完成本地判決，并發(fā)送

5、判決結(jié)果給簇頭，由簇頭代表本簇做出簇內(nèi)決策并發(fā)給FC，F(xiàn)C對(duì)各簇頭發(fā)送的簇內(nèi)決策進(jìn)行距離加權(quán)并做出最終判決。仿真表明該算法既能取得較高的檢測(cè)概率，也能取得較低的虛警概率，是一種全局較優(yōu)的感知算法。
　?。?）研究提出了一種利用接收信號(hào)協(xié)方差矩陣最大最小特征值合并（Combination of Maximum-Mimimum Eigenvalue，CMME）的協(xié)作盲感知算法，該算法將λmaxλmin/(λmax+λmin)作為判決統(tǒng)

6、計(jì)量來檢測(cè)主用戶信號(hào)，同其它同類算法相比，CMME算法檢測(cè)概率有較大提高。但CMME算法需要所有認(rèn)知用戶都發(fā)送觀測(cè)數(shù)據(jù)至FC，網(wǎng)絡(luò)開銷較大，考慮到帶寬受限和ED算法特點(diǎn)，將CMME算法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了ED-CMME單門限協(xié)作感知算法，該算法僅當(dāng)所有認(rèn)知用戶的能量都低于判決門限時(shí)才采用CMME方式進(jìn)行二次檢測(cè)，較CMME算法減少了網(wǎng)絡(luò)開銷。但實(shí)際中，只要判決門限設(shè)置合理，若所有認(rèn)知用戶的判決結(jié)果都為零，則主用戶信號(hào)有可能確實(shí)不存在，此時(shí)無

7、需進(jìn)行二次判決，據(jù)此提出了ED-CMME雙門限協(xié)作感知算法。該算法中設(shè)定了兩個(gè)判決門限，僅當(dāng)部分認(rèn)知用戶能量位于中間區(qū)域且FC無法做出判決時(shí)才需要進(jìn)行CMME檢測(cè)。ED-CMME雙門限協(xié)作感知算法與所提的CMME和ED-CMME單門限感知方式相比，網(wǎng)絡(luò)開銷進(jìn)一步下降。同時(shí)，當(dāng)信號(hào)能量不確定性概率較大時(shí)其檢測(cè)性能也比這兩種方式更好。
　?。?）研究了中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播（China Mobile Multimedia Broadcas

8、ting， CMMB）信號(hào)的頻譜感知技術(shù)。首先將本文提出的幾種頻譜感知算法應(yīng)用于CMMB信號(hào)檢測(cè)中，結(jié)果表明所提算法均可有效的檢測(cè)出主用戶信號(hào)。接著根據(jù)CMMB信號(hào)特點(diǎn)，研究提出了一種基于數(shù)據(jù)平滑的離散導(dǎo)頻檢測(cè)算法。該算法首先利用一階滯后濾波器對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，再將特定時(shí)延處的循環(huán)自相關(guān)（Cyclic Autocorrelation Function，CAF）函數(shù)作為判決統(tǒng)計(jì)量。該算法較基于二階或高階累積形式的CFD算法復(fù)雜度大大