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無線通信新技術調研報告認知無線電中的頻譜感知技術 通信與信息系統 王勇 12120151一、 認知無線電的研究背景及意義隨著信息時代的到來，無線頻譜已成為現代社會不可或缺的寶貴資源。它目前主要由國家統一分配授權使用，一個頻段一般只能供一個無線通信系統獨立使用，這種靜態(tài)的無線頻譜管理方式，簡單而有效的避免了不同無線通信系統間的相互干擾。但是在這些已分配的授權頻段與非授權頻段中存在著頻譜資源利用的不平衡性：一方面，授權頻段占用了整個頻譜資源的很大一部分，但其中不少頻段處于空閑狀態(tài)；另一方面，開放使用的非授權頻段占整個頻譜資源的很少一部分，但在該頻段上的用戶很多，業(yè)務量也很大，無線電頻段已基本趨于飽和。于是在無線和移動通信迅速發(fā)展的今天，頻譜資源貧乏的問題也顯得日益嚴重。因此，尋求一種更有效的頻譜管理方式，充分利用各地區(qū)、各時間段的空閑頻段，緩解不斷增長的頻譜的需求矛盾，成為人們關注的問題。為了解決上述問題，基本思路就是盡量提高現有已分配頻譜的利用率。于是，認知無線電的概念應運而生。其基本思想是：具有認知功能的無線通信設備可以按照某種“伺機（Opportunistic Way）”的方式接入授權的頻段內，并動態(tài)地利用頻譜。這種在空域、時域和頻域中出現的未被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空穴”。認知無線電的核心思想就是使無線通信設備具有發(fā)現“頻譜空穴”并合理利用這些頻譜空穴的能力。二、 頻譜感知的含義及功能頻譜感知是通過對所在的無線電環(huán)境（Radio Environemnet）的觀察，將了解到的環(huán)境情況作為感知無線電系統的輸入部分，為以后的分析和決定做出依據。頻譜感知是認知無線電系統的基本功能，是實現頻譜管理、頻譜共享等一系列認知無線電功能的前提。頻譜感知的目的是發(fā)現在時域、頻域、空域上的頻譜空穴，以便供認知用戶以機會方式利用頻譜。認知用戶是指未經授權使用只有授權用戶才能使用的頻譜的用戶，主用戶則是獲得授權使用頻譜的用戶。為不對授權用戶造成有害干擾，認知用戶需要能夠獨立地檢測出空閑頻譜及授權用戶的出現。這就要求認知用戶能夠實時地連續(xù)偵聽頻譜，以提高檢測的可靠性。為對授權用戶不造成有害干擾，可靠檢測概率要求達到99.9%。三、 頻譜感知技術存在的問題以及解決方案已存在的感知方法是單用戶感知，這是最早提出的一類檢測方法，它設計復雜度低，采用技術成熟，易于實現。但其性能會隨著無線環(huán)境中多徑和陰影衰落引起的接收信號強度的減弱而降低，另外，檢測能力本身也有一定的限制。傳統的解決方案，比如合作式的頻譜感知方法，它通過綜合多個認知用戶的感知信息來提高頻譜的感知能力，避免“隱蔽終端”的問題，而且可以減少檢測時間，從而提高網絡的靈活性。最新研究還表明采用物理層和MAC層聯合感知的跨層設計方法可極大地提高頻譜感知能力。這種方法通過增強無線射頻前端靈敏度，同時利用數字信號處理增益及用戶間的合作來提高感知能力，正越來越受到人們的關注。另外，美國聯邦通信委員會提出了一個新概念-干擾溫度?；谶@個概念又衍生出了基于干擾溫度的感知方法。干擾溫度是認知用戶在感知頻帶內已有通信的基礎上預測自己的傳輸將對主用戶產生的干擾。只要認知用戶造成的干擾溫度不超過干擾溫度限，感知用戶通過調整自己的參數(如發(fā)射功率、調制方式等)就可以使用這個頻段中的空洞。四、 頻譜感知算法頻譜感知算法要從下面三個方面來考慮:一是控制各系統間的干擾。二是適應復雜多變的無線傳播環(huán)境。三是認知無線電系統自身效率的提高。傳統的單點頻譜感知技術包括：匹配濾波器檢測、能量檢測、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測。在此不做過多的敘述。下面講一下先進的合作式頻譜感知技術。合作式頻譜感知利用信道的廣播特性和空間分集特性。合作式頻譜感知能有效的解決單用戶感知無法解決的隱蔽終端、深度衰減、多徑陰影等問題。它最早由CabrieD、Mishra和BrodersenR在文獻中提出，主要分為集中式和分布式兩種。目前對認知無線電的合作式頻譜感知技術的研究主要著眼于集中式的方式，分布于不同位置的多個感知節(jié)點先獨立進行本地感知，并將感知的信息傳送給融合中心，融合中心通過對收到的來自各個地方節(jié)點的感知信息進行融合，最后給出授權用戶存在與否的最終判決。融合中心通過適當的算法將地方信息合并，并做出最終決策的這個過程叫感知信息的融合。根據本地節(jié)點所傳數據的不同形式，可以將數據融合分為兩類:如果本地節(jié)點傳送的是表征主用戶信號存在與否的1比特信息，把這種叫硬合并。如果本地節(jié)點傳送的是本地檢測到的數據信息，則稱之為軟合并。由于硬合并實現簡單，傳輸開銷小等優(yōu)點，本節(jié)將重點分析介紹三種經典的硬合并融合準則。 集中式的合作式頻譜感知實現框圖如圖4-1所示。圖4-1集中式的合作頻譜感知框圖（1）各本地節(jié)點分別獨立地根據觀測到的信號進行本地頻譜檢測，得到檢測結果。（2）各個本地節(jié)點將檢測結果。通過控制信道傳送至融合中心。（3）融合中心對接收到的本地檢測結果進行合并，做出主用戶信號是否存在的最終判決， 并將結果通過控制信道返回給各地方節(jié)點。目前，對于硬合并的融合方式主要有“與”、“或”和“K秩”三種。下面將分別介紹分析。4.1、“與”準則 算法如下：假設第i個節(jié)點的檢測概率與虛警概率分別為、，則可得到采用“與”邏輯后的虛警概率、檢測概率和丟失概率分別為：其中，表示參與合作的本地節(jié)點數。假設先驗概率，則全局判決的錯誤概率為：4.2、“或”準則假設第i個節(jié)點的檢測概率與虛警概率分別為、，則可得到采用“或”邏輯后得到的檢測概率，虛警概率和丟失概率，分別為：其中，表示參與合作的本地節(jié)點個數。 仍然假設先驗概率，則全局判決的錯誤概率為：4.3、“K秩”法“K秩”法的假設檢驗模型如下所示：其中為地方第i個節(jié)點的判決結果。假設第i個節(jié)點的檢測概率與虛警概率分別為則可得到采用“K秩”法后的虛警概率，檢測概率和丟失概率分別為：五、 仿真結果比較此合作式檢測仿真也是利用Matlab平臺，在信號帶寬，采樣頻率，重復次數count=5000下進行的。其中，取了單用戶、3用戶和5用戶在相同的信噪比-8dB下，對理論值和仿真值進行對比。下圖5-1為“and”融合準則檢測在相同的信噪比下，不同用戶間進行理論值和仿真值進行的對比：圖5-1 “and”融合準則在相同信噪比不同用戶下理論值和仿真值的對比從圖5-1可以看出，“and”融合準則檢測的仿真值的落點在理論值曲線的周圍，與其基本上吻合，所以此仿真值是可信的。圖5-1表明“and”融合準則檢測在相同信噪比和相同虛警概率的情況下，隨著用戶的增多，其檢測概率也隨之增加。下圖5-2為“or”融合準則檢測在相同的信噪比下，不同用戶間進行理論值和仿真值進行的對比：圖5-2 “or”融合準則在相同信噪比不同用戶下理論值和仿真值的對比從圖5-2可以看出，“or”融合準則檢測的仿真值的落點在理論值曲線的周圍，與其基本上吻合，所以此仿真值是可信的。圖5-2表明“or”融合準則檢測在相同信噪比和相同虛警概率的情況下，隨著用戶的增多，其檢測概率也隨之增加。下圖5-3為“and”融合準則檢測和“or”融合準則檢測在相同的信噪比和相同的用戶數情況下的仿真值的對比。同時，還有在相同信噪比情況下，這兩種檢測法在5用戶數的仿真值與單用戶的理論值的對比，如下圖：圖5-3 相同信噪比下5用戶“and”檢測仿真與5用戶“or”檢測仿真與單用戶理論對比從上圖5-3可以看出，在相同虛警概率相同信噪比的情況下，5用戶的“and”融合準則檢測和5用戶的“or”融合準則檢測比單用戶檢測的檢測概率要高。六、 未來研究展望認知無線電是一項極其復雜的技術，將認知無線電應用于機會頻譜接入僅是認知無線電研究內容的一部分。雖然信號檢測已經是一項較成熟的技術，但是在認知無線電系統無線頻譜感知中還存在諸多需要解決的信號檢測問題。本文對主用戶信號檢測技術的研究工作只是認知無線電中無線頻譜感知中的一小部分。后續(xù)的研究工作有：（1）當前對認知無線電頻譜感知技術的大量研究，都是基于主用戶信號的中心頻率、帶寬及其他特征和參數已知情況下的信號檢測。這些研究對于如 IEEE802.22 無線區(qū)域網應用而言是合理的。然而對于更一般的情況，即對頻譜感知頻段內主用戶信號的分布及參數未知的情況，如何實現可靠的主用戶信號檢測的研究并不多。寬帶頻譜感知是一種可行的方法，但極高的計算復雜度增加了系統實現的成本。如何簡單有效的實現寬帶頻譜感知，依然是一個需要解決的問題。受無線傳播衰落影響，單個用戶的寬帶頻譜感知并不能很好的反映無線頻譜的利用情況，通過多用戶協作提高寬帶頻譜感知的可靠性，有待進一步深入的研究。（2）安全技術一直是網絡通信研究的重點，在動態(tài)頻譜接入中同樣存在安全問題。無線頻譜資源是無線通信的基礎，是寶貴而有限的。常用的檢測算法僅通過對接收信號的分析并不能完全確定信號發(fā)射者的性質。因此一些惡意的次用戶可以利用欺騙的方法，獲得頻譜接入的高優(yōu)先級。無線頻譜接入規(guī)則和次用戶身份鑒定等方面的研究具有重要的現實意義。（3）傳統的協作感知方法，利用中心節(jié)點對檢測信息融合獲得空間分集。這種方法在中心控制式網絡，如 IEEE802.22 無線接入網中容易實現。在一些無線應用中網絡結構是分布式的。如果利用分布式多跳網絡結構的特點，將傳統點的檢測結果擴展到面，獲得一定區(qū)域內的頻譜利用狀況，那么可以通過合理的無線頻譜分配獲得網絡傳輸性能的提高，同時可以為主用戶提供更好保護。如何在這種分布式網絡中進行協作感知，還需要做進一步的工作。（4）通信應用的上層需求制約了底層通信協議的設計，而主用戶信號檢測的實現與底層協議尤其是 MAC 協議息息相關。將主用戶信號檢測技術嵌入到MAC 協議實現上，實現聯合最優(yōu)設計以提供良好的檢測和傳輸性能，是我們下一步研究的主要課題。參考文獻1 陳東.認知無線電中無線頻譜感知技術的研究 D.西安電子科技大學，2009.2 鄧麗粼.認知無線電中的頻譜感知技術研究 D.西安交通大學，2010.3 范波.認知無線電頻譜感知技術研究 D.國防科學技術大學,2008.4 高博.基于認知無線電的頻譜感知技術研究 D.西安電子科技大學，2008.5 Yi Zheng，Xianzhong Xie, Lili Yang. 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