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無(wú)線通信新技術(shù)調(diào)研報(bào)告 —認(rèn)知無(wú)線電中的頻譜感知技術(shù) 通信與信息系統(tǒng) 王勇 12120151 一、 認(rèn)知無(wú)線電的研究背景及意義 隨著信息時(shí)代的到來(lái)，無(wú)線頻譜已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的寶貴資源。它目前主要由國(guó)家統(tǒng)一分配授權(quán)使用，一個(gè)頻段一般只能供一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)獨(dú)立使用，這種靜態(tài)的無(wú)線頻譜管理方式，簡(jiǎn)單而有效的避免了不同無(wú)線通信系統(tǒng)間的相互干擾。但是在這些已分配的授權(quán)頻段與非授權(quán)頻段中存在著頻譜資源利用的不平衡性：一方面，授權(quán)頻段占用了整個(gè)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(kāi)放使用的非授權(quán)頻段占整個(gè)頻譜資源的很少一部分，但在該頻段上的用戶很多，業(yè)務(wù)量也很大，無(wú)線電頻段已基本趨于飽和。于是在無(wú)線和移動(dòng)通信迅速發(fā)展的今天，頻譜資源貧乏的問(wèn)題也顯得日益嚴(yán)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(shí)間段的空閑頻段，緩解不斷增長(zhǎng)的頻譜的需求矛盾，成為人們關(guān)注的問(wèn)題。 為了解決上述問(wèn)題，基本思路就是盡量提高現(xiàn)有已分配頻譜的利用率。于是，認(rèn)知無(wú)線電的概念應(yīng)運(yùn)而生。其基本思想是：具有認(rèn)知功能的無(wú)線通信設(shè)備可以按照某種“伺機(jī)（Opportunistic Way）”的方式接入授權(quán)的頻段內(nèi)，并動(dòng)態(tài)地利用頻譜。這種在空域、時(shí)域和頻域中出現(xiàn)的未被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空穴”。認(rèn)知無(wú)線電的核心思想就是使無(wú)線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“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(guò)對(duì)所在的無(wú)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(wú)線電系統(tǒng)的輸入部分，為以后的分析和決定做出依據(jù)。頻譜感知是認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的基本功能，是實(shí)現(xiàn)頻譜管理、頻譜共享等一系列認(rèn)知無(wú)線電功能的前提。 頻譜感知的目的是發(fā)現(xiàn)在時(shí)域、頻域、空域上的頻譜空穴，以便供認(rèn)知用戶以機(jī)會(huì)方式利用頻譜。認(rèn)知用戶是指未經(jīng)授權(quán)使用只有授權(quán)用戶才能使用的頻譜的用戶，主用戶則是獲得授權(quán)使用頻譜的用戶。為不對(duì)授權(quán)用戶造成有害干擾，認(rèn)知用戶需要能夠獨(dú)立地檢測(cè)出空閑頻譜及授權(quán)用戶的出現(xiàn)。這就要求認(rèn)知用戶能夠?qū)崟r(shí)地連續(xù)偵聽(tīng)頻譜，以提高檢測(cè)的可靠性。為對(duì)授權(quán)用戶不造成有害干擾，可靠檢測(cè)概率要求達(dá)到99.9%。 三、 頻譜感知技術(shù)存在的問(wèn)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(cè)方法，它設(shè)計(jì)復(fù)雜度低，采用技術(shù)成熟，易于實(shí)現(xiàn)。但其性能會(huì)隨著無(wú)線環(huán)境中多徑和陰影衰落引起的接收信號(hào)強(qiáng)度的減弱而降低，另外，檢測(cè)能力本身也有一定的限制。 傳統(tǒng)的解決方案，比如合作式的頻譜感知方法，它通過(guò)綜合多個(gè)認(rèn)知用戶的感知信息來(lái)提高頻譜的感知能力，避免“隱蔽終端”的問(wèn)題，而且可以減少檢測(cè)時(shí)間，從而提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性。 最新研究還表明采用物理層和MAC層聯(lián)合感知的跨層設(shè)計(jì)方法可極大地提高頻譜感知能力。這種方法通過(guò)增強(qiáng)無(wú)線射頻前端靈敏度，同時(shí)利用數(shù)字信號(hào)處理增益及用戶間的合作來(lái)提高感知能力，正越來(lái)越受到人們的關(guān)注。另外，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)提出了一個(gè)新概念--干擾溫度?；谶@個(gè)概念又衍生出了基于干擾溫度的感知方法。干擾溫度是認(rèn)知用戶在感知頻帶內(nèi)已有通信的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)自己的傳輸將對(duì)主用戶產(chǎn)生的干擾。只要認(rèn)知用戶造成的干擾溫度不超過(guò)干擾溫度限，感知用戶通過(guò)調(diào)整自己的參數(shù)(如發(fā)射功率、調(diào)制方式等)就可以使用這個(gè)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(gè)方面來(lái)考慮:一是控制各系統(tǒng)間的干擾。二是適應(yīng)復(fù)雜多變的無(wú)線傳播環(huán)境。三是認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)自身效率的提高。 傳統(tǒng)的單點(diǎn)頻譜感知技術(shù)包括：匹配濾波器檢測(cè)、能量檢測(cè)、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)。在此不做過(guò)多的敘述。下面講一下先進(jìn)的合作式頻譜感知技術(shù)。 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(wú)法解決的隱蔽終端、深度衰減、多徑陰影等問(wèn)題。它最早由CabrieD、Mishra和BrodersenR在文獻(xiàn)中提出，主要分為集中式和分布式兩種。目前對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的合作式頻譜感知技術(shù)的研究主要著眼于集中式的方式，分布于不同位置的多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)先獨(dú)立進(jìn)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(guò)對(duì)收到的來(lái)自各個(gè)地方節(jié)點(diǎn)的感知信息進(jìn)行融合，最后給出授權(quán)用戶存在與否的最終判決。融合中心通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴▽⒌胤叫畔⒑喜?，并做出最終決策的這個(gè)過(guò)程叫感知信息的融合。根據(jù)本地節(jié)點(diǎn)所傳數(shù)據(jù)的不同形式，可以將數(shù)據(jù)融合分為兩類:如果本地節(jié)點(diǎn)傳送的是表征主用戶信號(hào)存在與否的1比特信息，把這種叫硬合并。如果本地節(jié)點(diǎn)傳送的是本地檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，則稱之為軟合并。由于硬合并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，傳輸開(kāi)銷(xiāo)小等優(yōu)點(diǎn)，本節(jié)將重點(diǎn)分析介紹三種經(jīng)典的硬合并融合準(zhǔn)則。 集中式的合作式頻譜感知實(shí)現(xiàn)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(diǎn)分別獨(dú)立地根據(jù)觀測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行本地頻譜檢測(cè)，得到檢測(cè)結(jié)果。 （2）各個(gè)本地節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)控制信道傳送至融合中心。 （3）融合中心對(duì)接收到的本地檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行合并，做出主用戶信號(hào)是否存在的最終判決， 并將結(jié)果通過(guò)控制信道返回給各地方節(jié)點(diǎn)。 目前，對(duì)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(zhǔn)則 算法如下： 假設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)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(cè)概率和丟失概率分別為： 其中，表示參與合作的本地節(jié)點(diǎn)數(shù)。 假設(shè)先驗(yàn)概率，則全局判決的錯(cuò)誤概率為： 4.2、“或”準(zhǔn)則 假設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)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(cè)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(diǎn)個(gè)數(shù)。 仍然假設(shè)先驗(yàn)概率，則全局判決的錯(cuò)誤概率為： 4.3、“K秩”法 “K秩”法的假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦滤荆? 其中為地方第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果。 假設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)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(cè)概率和丟失概率分別為： 五、 仿真結(jié)果比較 此合作式檢測(cè)仿真也是利用Matlab平臺(tái)，在信號(hào)帶寬，采樣頻率，重復(fù)次數(shù)count=5000下進(jìn)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(duì)理論值和仿真值進(jìn)行對(duì)比。下圖5-1為“and”融合準(zhǔn)則檢測(cè)在相同的信噪比下，不同用戶間進(jìn)行理論值和仿真值進(jìn)行的對(duì)比： 圖5-1 “and”融合準(zhǔn)則在相同信噪比不同用戶下理論值和仿真值的對(duì)比 從圖5-1可以看出，“and”融合準(zhǔn)則檢測(cè)的仿真值的落點(diǎn)在理論值曲線的周?chē)?，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(zhǔn)則檢測(cè)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(cè)概率也隨之增加。 下圖5-2為“or”融合準(zhǔn)則檢測(cè)在相同的信噪比下，不同用戶間進(jìn)行理論值和仿真值進(jìn)行的對(duì)比： 圖5-2 “or”融合準(zhǔn)則在相同信噪比不同用戶下理論值和仿真值的對(duì)比 從圖5-2可以看出，“or”融合準(zhǔn)則檢測(cè)的仿真值的落點(diǎn)在理論值曲線的周?chē)?，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(zhǔn)則檢測(cè)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(cè)概率也隨之增加。 下圖5-3為“and”融合準(zhǔn)則檢測(cè)和“or”融合準(zhǔn)則檢測(cè)在相同的信噪比和相同的用戶數(shù)情況下的仿真值的對(duì)比。同時(shí)，還有在相同信噪比情況下，這兩種檢測(cè)法在5用戶數(shù)的仿真值與單用戶的理論值的對(duì)比，如下圖： 圖5-3 相同信噪比下5用戶“and”檢測(cè)仿真與5用戶“or”檢測(cè)仿真與單用戶理論對(duì)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(zhǔn)則檢測(cè)和5用戶的“or”融合準(zhǔn)則檢測(cè)比單用戶檢測(cè)的檢測(cè)概率要高。 六、 未來(lái)研究展望 認(rèn)知無(wú)線電是一項(xiàng)極其復(fù)雜的技術(shù)，將認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用于機(jī)會(huì)頻譜接入僅是認(rèn)知無(wú)線電研究?jī)?nèi)容的一部分。雖然信號(hào)檢測(cè)已經(jīng)是一項(xiàng)較成熟的技術(shù)，但是在認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)無(wú)線頻譜感知中還存在諸多需要解決的信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題。本文對(duì)主用戶信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究工作只是認(rèn)知無(wú)線電中無(wú)線頻譜感知中的一小部分。后續(xù)的研究工作有： （1）當(dāng)前對(duì)認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知技術(shù)的大量研究，都是基于主用戶信號(hào)的中心頻率、帶寬及其他特征和參數(shù)已知情況下的信號(hào)檢測(cè)。這些研究對(duì)于如 IEEE802.22 無(wú)線區(qū)域網(wǎng)應(yīng)用而言是合理的。然而對(duì)于更一般的情況，即對(duì)頻譜感知頻段內(nèi)主用戶信號(hào)的分布及參數(shù)未知的情況，如何實(shí)現(xiàn)可靠的主用戶信號(hào)檢測(cè)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(jì)算復(fù)雜度增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本。如何簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)寬帶頻譜感知，依然是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。受無(wú)線傳播衰落影響，單個(gè)用戶的寬帶頻譜感知并不能很好的反映無(wú)線頻譜的利用情況，通過(guò)多用戶協(xié)作提高寬帶頻譜感知的可靠性，有待進(jìn)一步深入的研究。 （2）安全技術(shù)一直是網(wǎng)絡(luò)通信研究的重點(diǎn)，在動(dòng)態(tài)頻譜接入中同樣存在安全問(wèn)題。無(wú)線頻譜資源是無(wú)線通信的基礎(chǔ)，是寶貴而有限的。常用的檢測(cè)算法僅通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的分析并不能完全確定信號(hào)發(fā)射者的性質(zhì)。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(jí)。無(wú)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(xiàn)實(shí)意義。 （3）傳統(tǒng)的協(xié)作感知方法，利用中心節(jié)點(diǎn)對(duì)檢測(cè)信息融合獲得空間分集。這種方法在中心控制式網(wǎng)絡(luò)，如 IEEE802.22 無(wú)線接入網(wǎng)中容易實(shí)現(xiàn)。在一些無(wú)線應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是分布式的。如果利用分布式多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果擴(kuò)展到面，獲得一定區(qū)域內(nèi)的頻譜利用狀況，那么可以通過(guò)合理的無(wú)線頻譜分配獲得網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的提高，同時(shí)可以為主用戶提供更好保護(hù)。如何在這種分布式網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行協(xié)作感知，還需要做進(jìn)一步的工作。 （4）通信應(yīng)用的上層需求制約了底層通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，而主用戶信號(hào)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)與底層協(xié)議尤其是 MAC 協(xié)議息息相關(guān)。將主用戶信號(hào)檢測(cè)技術(shù)嵌入到MAC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合最優(yōu)設(shè)計(jì)以提供良好的檢測(cè)和傳輸性能，是我們下一步研究的主要課題。 參考文獻(xiàn) [1] 陳東.認(rèn)知無(wú)線電中無(wú)線頻譜感知技術(shù)的研究 [D].西安電子科技大學(xué)，2009. 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