認(rèn)知無線電系統(tǒng)中頻譜感知方法的研究

1、2007年第11期，第40卷 通 信 技 術(shù) Vol.40，No.11,2007 總第191期 Communications Technology No.191,Totally認(rèn)知無線電系統(tǒng)中頻譜感知方法的研究鄧 韋， 朱 琦（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003）【摘 要】由于無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，因此無線資源頻譜日趨緊張。而另一方面現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)采用的固定頻譜分配策略導(dǎo)致許多已分配的頻段在大多數(shù)情況下未能被充分利用。認(rèn)知無線電技術(shù)的出現(xiàn)為提高頻譜利用率提供了一條新的思路。認(rèn)知無線電的一個(gè)重要要求就是能夠動(dòng)態(tài)的感知并接入頻段，這就需要人們能夠感知出空閑頻段。論文主要介

2、紹了認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜感知方法，并運(yùn)用能量檢測法對對OFDM信號進(jìn)行了仿真分析?！娟P(guān)鍵詞】認(rèn)知無線電；頻譜感知；能量檢測【中圖分類號】TN911 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1002-0802(2007)11-0076-02Methods to Spectrum Sensing in Cognitive RadioDENG Wei， ZHU Qi（College of Communication & Information Engineering Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing Jiangs

3、u 210003, China）【Abstract】With the rapid development of wireless communications technology, radio spectrum has become a scare resource. On the other hand, many frequency bands are not used efficiently in most time due to the fixed spectrum assignment policy of todays wireless networks. Cognitive Rad

4、io is a novel approach for improving the utilization of radio spectrum. An important requirement of cognitive radio devices is to sense and use in a dynamic way the frequencies for network access, which is done by autonomous detection of idle bands in the spectrum radio. This paper focuses on variou

5、s methods for detecting a signal embedded in the noise by specifying their advantages and their drawbacks. Thus, an energy detection method is applied in the detection of free channels.【Key words】cognitive radio；spectrum sensing；energy detection0 引言隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線電頻譜資源日趨緊張。另一方面，許多已經(jīng)分配的頻段在大多數(shù)情況下并沒有被

6、充分利用。傳統(tǒng)的無線電頻譜分配采用的是一種固定的分配策略，一旦授權(quán)分配給了某個(gè)用戶，其他的用戶就不能再使用該頻段即使它并沒有被授權(quán)用戶使用，否則就被視為非法。所以在許多頻段，相對于頻譜資源匱乏而言頻譜接入技術(shù)是一個(gè)更重要的問題，傳統(tǒng)的頻譜分配機(jī)制限制了這些空1閑頻譜的接入。為了解決這一矛盾，Joseph Mitola III它使用邊了解邊累積的方法對外部環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)，并根據(jù)外部環(huán)境提供的激勵(lì)，對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修改（如：傳輸功率、載波頻率、調(diào)制方式等），從而達(dá)到內(nèi)部狀態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整。從定義中，可以得出認(rèn)知無線電的兩個(gè)主要特點(diǎn)：認(rèn)知能力和重配置能力。認(rèn)知無線電的認(rèn)知能力是指它能夠捕獲和感知來自

7、無線環(huán)境的信息，從而能夠選擇最佳的頻段和適當(dāng)?shù)牟僮鲄?shù)。重配置能力指認(rèn)知無線電能夠動(dòng)態(tài)選擇在哪個(gè)頻段進(jìn)行發(fā)送和接收工作，同時(shí)通過硬件設(shè)計(jì)的支持，能夠支持不同的收發(fā)技術(shù)。認(rèn)知無線電的最終目的就是通過上述的認(rèn)知能力和重配置能力實(shí)現(xiàn)頻譜的最佳利用。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）通過法規(guī)，允許具備認(rèn)知功能的無線終端在不對授權(quán)用戶（也稱授權(quán)用戶）產(chǎn)生干擾的情況下使用授權(quán)給其他用戶的頻段，這為認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了政策基礎(chǔ)。在他的博士論文中提出了認(rèn)知無線電（CR：cognitive radio）2的概念，它是以提高頻譜利用率這一核心思想為主導(dǎo)的。1 認(rèn)知無線電認(rèn)知無線電是一個(gè)可以感知外界通信環(huán)境的

8、通信系統(tǒng)，收稿日期：2007-07-12。基金項(xiàng)目：江蘇省工業(yè)高科技研究項(xiàng)目（編號：BG2006039）；江蘇省高校自然科學(xué)研究計(jì)劃（編號：05KJB510090）。 作者簡介：鄧 韋（1982-），碩士，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電技術(shù)；朱 琦（1965-），教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與無線技術(shù)。76認(rèn)知無線電的感知能力涵蓋了許多方面，其中頻譜感知是目前人們最為關(guān)注的一個(gè)方面。為了在某個(gè)區(qū)域應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)，筆者首先進(jìn)行的工作是對該區(qū)域的無線通信環(huán)境的感知，即頻譜檢測和“頻譜空洞”搜尋和判定。如何檢測頻譜空洞這就涉及到頻譜感知方法的研究，下面筆者將著重介紹認(rèn)知無線電中的頻譜感知方

9、法。且需要足夠長的監(jiān)測時(shí)間。3 能量檢測能量檢測是Urkowitz首先提出來的，它也是基于公式的二元假設(shè)。圖1給出了能量檢測器的實(shí)現(xiàn)框圖。假設(shè)噪聲是零均值的加性高斯白噪聲并且能量為0，信號是確定信號但具體細(xì)節(jié)并不知道。接收信號首先被帶寬為W的帶通濾波器濾波，然后通過一個(gè)平方律檢測器和一個(gè)觀察時(shí)間為T的積分器。從文獻(xiàn)4中可以知道只有噪聲存在時(shí)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量42 頻譜感知方法認(rèn)知無線電設(shè)備是通過檢測頻譜，利用空閑頻段來進(jìn)行通信的。因此非授權(quán)用戶要進(jìn)行通信的首要條件就是檢測出授權(quán)用戶的空閑頻譜段（頻譜空穴的檢測），也就是必須具備信號的檢測功能。通常對于特定的頻段，如果接收到的這個(gè)頻段的信號經(jīng)過濾波器濾波

10、后只含噪聲，那么筆者認(rèn)為這個(gè)頻段未被占用；反之，這個(gè)信號就含有噪聲和未知通信信號。這就是一個(gè)二元的信號檢測問題，可以建立一個(gè)假設(shè)檢驗(yàn)的模型。有H0和H1兩個(gè)假設(shè)：V服從自由度為2TW的中心2分布，有信號時(shí)V服從自由信噪比SNR用Es0表示，Es度為2TW的非中心2分布。為信號能量。在判決時(shí)必須有一個(gè)判決的標(biāo)準(zhǔn)，稱為門限值。當(dāng)積分器輸出V值大于門限值，判定為信號存在，認(rèn)知用戶檢測到授權(quán)用戶在使用檢測頻譜，認(rèn)知用戶無法伺機(jī)共享無線資源；當(dāng)積分器輸出V值小于門限值，判定為信號不存，認(rèn)知用戶檢測到“頻譜空洞”，可以暫時(shí)使用授權(quán)頻譜。n(t)H0,x(t)= s(t)+n(t)H1，其中，x(t)是非授

11、權(quán)用戶接收到的信號，s(t)是授權(quán)用戶的發(fā)射信號，n(t)表示理想高斯白噪聲。H0表示在某個(gè)頻段內(nèi)沒有授權(quán)用戶存在；H1表示在某段頻段內(nèi)存在一定數(shù)量的授權(quán)用戶。根據(jù)假設(shè)模型，一般有三種方案：匹配濾波器檢測、能量檢測和循環(huán)性平穩(wěn)特性檢測3。（1）匹配濾波器檢測。當(dāng)非授權(quán)用戶已經(jīng)獲得了授權(quán)用戶的信號的先驗(yàn)知識，在加性高斯白噪聲信道中，最佳的檢測裝置是匹配濾波器。匹配濾波器法在加性高斯白噪聲信道中是一種最優(yōu)的頻譜感知方法，但它的缺點(diǎn)就是為了獲得匹配濾波器而必須具備授權(quán)用戶信號的先驗(yàn)知識，并且計(jì)算量也比較大。因此如果先驗(yàn)知識不準(zhǔn)確，那么匹配濾波器的性能就會大大下降。（2）能量檢測。如果接收者無法知道關(guān)

12、于授權(quán)用戶信號的先驗(yàn)知識，那么最佳的檢測裝置就是能量檢測裝置。能量檢測法是一種比較簡單的信號檢測方法，屬于信號的非相干檢測，直接對時(shí)域信號采樣值求模，然后平方即可得到；或利用FFT轉(zhuǎn)換到頻域，然后對頻域信號求模平方也可得到。它的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無需知道授權(quán)用戶信號的任何先驗(yàn)知識。雖然能量檢測法簡單且不需要任何的先驗(yàn)知識，但它固有的缺陷限制了它的使用。首先，能量門限的設(shè)置非常困難，很可能將衰落的、比較微弱的信號排除在外，而將幅度較大的脈沖噪聲或突發(fā)干擾檢測為信號。其次，能量檢測法不能區(qū)分出有用信號、干擾及噪聲。（3）循環(huán)性平穩(wěn)特性檢測。調(diào)制信號通常和正弦載波，沖激序列，反復(fù)擴(kuò)展，跳頻序列或者循環(huán)前

13、綴聯(lián)系在一起。一般而言，各種調(diào)制信號都有潛在的周期性。而噪聲沒有這個(gè)特性，所以可以利用信號的循環(huán)性平穩(wěn)特性進(jìn)行檢測。循環(huán)性平穩(wěn)特性檢測不易受到不確定噪聲功率的影響，所以在噪聲環(huán)境中它的檢測要優(yōu)于能量檢測，但是它計(jì)算復(fù)雜，并<f>KHH1圖1 能量檢測器框在噪聲功率確定的情況下，對于特定的虛假概率PFA，4能量檢測的檢測概率PD的計(jì)算公式如下：1PD=Q。 實(shí)際上，背景噪聲是不斷變化的，這里引入?yún)?shù)U來量化背景噪聲的變化程度。在不斷變化的背景噪聲中，N0為理想高斯白噪聲雙邊功率譜密度N0的估計(jì)值，則兩者可以滿足下面的關(guān)系式：(11)N0N0(1+2)N0， （3）式中，011，20。

14、用下面的公式定義參數(shù)U：U=1+21。 11于是，在噪聲功率不確定情況下，可以得到正確檢測概率PD的計(jì)算公式：PD=Q。 當(dāng)U=1(U=0 dB）時(shí)，即背景噪聲的雙邊功率譜密度的估計(jì)N0與N0在數(shù)值上相等，公式就可以直接寫成公式的形式。可見，公式是公式的特殊形式。4 仿真分析假設(shè)發(fā)送信號為OFDM信號，采用QPSK調(diào)制。接收信號為經(jīng)過傳輸衰減后OFDM信號、信道噪聲和突發(fā)干擾之和。仿真中信道噪聲為高斯白噪聲，突發(fā)干擾為隨機(jī)信號。噪聲不確定參數(shù)U選取了5個(gè)值，分別為0 dB，0.5 dB，1 dB，1.5 dB，2 dB。虛假概率PFA取10%。能量檢測仿真圖如圖2所示。（下轉(zhuǎn)第80頁）77th

15、en m<=m+1; -計(jì)xx信號的脈沖個(gè)數(shù) end if; end process; end fun;4 仿真結(jié)果解調(diào)器的仿真波形如圖4。圖5 增加了容錯(cuò)的解調(diào)器的仿真波形5 結(jié)語文中通過對FSK調(diào)制信號原理的研究，根據(jù)過零檢測法圖4 解調(diào)器的仿真波形由圖4可以看出：輸入調(diào)制信號FSK和輸出解調(diào)信號y之間存在著一個(gè)周期的時(shí)延。在q等于10時(shí)計(jì)數(shù)器m的值清零。在輸出端y輸出的信號和原始信號不同，產(chǎn)生了誤差。當(dāng)在q等于9判決的時(shí)候m的記數(shù)值卻變成了3，如果將門限設(shè)為2仿真的結(jié)果就會產(chǎn)生誤差。這主要是由時(shí)延和仿真時(shí)的失誤產(chǎn)生的，在實(shí)際的運(yùn)用中肯定會有干擾的出現(xiàn)，從而影響該系統(tǒng)的性能。為了提高

16、系統(tǒng)的抗干擾性能，可將判決門限m的值改為3，這樣就使系統(tǒng)有了一定的容錯(cuò)能力。增加了容錯(cuò)的解調(diào)器的仿真波形如圖5所示。 （上接第77頁）下卻嚴(yán)重限制了它的使用。首先，能量門限的設(shè)置非常困難，很可能將衰落的、比較微弱的信號排除在外，而將幅度較大的脈沖噪聲或突發(fā)干擾檢測為信號。其次，能量檢測法不能區(qū)分出有用信號、干擾及噪聲，進(jìn)而更不能區(qū)分出接收信號的類型和調(diào)制方式等。社, 2001.2 馮玉岷,通信系統(tǒng)原理M.北京:清華大學(xué)出版社,2003.3 侯伯亨. VHDL硬件描述語言與數(shù)字電路設(shè)計(jì)M. 西安:西安電子科大出版社,2003.4 基于CPLD的FSK信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)J.漯河技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2004

17、,(2):2023.設(shè)計(jì)了一種FSK數(shù)字解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)了對FSK數(shù)字調(diào)制信號的解調(diào)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。Altera公司的MAXPLUS2應(yīng)用軟件具有較強(qiáng)大的開放性和綜合性，它可以利用其他各種EDA資源以及先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，使其功能更加完善和強(qiáng)大。它的可編程特性帶來了電路設(shè)計(jì)的靈活性，縮短了產(chǎn)品的上市時(shí)間。參考文獻(xiàn)1 樊昌信,張甫翊,徐炳祥. 通信原理M.第5版,北京:國防工業(yè)出版5 結(jié)語RSN/dB圖2 能量檢測（OFDM_QPSK，PFA=10%,0 dBU2 dB） 從圖2中所示的5條曲線可以看出：dB，即背景噪聲確定的情況下，能量檢測的（1）U=0性能都比較令人滿意，直到20 dB為止，正確

18、檢測概率PD都十分接近100%對于認(rèn)知無線電來說，這樣的檢測性能才是可靠的。（2）隨著噪聲不確定程度的加大，正確檢測概率PD的值都在變小,能量檢測的可靠性也都在降低。尤其是在授權(quán)dB），正確檢測概率PD均用戶發(fā)送弱信號時(shí)（比如U=22接近于一半，換句話說，能量檢測已經(jīng)喪失了它的檢測功能。（3）背景噪聲的不確定程度對能量檢測的性能影響也是很大的。噪聲不確定參數(shù)U越小，能量檢測算法的性能越好。（4）在信噪比接近1的情況下，能量檢測的結(jié)果都是值得信賴的。當(dāng)然信噪比大于1的情況下，利用能量檢測查尋頻譜空洞也是絕對可行的。雖然能量檢測算法實(shí)現(xiàn)相對來說十分簡單，而且不需要任何關(guān)于接收信號的先驗(yàn)知識，但它固有的缺陷在某些情況文中介紹了認(rèn)知無線電技術(shù)，主要討論了認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜感知方法，介紹了常用的授權(quán)用戶的檢測方法。另外，文中著重研究了能量檢測法，并對能量檢測性能進(jìn)行了仿真分析。能量檢測法的固有缺陷限制