浙江大學(xué)碩：l 學(xué)位論文摘要 摘要 認(rèn)知無線電技術(shù)是目前解決頻譜資源稀缺問題的核心技術(shù)，頻譜感知是保證 該技術(shù)得以實施的前提。為了保證授權(quán)用戶的正常傳輸，同時滿足認(rèn)知用戶的速 率要求，必須要求認(rèn)知用戶能進(jìn)行多信道頻譜感知，以便發(fā)現(xiàn)足夠的“頻譜空洞” 進(jìn)行頻譜接入，并監(jiān)測頻譜活動狀態(tài)的變化。本論文采用置信傳播算法作為解決 手段，研究了基于隨機信道選擇和欠采樣技術(shù)的多信道頻譜感知方法，以及異步 o f d m a 網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知方法，對于認(rèn)知無線電的頻譜感知的研究做出了一定的貢 獻(xiàn)。 首先研究了基于隨機信道選擇的多信道頻譜感知問題。闡述了本課題的系統(tǒng) 模型，分析了檢驗統(tǒng)計量的漸近概率分布及本模型的等效二部圖形式，并引入二 部圖的經(jīng)典融合算法一一置信傳播算法。隨后提出了三種頻譜感知算法，其核心 思想是認(rèn)知用戶隨機選擇部分信道進(jìn)行感知，然后采用置信傳播等推理算法判決 出所有信道的活動狀態(tài)。方法一中，僅當(dāng)融合中心接收到足夠多的感知信息后才 開始置信推理。方法二中，當(dāng)融合中心一接收到感知信息就開始推理判決，并結(jié) 合“信道釋放”機制，即不對那些已經(jīng)判決出活動狀態(tài)的信道進(jìn)行重復(fù)感知，進(jìn) 一步降低感知延遲。方法三中，認(rèn)知用戶將方法一、二中的感知信息進(jìn)行量化處 理，并選擇可靠性較高的感知結(jié)果發(fā)送給融合中心進(jìn)行融合判決，降低寬帶限制。 其次研究了基于欠采樣技術(shù)的多信道頻譜感知問題。闡述了本課題的系統(tǒng)模 型及授權(quán)用戶的時域信號模型，分析了采樣速率不滿足奈奎斯特采樣定律時的頻 譜混疊方式，并分析了檢驗統(tǒng)計量的漸近分布及本模型的等效二部圖表示。隨后 提出了一種基于欠采樣技術(shù)的頻譜感知算法，其基本思想是認(rèn)知用戶在每次感知 過程中按一定規(guī)律選擇采樣率對整個頻譜進(jìn)行采樣感知，并利用置信傳播算法對 感知信息進(jìn)行推理判決。最后重點分析了感知算法中的采樣率選擇問題，證明了 認(rèn)知用戶選擇授權(quán)用戶信道帶寬的質(zhì)數(shù)倍作為采樣速率較好。 然后研究了異步0 f d m a 網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知問題，并重點分析了存在分?jǐn)?shù)倍載波 頻偏時的頻譜感知問題。研究了存在分?jǐn)?shù)倍載波頻偏時的各子載波上的接收信號 模型以及載波頻偏對傳統(tǒng)感知算法的影響，給出了最差情況下的虛警概率和檢測 概率的漸近表達(dá)式。隨后簡化了頻域信號的接收模型，提出了一種基于置信傳播 的感知方法，能有效降低或抑制信道間干擾對頻譜感知的影響，大大降低虛警的 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 發(fā)生。最后對能量檢測算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了簡化的感知方法，降低了計算復(fù)雜 度，易于硬件實現(xiàn)。并基于a d s p - t s 2 0 1 ，給出了簡化的感知方法的d s p 實現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電、頻譜感知、能量檢測、合作感知、置信傳播算法，欠采樣、 載波頻偏 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a 8 s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，c o g n i t i v er a d i oi sak e yt e c h n o l o g yt os o l v et h ep r o b l e mo fs p e c t r u m s c a r c e n e s s ，a n ds p e c t r u ms e n s i n gi st h ep r e c o n d i t i o nt oa c h i e v es u c ht e c h n o l o g y i n o r d e rt og u a r a n t e et h et r a n s m i s s i o no fl i c e n s e du s e r sa n ds a t i s f yt h er a t er e q u i r e m e n t o fc o g n i t i v eu s e r ss i m u l t a n e o u s l y , m u l t i c h a n n e ls p e c t r u ms e n s i n gi sr e q u i r e d s o c o g n i t i v eu s e r sc a nd i s c o v e re n o u g hs p e c t r u mh o l e sf o rs p e c t r u ma c c e s sa n dc a n s e n s et h ec h a n g eo fs p e c t r u ma c t i v i t i e s i nm yp a p e r , ih a v es t u d i e dm u l t i - c h a n n e l s p e c t r u ms e n s i n gb a s e do nr a n d o ms e l e c t i o no fc h a n n e l s ，m u l t i - c h a n n e ls e n s i n gb a s e d o nd o w ns a m p l i n g ，a n ds p e c t r u ms e n s i n gi na s y n c h r o n o u so f d m a n e t w o r k ，w h i c h g i v e ss o m es i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o nt ot h er e s e a r c ho ns p e c t r u ms e n s i n g f i r s t l y ，t h ep r o b l e mo fm u l t i c h a n n e ls p e c t r u ms e n s i n gb a s e do nr a n d o m s e l e c t i o no fc h a n n e l si ss t u d i e d t h es y s t e mm o d e lo fs p e c t r u ms e n s i n gi sd e s c r i b e d ， t h ea s y m p t o t i cp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u c t i o no ft h et e s ts t a t i s t i ca n dt h ee q u i v a l e n t b i p a r t i t eg r a p ha r ea n a l y z e d ，a n db e l i e fp r o p a g a t i o na l g o r i t h m ( b p a ) i si n t r o d u c e d ，a s at y p i c a lf u s i o na l g o r i t h mi nt h eb i p a r t i t eg r a p h t h r e es p e c t r u ms e n s i n gm e t h o d sa r e p r o p o s e dt h e n ，w h o s eb a s i ci d e ai st h a tc o g n i t i v eu s e r sc h o o s ep a r to fc h a n n e l st o s e n s er a n d o m l ya n di n f e rt h es p e c t r u ma c t i v i t i e so fa l lt h ec h a n n e l sb yb p a i n m e t h o do n e ，t h ef u s i o nc e n t e rs t a r t sd a t a f u s i o no n l yw h e ne n o u g hs e n s i n g i n f o r m a t i o ni sr e c e i v e d i nm e t h o dt w o ，o n c es e n s i n gi n f o r m a t i o ni sr e c e i v e d ，t h e f u s i o nc e n t e rs t a r t sd a t af u s i o na n dn e v e rd e t e c t st h ec h a n n e l sw h o s ea c t i v i t i e sa r e a l r e a d yj u d g e d ，w h i c hc a nd e c r e a s et h es e n s i n gd e l a yf u r t h e r i nm e t h o dt h r e e ，t h e s e n s i n gi n f o r m a t i o ni nt h ea b o v em e t h o d sw o u l db eq u a n t i f i e d ，a n do n l yt h er e l i a b l e r e s u l t sw o u l db ec h o s e nf o rd a t af u s i o n ，w h i c hc a nd e c r e a s et h eb a n d w i d t hc o n s t r a i n t n e x t ，t h ep r o b l e mo fm u l t i c h a n n e ls p e c t r u ms e n s i n gb a s e do nd o w ns a m p l i n gi s s t u d i e d t h es y s t e mm o d e la n dt h es i g n a lm o d e lo fl i c e n s e du s e r si nt i m ed o m a i na r e c h a r a c t e r i z e d ，t h es i g n a lm o d e lo fl i c e n s e du s e r si nf r e q u e n c yd o m a i nw h e nt h e f r e q u e n c ys a m p l i n gr a t e d o e s n ts a t i s f yt h et h e o r e mo fn y q u i s ts a m p l i n gi s i n v e s t i g a t e d ，a n dt h ea s y m p t o t i cp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o no ft h et e s ts t a t i s t i ca n d t h ee q u i v a l e n tb i p a r t i t eg r a p ho fo u rm o d e la r ea n a l y z e d t h e nak i n do fs p e c t r u m 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a 8 s t r a c t s e n s i n gm e t h o di sp r o p o s e d ，w h o s eb a s i ci d e ai st h a tt h ec o g n i t i v eu s e rc h o o s e st h e f r e q u e n c ys a m p l i n gr a t ea c c o r d i n gt oac e r t a i nr u l e t os e n s et h ew h o l ew i d e b a n d s p e c t r u m i ne v e r ys e n s i n gp r o c e s sa n di n f e r st h e s p e c t r u m a c t i v i t i e so fa l lt h e c h a n n e l si nt e r m so fb p a t h ep r o b l e mo ft h es e l e c t i o no fs a m p l i n gr a t ei sm a i n l y a n a l y z e d a n di tp r o v e st h a ti ti sb e t t e rt oc h o o s et h ef r e q u e n c ys a m p l i n gr a t ew h i c hi s am u l t i p l eo ft h ec h a n n e lb a n d w i d t ho fl i c i s e n du s e r sa n dt h ev a l u eo fm u l t i p l ei sa p r i m e f i n a l l y ，t h ep r o b l e mo fs p e c t r u ms e n s i n gi na s y n c h r o n o u so f d m an e t w o r ki s s t u d i e d ，e s p e c i a l l yw h e nf r a c t i o n a lc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te x i s t s t h em o d e lo ft h e r e c e i v e ds i g n a li ne a c hs u b c a r r i e ra n dt h ee f f e c tt os p e c t r u ms e n s i n gi n d u c e db yc f o a r ea n a l y z e df i r s t l y t h e nt h es i g n a li ss i m p l i f i e d ，a n das p e c t r u ms e n s i n gm e t h o d b a s e db p ai sp r e s e n t e d ，w h i c hc a nd e c r e a s et h ee f f e c tt os p e c t r u ms e n s i n gi n d u c e db y c f oa n df a l s ea l a r m a f t e rt h a tas i m p l i f i e ds e n s i n gm e t h o di sp r o p o s e db ya d v a n c i n g e n e r g yd e t e c t i o n ，w h i c hc a nr e d u c et h ec o m p l e x i t yo fc o m p u t a t i o na n dc a nb e i m p l e m e n t e do nt h eh a r d w a r ed e v i c ee a s i l y a n dt h ed s pi m p l e m e n t a t i o no ft h e s i m p l i f i e dm e t h o di si n t r o d u c e db a s e do na d s p t s 2 0 1 k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，s p e c t r u ms e n s i n g ，e n e r g yd e t e c t i o n ，c o o p e r a t i v es e n s i n g ， b e l i e fp r o p a g a t i o n ，d o w ns a m p l i n g ，c a r r i e rf r e q u e n c yo f f e s t v 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文插圖和附表清單 插圖和附表清單 圖1 1 認(rèn)知無線電的體系架構(gòu) 圖1 2 頻譜感知方法的分類 圖1 3 匹配濾波器檢測的檢測框圖 圖1 4能量檢測的檢測框圖 圖1 5b p s k 和q p s k 信號的譜相關(guān)函數(shù) 圖1 6 循環(huán)平穩(wěn)檢測的檢測框圖 圖1 7 干擾溫度的模型 圖2 1多信道頻譜感知的系統(tǒng)模型 圖2 2多信道感知模型的等效二部圖表示 圖2 3 不同感知方法的檢測概率、虛警概率與信噪比的曲線圖 圖2 4 不同感知方法的感知成功的概率與信噪比的曲線圖 圖2 5 不同感知方法的平均感知時間與信噪比的曲線圖 圖2 6 不同感知方法的檢測概率、虛警概率與認(rèn)知用戶數(shù)目的曲線圖 圖2 7 不同感知方法的感知成功的概率與認(rèn)知用戶數(shù)目的曲線圖 圖2 8 不同感知方法的平均感知時間與認(rèn)知用戶數(shù)目的曲線圖 圖3 1 多信道頻譜感知模型 圖3 2 多信道感知模型的等效二部圖 圖3 3 基于欠采樣技術(shù)多信道頻譜感知方法框圖 圖3 4 不同采樣率選擇方法的檢測概率、虛警概率與信噪比的曲線圖 圖3 5 不同采樣率選擇方法的感知成功的概率與信噪比的曲線圖 圖3 6 不同采樣率選擇方法的平均感知時間與信噪比的曲線圖 圖3 7 不同采樣率選擇方法的檢測概率、虛警概率與最大采樣率的曲線圖 圖3 8 不同采樣率選擇方法的感知成功的概率與最大采樣率的曲線圖 圖3 9 不同采樣率選擇方法的平均感知時間與最大采樣率的曲線圖 圖4 1不同最大載波頻偏下虛警概率和信噪比的曲線圖 圖4 2 不同最大載波頻偏下檢測概率和信噪比的曲線圖 圖4 3簡化后的接收模型的等效二部圖 圖4 4最大頻偏為0 2 5 時不同感知方法的檢測概率與信噪比的曲線圖 圖4 5最大頻偏為0 1 2 5 時不同感知方法的檢測概率與信噪比的曲線圖 圖4 6 最大頻偏為o 2 5 時不同感知方法的虛警概率與信噪比的曲線圖 圖4 7最大頻偏為0 1 2 5 時不同感知方法的虛警概率與信噪比的曲線圖 圖4 8 采樣點數(shù)為8 時不同感知方法的檢測概率與信噪比的曲線圖 圖4 9 采樣點數(shù)為8 時不同感知方法的虛警概率與信噪比的曲線圖 浙江大學(xué)研究生學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得逝姿態(tài)堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或 證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文 中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名：王培雅 簽字日期： 動，口年；月陽日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解逝姿盤堂有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機 構(gòu)送交本論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)逝姿盤堂 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索和傳播，可以采用影 印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名： 主培旌 導(dǎo)師簽名： 簽字日期： 糾口年弓月p 日 簽字日理m f 口年言月，。 薩w 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文致謝 致謝 首先我要由衷的感謝我的導(dǎo)師張朝陽教授。從本科大四到碩士研究生階段的 近四年時間里，張老師深厚淵博的專業(yè)知識、認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求是創(chuàng)新的 科研精神，給我留下十分深刻的印象，同時也使我受益良多。本論文的所有工作 基本上是在張老師的指導(dǎo)下完成的。他給我指引了許多非常獨特的研究方向，不 厭其煩地與我探討研究工作中的問題與難點，確定相應(yīng)的解決思路，并指出我的 工作中的不足與亟待改進(jìn)的地方，從而使我能進(jìn)一步完善我的研究工作。張老師 不僅在工作上給予我極大的指導(dǎo)與勉勵，同時在生活也給予我盡可能大的幫助與 關(guān)懷，使我在研究生階段再也不需要父母的資助，減輕了父母的經(jīng)濟壓力。另外 張老師還給我提供了出國開會的機會，并負(fù)責(zé)我在美國的各種開銷。在今后的工 作與生活中，我會謹(jǐn)記張老師的諄諄教誨，熱愛自己的工作，關(guān)心同事與他人， 并在工作中做出成績再次表達(dá)我對張老師的崇高的敬意和由衷的謝意。 其次我要感謝余官定老師。余老師在我大四時指導(dǎo)我完成了我人生中的第一 篇論文，包括問題的建模與解決、仿真分析與描述以及論文的撰寫。他在學(xué)術(shù)上 的造詣給我留下了深刻的影響，他的耐性指導(dǎo)與悉心幫助使我獲益匪淺。另外余 老師在生活上也給予我不少幫助，對此我表示由衷的感謝。 其次我還要感謝和我共事過的程鵬博士、黃慧博士、羅海燕博士、吳可鏑博 士、張建敏博士、殷銳博士、陳曉明博士、李玉萍碩士、徐騫碩士、秦遲碩士、 周向煒碩士、周喜渝碩士、周碉碩士、杜維碩士、霍媛圓碩士、王海洋碩士、陳 勛碩士、林挺萃碩士、謝雪松碩士、彭瑤博士、陳琴琴碩士、林哲碩士、姜松碩 士、李雪嬌碩士、陳淑寶碩士、陳少磊博士、王超博士、張鈺博士、劉經(jīng)澤碩士、 唐穎碩士、張華滋碩士、富饒碩士等。 我還要深深地感謝我的家人、好友及男友馬駿同學(xué)，他們給予我無微不至的 關(guān)懷和不求回報的付出，在我成功時分享我的喜悅，在我失意分擔(dān)我的無助，并 給予我勇氣讓我戰(zhàn)勝各種困難。今后我會繼續(xù)努力，好好工作，不辜負(fù)他們的期 望。 最后再次感謝實驗室的所有老師和同學(xué)，以及我的家人、好友及男友，謝謝 你們讓我在這近四年時間中感受到快樂和溫暖，謝謝! 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 1 緒論 隨著無線用戶數(shù)目的急劇增長和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，可用頻譜資源變 得越來越緊張，主要表現(xiàn)在兩方面：w l a n 、w p a n 等業(yè)務(wù)工作的非授權(quán)頻段已 經(jīng)趨于飽和；由頻率管理部門分配的授權(quán)頻段( 如電視廣播業(yè)務(wù)) 卻未被充分利 用【1 1 。因此如何有效提高可用頻譜資源的利用率已經(jīng)成為亟待解決的技術(shù)問題 之一。雖然正交頻分復(fù)用、多天線、中繼、合作通信等技術(shù)，從一定程度上提高 了頻譜利用率，但仍未解決頻譜資源使用不平衡這一現(xiàn)象。認(rèn)知無線電( c o g n i t i v e r a d i o ，c r ) 技術(shù)【2 6 】的提出，為該問題提供了一種新的解決思路，并被認(rèn)為是 未來無線通信中最熱門的技術(shù)之一【5 】。其核心思想就是無線電設(shè)備能感知周圍 的無線環(huán)境特征，在不妨礙授權(quán)用戶的正常傳輸?shù)那疤嵯?，通過自適應(yīng)調(diào)整其傳 輸參數(shù)，達(dá)到合理利用無線頻譜資源的目的。為了保證授權(quán)用戶的正常通信，必 須要求認(rèn)知無線電具備頻譜感知【2 9 這一功能。要求認(rèn)知無線電在接入頻譜前， 能在所有維度( 時間、空間、頻率) 上盡可能準(zhǔn)確的感知無線頻譜資源的使用情 況【4 】；同時要求它在傳輸過程中，能實時監(jiān)測頻譜資源的變化，以便及時騰出 帶寬供授權(quán)用戶使用。另外由于沒有固定的頻譜資源，為保證自身的數(shù)據(jù)傳輸， 認(rèn)知無線電最好具備寬帶頻譜感知能力。因此，研究認(rèn)知無線電多信道頻譜感知 就具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實意義。 1 1 認(rèn)知無線電技術(shù)背景及意義 認(rèn)知無線電這一概念最初是由j o s e p hm i t o l a 博士在軟件無線電( s d r ) 的基 礎(chǔ)上提出來的 2 3 】。他認(rèn)為認(rèn)知無線電技術(shù)是一種智能的無線通信方式，它可以 通過機器學(xué)習(xí)、人工智能等推理和決策算法來實現(xiàn)對無線傳輸環(huán)境的認(rèn)知和傳輸 參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，從而實現(xiàn)頻譜共享傳輸【2 3 】。m i t o l a 博士僅從較為宏觀的角 度介紹了認(rèn)知無線電的概念，缺少具有認(rèn)知功能的物理層和鏈路層的有效支撐 【6 】。隨著研究的深入，出現(xiàn)了對認(rèn)知無線電的多種理解，f c c 對這些認(rèn)識進(jìn)行 簡化，指出只要具有自適應(yīng)頻譜感知功能的無線電就可稱為認(rèn)知無線d l 6 。目 前這一觀點已被業(yè)界大部分學(xué)者接受，認(rèn)為它是一種實現(xiàn)頻譜共享通信的關(guān)鍵技 術(shù)，是現(xiàn)有無線頻譜資源管理方式的有效拓展- 9 補充 5 】。 s i m o nh a y k i n 在m i t o l a 等人的研究基礎(chǔ)上，總結(jié)了認(rèn)知無線電的基本概念 和其關(guān)鍵技術(shù) 4 】，并用圖1 1 表示了認(rèn)知無線電的體系架構(gòu)。h a y k i n 認(rèn)為，認(rèn) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 知無線電的關(guān)鍵特征在于其感知能力和構(gòu)建能力【4 】。前者著重對無線頻譜資源 的感知，快速獲得頻譜的活動情況，同時實時監(jiān)測的頻譜資源的狀態(tài)變化；后者 著重對無線頻譜資源的利用，在不改變認(rèn)知無線電的硬件平臺的基礎(chǔ)上，通過實 時、自適應(yīng)地調(diào)整其傳輸參數(shù)，從而實現(xiàn)認(rèn)知系統(tǒng)可靠傳輸，提高頻譜利用率 t r a n s m i t t e rr e c e i v e r 圖1 1 認(rèn)知無線電的體系架構(gòu) 從h a y k i n 等人的工作可看出，雖然認(rèn)知無線電是一種非常靈活的頻譜管理 方式，但欲將其真正應(yīng)用于實踐中，還必須解決包括頻譜感知、動態(tài)頻譜接入和 功率控制等關(guān)鍵技術(shù)問題 4 6 】。在研究認(rèn)知無線電時通?？紤]兩種用戶：授權(quán)用 戶和認(rèn)知用戶。前者的頻譜資源通過拍賣、政府分配等手段獲得，在頻譜接入時 具有高優(yōu)先級。后者沒有固定的頻譜資源，在頻譜接入時具有低優(yōu)先級。因此認(rèn) 知用戶在頻譜接入前，必須對無線頻譜資源進(jìn)行感知，以獲取頻譜資源的活動情 況，然后根據(jù)某種授權(quán)用戶保護(hù)模型( 如傳輸沖突模型和干擾溫度模型等) ，機 會式地接入某些頻段，實現(xiàn)頻譜共享通信。認(rèn)知用戶的頻譜接入的方法有兩種： 交織式( i n t e r l e a v e ) 和墊襯式( u n d e r l a y ) 【8 】。在i n t e r l e a v e 方式中，認(rèn)知用戶 僅選擇空閑頻譜進(jìn)行接入；在u n d e r l a y 方式中，認(rèn)知用戶不僅可以接入空閑頻 譜，還可通過動態(tài)調(diào)整其其傳輸參數(shù)( 如傳輸功率、調(diào)制編碼方式和傳輸頻段等) 實現(xiàn)對非空閑頻譜的接入。 目前該技術(shù)受到了業(yè)界的極大關(guān)注，并逐漸成為未來無線通信的核心技術(shù)之 一。2 0 0 4 年1 0 月，i e e e 專門成立了i e e e 8 0 2 2 2 工作組，研究和發(fā)展與電視廣 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 播網(wǎng)絡(luò)共存的認(rèn)知無線電系統(tǒng) 6 】。美國國防高級研究計劃局設(shè)立了x g 下一代網(wǎng) 絡(luò)項目，開展動態(tài)頻譜接入和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等的研究。國內(nèi)外不少院校和學(xué)者紛 紛展開對頻譜感知、動態(tài)頻譜管理以及認(rèn)知無線電平臺等的研究，國內(nèi)有浙江大 學(xué)、西安電子科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、香港科技大學(xué)等，國外有瑞典皇家工學(xué) 院、美國v i r g i n i a 理工大學(xué)、美國加州大學(xué)b e r k e l e y 分校、美國s t e v e n 理工學(xué)院、 美國r u t g e r s 大學(xué)等，均取得突破性進(jìn)展。 1 - 2 頻譜感知概述及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 為了保證不影響授權(quán)用戶的正常通信，要求認(rèn)知用戶能在頻譜接入之前能 對無線頻譜進(jìn)行偵聽，以發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”，即在某地那些本來被分配給授權(quán)用 戶但在特定時間內(nèi)沒有被授權(quán)用戶占用的頻譜資源；同時還要求認(rèn)知用戶在頻譜 接入過程中，能夠?qū)崟r偵聽無線頻譜的狀態(tài)變化，以便及時騰出帶寬供授權(quán)用戶 使用。這就需要物理層和鏈路層具有一種新的功能一一頻譜感知技術(shù)【4 9 】。物理 層主要實現(xiàn)對頻譜資源的偵聽，鏈路層主要實現(xiàn)對頻譜感知的控制( 如感知時間、 感知周期和感知信道) 。 通常來說，頻譜感知技術(shù)可分為三類：發(fā)送端檢測、基于干擾的檢測和合作 感知【5 ，1 0 1 l 】。圖1 2 為頻譜感知方法的分類。下面對這三種感知方法進(jìn)行逐 一介紹。 圖1 2 頻譜感知方法的分類 1 2 1 發(fā)送端檢測 發(fā)送端檢測是指認(rèn)知無線電通過檢測是否存在來自授權(quán)用戶的信號來判斷 是否有授權(quán)用戶占用該頻段，主要包括匹配濾波器檢測，能量檢測、循環(huán)特征檢 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 測【5 ，1 0 1 1 。其二擇假設(shè)檢驗?zāi)Ｐ屯ǔ?1 1 】： 小) = 搿w , ，h e o 其中s ( n ) 為授權(quán)用戶的發(fā)送信號，信號的發(fā)送功率為p ，w ( n ) 為加性白高斯噪 聲，w ( n ) - n ( 0 ，盯2 ) ，0 - 2 為噪聲方差，x ( 刀) 為認(rèn)知用戶的接收信號。假設(shè)日0 表 示在授權(quán)用戶占用該頻段，h i 表示在授權(quán)用戶不占用該頻段。 1 2 1 1 匹配濾波器檢測 如果認(rèn)知用戶已知授權(quán)用戶信號的先驗知識( 如調(diào)制方式、脈沖成型函數(shù)、 幀格式和同步信息等) ，可采用匹配濾波器檢測進(jìn)行頻譜感知。 若認(rèn)知用戶知道授權(quán)用戶的導(dǎo)頻信號，則將接收信號和已知的導(dǎo)頻信號進(jìn)行 相關(guān)，然后與某個門限判決即可，檢測框圖如圖1 3 所示。若認(rèn)知用戶僅知道授 權(quán)用戶的信號類型( 如調(diào)制方式已知，但導(dǎo)頻未知) ，認(rèn)知用戶可采用最大似然 準(zhǔn)則進(jìn)行估計 1 2 】，且在計算似然函數(shù)時對所有發(fā)送符號進(jìn)行平均。 總之，匹配濾波器檢測是一種相關(guān)檢測，它是最優(yōu)的，能達(dá)到最大接收信噪 比 1 1 1 2 】。雖然該方法能用較少的時間達(dá)到較高的處理增益，0 ( s n r _ 1 ) 個采樣 點就能達(dá)到給定的檢測概率約束【1 1 1 2 ，但是它要求認(rèn)知用戶必須有授權(quán)用戶信 號的先驗知識( 如調(diào)制方式、脈沖成型函數(shù)、幀格式和同步信息等) 。雖然這些 信息可通過工作在相應(yīng)頻段的授權(quán)系統(tǒng)所采用的協(xié)議中獲得，但認(rèn)知用戶需要給 不同類型的授權(quán)用戶配置不同的檢測器，這么做的代價是非常巨大的，因此該方 法不適合于實際應(yīng)用。 圖1 3 匹配濾波器檢測的檢測框圖 1 2 1 2 能量檢測 如果認(rèn)知用戶不知道授權(quán)用戶的先驗知識，通常采用能量檢測進(jìn)行頻譜感 知。其基本思想為：認(rèn)知用戶對個接收信號的平方和進(jìn)行門限判決得到頻譜 4 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 的活動狀態(tài)，其檢測框圖如圖1 4 所示。該方法是本論文的研究基礎(chǔ)。檢測統(tǒng)計 量y 為【1 0 - l l 】： y = 萬1 酚n - i ( 行) 1 2 ( 1 2 ) 其中n 為采樣點數(shù)。假設(shè)判決門限為名，則根據(jù)中心極限定理，可得到虛警概率 匕和檢測概率分別為： = 文赫) 3 ， 警l 赫j 4 ) 通常認(rèn)知用戶給定一個最大虛警概率約束，并根據(jù)式( 1 - 3 ) 來計算判決門限為名， 稱為紐曼皮爾遜準(zhǔn)則。 總之，能量檢測是一種非相關(guān)檢測，需要d ( 鯽限- 2 ) 個采樣點才能達(dá)到給定 的檢測概率約束 1 1 1 2 1 。該方法實現(xiàn)簡單易行，復(fù)雜度較低，不需要授權(quán)用戶信 號的先驗知識，具有閉合的檢測性能表達(dá)式。但是它的檢測門限易受未知或可變 噪聲級的影響，在低信噪比下檢測性能較差，而且不能區(qū)分信號，噪聲和干擾。 圖1 4能量檢測的檢測框圖 1 2 1 3 循環(huán)特征檢測 由于調(diào)制信號往往是循環(huán)平穩(wěn)的，因此可將接收信號建模為循環(huán)平穩(wěn)隨機過 程，其統(tǒng)計特性( 如均值，自相關(guān)函數(shù)等) 具有周期性【1 7 - 1 8 】。對循環(huán)平穩(wěn)隨機 過程，通常采用譜相關(guān)函數(shù)( s p e c t r u mc o r r e l a t i o nf u n c t i o n ，s c f ) 進(jìn)行分析研究。 譜相關(guān)函數(shù)的定義為 1 1 ，1 9 2 l 】： ( 廠) 。；現(xiàn)溉古一：爭加，廠+ a 2 ) 墨。( f ，一口2 ) 以 ( 1 - 5 ) * 江大頊學(xué)位論z 其中t t t 為循環(huán)額宰，t 為傅立葉變換間隔，a t 為譜相關(guān)間隔，x r 0 ，f ) 滿足： t + t ，1 2 x r ( f ，f ) = ix ( u ) e x p ( 一j 2 x f u ) d u ( i - 6 t - t 2 通過對譜相關(guān)函數(shù)的計算，發(fā)現(xiàn)如下事實：調(diào)制信號的的譜相關(guān)函數(shù)在循環(huán) 頻率不為零處仍有較大的非零值，而平穩(wěn)噪聲或近似平穩(wěn)噪聲的循環(huán)譜能量主要 集中在循環(huán)頻率為葷處，在非循環(huán)頻率上沒有非零值或值很小。圉1 5 分別為 b p s k ( 左田) 和q p s k ( 右圖) 信號的譜相關(guān)函數(shù) 1 8 1 。 ? 1 。 ? 吐 田1 5b p s k 和q p s k 信號的譜相關(guān)函數(shù) 因此可利用授權(quán)用戶信號的循環(huán)平穩(wěn)特性進(jìn)行頻譜感知，區(qū)分授權(quán)信號和噪 聲，這種感知方法稱為循環(huán)特征撿剝。該方法在低信噪比下也能達(dá)到較好的檢測 性能其檢測框圖如圖1 6 所示，是能量控剝的加強，但它的計算復(fù)雜度比能量 檢測明顯增加1 1 1 】 咂時母匾碉節(jié) 囤i6 循環(huán)乎穗檢測的檢測框固 1 2 2 基于干擾的檢測 通常，無線電環(huán)境是毗發(fā)送端為中心的，但由于可能存在不可預(yù)測的干擾菲， 使噪聲基準(zhǔn)增大，引起信號傳輸性能的下降。為7 避免這種情況，f c c 提出了 基于干擾的檢測，即將干擾的估測過程從以發(fā)送端為中心到以發(fā)送端和接收端的 自適應(yīng)實時交互為中心0 h $ z q 為了確定和控制無線電環(huán)境中的干擾源，提 出7 一種新的度量模型一一干擾溫度它的意義可表述為4 1 ： 在特定額段內(nèi)，接收夭線估計到的干擾溫度為可接受的無線電干擾提供7 一 個精確的度量標(biāo)準(zhǔn)，如果噪聲基準(zhǔn)大干該干擾溫度限，則認(rèn)為認(rèn)知系統(tǒng)幾乎 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 不能在該頻段上進(jìn)行通信。 對任一頻帶，如果估計到接收天線的干擾溫度不超過干擾溫度限，非授權(quán)用 戶就可以使用該頻段，且該頻段的頻譜能量的上限為干擾溫度限。 干擾溫度模型( 如圖1 7 所示) 描述了多個信號的累積射頻能量，規(guī)定了其 累積水平的最高限。由于干擾溫度包含了原始噪聲基底和認(rèn)知用戶產(chǎn)生的干擾， 因此認(rèn)知用戶可在干擾溫度限( i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r el i m i t ) 和噪聲基底( n o i s e f l o o r ) 之間尋找頻譜接入的機會。但是實際中認(rèn)知用戶無法預(yù)知授權(quán)用戶的空間 位置，固定點的干擾溫度測量不能反映干擾分布的準(zhǔn)確情況，因此該方法也不適 合應(yīng)用于實際系統(tǒng)中。f c c 也于2 0 0 7 年取消了該定義。 p o w e r a t r e c e i v e r l i c e n s e ds i g n a l m i n i m u ms e r v i r a n g ew i t h i n t e r f e r e n c ec a p ) l a p o r t u n i t i e s l c “1 1 ma c c e s s s e r v i c er a n g ea t | o d g i n a ln o i s ef l o o r 。、z 、 ma 棚 ，r 。嘲八 m 。婀丙_ h 一豳 o 臧蘑n a ln o i s ef l o o r 魄1 i i n t 囂f e r e n c et e m p e r a t u r em o d e l 【2 l ； 圖1 7 干擾溫度的模型 1 2 3 合作感知 上述的幾種頻譜感知算法都是單個認(rèn)知用戶獨立執(zhí)行的本地頻譜感知。實際 上，單用戶感知極易受到噪聲、衰落、陰影、瞬時干擾等的影響，大大降低感知 精度。因此在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，可以利用多個認(rèn)知用戶同時進(jìn)行頻譜檢測( 即 合作感知) ，獲得授權(quán)用戶信號的多個獨立副本，從而減少多徑衰落、陰影、瞬 時干擾等帶來的影響，提高感知性能【2 2 】。目前，合作感知已經(jīng)成為頻譜感知這 一研究領(lǐng)域中的熱點技術(shù)，研究多集中在感知信息的融合與決策、感知信息的可 靠性等問題。 在合作感知中，認(rèn)知系統(tǒng)中的每個認(rèn)知用戶均對頻譜進(jìn)行感知，并將檢測結(jié) 果發(fā)送給融合中心( 基站或某個認(rèn)知用戶均可) ，由融合中心根據(jù)某種融合準(zhǔn)則 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 做出最終判決。感知信息的融合與決策算法主要有硬判決和軟判決兩種。 硬判決主要有“a n d ”、“o r ”、“c o u n t ”原則等 2 3 】，各準(zhǔn)9 2 0 的判決標(biāo)準(zhǔn)為： “a n d ”準(zhǔn)則：當(dāng)所有的認(rèn)知用戶都認(rèn)為存在授權(quán)用戶時，融合中心才認(rèn)為存 在授權(quán)用戶，否則融合中心認(rèn)為不存在授權(quán)用戶。 “o r ”準(zhǔn)9 2 0 ：當(dāng)所有認(rèn)知用戶都認(rèn)為不存在授權(quán)用戶時，融合中心才認(rèn)為不 存在授權(quán)用戶，否則融合中心認(rèn)為存在授權(quán)用戶。 “c o u n t ”準(zhǔn)則：當(dāng)至少有k 個認(rèn)知用戶認(rèn)為存在授權(quán)用戶時，融合中心才認(rèn) 為存在授權(quán)用戶，否則融合中心認(rèn)為不存在授權(quán)用戶。 其中“a n d ”準(zhǔn)則具有較低的檢測概率和較低的虛警概率，“o r ”準(zhǔn)則具有 較高的檢測概率和較高的虛警概率，“c o u n t ”準(zhǔn)則是兩者的折中，更適合于實際 應(yīng)用。硬判決易于實施，但是硬判決需要對感知信息進(jìn)行l(wèi) b i t 量化( 即用0 或l 表示頻譜的活動狀態(tài)) ，不能完全反映各認(rèn)知用戶的感知信息。文獻(xiàn) 2 5 】中融合 中心利用d s 理論對1 b i t 的量化感知信息進(jìn)行加權(quán)平均，獲得最終的感知結(jié)果， 這種方法考慮到每個用戶感知信息的可靠性，排除了具有較差感知性能的認(rèn)知用 戶對頻譜感知的影響。 軟判決主要有似然比檢測【2 6 】、中繼合作感知 2 7 3 0 、線性加權(quán)能量檢測 3 2 】 等，這些融合算法的基本思想為： 似然比檢測：融合中心對所有認(rèn)知用戶的接收信號的能量進(jìn)行最大似然檢測， 獲得頻譜的活動狀態(tài)。 中繼合作感知：在第一個時隙，認(rèn)知用戶l 發(fā)送信息，認(rèn)知用戶2 接收來自 認(rèn)知用戶l 和授權(quán)用戶的信息；在第二個時隙，認(rèn)知用戶2 采用前向放大協(xié) 議轉(zhuǎn)發(fā)來自認(rèn)知用戶2 和授權(quán)用戶的信息，認(rèn)知用戶1 接收來自認(rèn)知用戶1 和授權(quán)用戶的信息，并根據(jù)這個信息進(jìn)行判決。認(rèn)知用戶2 具有相同的操作。 線性加權(quán)能量檢測：融合中心對來自每個認(rèn)知用戶的接收信號的能量進(jìn)行線 性加權(quán)后進(jìn)行門限判決判斷是否存在授權(quán)用戶。 其中似然比檢測是一種最優(yōu)檢測，但其計算復(fù)雜度最大，且需要知道授權(quán)用 戶的信號能量；中繼合作感知利用中繼認(rèn)知用戶轉(zhuǎn)發(fā)感知信息，但會增加時間開 銷；線性加權(quán)能量檢測中融合中心將各認(rèn)知用戶的感知能量結(jié)果進(jìn)行線性加權(quán)后 再與判決門限比較得到檢測結(jié)果，計算復(fù)雜度較似然比檢測大大降低，但需要進(jìn) 8 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 行權(quán)值計算，且認(rèn)知用戶與融合中心之間交互的信息為信號能量，仍需要較大的 帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 在合作感知中還應(yīng)考慮認(rèn)知用戶的可靠性問題。如果存在幾個不可靠的認(rèn)知 用戶，那么檢測性能會受到影響。文獻(xiàn) 2 2 1 將不可靠用戶分為“a l w a y s n o ”、 “a l w a y sy e s ”和“m a l i c i o u sa d v e r s a r y ”三種類型，并對這三種情況下合作感知 的性能做了簡單的分析。文獻(xiàn)【3 3 利用預(yù)濾波技術(shù)和可信度估計鑒別發(fā)送錯誤信 息的認(rèn)知用戶，避免這些用戶的惡意欺騙行為。 1 2 4 研究動機和意義 為了滿足認(rèn)知用戶的速率要求，必須要求認(rèn)知用戶能進(jìn)行寬帶多信道頻譜感 知，以便發(fā)現(xiàn)足夠的“頻譜空洞”供認(rèn)知用戶接入，并監(jiān)測授權(quán)用戶是否重新使 用頻譜，因此寬帶多信道頻譜感知已經(jīng)成為頻譜感知研究中的主要研究對象。 目前頻譜感知方法主要有發(fā)送端檢測、合作檢測、基于干擾的檢測。由于陰 影、衰落、噪聲、瞬時干擾等的影響，發(fā)送端檢測的性能不是很好，且由于復(fù)雜 度、實時性和可靠性等原因這種檢測方法通常只適用于窄帶頻譜檢測 2 2 】；而將 寬帶頻譜分割成多個窄帶頻譜，然后對所有窄帶頻譜進(jìn)行逐一檢測( 簡稱為序貫 感知算法) ，叉會引起較大的感知時延，使得在認(rèn)知用戶接入該信道時有可能發(fā) 生授權(quán)用戶突然占用該信道的情況?；诟蓴_的檢測是將干擾從發(fā)送端為中心變 換到以接收端為中心進(jìn)行管理，即將其轉(zhuǎn)換為所謂的干擾溫度的測量，但是固定 點的干擾溫度測量仍然不能反映干擾分布的準(zhǔn)確情況。合作感知，利用不同認(rèn)知 用戶之間的分集效應(yīng)，能大大提高檢測性能；另外多個認(rèn)知用戶往往獨立選擇( 分 布式選擇) 或由融合中心分配( 集中式選擇) 部分信道進(jìn)行感知，并通過合作還 能實現(xiàn)寬帶多信道檢測，且不要求認(rèn)知用戶具備全頻段的感知能力 3 5 。因此合 作感知成為了認(rèn)知無線電多信道頻譜感知方法研究的主流技術(shù)。但是合作檢測必 然會帶來一定的帶寬、功率開銷，因此盡量減少檢測復(fù)雜度，同時盡量提高感知 速度是寬帶多信道條件下合作檢測的兩個設(shè)計目標(biāo)。 多分辨率頻譜感知也能實現(xiàn)多信道頻譜感知【3 6 3 9 。在多分辨率感知中，認(rèn) 知用戶首先以一個較低的分辨率對某段頻譜進(jìn)行感知，再以一個較高的分辨率對 感興趣的頻譜進(jìn)一步感知，獲得較為精確的頻譜信息。但是上述文獻(xiàn)中均假設(shè)認(rèn) 知用戶具有較高的采樣速率，能準(zhǔn)確恢復(fù)出譜圖信息，但是實際中認(rèn)知用戶的采 浙江大學(xué)碩t 學(xué)位論文緒論 樣速率往往受到硬件條件的限制，當(dāng)感知頻譜范圍非常大時，可能無法正確恢復(fù) 出譜圖信息，此時如何進(jìn)行感知是一個極為有趣的問題。 在絕大部分的頻譜感知算法的研究中均假設(shè)授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶保持同步， 但是實際中很難實現(xiàn)認(rèn)知系統(tǒng)與授權(quán)系統(tǒng)的嚴(yán)格同步。目前這一方面的研究還很 少，僅文獻(xiàn) 4 0 】討論了在認(rèn)知用戶感知過程中授權(quán)用戶的狀態(tài)發(fā)生變化時的感知 性能。當(dāng)授權(quán)系統(tǒng)為o f d m a 系統(tǒng)，由于授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間不完全同步、 多徑和多普勒頻譜擴展等因素的影響，授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間必定存在一定的 載波頻偏和定時偏差等誤差，這會對頻譜感知造成極大的影響，因此研究異步 o f d m a 網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知具有極大的理論意義和現(xiàn)實意義。 1 3 本文的主要貢獻(xiàn)和結(jié)構(gòu)安排 本論文旨在研究認(rèn)知無線電中的寬帶多信道頻譜感知方法，主要以最大后 驗概率( m a x i m u map o s t e r i o r i ，m a p ) 算法的漸進(jìn)算法一一置信傳播算法( b e l i e f p r o p a g a t i o na l g o r i t h m ，b p a ) 為解決手段，對頻譜感知精度和感知時延進(jìn)行折 中，分別研究了基于隨機信道選擇的寬帶多信道感知問題，基于欠采樣技術(shù)的寬 帶多信道感知問題以及異步o f d m a 網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知問題。本文提出的多種寬 帶多信道頻譜感知方法對于認(rèn)知無線電技術(shù)具有極大的理論意義和現(xiàn)實意義，為 多信道頻譜感知方法的研究做出了一定的貢獻(xiàn)。 本論文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排如下： 全論文共有五章。第一章是緒論，簡單介紹了認(rèn)知無線電技術(shù)的背景及意義， 重點綜述了頻譜感知算法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，包括頻譜感知算法的分 類以及各自的優(yōu)缺點，然后簡單說明了本論文中提出的三個課題的研究意義和技 術(shù)難點，最后是本論文的主要貢獻(xiàn)和章節(jié)安排。 第二章主要研究了基于隨機信道選擇的寬帶多