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無線通信新技術(shù)調(diào)研報告 —認知無線電中的頻譜感知技術(shù) 通信與信息系統(tǒng) 王勇 12120151 一、 認知無線電的研究背景及意義 隨著信息時代的到來，無線頻譜已成為現(xiàn)代社會不可或缺的寶貴資源。它目前主要由國家統(tǒng)一分配授權(quán)使用，一個頻段一般只能供一個無線通信系統(tǒng)獨立使用，這種靜態(tài)的無線頻譜管理方式，簡單而有效的避免了不同無線通信系統(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，開放使用的非授權(quán)頻段占整個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，無線電頻段已基本趨于飽和。于是在無線和移動通信迅速發(fā)展的今天，頻譜資源貧乏的問題也顯得日益嚴重。因此，尋求一種更有效的頻譜管理方式，充分利用各地區(qū)、各時間段的空閑頻段，緩解不斷增長的頻譜的需求矛盾，成為人們關(guān)注的問題。 為了解決上述問題，基本思路就是盡量提高現(xiàn)有已分配頻譜的利用率。于是，認知無線電的概念應(yīng)運而生。其基本思想是：具有認知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“伺機（Opportunistic Way）”的方式接入授權(quán)的頻段內(nèi)，并動態(tài)地利用頻譜。這種在空域、時域和頻域中出現(xiàn)的未被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空穴”。認知無線電的核心思想就是使無線通信設(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 頻譜感知是通過對所在的無線電環(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)。頻譜感知是認知無線電系統(tǒng)的基本功能，是實現(xiàn)頻譜管理、頻譜共享等一系列認知無線電功能的前提。 頻譜感知的目的是發(fā)現(xiàn)在時域、頻域、空域上的頻譜空穴，以便供認知用戶以機會方式利用頻譜。認知用戶是指未經(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。為不對授權(quán)用戶造成有害干擾，認知用戶需要能夠獨立地檢測出空閑頻譜及授權(quán)用戶的出現(xiàn)。這就要求認知用戶能夠?qū)崟r地連續(xù)偵聽頻譜，以提高檢測的可靠性。為對授權(quán)用戶不造成有害干擾，可靠檢測概率要求達到99.9%。 三、 頻譜感知技術(shù)存在的問題以及解決方案 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方法，它設(shè)計復雜度低，采用技術(shù)成熟，易于實現(xiàn)。但其性能會隨著無線環(huán)境中多徑和陰影衰落引起的接收信號強度的減弱而降低，另外，檢測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，它通過綜合多個認知用戶的感知信息來提高頻譜的感知能力，避免“隱蔽終端”的問題，而且可以減少檢測時間，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)計方法可極大地提高頻譜感知能力。這種方法通過增強無線射頻前端靈敏度，同時利用數(shù)字信號處理增益及用戶間的合作來提高感知能力，正越來越受到人們的關(guān)注。另外，美國聯(lián)邦通信委員會提出了一個新概念--干擾溫度?；谶@個概念又衍生出了基于干擾溫度的感知方法。干擾溫度是認知用戶在感知頻帶內(nèi)已有通信的基礎(chǔ)上預測自己的傳輸將對主用戶產(chǎn)生的干擾。只要認知用戶造成的干擾溫度不超過干擾溫度限，感知用戶通過調(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方面來考慮:一是控制各系統(tǒng)間的干擾。二是適應(yīng)復雜多變的無線傳播環(huán)境。三是認知無線電系統(tǒng)自身效率的提高。 傳統(tǒng)的單點頻譜感知技術(shù)包括：匹配濾波器檢測、能量檢測、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測。在此不做過多的敘述。下面講一下先進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法解決的隱蔽終端、深度衰減、多徑陰影等問題。它最早由CabrieD、Mishra和BrodersenR在文獻中提出，主要分為集中式和分布式兩種。目前對認知無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感知節(jié)點先獨立進行本地感知，并將感知的信息傳送給融合中心，融合中心通過對收到的來自各個地方節(jié)點的感知信息進行融合，最后給出授權(quán)用戶存在與否的最終判決。融合中心通過適當?shù)乃惴▽⒌胤叫畔⒑喜?，并做出最終決策的這個過程叫感知信息的融合。根據(jù)本地節(jié)點所傳數(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)點傳送的是表征主用戶信號存在與否的1比特信息，把這種叫硬合并。如果本地節(jié)點傳送的是本地檢測到的數(shù)據(jù)信息，則稱之為軟合并。由于硬合并實現(xiàn)簡單，傳輸開銷小等優(yōu)點，本節(jié)將重點分析介紹三種經(jīng)典的硬合并融合準則。 集中式的合作式頻譜感知實現(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)點分別獨立地根據(jù)觀測到的信號進行本地頻譜檢測，得到檢測結(jié)果。 （2）各個本地節(jié)點將檢測結(jié)果。通過控制信道傳送至融合中心。 （3）融合中心對接收到的本地檢測結(jié)果進行合并，做出主用戶信號是否存在的最終判決， 并將結(jié)果通過控制信道返回給各地方節(jié)點。 目前，對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”準則 算法如下： 假設(shè)第i個節(jié)點的檢測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、檢測概率和丟失概率分別為： 其中，表示參與合作的本地節(jié)點數(shù)。 假設(shè)先驗概率，則全局判決的錯誤概率為： 4.2、“或”準則 假設(shè)第i個節(jié)點的檢測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)點個數(shù)。 仍然假設(shè)先驗概率，則全局判決的錯誤概率為： 4.3、“K秩”法 “K秩”法的假設(shè)檢驗模型如下所示： 其中為地方第i個節(jié)點的判決結(jié)果。 假設(shè)第i個節(jié)點的檢測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，檢測概率和丟失概率分別為： 五、 仿真結(jié)果比較 此合作式檢測仿真也是利用Matlab平臺，在信號帶寬，采樣頻率，重復次數(shù)count=5000下進行的。其中，取了單用戶、3用戶和5用戶在相同的信噪比-8dB下，對理論值和仿真值進行對比。下圖5-1為“and”融合準則檢測在相同的信噪比下，不同用戶間進行理論值和仿真值進行的對比： 圖5-1 “and”融合準則在相同信噪比不同用戶下理論值和仿真值的對比 從圖5-1可以看出，“and”融合準則檢測的仿真值的落點在理論值曲線的周圍，與其基本上吻合，所以此仿真值是可信的。 圖5-1表明“and”融合準則檢測在相同信噪比和相同虛警概率的情況下，隨著用戶的增多，其檢測概率也隨之增加。 下圖5-2為“or”融合準則檢測在相同的信噪比下，不同用戶間進行理論值和仿真值進行的對比： 圖5-2 “or”融合準則在相同信噪比不同用戶下理論值和仿真值的對比 從圖5-2可以看出，“or”融合準則檢測的仿真值的落點在理論值曲線的周圍，與其基本上吻合，所以此仿真值是可信的。 圖5-2表明“or”融合準則檢測在相同信噪比和相同虛警概率的情況下，隨著用戶的增多，其檢測概率也隨之增加。 下圖5-3為“and”融合準則檢測和“or”融合準則檢測在相同的信噪比和相同的用戶數(shù)情況下的仿真值的對比。同時，還有在相同信噪比情況下，這兩種檢測法在5用戶數(shù)的仿真值與單用戶的理論值的對比，如下圖： 圖5-3 相同信噪比下5用戶“and”檢測仿真與5用戶“or”檢測仿真與單用戶理論對比 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”融合準則檢測和5用戶的“or”融合準則檢測比單用戶檢測的檢測概率要高。 六、 未來研究展望 認知無線電是一項極其復雜的技術(shù)，將認知無線電應(yīng)用于機會頻譜接入僅是認知無線電研究內(nèi)容的一部分。雖然信號檢測已經(jīng)是一項較成熟的技術(shù)，但是在認知無線電系統(tǒng)無線頻譜感知中還存在諸多需要解決的信號檢測問題。本文對主用戶信號檢測技術(shù)的研究工作只是認知無線電中無線頻譜感知中的一小部分。后續(xù)的研究工作有： （1）當前對認知無線電頻譜感知技術(shù)的大量研究，都是基于主用戶信號的中心頻率、帶寬及其他特征和參數(shù)已知情況下的信號檢測。這些研究對于如 IEEE802.22 無線區(qū)域網(wǎng)應(yīng)用而言是合理的。然而對于更一般的情況，即對頻譜感知頻段內(nèi)主用戶信號的分布及參數(shù)未知的情況，如何實現(xiàn)可靠的主用戶信號檢測的研究并不多。寬帶頻譜感知是一種可行的方法，但極高的計算復雜度增加了系統(tǒng)實現(xiàn)的成本。如何簡單有效的實現(xiàn)寬帶頻譜感知，依然是一個需要解決的問題。受無線傳播衰落影響，單個用戶的寬帶頻譜感知并不能很好的反映無線頻譜的利用情況，通過多用戶協(xié)作提高寬帶頻譜感知的可靠性，有待進一步深入的研究。 （2）安全技術(shù)一直是網(wǎng)絡(luò)通信研究的重點，在動態(tài)頻譜接入中同樣存在安全問題。無線頻譜資源是無線通信的基礎(chǔ)，是寶貴而有限的。常用的檢測算法僅通過對接收信號的分析并不能完全確定信號發(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。無線頻譜接入規(guī)則和次用戶身份鑒定等方面的研究具有重要的現(xiàn)實意義。 （3）傳統(tǒng)的協(xié)作感知方法，利用中心節(jié)點對檢測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 無線接入網(wǎng)中容易實現(xiàn)。在一些無線應(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，將傳統(tǒng)點的檢測結(jié)果擴展到面，獲得一定區(qū)域內(nèi)的頻譜利用狀況，那么可以通過合理的無線頻譜分配獲得網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的提高，同時可以為主用戶提供更好保護。如何在這種分布式網(wǎng)絡(luò)中進行協(xié)作感知，還需要做進一步的工作。 （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，而主用戶信號檢測的實現(xiàn)與底層協(xié)議尤其是 MAC 協(xié)議息息相關(guān)。將主用戶信號檢測技術(shù)嵌入到MAC 協(xié)議實現(xiàn)上，實現(xiàn)聯(lián)合最優(yōu)設(shè)計以提供良好的檢測和傳輸性能，是我們下一步研究的主要課題。 參考文獻 [1] 陳東.認知無線電中無線頻譜感知技術(shù)的研究 [D].西安電子科技大學，2009. 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