認(rèn)知無(wú)線電盲感知.pdf

1、我們現(xiàn)在面臨的是一個(gè)在通信、交通、醫(yī)藥和安全領(lǐng)域使用無(wú)線電頻譜技術(shù)成指數(shù)增長(zhǎng)的時(shí)代。這使得無(wú)線通信轉(zhuǎn)向更加活躍的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交互。在不久的將來(lái)我們會(huì)有更多的車輛具有彼此“交談”的能力，以改善道路安全。無(wú)線電頻率識(shí)別(RFID)轉(zhuǎn)發(fā)器在不久的將來(lái)會(huì)大量部署在一個(gè)小芯片上，植入人體，提高衛(wèi)生保健功效。廉價(jià)智能手機(jī)開(kāi)始在全球普及，即使在一些偏遠(yuǎn)的地區(qū)。
　　所有這些技術(shù)的進(jìn)步，將會(huì)以一種方式或其他很自然地對(duì)無(wú)線電頻率、射頻資源產(chǎn)生巨大的壓

2、力。聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC，使用各種技術(shù)設(shè)置和分配無(wú)線電頻譜。在2003年，它允許開(kāi)發(fā)空置的無(wú)線電頻譜，供未經(jīng)授權(quán)的用戶或二級(jí)用戶使用，授權(quán)用戶或主用戶（PU）沒(méi)有充分利用頻譜分配即使在他們使用最頻繁的時(shí)候。這暗示無(wú)線電頻譜沒(méi)有被充分利用。在一個(gè)新的領(lǐng)域需要一個(gè)積累的過(guò)程，幫助如何有效地利用這些寶貴的資源，通過(guò)有效的傳感、使用可用的頻段在技術(shù)上不斷取得進(jìn)步。認(rèn)知無(wú)線電的概念已經(jīng)被大眾接受。
　　認(rèn)知無(wú)線電具有“brains-like

3、”能力來(lái)提高傳感效率。它能夠使用一些先驗(yàn)信息的波形信號(hào)在一個(gè)給定的PU操作的頻率準(zhǔn)確地感應(yīng)是否可用，在接收機(jī)的結(jié)構(gòu)、信道系數(shù)，PU在沒(méi)有任何干擾的情況下能夠盡快空出。
　　認(rèn)知無(wú)線電的主要任務(wù)是、無(wú)線頻譜分析、通道識(shí)別和動(dòng)態(tài)頻譜管理和認(rèn)知無(wú)線電的周期性能量控制轉(zhuǎn)移。無(wú)線頻譜分析和通道識(shí)別任務(wù)涉及到接收器周圍的無(wú)線環(huán)境、溫度的檢測(cè)頻譜空穴、預(yù)測(cè)建模環(huán)境和相干檢測(cè)的信號(hào)。最后任務(wù)涉及到發(fā)射機(jī)傳輸參數(shù)、基于提供的信息來(lái)進(jìn)行無(wú)線頻譜分析和

4、通道識(shí)別。
　　這項(xiàng)工作集中在無(wú)線電頻譜分析和被動(dòng)政策方式的基礎(chǔ)上，然而協(xié)商等被動(dòng)無(wú)線電頻譜感知頻方法以及頻率資源數(shù)據(jù)庫(kù)方法可能就夠了。主動(dòng)意識(shí)包括監(jiān)測(cè)頻譜的信號(hào)檢測(cè)方法，以確定頻帶被其他系統(tǒng)或那些沒(méi)有被使用的頻段。這涉及到使用高效算法的二級(jí)用戶為了有效地檢測(cè)主用戶的存在（或缺乏）或空置的頻帶。
　　為標(biāo)識(shí)頻帶正在使用的其它系統(tǒng)或那些并非涉及為有效檢測(cè)主用戶或不被使用的頻帶（或不存在）的使用效率的算法，由輔助用戶的信道識(shí)別三

5、類算法，特別是數(shù)據(jù)輔助，非數(shù)據(jù)輔助和決策導(dǎo)向的方法。數(shù)據(jù)輔助通道估計(jì)假設(shè)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是已知的，并且使用此信息到出信道估計(jì)中。非數(shù)據(jù)輔助的信道估計(jì)方法假設(shè)未知發(fā)送的數(shù)據(jù)和通過(guò)平均消除了數(shù)據(jù)。另一方面決策定向方法通過(guò)檢測(cè)海圖和使用該數(shù)據(jù)作為參考信號(hào)來(lái)估算近似的數(shù)據(jù)輔助的方法。該方法我們已經(jīng)采用了我們的工作與能量檢測(cè)器是我們估計(jì)。
　　傳輸技術(shù)可分為三大類即:重疊模型（無(wú)干擾）、在鋪模型（避免干擾）、以及交織模型。方便傳輸技術(shù)有的任何選

6、擇是可以模擬的，而是因?yàn)槲覀冋谔幚砟芰繖z測(cè)器我們采用的交織模型，據(jù)此，認(rèn)知無(wú)線電定期監(jiān)視無(wú)線電頻譜和機(jī)會(huì)主義通信在空置譜帶。這就要求，當(dāng)通信的蘇中相同頻帶帶保持沉默。對(duì)于我們集中在一個(gè)相當(dāng)靜電信號(hào)的頻帶使用真實(shí)確定性合成高斯信號(hào)用添加真正的高斯白噪聲。在認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知的目的是兩個(gè)假設(shè)之間做出選擇隨機(jī)生成的1 kHz或10GHz的零假設(shè)和備擇假設(shè)。該零假設(shè)指出，觀察到的數(shù)據(jù)是由噪聲僅在替代假說(shuō)認(rèn)為，所觀察到的數(shù)據(jù)包括確定性信號(hào)加噪聲

7、的。從接收到的數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的形成，然后，確定是否在零假設(shè)下或另一種假設(shè)下生成觀察預(yù)定的閾值進(jìn)行比較。該檢測(cè)器的性能是接收操作特性(ROC)曲線，其產(chǎn)生的檢測(cè)作為誤報(bào)警的概率的函數(shù)的概率條款進(jìn)行分析。通過(guò)改變檢測(cè)器的操作點(diǎn)可沿其ROC曲線來(lái)選擇。在經(jīng)典的或確定性的框架，H0或者H1是確定正確的，并且目標(biāo)是選擇一個(gè)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量和閾值，從而最大限度地提高檢測(cè)受限于虛警概率約束的概率:在我們的工作我們想要的阿爾法小于或等于0.1。我們假設(shè)應(yīng)用

8、程序最大似然(ML)估計(jì)，因?yàn)橛^測(cè)的概率分布是眾所周知的（隨機(jī)產(chǎn)生確定性信號(hào)）。
　　認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的進(jìn)步面臨著上面提到的諸多挑戰(zhàn)。過(guò)去的十年中，很多探測(cè)器得到改進(jìn)成為簡(jiǎn)單的能量探測(cè)器（盲感知場(chǎng)景）。更多和更高效的算法正在被研究來(lái)匹配技術(shù)的發(fā)展，也就是說(shuō)，能量檢測(cè)（周期圖，韋爾奇周期圖），特征檢測(cè)結(jié)合了能源、特征檢測(cè)、合作檢測(cè)，和其他探測(cè)技術(shù)。能量檢測(cè)器被認(rèn)為是最佳的檢測(cè)器，如果噪聲方差是眾所周知的，然而實(shí)際中，噪聲方差必須估計(jì)。

9、據(jù)了解，簡(jiǎn)單的能量探測(cè)器ED2在低信噪比的同時(shí)提高能源探測(cè)器ED1完善的檢測(cè)到一個(gè)較低的信噪比。在本文中，我們?cè)O(shè)置了噪聲方差標(biāo)志，這是眾所周知而不失明情景損失，因?yàn)槲覀冋谘芯坑忻暮?jiǎn)單的盲感知能量探測(cè)器ED2和同樣著名的改進(jìn)的盲感知能量檢測(cè)器ED1。當(dāng)頻帶從1KHz到10GHz變化時(shí)，10GHz的頻率可被用來(lái)確認(rèn)兩種能量探測(cè)器，同時(shí)可以檢測(cè)到PU信號(hào)。
　　我們開(kāi)始通過(guò)仿真能量探測(cè)器ED1和ED2后生成高斯隨機(jī)信號(hào)才采用BPSK

10、來(lái)調(diào)制PU信號(hào)，x=sqrt(snr).*(pI'.*cos(a));零均值和方差的加成性高斯白噪聲AWGN信號(hào)，z=randn(1，N);因此，收到信號(hào)y在SU或僅僅被探測(cè)到的信號(hào)是由y=x+z;蒙特卡洛模擬做了兩個(gè)頻帶實(shí)驗(yàn)，1kHz和10Ghz與不同的仿真參數(shù)設(shè)置兩個(gè)場(chǎng)景。
　　參數(shù)處理場(chǎng)景一:Pfa=0∶0.01∶1，var=1，樣品數(shù)量，N為變量，仿真(MC)=1000，信噪比、fsy為變量。該情況下，有四個(gè)例子:

11、　　案例1(a):N變化SNR固定=-20dB，fsy=1000Hz。
　　案例1(b):N變化SNR固定=-20dB，fsy=10GHz。
　　案例2(a):SRM變化N=100，fys=1000Hz。
　　案例2(b): SNR變化N=100，fsy=10 Ghz。
　　以下參數(shù)處理場(chǎng)景二:
　　信噪比=30∶1∶30，var=1，樣品數(shù)量，N為變量，仿真數(shù)量為1000，Pfa為變量，fsy為變量。同樣

12、在這種情況下有四例，即:
　　案例1(a):N變化Pfa=0.1，fsy=1000Hz案例1(b):N變化Pfa=0.1，fsy=10 Ghz案例2(a):不同的N，固定Pfa=0.01，fsy=1000Hz案例2(b):不同的N，固定Pfa=0.01，fsy=10GHz這項(xiàng)工作集中在能量檢測(cè)器(ED)它的簡(jiǎn)單的計(jì)算復(fù)雜度。為了研究操縱測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的影響系數(shù)(TS)的性能，對(duì)這兩種類型的EDs在MATLABR2012a軟件中進(jìn)行了

13、仿真，ED1和ED2分別為改善的能量檢測(cè)器和簡(jiǎn)單的能量探測(cè)器，對(duì)它們性能的研究是在以下參數(shù):檢測(cè)概率，假警報(bào)概率，方差，頻率，信噪比和規(guī)定的閾值以上的兩個(gè)場(chǎng)景4種情況下進(jìn)行的。
　　兩個(gè)EDs測(cè)試統(tǒng)計(jì)的相似性真的鼓舞了我們研究操縱他們的測(cè)試靜態(tài)系數(shù)的影響，我們發(fā)現(xiàn)提供了操作不會(huì)影響檢測(cè)的概率、假警報(bào)的概率和閾值方程，我們得到改進(jìn)的測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(ITS)。在較低的信噪比，同時(shí)保持假警報(bào)的概率盡可能低(≤0.1)的情況下，為了進(jìn)一步提

14、高探測(cè)概率（≥0.9），我們推導(dǎo)了改進(jìn)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量系數(shù)的改進(jìn)測(cè)試兩個(gè)EDs的靜力學(xué)。ED1和ED2的測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相似性是這個(gè)方法的突出智囊團(tuán)。為了分別生成改進(jìn)的測(cè)試統(tǒng)計(jì)能量檢測(cè)器ED1和ED2，我們?nèi)疾捎昧诵碌腎TS方法，ED1和ED2的性能是在類似的兩個(gè)場(chǎng)景下進(jìn)行研究的。
　　以下參數(shù)被用于場(chǎng)景一:Pfa=0∶0.01∶1，var=1，樣品數(shù)量N為變量，模擬數(shù)量(MC)=1000，信噪比為變量，fsy=1000Hz。在這種場(chǎng)

15、景下，有以下四種情況:
　　案例1(a):不同N，固定信噪比SNR=-20db，fsy=1000Hz;
　　案例1(b):不同N，固定的信噪比SNR=6db，fsy=1000Hz;
　　案例2(a):不同信噪比，固定N=1，fsy=1000Hz;
　　案例2(b):不同信噪比，固定N=3，fsy=1000Hz;
　　以下參數(shù)被應(yīng)用于場(chǎng)景二:
　　信噪比=30∶1∶30，var=1，樣品數(shù)量N為變量，模

16、擬數(shù)量為1000，Pfa為變量符號(hào)，fsy=1000Hz。
　　在這種場(chǎng)景下有兩種情況:
　　案例1:不同N，固定Pfa=0.1以下參數(shù)處理場(chǎng)景二:
　　信噪比=30∶1∶30，var=1，樣品數(shù)量，N=變量，模擬數(shù)=1000，Pfa=變量，符號(hào)頻率(fsy)=1000Hz。在這種情況下有兩種情況:
　　案例1:不同N固定Pfa=0.1案例2:不同N固定Pfa=0.01仿真中對(duì)四個(gè)能源探測(cè)器做了性能的比較ED1，

17、ED2，ED1(ITS)和在兩個(gè)場(chǎng)景下的ED2(ITS)。以下參數(shù)處理場(chǎng)景一:Pfa=0∶0.01∶1，var=1，樣品數(shù)量，N=3，模擬數(shù)(MC)=1000，信噪比=變量，符號(hào)頻率（fsy）=1000Hz。在這種情況下，兩例為:
　　案例1:信噪比=-20分貝案例2:信噪比=6db以下參數(shù)處理場(chǎng)景二:信噪比=30∶1∶30，var=1，樣品數(shù)量，N=3，模擬(MC)=1000，Pfa=變量，符號(hào)頻率=1000Hz。在這種情況下有

18、兩種情況:
　　案例1:Pfa=0.1案例2:Pfa=0.01仿真表明，改進(jìn)的測(cè)試統(tǒng)計(jì)能量探測(cè)器遠(yuǎn)比他們的前輩在參數(shù)設(shè)置在我們的研究范圍。ED1(ITS)通常的表現(xiàn)比ED2(ITS)。EDs的檢測(cè)(ITS)極大地增加甚至低至N=2。
　　ED1和ED2(ITS)的性能系數(shù)也調(diào)查共有八(ITS)系數(shù)進(jìn)行調(diào)查。仿真確定了哪些系數(shù)（它）會(huì)給最好的性能。
　　以下參數(shù)處理場(chǎng)景一:Pfa=0∶0.01∶1，var=1，樣品數(shù)量，

19、N=2，模擬(MC)=1000，信噪比=-3db，象征頻率(fsy)=1000Hz，TS系數(shù)=變量。在這種情況下兩例:
　　案例1:ED1案例2:ED2仿真結(jié)果表明，對(duì)ED1和ED2來(lái)說(shuō)，2N(TS)系數(shù)提供了最佳的性能，其次是(N+1/2N)(TS)系數(shù)，最差的是1/N(TS)。而ED1表現(xiàn)比ED2結(jié)果更好。仿真是在在MATLAB環(huán)境中模擬使用ROC曲線以及概率和信噪比曲線進(jìn)行分析的。
　　一般來(lái)說(shuō)，仿真顯示在感知PU信號(hào)

20、的存在方面ED1比ED2好。我們的EDs(ITS)的表現(xiàn)比ED1和ED2要好。在工作的參數(shù)范圍內(nèi)，ED1(ITS)的表現(xiàn)比ED2(ITS)好，即使在低信噪比下，當(dāng)使用相比于ED1和ED2非常低的樣品(N=2、3、4、5)，在新的測(cè)試數(shù)據(jù)(ITS)上改進(jìn)的探測(cè)器表現(xiàn)的好很多。
　　可以簡(jiǎn)潔地推斷，在實(shí)際通信環(huán)境中，對(duì)任何類型的探測(cè)器的擴(kuò)展在這個(gè)新方法上進(jìn)行更多的研究，利用其測(cè)試數(shù)據(jù)可以使檢測(cè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。
　　這種方法一旦