基于雙門限的分組協(xié)作頻譜檢測算法研究畢業(yè)設(shè)計

1、編號 本科生畢業(yè)設(shè)計 基于雙門限的分組協(xié)作頻譜檢測算法研究 study on detection algorithm based on double threshold cooperative spectrum學(xué) 生 姓 名xxx專 業(yè)通信工程學(xué) 號指 導(dǎo) 教 師xx學(xué) 院電子信息工程學(xué)院二一三年六月 理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)承諾書 1本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）基于雙門限的分組協(xié)作頻譜檢測算法研究，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解學(xué)校的長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）工作條例后，在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨(dú)立地完成了任務(wù)書中規(guī)定的內(nèi)容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。2本人在畢業(yè)設(shè)計（論

2、文）中引用他人的觀點和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體均已在文中注明。3在畢業(yè)設(shè)計（論文）中對侵犯任何方面知識產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。4本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢業(yè)設(shè)計（論文）的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)校可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計（論文），可以公布其中的全部或部分內(nèi)容。以上承諾的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)！作 者 簽 名： 年 月 日 摘要 隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，各種無線業(yè)務(wù)的快速出現(xiàn)，越來越多的業(yè)

3、務(wù)使用無線方式接入，大大增加了對無線頻譜資源的需求。然而，有限的頻譜資源使得無線通信的發(fā)展陷入瓶頸，而大部分已經(jīng)分配給授權(quán)用戶的頻段利用率不高，認(rèn)知無線電技術(shù)的提出,既解決了頻譜稀缺問題，又提高已分配頻譜的利用率。認(rèn)知無線電中的一個重要環(huán)節(jié)及關(guān)鍵技術(shù)就是頻譜感知，研究如何準(zhǔn)確而快速地檢測授權(quán)用戶所在的頻段接入通信并且當(dāng)授權(quán)用戶重新出現(xiàn)時及時退避。其中，多用戶協(xié)作頻譜檢測因其較傳統(tǒng)單用戶檢測，具有更優(yōu)的檢測性能以及抗信道衰落能力，已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的熱點，本文就認(rèn)知無線電中的協(xié)作頻譜感知技術(shù)展開了深入研究。論文首先介紹的是認(rèn)知無線電提出的背景和其中的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了常用的單用戶檢測算法及優(yōu)缺點，其

4、中重點介紹了能量檢測算法及其在各信道下的檢測性能,隨后針對單用戶檢測存在的種種局限，引入了多用戶協(xié)作頻譜檢測的概念。在協(xié)作頻譜檢測算法的介紹中，詳細(xì)研究了硬融合軟融合算法及其檢測性能，還有基于軟硬融合算法的雙門限檢測算法以及基于分組的協(xié)作頻譜感知算法,在以上研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種改進(jìn)的基于雙門限檢測方法的分組協(xié)作頻譜檢測算法。通過仿真對比這些協(xié)作檢測的算法，證明了本文提出的算法在檢測性能上優(yōu)于一般的協(xié)作檢測算法，尤其是在匯報信道為衰落信道的環(huán)境下。 最后論文設(shè)計了一種基于硬件平臺的協(xié)作檢測仿真方案，方案結(jié)合了實際的通信環(huán)境，分別給出了基站端和用戶端的方案，包含了如何加入退出系統(tǒng)如何向基站

5、匯報何時檢測何時匯報接口協(xié)議等方面的內(nèi)容，隨后給出了基于認(rèn)知無線電硬件平臺的仿真結(jié)果，證明該仿真方案能夠很好地實現(xiàn)協(xié)作頻譜檢測方案，在不影響授權(quán)用戶的情況下可以接入通信，有效地提高了頻譜利用率。關(guān)鍵字：認(rèn)知無線電 協(xié)作頻譜感知 分組協(xié)作頻譜感知 雙門限檢測 硬件平臺 abstract with the fast development of wireless communication,lots of wireless applications come forth while the frequency resources are in shortage. from some surveys

6、, it can be known that the utilization of licensed frequencies is not very frequent. therefore, the cognitive radio (cr) is proposed to solve above problems. cr can detect licensed user quickly and accurately, dynamic access to the available frequency and retreat from it once the licensed user comes

7、 back, so one of key technologies in cr is spectrum sensing.cooperative spectrum sensing (css) is greater used for its better performance and anti-fading capability compared to the traditional local methods in the actual communication environment. consequently, research on cooperative spectrum sensi

8、ng is done in this dissertation. background and key technologies about cr are first introduced, and also algorithms of local detection are discussed. due to the limitation of local detection, css is studied to improve the detection performance and fusion rules such as hard fusion, soft fusion are su

9、mmed up. and then, an algorithm based on soft and hard fusion called double-threshold detection is studied in detail. furthermore, cognitive users are divided into several clusters to detect licensed frequencies,is called cluster-based css. cluster-based css scheme has better performance especially

10、under fading channels compared to general css schemes. an improved cluster-based algorithm based on double-threshold is then proposed. the improved scheme can greatly improve system performance at the cost of high complexity and also simulation is done to compare above schemes. from simulation it ca

11、n be seen that the proposed scheme can achieve better roc curve compared to other schemes. in order to implement the css theory into reality, a css simulation method based on hardware platform is put forward, which involves the way to join a cluster, the way to quit, the frame protocol used, the tim

12、eslot division, etc.in the end, simulation results based on this cognitive platform are given to prove this scheme can implement css very well with high utilization and can access the unused frequency without any interruption to the licensed user. keywords：cognitive radio; energy detection; cooperat

13、ive spectrum sensing;cluster-based ccs;double-threshold;hardware platform 目錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1研究背景及意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1認(rèn)知無線電國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.2頻譜感知國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3第2章 頻譜感知技術(shù)62.1本地檢測技術(shù)62.1.1本地檢測模型62.1.2能量檢測72.1.3匹配濾波器方法82.1.4循環(huán)平穩(wěn)檢測92.1.5本地檢測方法的對比92.2協(xié)作頻譜感知102.2.1本地檢測的局限性102.2.2協(xié)作頻譜感知技術(shù)112.3基于接收端的頻譜檢測122.3.1本振泄

14、露檢測122.3.2基于干擾溫度的檢測方法122.4本章小結(jié)13第3章 協(xié)作頻譜感知技術(shù)143.1融合算法143.1.1硬融合14 3.1.2軟融合163.2雙門限檢測183.2.1 awgn信道下雙門限檢測方法193.2.2 rayleigh信道下的雙門限檢測方法213.3分組協(xié)作頻譜感知223.4一種改進(jìn)的分組協(xié)作頻譜感知算法253.5仿真實現(xiàn)263.5.1檢測性能分析263.5.2檢測性能與用戶數(shù)關(guān)系283.5.3檢測性能與信噪比關(guān)系293.6.本章小結(jié)30第4章 結(jié)束語314.1論文工作總結(jié)314.2下一步研究方向32參考文獻(xiàn)33致謝35 第1章 緒論1.1研究背景及意義 無線電資源是

15、一種不可再生的自然資源，它的使用是由政府及相關(guān)組織發(fā)布牌照授權(quán)的，這類用戶稱為授權(quán)用戶(licensed users)或是主用戶(primary user,，pu)，其使用的頻段稱為授權(quán)頻段(licensed frequency bands, lfb)。隨著科技的進(jìn)步，無線通信技術(shù)的發(fā)展，有限的頻譜資源變得越來越緊張，尤其是當(dāng)無線局域網(wǎng)(wireless local area network, wlan)無線個域網(wǎng)(wireless personal area network, wpan)藍(lán)牙(bluetooth)等無線技術(shù)的大量出現(xiàn)，越來越多的網(wǎng)絡(luò)使用無線方式接入，這部分技術(shù)工作在非授權(quán)頻段

16、(unlicensed frequency bands, ufb)上。大部分可用頻譜資源已經(jīng)分配給授權(quán)用戶，可用的頻譜資源非常稀缺，而新增無線用戶的大量涌現(xiàn)使得頻譜資源日益緊缺，無線通信的發(fā)展陷入異常尷尬的境地。美國聯(lián)邦通信委員會(the federal communications commission, fcc)發(fā)布報告/spectrum policy task force0，報告中指出，大部分已被分配的頻譜使用率很低。在某一時間空間內(nèi)只有15%85%的無線頻譜資源被授權(quán)用戶使用1,美國shared spectrum company所統(tǒng)計的6個地區(qū)頻譜利用率平均為5.2%;最大頻譜利用率為

17、13.1% (紐約),最小頻譜利用率為1% (美國新墨西哥州的國家射文天文臺)2;北京交通大學(xué)無線寬帶移動通信研究所對北京地區(qū)的頻譜占用情況進(jìn)行了測量3, 698806mhz頻段頻譜利用率為21.29%,850970mhz頻段的頻譜平均利用率為2.33%, 10002000mhz頻段的頻譜利用率不足1%。這些已被分配的頻譜的利用率低下使得人們開始重新審視頻譜資源的分配與使用,一方面,大量新增用戶對頻譜資源的需求日益增長,另一方面,授權(quán)用戶對于已分配頻段的”浪費(fèi)”地使用,產(chǎn)生大量頻譜空穴(spectrum hole),頻譜空穴的定義是:分配給主用戶的但在特定時間特定地理位置沒有被使用的那些頻段4

18、。若是能夠在不影響授權(quán)用戶的情況下,允許沒有被授權(quán)使用該頻段的次用戶(secondary user, su)在合適的時間合適的地點動態(tài)地接入這些頻譜空穴,時分地使用該頻段進(jìn)行通信,則可以解決以上兩方面的問題,以此為基礎(chǔ)的認(rèn)知無線電(cognitive radio, cr)以及相關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 認(rèn)知無線電概念最早提出是在的2000年joseph mitola的博士論文(cognitive radio: an integrated agent architecture for software defined radio)中,是從其在1999年發(fā)表的軟件無線電(softwar

19、e defined radio, sdr)學(xué)術(shù)論文中延伸出的一個概念,而認(rèn)知無線電相比軟件無線電而言更加靈活,是一種智能的無線電,軟件無線電則可以用于實現(xiàn)認(rèn)知無線電功能。在joseph mitola的這篇博士論文中,描述了一個認(rèn)知無線電系統(tǒng),包括推斷控制無線電頻譜使用的規(guī)則,修正接入網(wǎng)絡(luò)的需求,以及實現(xiàn)一種實時的無線頻譜租借的協(xié)議,具體包括使用一種新的語言rkrl(radio knowledge representation laguage)描述認(rèn)知無線電如何增強(qiáng)個人無線服務(wù)的可靠性5。1.2.1認(rèn)知無線電國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 m. mchenry在6中提出了認(rèn)知無線電的三個基本任務(wù): 1)無線場景

20、分析,包含估計無線環(huán)境的干擾溫度和檢測頻譜空穴; 2)信道鑒定,包括估計信道狀態(tài)信息(estimation of channel-state information, csi)預(yù)測發(fā)送機(jī)可使用的信道容量; 3)發(fā)送功率控制和動態(tài)頻譜管理 其中1)和2)是由接收機(jī)實現(xiàn),3)是在發(fā)送端實現(xiàn)。 而g. staple和k. werbach在2004年的文章7中提出了認(rèn)知圈,將上述認(rèn)知任務(wù)包含在內(nèi),如圖1-1所示認(rèn)知圈中包含了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的各個任務(wù)以及任務(wù)之間的關(guān)系。 圖1-1 g. staple 等提出的認(rèn)知圈模型7 在2005年simon haykin的特邀文章8中對認(rèn)知無線電進(jìn)行重新的定義：認(rèn)知

21、無線電是一種智能的無線通信系統(tǒng),它能感知周圍環(huán)境,使用一種理解-建立的方式學(xué)習(xí)周圍的環(huán)境,并實時地對特定參數(shù)(發(fā)送功率載波頻率調(diào)制方式等)做出相應(yīng)的改變使得其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)射頻激勵統(tǒng)計上的變化,這里有兩個主要的目標(biāo)： （1）需要在任何時間任何地方的通信高度可靠 （2）有效地使用無線頻譜 國外的一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也積極投入到了認(rèn)知無線電的研究之中，其中包括:美國國防高級研究計劃局的下一代(next generation, xg)計劃，致力于如何提高頻譜資源的利用率;歐洲委員會的綜合項目端到端可重配置(end-to-end reconfigurability, e2r),可以優(yōu)化頻譜資源的利用,并可

22、提高網(wǎng)絡(luò)的性能；美國加州大學(xué)berkeley分校提出一種corvus(a cognitive radio approach for usage of virtual unlicensed spectrum)體系結(jié)構(gòu)8，給出描述場景，建立系統(tǒng)協(xié)議功能;德國karlsruhe大學(xué)提出頻譜池(spectrum pooling)的概念，在最大化信道利用率的同時考慮干擾最小化以及接入的公平性這兩方面，開發(fā)出基于ofdm技術(shù)的頻譜池體系10。1.2.2頻譜感知國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 tevfik yucek與huseyin arsla在2009年發(fā)表的一篇綜述11中提到頻譜感知面臨著硬件需求隱主用戶問題檢測擴(kuò)頻主

23、用戶協(xié)作感知中的決策融合安全性感知的頻段和間隔等種種挑戰(zhàn)。綜合考慮好這些問題,頻譜感知才能真正的發(fā)揮其在認(rèn)知無線電中的重要作用。經(jīng)過近十年的研究，人們已經(jīng)開發(fā)出許多頻譜感知技術(shù)，頻譜感知技術(shù)的發(fā)展從單用戶檢測到多用戶聯(lián)合檢測,從單門限檢測到雙門限檢測，從采用1bit匯報結(jié)果到2bit甚至是3bit匯報檢測結(jié)果，從奈奎斯特采樣(nyquist sampling)到采用壓縮感知(compressed sensing, cs)進(jìn)行對寬頻信號進(jìn)行檢測，檢測的性能越來越好，下面分別扼要介紹這些檢測方法.頻譜感知最初采用的技術(shù)是單個用戶獨(dú)立檢測，方法包括了最常用的能量檢測(energy detector

24、based sensing) 12匹配濾波器方法(matched filtering, mf) 13循環(huán)平穩(wěn)檢測(cyclostationarity-based sensing) 14等 然而因為無線通信環(huán)境的復(fù)雜和時變性，單用戶檢測面臨著檢測率不高衰落和陰影效應(yīng)等問題，s. shanker, c. cordeiro, k. challapali等人在文獻(xiàn)15提出的一種基于多用戶協(xié)作的頻譜感知方法協(xié)作頻譜感知(cooperative spectrum sensing, css)有效地克服了上述問題，也使得頻譜感知技術(shù)從單用戶邁向了多用戶協(xié)作的領(lǐng)域1617。 協(xié)作頻譜感知一般分為兩個步驟：第一，

25、各個次用戶獨(dú)立檢測(也就是本地檢測)并將檢測結(jié)果報告給融合中心(fusion center)；第二，融合中心根據(jù)各檢測結(jié)果綜合判決主用戶信號是否存在。當(dāng)然，次用戶也可以不獨(dú)立判決，直接將其感知的信息發(fā)送給融合中心，進(jìn)行統(tǒng)一判決。在融合的方法上最初使用1bit傳送結(jié)果,而文章18中提出使用2bit傳送結(jié)果,將判決結(jié)果劃分為四個區(qū)域，用2bit表示,這樣的劃分使得傳送到融合中心的內(nèi)容中包含檢測量更多的信息,降低了錯判漏判的概率，提高了系統(tǒng)檢測的性能；hefdhallah sakran在2011發(fā)表的文章19中提出了使用3bit匯報判決結(jié)果，將結(jié)果劃分為8種。而等增益合并(equal gain-co

26、mbining, egc)算法選擇合并(selection combining, sc)算法以及切換保留合(switch and stay combining ,ssc)算法等軟融合方法都不直接傳送結(jié)果，而將能量值等檢測量發(fā)送給融合中心20。 對于協(xié)作頻譜感知中的融合算法，z. chair的文獻(xiàn)21是最早提出融合算法的學(xué)術(shù)論文，但當(dāng)時還未應(yīng)用于認(rèn)知無線電；文獻(xiàn)22中詳細(xì)研究了融合算法中k秩算法的性能，而文獻(xiàn)23中則提出了一種增強(qiáng)的決策融合的算法?；趨f(xié)作感知其他方面的研究中，文獻(xiàn)24提出了一種低開銷低復(fù)雜度的基于協(xié)作頻譜感知的能量檢測；文獻(xiàn)25中提出了一種解決匯報信道帶寬問題的方法，使得匯報的

27、信息更加可靠；ahmed于26中提出了一種分布式協(xié)作頻譜感知算法guess (gossiping updates for efficient spectrum sensing)，該算法體現(xiàn)出了低復(fù)雜度以及低協(xié)議開銷。而為了使得數(shù)據(jù)融合更加有效,可將次用戶劃分為幾個小規(guī)模的組(group)，或?qū)⑦@些組成為簇(cluster)。每個組有個擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)者角色的次用戶稱為簇頭(cluster head ,ch)，組中的其他次用戶稱為簇成員。系統(tǒng)的頻譜檢測是以一種等級制度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，通過兩級的次用戶協(xié)作來實現(xiàn)：低一級在簇內(nèi)實現(xiàn),高一級的在簇頭之間執(zhí)行。這種頻譜感知的方法稱為分組(簇)協(xié)作頻譜感知27。分組協(xié)作

28、頻譜感知28的優(yōu)點如下：1)感知性能提高：可以提高檢測概率降低錯誤概率,獲得更高的可靠性；2)感知開銷降低：減少感知開銷(包括能量消耗時延所占用的帶寬) 分組協(xié)作頻譜感知的基本模型如圖1-2所示: 圖1-2 分組協(xié)作頻譜感知的基本模型1.3論文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排 本文主要研究的是認(rèn)知無線電中的協(xié)作頻譜感知技術(shù)，將現(xiàn)有國內(nèi)外的頻譜感知技術(shù)進(jìn)行分析討論,指出其不足之處，重點研究了能量檢測以及協(xié)作頻譜感知中的各種算法，以及這些算法在各種信道下的性能；在此基礎(chǔ)上提出了一種基于雙門限方法以及分組協(xié)作頻譜感知方法的混合型協(xié)作頻譜感知算法，并進(jìn)行了對主用戶檢測性能的仿真對比。最后,結(jié)合實際情況提出基于

29、硬件平臺的協(xié)作感知仿真方案以及方案中的時隙信道劃分方案。全文章節(jié)安排如下： 第1章：緒論部分。闡述認(rèn)知無線電研究的背景和意義，簡要介紹認(rèn)知無線電的主要關(guān)鍵技術(shù)和國內(nèi)外對于認(rèn)知無線電以及頻譜感知的研究現(xiàn)狀，最后給出了論文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排。第2章：介紹頻譜檢測技術(shù)?？偨Y(jié)現(xiàn)有的頻譜檢測技術(shù)，具體介紹了本地頻譜檢測方法協(xié)作頻譜感知方法，以及針對寬帶頻譜的快速檢測的壓縮感知方法，并進(jìn)行了討論。第3章：對協(xié)作頻譜感知技術(shù)中的融合算法雙門限法分組協(xié)作頻譜感知技術(shù)進(jìn)行重點闡述，在此基礎(chǔ)上,提出了一種混合型協(xié)作頻譜感知算法，并進(jìn)行了算法仿真和對比。第4章：結(jié)束語，總結(jié)全文內(nèi)容，并提出下一步的研究方向。

30、第2章 頻譜感知技術(shù) 頻譜感知技術(shù)作為認(rèn)知無線電中的重要技術(shù)，是認(rèn)知無線電應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于主用戶沒有義務(wù)改變其結(jié)構(gòu)與次用戶共享頻段，認(rèn)知無線電中的次用戶只能獨(dú)立地通過可靠的連續(xù)的頻譜感知對主用戶所在的頻段進(jìn)行檢測?，F(xiàn)有的頻譜感知技術(shù)主要包括發(fā)射機(jī)檢測(也稱為單節(jié)點頻譜感知或本地檢測)、協(xié)作頻譜感測以及接收機(jī)檢測，如圖 2-1 所示： 圖2-1 頻譜檢測技術(shù)2.1本地檢測技術(shù) 2.1.1本地檢測模型 認(rèn)知無線電應(yīng)該要區(qū)分主用戶正在使用以及不在使用的頻段，因此，認(rèn)知無線電應(yīng)該具有判斷在一定頻段上主用戶是否出現(xiàn)的能力。發(fā)送機(jī)檢測方法具體是次用戶通過本地觀測對主用戶信號進(jìn)行檢測,也稱為本地檢測。具體方

31、法是單個次用戶通過對某一頻段上的信號進(jìn)行檢測,判斷主用戶信號是否存在。 在本地檢測中,假設(shè)接收機(jī)接收到的信號為： （2-1）其中,是被檢測信號,是信道中的加性高斯白噪聲(additive white gaussian noise，awgn)樣值，n 是取樣下標(biāo)。當(dāng)時表示沒有主用戶。因此本地檢測的基本假設(shè)模型是29： （2-2）其中,表示信道中不存在主用戶、頻譜未被占用的假設(shè)；表示信道中主用戶出現(xiàn)，此時次用戶必須從占用的頻段中退避，避免對主用戶造成干擾?？紤]頻譜檢測的性能時，一般由檢測概率及虛警概率弓來描述。表示在某一頻段，當(dāng)主用戶真實存在時，檢測到它存在的概率，因此，檢測概率越大越好;表示當(dāng)主

32、用戶不存在、次用戶卻誤認(rèn)為檢測到主用戶出現(xiàn)在頻段上的概率，虛警概率越小越好，這樣就可以避免未充分使用傳輸機(jī)會的情況。2.1.2能量檢測能量檢測方法是h.urkowitz于1967年在文獻(xiàn)30中提出，因為其低計算量以及低計算復(fù)雜度，成為最常見的頻譜檢測方法；由于不需要主用戶信號的先驗知識，與其他方法相比，它更具有普遍性，適用范圍廣。能量檢測的實現(xiàn)方式是將接收到的能量與一個預(yù)設(shè)門限值進(jìn)行比較后作出最后的判決，原理如圖2-2所示。圖中，將實際接收到的信號通過帶通濾波器(band-pass filter, bpf)，得到的是濾除帶外干擾后的信號，這樣就只考慮主用戶頻段中的能量，不需要考慮帶外信號。通過

33、平方求和得到能量值，定義能量檢測的檢測量，將此檢測量與設(shè)定好的門限進(jìn)行比較，最終判決主用戶信號存在與否。 圖2-2能量檢測實現(xiàn)框圖由上面的分析可知能量檢測的檢測量y為: （2-3）其中n是觀測到的信號的維數(shù)，也就是信號采樣點的個數(shù)。能量檢測方法的檢測概率及虛警概率為: （2-4）其中是能量檢測算法的判決門限。假設(shè)噪聲服從均值為0，方差為的高斯(gaussian)分布，即，由urkowitz的可知符合自由度為的分布，即 （2-5）其中,:觀測時間間隔,:單邊帶寬,:信噪比。結(jié)合（2-4）（2-5），由digham的文獻(xiàn)31可以得到在awgn信道下,認(rèn)知無線電系統(tǒng)的性能為: （2-6） （2-7）

34、其中是marcum q函數(shù)，是不完全gamma函數(shù)，是gamma函數(shù)。當(dāng)次用戶在大范圍區(qū)域內(nèi)游走時，接收到的信號除了經(jīng)過大尺度衰落(例如陰影衰落)，必定也經(jīng)過了疊加在其上面的小尺度衰落(比如多徑衰落)。這時，信道增益發(fā)生變化，檢測概率便與瞬時信噪比有關(guān)，即: （2-8）其中是在衰落環(huán)境下信噪比的概率密度函數(shù)(pdf)。在一般通信環(huán)境中，接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的路徑為非視距的，接收機(jī)接收到的信號幅度服從瑞利(rayleigh)分布，則信噪比服從如下(2-9)指數(shù)pdf分布: （2-9） 其中，是平均信噪比。由文獻(xiàn)30可得，瑞利信道下系統(tǒng)的平均檢測概率的表達(dá)式為: （2-10） 瑞利信道下的虛警概率的

35、表達(dá)式和awgn信道下的相同，見(2-7)。 雖然能量檢測簡單易行，但是存在一定的局限性，其不足之處在于: 1)門限不容易選擇； 2)不易將干擾與主用戶信號、噪聲區(qū)別開來； 3)在低信噪比(signal-to-noise, snr)情況下的性能不高；4)不能很好地檢測擴(kuò)頻信號。2.1.3匹配濾波器方法能量檢測算法的最大優(yōu)勢在于其簡單易行，適用范圍廣，通常應(yīng)用在不清楚主用戶先驗知識的情況下；而當(dāng)主用戶的先驗知識已知時，匹配濾波器檢測方法是最優(yōu)的單用戶信號檢測方法，其主要優(yōu)點是在短時間內(nèi)就可以達(dá)到一定的錯檢概率和虛警概率，事實上，在低信噪比的環(huán)境下，對于特定的虛警概率，匹配濾波器所需要的采樣數(shù)是以

36、。的復(fù)雜度增長的。所謂匹配濾波器，是指在輸入信噪比一定的條件下，使得輸出信噪比最大的濾波器。匹配濾波器在信號檢測理論中十分重要。對實信號的匹配濾波器，其沖擊響應(yīng)如式(2-11)所示： （2-11） 從上式可以看出，匹配濾波器的脈沖響應(yīng)就是輸入信號的鏡像乘上系數(shù)k，從而匹配濾波器可以使輸出端信噪比達(dá)到最大，因此在awgn信道中，匹配濾波器法是一種最優(yōu)檢測算法。匹配濾波器方法的不足之處在于，需要預(yù)先知道發(fā)送信號的結(jié)構(gòu)，解調(diào)出收到的信號，主用戶的信息(如帶寬、使用頻段、調(diào)制方式及順序、幀結(jié)構(gòu))必須是已知的，因此常用來探測一些發(fā)送雙方都預(yù)知的信號；而且，由于認(rèn)知無線電需要接收機(jī)適用于所有接收機(jī)，感知單

37、元的實現(xiàn)復(fù)雜度相當(dāng)?shù)凝嫶?；匹配濾波器的另一個局限性是由于要執(zhí)行大量的接收算法來檢測主用戶，需要大量的功率消耗，對于每一種類型的主用戶都要有一個專門的接收器。2.1.4循環(huán)平穩(wěn)檢測通信系統(tǒng)中的已調(diào)信號一般和正弦載波、脈沖訓(xùn)練、循環(huán)前綴等關(guān)聯(lián)在一起，這些特性導(dǎo)致了其內(nèi)置的周期性。通過分析這些已調(diào)信號的頻譜自相關(guān)函數(shù)可以發(fā)現(xiàn)這些信號的均值和自相關(guān)函數(shù)表現(xiàn)出周期性，因此他們就有著循環(huán)平穩(wěn)的特性。具體實現(xiàn)方式是在給定頻段中檢測主用戶使用循環(huán)自相關(guān)函數(shù)(cyclic autocorrelation function, caf)代替功率譜密度(power spectral density, psd)。信號(

38、2-1)的循環(huán)譜密度(cyclic spectral density, csd)函數(shù)的計算公式是32: （2-12）其中， （2-13） 就是循環(huán)自相關(guān)函數(shù)，是循環(huán)頻率，每個都是信號持續(xù)時間的整數(shù)倍。當(dāng)=0時，caf以及csd就是通常所提到的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度。當(dāng)循環(huán)頻率等于發(fā)送信號的基本頻率時，循環(huán)譜密度函數(shù)達(dá)到峰值，循環(huán)頻率可以假設(shè)已知33，或者可以提取出來作為證明傳輸信號的特性34。信號不同，其功率譜密度也就不同，可以根據(jù)這個特性來檢測主用戶。 循環(huán)平穩(wěn)檢測能夠?qū)⒃肼晱闹饔脩粜盘栔袇^(qū)分出來，歸結(jié)于噪聲的寬平穩(wěn)性(wide-sensing stationary, wss)，當(dāng)調(diào)制信號循

39、環(huán)平穩(wěn)時，噪聲與調(diào)制信號沒有相關(guān)性，這樣在分析頻譜的自相關(guān)函數(shù)時就能把噪聲和調(diào)制信號區(qū)分開；循環(huán)平穩(wěn)檢測方法還能夠區(qū)分主用戶以及各種不同的傳輸方式。該方法的缺點是需要采集較長時間的信號，以獲得其統(tǒng)計特性，往往會影響系統(tǒng)的實時性。2.1.5本地檢測方法的對比 圖2-3本地檢測方法的對比圖 圖2-3顯示的是三種本地檢測算法在復(fù)雜度和準(zhǔn)確性能上的對比，從中可以看出在這些檢測方法中，能量檢測是最容易實現(xiàn)、復(fù)雜度最低的，而準(zhǔn)確度最高的則是匹配濾波器方法，同時也是最復(fù)雜的算法。三種算法具體的優(yōu)缺點比較見表2-1： 表2-1本地檢測方法對比 檢測方法適用范圍優(yōu)點缺點能量檢測主用戶信息未知計算量低，實現(xiàn)較容易

40、，不需要知道主用戶的先驗知識準(zhǔn)確性不高不適用于微弱信號的檢測不能區(qū)別信號類型匹配濾波器方法主用戶信息未知時間短、增益大，精度高需要解調(diào)主用戶信號復(fù)雜度高循環(huán)平穩(wěn)檢測算 法此用戶具有周期自相關(guān)特性險能好能識別不同調(diào)制方式的信號可以區(qū)別噪聲和信號可應(yīng)用于擴(kuò)頻信號的檢測運(yùn)算量大檢測時間較長2.2協(xié)作頻譜感知2.2.1本地檢測的局限性在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，次用戶應(yīng)該保證對主用戶的干擾很小。但是，在實際的通信環(huán)境中，用戶分布范圍較大，由于無線電波的深衰落和陰影效應(yīng)，單個用戶的本地檢測性能嚴(yán)重降低。在深衰落和陰影效應(yīng)的環(huán)境下，信噪比非常低，次用戶接收到的信號很微弱，就可能檢測不到主用戶的存在，此時，次用戶會

41、接入它所認(rèn)為空閑的頻段并使用其通信，這樣會對主用戶造成很大的干擾。當(dāng)次用戶無法避免隱節(jié)點(即實際存在但未被探測到的節(jié)點)問題時，也會對主用戶造成干擾。這是由于次用戶的觀測范圍很小，而且比它射頻的傳輸范圍還要小，即使次用戶檢測到不在使用的頻譜空穴，在他們的傳輸范圍內(nèi)，他們的通信也會對主用戶造成干擾。因此，對主用戶的干擾無法避免使得單用戶頻譜檢測也就是非協(xié)作頻譜感知是不可靠的。本地檢測技術(shù)的性能同時也受一些因素的影響。比如，頻譜感知中最常使用的能量檢測中所使用的門限很容易受到噪聲等級變化的影響。即使門限值被設(shè)定成自適應(yīng)的，一旦出現(xiàn)帶內(nèi)干擾，能量檢測器就受到影響。而且，在頻率選擇性衰落信道上如何選擇

42、與信道相關(guān)的門限值也是一個很大的挑戰(zhàn)。最后，當(dāng)次用戶在一個很小的區(qū)域中時，不同次用戶的檢測數(shù)據(jù)在很大可能上是相關(guān)的，這是因為相鄰的次用戶可能在幾乎相同的主用戶的傳輸范圍內(nèi)。在這種場景下，最好的解決空間相關(guān)性以及提高檢測性能的方法就是允許次用戶之間通過共享頻譜感知信息的方式進(jìn)行協(xié)作。這種協(xié)作就是協(xié)作頻譜感知。2.2.2協(xié)作頻譜感知技術(shù) 協(xié)作頻譜感知是s.shanker, c.cordeiro, k.challapali等人在2005年于文獻(xiàn)15中提出的算法，作為頻譜感知中由噪聲不確定性、衰落、陰影效應(yīng)等引起的問題的解決方案。 協(xié)作頻譜感知是一種多用戶聯(lián)合感知檢測主用戶的方法，其思想是所有的認(rèn)知用

43、戶協(xié)作檢測某一段用戶，然后融合所有結(jié)果進(jìn)行判定。其優(yōu)點是可以解決頻譜感知中由噪聲的不確定性、衰落、陰影效應(yīng)引起的問題;相對于單用戶檢測而言大大降低了錯檢概率和虛警概率，并且協(xié)作可以解決隱節(jié)點問題，并且減少檢測時間。隨之帶來的負(fù)面影響是開銷的增長、復(fù)雜度變大、由通信量增大引起的功率消耗，并且一般需要一個控制信道?？刂菩诺乐饕谴斡脩粲脕硐蛉诤现行膮R報檢測結(jié)果，也是融合中心對次用戶進(jìn)行控制、資源分配的信道。 在協(xié)作頻譜感知的架構(gòu)中，控制信道的實現(xiàn)方式有很多種，其中包括了專門的帶寬，未授權(quán)頻段(如ism, uwb系統(tǒng))，如何選擇取決于系統(tǒng)的需求。認(rèn)知系統(tǒng)可以通過軟融合或是硬融合方法進(jìn)行信息共享40，

44、而軟融合與硬融合的劃分依據(jù)是融合內(nèi)容的不同。軟融合是將所檢測到的內(nèi)容(如能量值等)傳遞到融合中心，而硬融合主要是將存在與否的結(jié)果以1bit的信息傳遞到融合中心，由融合中心進(jìn)行最后的判決。硬融合實現(xiàn)簡單并且能夠減少信道開銷，而軟融合的準(zhǔn)確性更高。軟融合包括等增益合并(equal gain-combining, egc),選擇合并(selection combining, sc)以及切換保留合并(switch and stay combining ,ssc)等方法。在文獻(xiàn)31中進(jìn)行了基于能量檢測的軟融合方法對比，可以看出egc方法在幅度上可以獲得大約兩個級別的增益，而sc和ssc方法在幅度上能獲得

45、一個級別的增益。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)方面，這種協(xié)作的算法應(yīng)該要減少協(xié)議的開銷，對于網(wǎng)絡(luò)中的變化和錯誤具有魯棒性。 協(xié)作頻譜感知可以由兩種方式實現(xiàn)，分為集中式和分布式。1)集中式(centralized sensing):由中心單元(融合中心)從認(rèn)知設(shè)備(次用戶)集合感知信息，判定頻譜是否可用，并廣播此信息給其他次用戶或是直接控制次用戶業(yè)務(wù)。其目的在于減輕衰落信道帶來的影響，增加檢測性能。2)分布式(distributed sensing):次用戶自己判斷哪段頻段可用，然后與其他用戶共享信息,并不需要融合中心，減少損耗以及工作量。2.3基于接收端的頻譜檢測2.3.1本振泄露檢測 在實際環(huán)境中，主用戶網(wǎng)絡(luò)(如

46、廣播電視網(wǎng)、蜂窩電話網(wǎng)的)中許多設(shè)備都處于被動狀態(tài)，認(rèn)知無線電系統(tǒng)往往難以精確地對其定位。若采用本振泄漏功率的方法，次用戶就可對這些接收機(jī)進(jìn)行定位，并且對它們的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測。本振泄露間的具體工作原理是當(dāng)使用edwin armstrong 1918年發(fā)明的無線超外差接收機(jī)接收信號時，需要將接收到的高頻率信號進(jìn)行變頻處理，會產(chǎn)生某些特定頻段的信號，因此一些信號也就不可避免地從天線中泄漏出去。此時若是將一些次用戶放置在主用戶接收機(jī)的附近，這些次用戶就可以直接檢測到本振的泄漏信號。若次用戶檢測到有能量泄漏時，就判斷為主用戶出現(xiàn)，否則判斷為主用戶未出現(xiàn)。本振泄漏檢測方法的一般模型如圖2-4所示： 圖

47、2-4本振泄露檢測方法示意圖 近年來由于接收機(jī)系統(tǒng)的改進(jìn)，本振泄漏的功率水平呈下降趨勢，當(dāng)距離較大時，次用戶的接收電路檢測到本振泄漏是很困難的;另外，由于接收機(jī)具體類型和使用時間的不同，本振泄漏功率是不斷變化的。因此，ben提出了一種改進(jìn)的監(jiān)測本振泄漏算法。2.3.2基于干擾溫度的檢測方法通常認(rèn)知無線電系統(tǒng)是以發(fā)射機(jī)為中心進(jìn)行考慮的，但是由于可能會出現(xiàn)不可預(yù)見的新干擾，接收機(jī)的范圍內(nèi)也會產(chǎn)生干擾使得信號不能可靠傳輸。為了避免這種情況的出現(xiàn)，fcc提出一種新型干擾測量模型一一干擾溫度33，用來表示次用戶在共享頻段內(nèi)對主用戶接收機(jī)產(chǎn)生的干擾功率，是一個衡量干擾功率以及其帶寬的量，其單位為開爾文(k

48、elvin)，定義為: （2-14）其中為中心頻率、帶寬b的干擾信號的平均功率，k是貝爾茲曼常數(shù)，k=1.3810-23j/kelvin。系統(tǒng)設(shè)定一個保證主用戶能正常工作的干擾溫度門限值，該門限值由主用戶能夠正常工作的最壞信噪比決定。在干擾溫度模型中，次用戶也被當(dāng)作主用戶的干擾，一旦包含次用戶信號在內(nèi)的累積干擾超過了上述干擾溫度門限值，主用戶就無法正常工作;反之，可以保證主用戶與次用戶同時正常工作。該模型要求發(fā)射機(jī)能夠通過有意識地控制信號發(fā)射功率，使接收端接收到的信號的功率接近其噪聲功率的統(tǒng)計平均值。干擾溫度檢測模型的工作原理是，一旦接收機(jī)工作的頻段上出現(xiàn)了未知干擾，不同頻點的峰值超出原有噪聲

49、電平，那么噪聲電平相應(yīng)地被提高。該模型使用接收端所能容忍的新增干擾信號的數(shù)量做判決，也就是說，干擾溫度模型是對多個信號能量進(jìn)行累積，以最大容量對應(yīng)的信號數(shù)量作為判決門限。根據(jù)干擾溫度模型的內(nèi)容，某段頻段內(nèi)，只要正在工作的次用戶發(fā)射機(jī)數(shù)量不超過上述判決門限值，次用戶就可以使用該頻段通信。干擾溫度模型更適用于類似uwb的頻譜重疊的動態(tài)頻譜接入方法，uwb的傳輸距離短，干擾功率要遠(yuǎn)低于噪聲電平。與干擾溫度模型相關(guān)的另一個問題是在于沒有主用戶信號與次用戶信號重疊，或者主用戶信號很弱，以至于無法檢測到時，要考慮使用干擾溫度模型會得到怎樣的結(jié)果;如果沒有最大功率的約束條件或者檢測不到信號時，認(rèn)知無線電系統(tǒng)

50、可能引起有害的干擾。2.4本章小結(jié)認(rèn)知無線電系統(tǒng)的主要任務(wù)是解決頻譜資源短缺、提高授權(quán)頻段頻譜利用率。其中一個主要的步驟是如何迅速、準(zhǔn)確地判斷主用戶是否工作在其頻段上，解決這個問題的關(guān)鍵技術(shù)就是頻譜感知。本章主要研究的是認(rèn)知無線電中的各種頻譜感知技術(shù)，首先介紹了現(xiàn)有頻譜感知技術(shù)的分類，接著詳細(xì)闡述了三種傳統(tǒng)的本地檢測算法、性能以及三種算法在適用范圍、優(yōu)缺點方面的對比，隨后分析了多用戶協(xié)作檢測的必要性、與非協(xié)作檢測算法的對比情況，并且簡單探討了協(xié)作頻譜感知技術(shù)的情況及其分類。最后介紹的是接收機(jī)檢測的兩種方法一一本振泄露檢測和干擾溫度檢測算法的基本原理。 第3章 協(xié)作頻譜感知技術(shù)下面介紹兩種基本的

51、融合算法，基于軟融合、硬融合的算法一一雙門限檢測方法，分組協(xié)作頻譜感知技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于雙門限算法的改進(jìn)分組協(xié)作頻譜感知算法。3.1融合算法 協(xié)作頻譜感知一般包含三個步驟: 1)每個次用戶獨(dú)立地檢測主用戶，生成本地的頻譜檢測量或是根據(jù)檢測量做出的一個二進(jìn)制(通常是1bit)判決結(jié)果； 2)所有的次用戶將自己的檢測量/二進(jìn)制結(jié)果匯報給一個普通的接收機(jī)，也就是認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的融合中心或是wlan中的接入點(access point, ap)； 3)該接收機(jī)融合所有次用戶的檢測量/二進(jìn)制結(jié)果，得出一個最終的結(jié)論，判定在所檢測的頻段中主用戶是否存在。 在這個算法中，若是單個次用戶將檢測量直接傳送出去，由接收機(jī)融合這些檢測量做出判定，稱為決策融合或是硬融合;若是將檢測量在本地做出判定，只是將判定的結(jié)果以1bit傳送出去，接收機(jī)融合的只是