密級： 保密期限： 碩士研究生學位論文 題目： 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 學 號： 106204 姓 名： 朱新星 專 業(yè)： 電子科學與技術 導 師： 張曉瑩 學 院： 電子工程學院 2013 年 1 月 9 日 獨創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明 本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他教育機構的學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均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。 本人簽名： 日期： 關于論文使用授權的說明 學位論文作者完全了解北京郵電大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產權單位屬北京郵電大學。學校有權保留并 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許學位論文被查閱和借閱；學校可以公布學位論文的全部或部分內容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定） 保密論文注釋：本學位論文屬于保密在 年解密后適用本授權書。非保密論文注釋：本學位論文不屬于保密范圍，適用本授權書。 本人簽名： 日期： 導師簽名： 日期： 北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 I 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 摘 要 認知無線電 通過感知無線環(huán)境，發(fā)現(xiàn)空閑的授權頻段 ，實現(xiàn) 頻譜資源 的 重復 利 用， 可以 有效地 緩解 頻譜資源日益 稀 缺的問題。 首先，本 文 研究 了 認知無線電技術的背景和原理 ， 重點 研究了協(xié)作頻譜感知 理論 中 的協(xié)作通信技術、頻譜感知技術 和 協(xié)作 感知技術，及 壓縮感知 理論 中的信號稀疏表示、測量矩陣設計 和 信號重構算法。 其次，本 文在研究了認知無線電、協(xié)作頻譜感知 理論的基礎上 ，建立了協(xié)作頻譜感知 的系統(tǒng) 模型， 提出了基 于非理想控制信道的協(xié)作節(jié)點選擇算法 ，并進行性能分析 。 仿真結果 顯 示 ，在達到系統(tǒng)的目標誤警概率的要求下，選擇等效檢測概率高的部分認知用戶 參與 協(xié)作頻譜感知，與 網(wǎng)絡中 所有認知用戶參與協(xié)作 頻譜感知的頻譜檢測性能 近似， 但 減少了向融合中心發(fā)送的 本地 判決 的數(shù) 量，減小了融合中心 進行數(shù)據(jù) 融合的時間，降低了判決閾值的精度要求，減小了系統(tǒng)的功耗。 最后 ，本 文在研究了壓縮感知理論的基礎上，建立了壓縮協(xié)作頻譜感知 的系統(tǒng) 模型，提出了基于壓縮協(xié)作頻譜感知 的 聯(lián)合恢復算法 ，并進行性能分析 。 仿真結果 顯示 ，參與協(xié)作 頻譜 感知的每個認知用戶隨機感知部分信道，就可以達到理想的檢測概率和誤警概率， 同時 減少了每個認知 用戶的感知負擔和融合中心的計算負 載 ，降低了系統(tǒng)的功耗。 關鍵詞： 認知無線電，協(xié)作頻譜感知，壓縮感知，節(jié)點選擇，聯(lián)合恢復 北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 by so as to of of of in of of of of of of on of a of an of of of to is to of of to of of on of a of 京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 of of it of of 京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 錄 第一章 緒論 . 1 究背景 . 1 論研究 . 2 知無線電 . 2 作頻譜感知 . 3 縮感知 . 4 作成果 . 5 于非理想控制信道的協(xié)作節(jié)點選擇算法 . 6 于壓縮協(xié)作頻譜感知的聯(lián)合恢復算法 . 6 文結構 . 7 第二章 協(xié)作頻譜感知技術 . 8 作通信技術 . 8 譜感知技術 . 9 量檢測 . 9 形檢測 . 11 環(huán)平穩(wěn)檢測 . 12 線電識別檢測 . 12 配濾波檢測 . 13 他檢測方法 . 13 結 . 14 作感知技術 . 14 網(wǎng)模式 . 15 據(jù)融合 . 16 章小結 . 18 第三章 壓縮感知技術 . 19 號的稀疏表示 . 19 號稀疏表示的意義 . 19 號稀疏表示的原理 . 19 號稀疏表示的主要方法 . 20 量矩陣的設計 . 21 量矩陣的影響 . 21 束等距性 . 22 量矩陣的設計方法 . 22 號重構算法 . 25 號重構的原理 . 25 號重構的方法 . 25 章小結 . 27 第四章 基于非理想控制信道的協(xié)作節(jié)點選擇算法 . 28 北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 V 統(tǒng)模型 . 28 知用戶進行本地頻譜感知 . 28 知用戶向融合中心發(fā)送本地判決 . 29 于非理想控制信道的協(xié)作節(jié)點選擇算法 . 30 能分析 . 31 知用戶的本地檢測概率和誤警概率 . 31 合中心的系統(tǒng)檢測概率和誤警概率 . 31 真結果 . 32 章小結 . 34 第五章 基于壓 縮協(xié)作頻譜感知的聯(lián)合恢復算法 . 35 統(tǒng)模型 . 35 率選擇濾波器系數(shù)矩陣 . 36 作頻譜感知結 果 . 36 合恢復算法 . 36 能分析 . 38 真結果 . 38 章小結 . 40 第六章 總結與展望 . 41 文工作總結 . 41 文工作展望 . 42 參考文獻 . 43 附錄：縮略語 . 47 致 謝 . 49 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文 . 50 北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 1 第 一 章 緒論 究背景 無線電是一種廣播媒介， 因此 共存于同一頻 段 上的用戶會相互干擾 1。 隨著無線技術的持續(xù)發(fā)展， 無線電系統(tǒng)和服務商以指數(shù) 形 式增長， 頻譜資源的需求也越來越大， 因 此 可用的無線電頻譜變得非常有限。 目前 各國 采用的頻譜管理制度是政府靜態(tài)授權分配。 頻譜監(jiān)管機構，如 聯(lián)邦通信委員會（ 歐洲電信標準協(xié)會（ 將頻 譜 分配給特定的組織 或者 公司，并授予其唯一使用權 2。國家通信與信息管理局（ 的頻譜分配表 指出 ， 基本上所有的頻 段 都已經(jīng) 被 分配， 只有極少的 新頻 段 可以分配給新的無線產品和服務商。 在現(xiàn) 有 的規(guī)章制度下，頻譜是一種稀缺資源 3。 然而 ，頻譜使用模式的研究顯示 ， 授權 頻譜 的 使用率很低。 近做的頻譜利用率調查 表明 ： 真正授權的頻譜，在大 部分 時間和地理維度上，在很大程度上沒有 被 充分利用。例如，對紐約地區(qū)的頻譜進行 檢測 發(fā)現(xiàn)，從 303大的頻譜占用率只有 對華盛頓市中心最擁擠的地方 進行 觀察，也會獲得相似的結論，即 3下的無線電頻譜的占用率低于 35%4。此外，隨著時間、頻率和地理位置的變化，頻譜使用 的 情況也有 著 顯著 變化。 目前各國都在尋找 提高頻譜利用率 的方法，其中有一種 方案叫做伺機頻譜共享。 該方案表示， 在現(xiàn)有的分配制度下，只要不對主用戶 （ 造成干擾，就允許次用戶 （ 在沒有經(jīng)過主用戶同意的情況下使用授權頻帶。 段（ 可了這種 頻譜 共享方式，工作在這個頻段的設 備 必須周期性地感知軍事 雷達的出現(xiàn) ，伺機使用該授權頻段 5。 根據(jù)無線電頻譜未充分使用的現(xiàn)象， 人們提出了 頻譜空穴 的概念。 頻譜空穴是分配給 授權 用戶，但是在特定的時間和特定的地理位置沒有被 授權 用 戶使用的頻帶 6。如果允許 非授權 用戶使用 授權 用戶暫時 不 使用的授權頻 段 ， 可以顯著提高 無線電 頻譜的利用率。 為了促進頻譜的有效利用， 出 認知無線電（ 技術， 通過 認知用戶 持續(xù) 地 進行頻譜感知， 動態(tài)地 確定未使用的 授權 頻譜，然后 讓次用戶 在主用戶沒有出現(xiàn)的頻譜空穴中工作 ， 實現(xiàn)伺機頻譜共享 7。 2003 年 12 月， 定認知無線電作為實施伺 機頻譜共享的候選方案。然后，電氣與電子工程師協(xié)會（ 立了 作小 組 ， 對 無線 區(qū) 域網(wǎng)（ 的 標準 進行研究 ， 作 為在未使用的 視 頻段 上 的寬帶接入北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 2 方案 8。 該方案 不 會 對現(xiàn)有的主用戶（包括 電視 用戶和無線麥克風）造成有害干擾。 認知無線電 是 準的重要 組成 部分 ， 它 基于空中接口，以非授權的方式在 電視 廣播頻段上工作。這種新的通信模式叫做動態(tài)頻譜接入（ 者下一代（ 絡，可以有效提高頻譜的利用率 9。 將來， 新 的無線 用戶 將 使用先進的無線 電和信號處理技術， 根據(jù)新的頻譜分配政策，來支持新的無線用戶進入當 前擁擠的頻譜 環(huán)境 中，并且不降低現(xiàn)有 用戶的性能。如果認知無線電技術取得成功，將引起全世界范圍內頻譜分配政策的改革，并且 未 來能夠提供足夠的帶寬來支持高質量和高速率的無線產品和服務商。 論 研究 本 論 文 在 簡單 研究了認知無線電的背景和原理的基礎上 ，重點研究了 協(xié)作頻譜感知 技術 和壓縮感知 技術 的理論知識。 本節(jié)將對認知無線電、協(xié)作頻譜感知和壓縮感知進行簡單介紹。 知無線電 1991 年和 1998 年分別提出了 兩個新技術： 軟件無線電 （ 和認知 無線電。軟件無線電，通常是 指 支持多個空中接口和協(xié)議，可以 使用 數(shù) 字 信號處理（ 軟件或 者 通用 的 微處理器 進行 重構的多頻帶無線電 10。 認知無線電建立在軟件無線電 的 平臺 上，是 一種智能無線通信系統(tǒng) 。它通過感知周圍的 無線 通信 環(huán)境，使用人工智能 的 技術從 所處的 環(huán)境 中 學習， 及 時相應地改變特定的操作參數(shù)（如 調制策略 、 傳輸功率 和 載波頻率 等等 ），使 自己的 內部狀態(tài) 對 接收信號的統(tǒng)計 性 特征進行自適應的變化 ， 以 實現(xiàn) 兩個目 標 ： （ 1） 任何時間和地點的 通信 都具有非常高的可靠性 ；（ 2） 無線電頻譜 資源得到 有效利用 11。 認知無線電 需要 測量、感知、學習和留意無線電信道特征相關的參數(shù)、可用的頻譜和功率、無線電工作環(huán)境、用戶需求和應用、可用的網(wǎng)絡（基礎設施）和節(jié)點、 本地政策 和 其他工作限制。在認知無線電中，主用戶具有接入某 個 特定頻段的優(yōu)先權，次用戶具有較低的權限， 可以 在不對主用戶造成干擾的前提下使用該 頻段。因此，次用戶需要具備認知無線電能力，準確地 進行頻譜感知 來檢查 該頻段 是否正在被主用戶使用， 然后 改變無線電參數(shù)來使用頻譜 中 未被使用的部分。 北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 3 無 線 環(huán) 境頻 譜 分 析頻 譜 判 決頻 譜 感 知射 頻 刺 激頻 譜 空 穴 信 息信 道 容 量發(fā) 送 信 號頻 譜 空 穴 信 息圖 1知環(huán) 如圖 1示， 認知無線電包 括三個主要步驟：（ 1）頻譜感知：次用戶必須感知和監(jiān)控工作范圍內的無線電頻譜環(huán)境，來 檢測 沒有被主用戶占用的頻帶；（ 2）頻譜 分析 ： 對頻譜感知獲取 到 的頻譜空穴的 統(tǒng)計性 特 征 進行估計 ；（ 3） 頻譜判決 ：根據(jù)頻譜空穴的 統(tǒng)計性 特 征 和 次用戶的 傳輸需求，選擇 最佳 頻段進行數(shù)據(jù)傳輸。 作頻譜感知 通過 頻譜 感知和環(huán)境自適應， 認知用戶 可以使用頻譜空穴來為它的用戶提供服務，而不會對 主 用戶造成有害干擾。為此， 認知用戶 必須持續(xù)感知正在使用的頻譜，以便檢測主用戶的出現(xiàn)。 一旦檢測到主用戶， 認知用戶就要從該信道 離開，使其可能造成的 干擾最小化。 由于 各種主用戶在各種傳播環(huán)境中使用不同的調制方案、數(shù)據(jù)速率和傳輸功率，還會有其他的次用戶產生干擾 ，因此頻譜感知是一個非常困難的任務。實施頻譜感知的另一個巨大的挑戰(zhàn)是： 當 認知用戶 在陰影、嚴重的多徑衰落、或者具有很高的穿透損耗的建筑中，而附近有主用戶出現(xiàn)時，會出現(xiàn)隱藏終端問題 12。 協(xié)作 通信是克服無線系統(tǒng) 中隱藏終端問題 的有效 解決方案。協(xié)作通信最基本的觀念是： 在無線環(huán)境中，信號使用單天線從源 節(jié)點傳輸?shù)侥康墓?jié)點時，也會被其他的中繼 節(jié)點接收到。中繼 節(jié)點 處理并轉發(fā)它們接收到的信號。目的節(jié)點結合源節(jié)點和中 繼 節(jié)點 傳輸?shù)男盘?，利用從各個節(jié)點和傳輸路徑發(fā)送相同數(shù)據(jù)的結果，產生空間分集。此 時 ，節(jié)點之間的干擾可以通過分布式空間處理技術消除。在頻譜感知中，使用多個 認知用戶 進 協(xié)作 頻譜感知 ，可以有效解決隱藏終端問題。 實際上，認知無線電網(wǎng)絡中的協(xié)作頻譜感知與無線傳感器網(wǎng)絡中的分布式判決相似，每個傳感器做一個本地判決，所有的 本地 判決結果發(fā)送給融合中心（ 然后 根據(jù)某種融合規(guī)則來給出最后的判決。這兩種應用的主要區(qū)別取決于無線環(huán)境。與無線傳感器網(wǎng)絡相比， 認知用戶 和融合中心分布在更大的地理區(qū)域 中 13。感知信道（從 主用戶到認 知用戶 ）和報告信道（從 認知用戶 到 融合中北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 4 心 ）一般會經(jīng)歷衰落或者嚴重的陰影 ，因此無線環(huán)境的區(qū)別 給協(xié)作頻譜感知帶來了更多的挑戰(zhàn)性問題 。 當 具備了快速準確的 頻譜 感知能力， 認知用戶 可以伺機使用頻譜空穴 ，通過對授權頻譜進行重復利用來 提高頻譜 的 利用率。一旦主用戶重新接入授權頻 段 ，認知用戶 必須立即停止主用戶授權頻 段 上的工作。 認知用戶 的快速斷開保證了對主用戶系統(tǒng)的最小干擾。但是，從次用戶系統(tǒng)的觀點來看，間斷傳輸會導致不連續(xù)的數(shù)據(jù)服務和無法容忍的時延。為了解決這個問題， 人們 提 出了認知中繼網(wǎng)絡，分布式的認知用戶相互協(xié)作，共享不同 的頻段。 在認知中繼網(wǎng)絡中使用認知的空時頻（ 碼，可以實現(xiàn)認知系統(tǒng)中的無縫數(shù)據(jù)傳輸。 協(xié) 作 頻 譜 感 知本 地 感 知協(xié) 作 感 知匹 配 濾 波 器 檢 測能 量 檢 測循 環(huán) 平 穩(wěn) 檢 測協(xié) 方 差 檢 測數(shù) 據(jù) 融 合組 網(wǎng) 模 式硬 判 決軟 判 決與 判 決或 判 決K 秩 判 決集 中 式分 布 式外 部 協(xié) 作圖 1作頻譜感知 如圖 1示，協(xié)作頻譜感知主要包括 兩 個步驟：（ 1）本地頻譜感知：每個認知用戶 通過感知信道獨立地 進行本地 頻譜感知，然后把 感知 結果 通過控制 信道發(fā)送給融合中心 ； （ 2）數(shù)據(jù)融合：融合中心 接收 所有認知用戶的 本地頻譜 感知結果 ，然后 進行融合處理，得到最終的 頻譜 感知結果。 縮感知 信號或圖像采樣的傳統(tǒng)方法服從著名的香農定理：為了避免采 集信號時丟失信息，采樣率必須至少是信號中出現(xiàn)的最大頻率的兩倍 ， 即所謂的奈奎斯特速率14。實際上，這個原理幾乎是所有信號采集協(xié)議的基礎， 可以 用于 音頻和電子視頻、醫(yī)療圖像設備、無線電接收器等等。 對于某些信號，比如不是自然限帶的圖像 信號 ，采樣率由所需要的時間和空間分辨率決定。但是，這種系統(tǒng)在采樣前一般 會使用反混 淆低通濾波器來對信號進行限帶 。 因此，香農定理是一個隱含的規(guī)則。 在數(shù)據(jù)變換 領域，例如，標準模數(shù)轉換器（ 現(xiàn)通用的量化香農表示：信號以奈奎斯特速率或者更高的速率進行均勻采樣。 北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 5 壓縮感知（ 一種 新的感知模式，與眾所周知的數(shù)據(jù)采集方式不同。壓縮感知理論 指出 ，可以從遠少于傳統(tǒng)方法的采樣值或 者 測量值中恢復特定的信號和圖像。為使之成為可能，壓縮感知依賴于兩個原則：稀疏性，與觀測的信號有關；不相干性，與感知形式有關。 稀疏 性 表達的意思是，連續(xù)時間信號的信息速率可能遠小于它的帶寬，或者離散時間信號的自由度遠小于它的長度。更精確地講， 壓縮 感知 指出， 很多稀疏或者可壓縮的自然信號，當用合適的基底表示時，可以很簡單的表示出來。 不相干性擴展了時間和頻率的二元性，表達的意思是，對象在基底上具有稀疏表示，能夠在獲得它們的 域中進行展開，就像時域 中 的沖激或者尖峰信號在頻域 中 展開 一樣 。 壓 縮 感 知信 號 的 稀 疏 表 示觀 測 矩 陣 的 設 計信 號 重 構正 交 基 展 開 法多 尺 度 分 析 法過 完 備 字 典 表 示 法傅 里 葉 變 換小 波 變 換隨 機 測 量 矩 陣結 構 化 隨 機 測 量 矩 陣確 定 性 矩 陣高 斯 隨 機 測 量 矩 陣貝 努 利 隨 機 測 量 矩 陣亞 高 斯 隨 機 測 量 矩 陣非 常 稀 疏 投 影 矩 陣部 分 正 交 測 量 矩 陣部 分 哈 達 瑪 測 量 矩 陣循 環(huán) 測 量 矩 陣結 構 化 隨 機 矩 陣貪 婪 算 法 （ 匹 配 追 蹤 ）凸 優(yōu) 化 算 法 （ 基 追 蹤 ）圖 1縮感知 如圖 1示，壓縮感知主要包括三個步驟：（ 1）信號的稀疏表示：將非稀疏信號 進行適合的變換，得到信號的稀疏表示。（ 2）信號投影：將高維的稀疏信號投影到低維的空間。（ 3）信號重構：使用 重構 算法從低維信號中恢復原始信號。 作成果 本文在研究 了 協(xié)作頻譜感知和壓縮感知 的 理論知識的基礎上，提出了基于非理想控制信道的協(xié)作節(jié)點選擇算法，和基于壓縮協(xié)作頻譜感知的聯(lián)合 恢復算法。本節(jié)將對節(jié)點選擇算法和聯(lián)合恢復算法進行簡單介紹。 北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 6 于非理想控制信道的協(xié)作 節(jié)點選擇算法 首先， 考慮認知用戶與融合中心之間的控制信道是非理想的無線信道的實際情況，建立了協(xié)作頻譜感知的系統(tǒng)模型： （ 1）每個認知用戶通過感知信道獨立 地進行本地頻譜感知，然后對主用戶是否出現(xiàn)做二進制判決。（ 2）所有 的 認知用戶將各自 的 二進制 判決結果通過 非理想的 控制信道發(fā)送給融合中心。（ 3）融合中心接收所有認知用戶的本地判決結果， 進行數(shù)據(jù)融合，做出最終判決來推斷主用戶是否出現(xiàn)。 其次， 提出了 一種 基于非理想控制信道的 協(xié) 作節(jié)點選擇 算法 ，選擇在融合中心處等效檢測概率高的部分認知用戶進行協(xié)作頻譜感知。 認知用戶的本地頻譜感知采用能量檢測和硬判決的方式，融合中心的數(shù)據(jù)融合采用 則。 最后，對系統(tǒng)性能進行 分析和 仿真驗證，并進行總結。 仿真結果 顯示 ，在達到系統(tǒng)的目標誤警概率的要求下，選擇等效檢測概率高的部分認知用戶 參與 協(xié)作頻譜感知， 與 網(wǎng)絡中 所有認知用戶參與協(xié)作 頻譜感知的頻譜檢測性能 近似， 但 減少了向融合中心發(fā)送的 本地 判決 的數(shù) 量，減小了融合中心 進行數(shù)據(jù) 融合的時間，降低了判決閾值的精度要求，減小了系統(tǒng)的功耗。與隨機選擇部分認知 用戶進行協(xié)作 頻譜感知 相比，系統(tǒng)性能更好更穩(wěn)定。 于壓縮 協(xié)作頻譜 感知的聯(lián)合恢復算法 首先， 充分 利用每個認知用戶的 本地頻譜 感知結果是關于 所有 信道的線性組合的事實 ，建立了壓縮協(xié)作頻譜感知的系統(tǒng)模型： （ 1）融合中心選擇部分認知用戶進行協(xié)作頻譜感知。（ 2）選定的認知用戶隨機感知部分信道，并進行二進制判決，然后把 本地頻譜感知 結果 通過控制信道 發(fā)送給融合中心。（ 3） 融合中心 接收選定的認知用戶發(fā)送的本地頻譜感知結果， 進行數(shù)據(jù) 處理 ，做出最終判決來推斷主用戶是否出現(xiàn)。 其次， 提出了一種基于壓縮協(xié)作頻譜感知的聯(lián)合恢復 算法。 融合中心根據(jù) 所有 認知用戶的 本地頻譜感知 結果，結合壓縮感知的 信號重構 算法得到的結果進行聯(lián)合恢復。 參與協(xié)作頻譜感知的每個認知用戶隨機感知部分信道，得到關于所有信道的線性組合。融合中心處理所有認知用戶的 本地頻譜 感知結果，并利用壓縮感知的 信號 重構算法得到重構結果，結合兩種結果 得到最終的聯(lián)合恢復結果。 最后，對系統(tǒng) 性能進行 分析和 仿真驗證，并進行總結。 仿真結果 顯示 ，參與協(xié)作 頻譜 感知的每個認知用戶隨機感知部分信道，就可以達到理想的檢測概率和誤警概率， 同時 減少了每個認知用戶的感知負擔和融合中心的計算負 載 ，降低了系統(tǒng)的 功耗。 北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 7 文結構 本論文一共分為 六 章。第 一 章 簡單 描述 了認知無線電 技術 的 背景 和原理、 協(xié)作頻譜感知 技術 和 壓縮感知 技術 的理論知識， 以及 提出的節(jié)點選擇 算法 和 聯(lián)合恢復算法 。第 二 章 從協(xié)作通信技術、頻譜感知技術 和 協(xié)作感知 技術 三個方面 ， 詳細介紹 了 協(xié)作頻譜感知 技術 的理論知識 。第 三 章從信號的稀疏表示、測量矩陣的設計 和 信號重構算法三 個 方面 ， 詳細介紹了壓縮感知技術的理論知識。第 四 章 提出了基于非理想控制信道的協(xié)作節(jié)點選擇算法。第 五 章 提出 了基于壓縮協(xié)作頻譜感知的聯(lián)合恢復算法。第 六 章對本論文的工作進行 了 總結 與展望。 北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 8 第 二 章 協(xié)作頻譜感知技術 當認知用戶處于陰影中或者受到多徑衰落影響時 ， 可能會出現(xiàn)隱藏終端問題，這是頻譜感知 中的 一個重要 問題。 為了解決這個問題， 可以 使用多個認知用戶進行協(xié)作頻譜感知。協(xié)作頻譜感知可以大大增加衰落信道中的檢測概率。 本章將 研究 協(xié)作頻譜感知中的 協(xié)作通信技術，本地頻譜感知技術 和 協(xié)作 感知技術。 作通信 技術 傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡主要使用直接的點到點或者點到多點的拓撲結構。與傳統(tǒng)的點到點 通信相比，協(xié)作通信 允許一個無線網(wǎng)絡中的不同用戶或者節(jié)點共享資源，通過分布式傳輸或者處理來進行協(xié)作 。 在協(xié)作通信網(wǎng)絡中 ， 每個用戶的信息通過用戶自己和協(xié)作用戶來發(fā)送。 協(xié)作通信是一種新的通信模式，可以增加無線網(wǎng)絡的系統(tǒng)容量和復用增益。協(xié)作通信還實現(xiàn)了一種新的空間分集形式，來對抗衰落帶來的有害影響。 協(xié)作 通信 技術 主要有三種中繼 方式 ：放大轉發(fā)（ 解碼轉發(fā)（ 和 壓縮轉發(fā)（ 15。在放大轉發(fā)中， 中繼 節(jié)點首先對 接收 到的 信號 進行放大 ，然后 向 目的節(jié)點 進行轉發(fā) 。放大轉發(fā)的 優(yōu)勢是 原理很簡單、 實現(xiàn)成本低 ； 缺點是 對信號 進行放大 的 同時 ， 將噪聲 也一起 放大了。在解碼轉發(fā)中，中繼 節(jié)點首先 對 接收 到的 信號 進行解碼 ， 如果成功， 就 對信息進行重新編碼 和轉發(fā)。 在 壓縮轉發(fā) 中，中繼 節(jié)點首先 對接收到的信號進行估計，然后 壓縮、編碼、 轉發(fā)， 通過 估計值可以輔助目的節(jié)點實現(xiàn)原碼的解碼。 人 引入了用戶協(xié)作分集的概念，并進行了研究。 在實施用戶協(xié)作分集 時， 使用一對 全雙工的發(fā)送端用戶，兩個用戶 進 行協(xié)作，向一個公共的目的節(jié)點發(fā)送獨立的數(shù)據(jù)。當使用放大轉發(fā)時， 一 個用戶擔任另一個用戶的中繼。在特定的條件下， 解碼轉發(fā) 可以達到 平均信道容量。 寬帶無線電中 已經(jīng) 考慮使用協(xié)作通信技術，各種 02 標準中也 正 在進行調查研究。 準涉及的是室內環(huán) 境中未授權頻 段 的無線局域網(wǎng)（ 。 新 的一個版本 使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡， 使 進行更新來 實現(xiàn) 自 適應 配置和多跳拓撲。 網(wǎng)格點 作為 接入點 ，收集周圍網(wǎng)格點的信息，進行通信和轉發(fā)數(shù)據(jù)。 準 涉及的是 基于正交頻分復用（ 技術 、 正交頻分多址（ 技術 和單載波，位于10授權頻 段 上的固定無線城域網(wǎng)。 絡的修訂北京郵電 大學 碩士 學位畢業(yè)論文 多頻段認知無線電協(xié)同模型研究與設計 9 版，使用多跳中繼來增強覆蓋、吞吐量和系統(tǒng)容量。 譜感知技 術 目前頻譜感知 技術 的研究仍然處于發(fā)展階段，人們提出了很多種方法來識別主用戶信號 是否出現(xiàn)。在一些 方法中，通過檢測確定傳輸?shù)奶卣鱽砼?斷 信號傳輸和識別信號類型。 頻譜感知 的方法 主要 有 ：能量檢測 法 、 波形檢測 法 、循環(huán)平 穩(wěn)特征 檢測 法 、無線電識別檢測 法 和 匹配濾波檢測 法 等等 16。 本 節(jié) 將詳細 介紹 認知無線電中常用的幾種頻譜感知技術。 量檢測 能量檢測 法，也被稱為輻射線測定或者 周期圖，是頻譜感知最常用的方法 。能量檢測法具有較低的計算復雜度，也很 容易 實現(xiàn)。另外，由于能量檢測 不需要認知用戶 知道主用戶信號的任何信息， 因此是更通用的 方法 。 能量檢測法 通過將能量檢測器的輸出與本底噪聲 決定的閾值相比 來檢測信號?；谀芰繖z測器的頻譜感知的挑戰(zhàn)包括： （ 1） 檢測主用戶的閾值的選