頻譜感知技術(shù)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　中文摘要</b></p><p>　　認(rèn)知無線電技術(shù)（Cognitive Radio）是一種新穎的通信技術(shù)，它能有效地緩和現(xiàn)有固定頻譜管理方式導(dǎo)致的頻譜稀缺問題，被認(rèn)為是下一代最具潛力的通信技術(shù)之一。頻譜感知作為認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)之一，它能檢測周圍空間的頻譜空洞，為認(rèn)知無線用戶提供可利用的頻譜；監(jiān)視授權(quán)用戶的出現(xiàn)，以防止對授權(quán)用戶干擾。</p>

2、<p>　　現(xiàn)階段對頻譜感知技術(shù)的研究主要集中在提高頻譜檢測準(zhǔn)確度上，而對頻譜檢測面臨的安全問題的研究甚少。本文在詳細(xì)分析現(xiàn)有單節(jié)點(diǎn)頻譜檢測技術(shù)，深入研究多節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知的網(wǎng)絡(luò)框架、數(shù)據(jù)融合技術(shù)和信號檢測理論的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了頻譜檢測過程中的數(shù)據(jù)混淆攻擊（SSDF）問題，提出了基于信譽(yù)的權(quán)重序貫對數(shù)似然比算法（AWSPRT）。在AWSPRT算法中，我們主要有兩個(gè)貢獻(xiàn)點(diǎn)：首先提出了基于檢測準(zhǔn)確度得信譽(yù)更新算法。它能有效反映認(rèn)知用

3、戶檢測信息的可靠性，其次根據(jù)授權(quán)用戶占用信道時(shí)間的特點(diǎn)，提出了惡意用戶剔除方法。仿真中，我們利用matlab對AWSPRT算法和現(xiàn)有4種算法進(jìn)行了分析比較，結(jié)果顯示，我們算法是在SSDF攻擊下檢測準(zhǔn)確度最高，最穩(wěn)定的算法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電;頻譜感知;序貫對數(shù)似然比檢測;數(shù)據(jù)混淆攻擊。 Abstract</p><p>

4、;　　Cognitive radio technology is a revolutionary new communication technology that promises to solve the spectrum shortage problem led by existing fixed spectrum management, and has been considered as one of the most pr

5、omising communication technologies in the next generation. Spectrum sensing which is one of the key technologies in cognitive radio can detect the spectrum hole to provide secondary users with available spectrums, and mo

6、nitor the appearance of primary users to avoid interference.</p><p>　　Most of current spectrum sensing studies mainly focus on the detection ratio improvement, and pay little attention to the security issue

7、 in spectrum sensing In this paper, we analyze the single-node-based spectrum sensing technology, and investigate the network framework, the data fusion technology, and signal detection theory in Multi-node cooperative s

8、pectrum sensing technologies. Based on the above research, we focus on the spectrum sensing data falsification (SSDF) attack problem, and propo</p><p>　　Key words：Cognitive Radio; Spectrum sensing; Sequentia

9、l Log-likelihood Ratio Test; spectrum sensing data falsification (SSDF).</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　中文摘要……………..I</p><p>　　Abstract………………..II</p><p>　　第一

10、章.緒論……………1</p><p>　　1.1.研究背景及意義1</p><p>　　1.2.本文的研究工作及章節(jié)安排2</p><p>　　第二章.認(rèn)知無線電概述3</p><p>　　2.1.認(rèn)知無線電定義及特征4</p><p>　　2.2.認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)4</p><p

11、>　　2.2.1頻譜感知4</p><p>　　2.2.2.頻譜管理5</p><p>　　2.2.3.頻譜共享6</p><p>　　2.2.4.頻譜移動性8</p><p>　　2.3.認(rèn)知無線電研究現(xiàn)狀9</p><p>　　第三章.頻譜感知技術(shù)12</p><p>　

12、　3.1.單節(jié)點(diǎn)頻譜感知技術(shù)12</p><p>　　3.1.1.能量檢測13</p><p>　　3.1.2.匹配濾波器檢測15</p><p>　　3.1.3.循環(huán)平穩(wěn)特性檢測15</p><p>　　3.1.4.單節(jié)點(diǎn)頻譜感知小結(jié)16</p><p>　　3.2.多節(jié)點(diǎn)協(xié)作頻譜感知技術(shù)16<

13、/p><p>　　3.2.1.協(xié)作頻譜感知框架17</p><p>　　3.2.2.協(xié)作頻譜感知數(shù)據(jù)融合技術(shù)19</p><p>　　3.2.3.協(xié)作頻譜感知統(tǒng)計(jì)信號檢測理論21</p><p>　　3.3.干擾溫度檢測25</p><p>　　第四章 基于信譽(yù)的權(quán)重序貫對數(shù)似然比的協(xié)作頻譜檢測算 </

14、p><p>　　4.1.認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜檢測安全性概述27</p><p>　　4.2.系統(tǒng)模型與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析30</p><p>　　4.3基于信譽(yù)的序貫似然比檢測算法31</p><p>　　4.3.1.信譽(yù)及權(quán)重更新32</p><p>　　4.3.2.權(quán)重序貫對數(shù)似然比檢測34</p>

15、<p>　　4.3.3.惡意用戶剔除35</p><p>　　4.3.4.算法流程35</p><p>　　4.3.仿真結(jié)果及分析37</p><p>　　第五章.總結(jié)……………42</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………43</p><p>　　附錄…………………..45</p>

16、<p>　　原文…………….45</p><p>　　致謝………….64</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　研究背景及意義</b></p><p>　　無線頻譜資源是一種珍貴的自然資源，隨著無線技術(shù)的飛速發(fā)展，移動高速數(shù)據(jù)網(wǎng)，無線多媒體應(yīng)用等高數(shù)

17、據(jù)率需求的無線應(yīng)用已廣泛部署，無線應(yīng)用對頻譜需求也越來越高，在即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，所有物品都將通過無線聯(lián)網(wǎng)，無線用戶數(shù)量將呈爆發(fā)式增長，這對頻譜的需求也將隨之增長。如何利用有限的頻譜資源滿足各種無線的應(yīng)用頻譜需求已成為當(dāng)前熱門的研究課題。</p><p>　　現(xiàn)有的頻譜資源都是各國有關(guān)部門（如Federal Communications Commission）按照固定的頻譜分配方式給不同無線應(yīng)用分配合適的頻段。

18、固定的頻譜分配方式規(guī)范了無線頻譜使用權(quán)問題，能防止不同應(yīng)用之間的干擾。但是這種頻譜分配方式缺乏靈活性。當(dāng)頻帶指定給固定授權(quán)用戶后，即使授權(quán)用戶沒有利用頻段，其他用戶也不能接入該頻段，這將造成頻譜資源的浪費(fèi)。根據(jù)FCC報(bào)告[1]，目前可用頻段大部分已經(jīng)分配完畢，可分配給新型無線應(yīng)用的空閑頻段將出現(xiàn)短缺，而各頻段的頻譜利用率僅在15%~85%之間（如圖1）。</p><p><b>　　圖 1 頻譜利用率

19、</b></p><p>　　物理頻譜資源的不足和頻譜資源利用率低下間的矛盾，促使人們探索新型頻譜接入方式。認(rèn)知無線電技術(shù)允許非授權(quán)用戶在不干擾授權(quán)用戶的情況下，動態(tài)的接入授權(quán)頻段和授權(quán)用戶共享頻段，從而提高頻譜利用率。近年來，認(rèn)知無線電技術(shù)受到了學(xué)術(shù)和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，如IEEE成立了802.22工作組，以制定基于認(rèn)知無線電技術(shù)的無線地域網(wǎng)（Wireless Regional Area Networ

20、ks）標(biāo)準(zhǔn)。目前認(rèn)知無線電技術(shù)被認(rèn)為是下一代最熱門的無線技術(shù)之一。</p><p>　　頻譜感知是在認(rèn)知無線電技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，認(rèn)知無線電必須能夠靈敏的感知外界環(huán)境，感知可利用頻譜空洞，為認(rèn)知用戶提供可利用頻段；檢測授權(quán)用戶的出現(xiàn)，以避免對授權(quán)用戶的干擾。作為認(rèn)知無線電技術(shù)的必備技術(shù)，頻譜感知的研究對認(rèn)知無線電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有重大意義。</p><p>　　本文的研究工作及章節(jié)安排&l

21、t;/p><p>　　本文主要研究目前認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知所采用的各種檢測技術(shù)，協(xié)作檢測過程中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，分析協(xié)作頻譜感知過程中面臨的安全問題，并提了一種強(qiáng)健的協(xié)作檢測算法。全文總體章節(jié)安排如下：第一章簡要介紹了頻譜檢測的研究背景，并概述了本文研究工作。第二章我們簡要概述認(rèn)知無線電的四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀。第三章詳細(xì)介紹了三類頻譜檢測方法：單節(jié)點(diǎn)頻譜檢測、協(xié)作頻譜檢測和基于干擾溫度的檢測。第四章我們簡要概述

22、了分布式協(xié)作頻譜面臨的安全問題，并針對SSDF攻擊，提出了基于信譽(yù)的權(quán)重序貫對數(shù)似然比檢測算法。第五章總結(jié)全文。</p><p><b>　　認(rèn)知無線電概述</b></p><p>　　認(rèn)知無線電定義及特征</p><p>　　認(rèn)知無線技術(shù)是一種可以動態(tài)利用頻譜資源的新型無線電技術(shù)，是由Mitlla III博士在其博士論文中首次提出。目前廣泛認(rèn)

23、可的認(rèn)知無線電定義主要有兩種： Haykin Simon和FCC對認(rèn)知無線電的定義。</p><p>　　Haykin Simon[2]：“認(rèn)知無線電是一個(gè)智能無線通信系統(tǒng)，他可以感知外界環(huán)境，通過理解、學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)的改變某些操作參數(shù)（如傳輸功率、載波頻率、調(diào)制技術(shù)等）使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計(jì)變化，以到達(dá)以下目的——任何時(shí)間，任何地點(diǎn)高度可靠的通信，及高效利用頻譜資源[2]”。</p>

24、<p>　　FCC的定義[1]：“認(rèn)知無線電是一種能根據(jù)與它的操作環(huán)境之間的交互來改變傳輸參數(shù)的無線電技術(shù)”。</p><p>　　從上述兩個(gè)定義，我們可以總結(jié)出認(rèn)知無線電的兩個(gè)主要特征：認(rèn)知能力，重配置能力。</p><p>　　認(rèn)知能力指認(rèn)知無線電技術(shù)能夠從周圍環(huán)境中感知信息，這種信息不僅僅是簡單的頻譜寬帶、功率等信息，而是一種更加精密的，能夠反映空間無線環(huán)境瞬時(shí)變化的信息。

25、認(rèn)知能力使認(rèn)知無線電技術(shù)用戶能夠檢測出未被利用的頻譜，選擇出最佳的可利用的頻帶。認(rèn)知過程主要包含三個(gè)步驟（如圖2）：頻譜感知，頻譜決策和頻譜分析。頻譜感知，使用戶能檢測空間未利用的頻譜，監(jiān)視授權(quán)用戶的出現(xiàn)；頻譜分析，是指對可用頻譜段的帶寬、信道質(zhì)量等信道信息的分析過程；頻譜決策，指根據(jù)用戶需求、QoS和可利用頻譜的特性等決定調(diào)制模型、帶寬、概率等參數(shù)。</p><p><b>　　圖 2 認(rèn)知循環(huán)<

26、;/b></p><p>　　重配置能力指認(rèn)知無線電技術(shù)能夠根據(jù)其操作環(huán)境，在不改變?nèi)魏斡布那闆r下，動態(tài)的調(diào)整自身傳輸參數(shù)（如操作頻率、調(diào)制方式、傳輸功率等）。使得認(rèn)知無線電技術(shù)用戶可以隨時(shí)在所用頻譜空洞中選擇最好的信道接入，以更好的利用頻譜，提高頻譜利用率。</p><p><b>　　認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)</b></p><p>　　

27、認(rèn)知無線電技術(shù)是高度智能化的現(xiàn)代通信技術(shù)，它能檢測并動態(tài)利用空間空閑頻譜。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，認(rèn)知無線用戶需要感知外界環(huán)境，調(diào)節(jié)自身傳輸參數(shù)，以在授權(quán)信道空閑時(shí)接入信道以避免對授權(quán)用戶的干擾。這個(gè)過程涉及到的技術(shù)主要有[3]：頻譜感知、頻譜移動性、頻譜共享、頻譜管理。本節(jié)我們將詳細(xì)介紹這四種關(guān)鍵技術(shù)。</p><p><b>　　頻譜感知</b></p><p>　　頻譜

28、感知作為認(rèn)知無線電技術(shù)的主要組成部分，其主要任務(wù)是感知空間頻譜利用情況、檢測授權(quán)用戶的出現(xiàn)，以防止對授權(quán)用戶的干擾、提高頻譜利用率。頻譜檢測可以分為單節(jié)點(diǎn)頻譜感知和多用戶協(xié)作感知。</p><p>　　單節(jié)點(diǎn)頻譜感知主要有能量檢測、匹配濾波器檢測、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測、波形檢測等。在應(yīng)用中，單節(jié)點(diǎn)頻譜感知的檢測性能可能受多徑衰落、陰影效應(yīng)等影響?，F(xiàn)有研究顯示，協(xié)作頻譜感知可以大大減輕多徑衰落、陰影相應(yīng)對頻譜感知準(zhǔn)確度

29、的影響，它能利用信號的空間分布特性，提高頻譜檢測性能，降低對設(shè)備的要求，但在協(xié)作頻譜檢測過程中需要額外的通信開銷（如感知信息交換開銷）。具體的頻譜感知技術(shù)我們將在第三章詳細(xì)介紹。</p><p><b>　　頻譜管理</b></p><p>　　在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，頻譜感知檢測到的空閑頻譜可能分布在很寬的范圍。由于無線環(huán)境的時(shí)變性，這些頻段所展示的特征也是時(shí)變的。由于

30、認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)需要選擇最佳的頻譜，以滿足用戶的QoS需求，因此，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)全新的，能考慮動態(tài)頻譜特性和用戶需求的頻譜管理技術(shù)。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜管理技術(shù)分為圖2所示的頻譜感知、頻譜分析、頻譜決策，本小節(jié)我們將介紹其中的頻譜分析和頻譜決策兩部分。</p><p><b>　　頻譜分析</b></p><p>　　在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，可利用的頻譜空洞的特性是時(shí)

31、變的，頻譜分析可以使認(rèn)知用戶了解不同頻段的特性，以便用戶能選擇最好的頻段。在頻譜分析階段，認(rèn)知用戶需要對每個(gè)頻譜空洞的信道特征、授權(quán)用戶激活情況、頻譜帶寬信息等進(jìn)行分析。也即分析信道干擾、路徑衰落、無線鏈路錯(cuò)誤、鏈路延遲、信道占用時(shí)間等。目前關(guān)于頻譜分析的研究僅僅只考慮信道容量的分析，而沒有將延遲、鏈路錯(cuò)誤、信道占有時(shí)間考慮進(jìn)去，如何綜合考慮上述這些特性的頻譜分析方案還有待研究。</p><p><b>

32、;　　頻譜決策</b></p><p>　　經(jīng)過頻譜分析后，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)了解了可用頻譜的特性，它能根據(jù)用戶的需求如數(shù)據(jù)傳輸速率、可接受的錯(cuò)誤率，延遲及傳輸模型等來選擇最佳的通信頻段。目前為止，頻譜決策依然是個(gè)未被充分研究的領(lǐng)域。</p><p><b>　　頻譜共享</b></p><p>　　認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)要求認(rèn)知用戶和授權(quán)用

33、戶在同一空間內(nèi)和諧共處，認(rèn)知無線電中的頻譜共享技術(shù)是一種可以使認(rèn)知用戶能夠和該地區(qū)授權(quán)用戶實(shí)現(xiàn)無干擾的頻譜資源共用的技術(shù)。現(xiàn)有的頻譜共享技術(shù)可按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、頻譜分配行為、頻譜接入技術(shù)分為三類。</p><p><b>　　按網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分類</b></p><p>　　按照這種分類方式頻譜共享技術(shù)可以分為集中式頻譜共享和分布式頻譜共享。集中式頻譜共享技術(shù)網(wǎng)絡(luò)由控制中心和用

34、戶組成，其中控制中心實(shí)現(xiàn)頻譜資源分配和用戶接入控制，網(wǎng)絡(luò)中用戶將自己的感知信息發(fā)送到控制中心，由控制中心分配頻譜。分布式頻譜共享技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)用戶都可以根據(jù)本地策略獨(dú)立的分配頻譜帶寬。</p><p><b>　　按頻譜接入行為分類</b></p><p>　　按照這種分類方式，頻譜共享技術(shù)可以分為協(xié)作頻譜共享技術(shù)和非協(xié)作頻譜共享技術(shù)。協(xié)作頻譜共享技術(shù)考慮每個(gè)用戶在

35、通信過程中對其它用戶的干擾和影響，每個(gè)用戶都與其他用戶共享信息。非協(xié)作頻譜共享技術(shù)是一種自私的頻譜共享技術(shù)，它只考慮自身的利益，而不考慮對其他用戶的干擾情況，這可能導(dǎo)致用戶之間的干擾，從而造成頻譜利用率的降低，但其對節(jié)點(diǎn)的通信要求相對較低。</p><p><b>　　按頻譜接入技術(shù)分類</b></p><p>　　圖 3 填充式頻譜共享技術(shù)</p>&

36、lt;p>　　圖 4 墊底式頻譜共享技術(shù)</p><p>　　按頻譜接入技術(shù)分類，頻譜共享技術(shù)可以分為填充式頻譜共享技術(shù)（ 圖3）和墊底式頻譜共享技術(shù)（圖4）; 其中圖3和4中PU指Primary Use，即授權(quán)用戶；SU為Seconder User，即認(rèn)知用戶；橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為功率譜密度。</p><p>　　填充式頻譜共享技術(shù)指認(rèn)知用戶可以較大功率利用未被授權(quán)用戶利用的空閑

37、頻段接入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)授權(quán)信號出現(xiàn)時(shí)，認(rèn)知用戶切換到其他頻段。由于認(rèn)知用戶所用總是利用無授權(quán)信號存在的空閑頻段，所以認(rèn)知用戶不會干擾授權(quán)用戶的正常通信，目前這種頻譜共享技術(shù)被認(rèn)知無線電技術(shù)采用。</p><p>　　墊底式頻譜共享技術(shù)是指認(rèn)知用戶以很低的功率（通過擴(kuò)頻技術(shù)），利用較寬的頻帶接入網(wǎng)絡(luò)。由于認(rèn)知用戶接入頻帶的功率小于授權(quán)用戶可接受的干擾門限，授權(quán)用戶把認(rèn)知用戶傳輸?shù)男盘柈?dāng)成噪聲處理。而噪聲的門限不超過授權(quán)用

38、戶可接受的噪聲門限，因此所以可以認(rèn)為認(rèn)知用戶不過干擾授權(quán)用戶正常通信。目前墊底式頻譜共享技術(shù)現(xiàn)以廣泛應(yīng)用在Ultra-wide Bandwidth(UWB)無線通信中。</p><p><b>　　頻譜移動性</b></p><p><b>　　圖 5 頻譜移動性</b></p><p>　　認(rèn)知無線電技術(shù)要求認(rèn)知用戶可以

39、動態(tài)的選擇最佳的頻段通信，因此認(rèn)知用戶必須能捕獲最優(yōu)頻段，并切換其操作頻段。頻譜移動性也就是認(rèn)知用戶切換其操作頻率的過程，即頻譜切換，其切換過程如圖5所示。</p><p>　　在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)認(rèn)知用戶當(dāng)前所操作的頻段的信道狀況變壞，或者授權(quán)用戶出現(xiàn)時(shí)，認(rèn)知用戶需要將其工作頻段切換到其它合適的頻段。為實(shí)現(xiàn)平滑的頻譜切換，盡可能減小網(wǎng)絡(luò)性能在頻譜切換過程中的衰減，現(xiàn)有研究提出了跨層頻譜移動管理協(xié)議，這種協(xié)議可

40、以適應(yīng)于各種不同應(yīng)用協(xié)議下的移動管理。如使TCP連接在頻譜切換過程中處于等待狀態(tài)，在FTP應(yīng)用中，該協(xié)議能夠在頻譜切換過程中存儲數(shù)據(jù)包等。</p><p><b>　　認(rèn)知無線電研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　自1999年Mitola III博士1999年在其博士論文首次提出認(rèn)知無線電概念，短短十年，認(rèn)知無線電技術(shù)就有了跨越式發(fā)展。目前為止，雖然真正意義上實(shí)際應(yīng)

41、用的的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)還不存在，但是認(rèn)知無線電技術(shù)中動態(tài)接入頻譜的思想已經(jīng)影響了很多其它無線應(yīng)用領(lǐng)域，如在IEEE 802.11a 5GHz頻段采用了認(rèn)知無線電技術(shù)中的動態(tài)頻率選擇和功率控制機(jī)制。隨著研究的深入，相信在不久的將來，認(rèn)知無線電技術(shù)得到的被廣泛應(yīng)用。</p><p>　　技術(shù)的發(fā)展離不開政策的支持，近年來，各國頻譜管理部門大力支持認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展。如2004年美國FCC建議非授權(quán)用戶在不干擾授權(quán)用戶

42、的條件下，可以利用TV廣播頻段，IEEE成立IEEE 802.22工作組，致力于認(rèn)知無線電技術(shù)在TV廣播頻段的無線地域網(wǎng)（Wireless Regional Area Networks）網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制定，國內(nèi)外大學(xué)科研機(jī)構(gòu)也紛紛加入認(rèn)知無線電領(lǐng)域研究。</p><p>　　目前，認(rèn)知無線電技術(shù)研究有了較大進(jìn)展，各研究機(jī)構(gòu)和院校提出了一系列的網(wǎng)絡(luò)模型，下面我們將簡單介紹目前主要的幾種認(rèn)知無線電模型。</p>

43、;<p>　　IEEE 802.22</p><p>　　IEEE 802.22第一個(gè)基于認(rèn)知無線電技術(shù)的第一個(gè)全球性無線地域網(wǎng)（Wireless Regional Area Networks WRAN）標(biāo)準(zhǔn)。802.22系統(tǒng)是一種基于基站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它利用UHF/VHF 電視廣播頻段（54-862MHz）, 提供一個(gè)固定的點(diǎn)到多點(diǎn)的空中接口，802.22系統(tǒng)的頻帶利用率范圍為0.5到5 bit/(

44、sec/Hz)，平均頻譜利用率為3 bit/(sec/Hz)。最大覆蓋范圍為100Km，典型范圍為33Km。它主要為農(nóng)村地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。</p><p>　　CORVUS（虛擬非授權(quán)認(rèn)知無線電用戶系統(tǒng)）</p><p>　　CORVUS是美國加州大學(xué)伯克利分校Brodersen教授提出，該系統(tǒng)通過協(xié)作的方式實(shí)現(xiàn)頻譜檢測和信道分配。在系統(tǒng)中，多個(gè)認(rèn)知用戶構(gòu)成認(rèn)知用戶群，用戶群群內(nèi)的節(jié)點(diǎn)以a

45、d hoc的方式進(jìn)行通信。不同用戶群之間的用戶不能直接通信。用戶群內(nèi)用戶通過通用的控制信道交換感知信息，建立次級用戶通信鏈路。CORVUS是基于傳統(tǒng)的OSI/ISO協(xié)議結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計(jì)到物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。其中物理層包含：頻頻普感知、數(shù)據(jù)傳輸、信道估計(jì)三個(gè)模塊，數(shù)據(jù)鏈路層包含：組管理、鏈路管理、MAC模塊[4]。</p><p><b>　　頻譜池系統(tǒng)</b></p><p

46、>　　頻譜池系統(tǒng)是基于正交頻分復(fù)用的集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它主要包含認(rèn)知無線電基站和認(rèn)知移動用戶。它是由德國Karlsruhe大學(xué)的Fiedrich Jondral教授提出。其主要思想是將分配給授權(quán)用戶的空閑頻譜合成一個(gè)公共的頻譜池。在感知階段，各認(rèn)知移動用戶檢測并將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，由基站做最終的頻譜決策。然后通過基站將檢測結(jié)果發(fā)送給移動用戶?，F(xiàn)階段有關(guān)頻譜池系統(tǒng)物理層接入、調(diào)度、頻譜切換還有待研究。</p><p&

47、gt;　　認(rèn)知無限電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還有端到端可重配置（E2R：End to End Reconfigurability）、DIMSUMnet、OCRA network、DRiVe/OverDRiVE等。</p><p>　　自認(rèn)知無線電概念提出起，國內(nèi)院校（主要包括清華大學(xué)、北京交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)、電子科技大學(xué)等）及科研機(jī)構(gòu)就開始了對認(rèn)知無線電技術(shù)的研究。國家科技、教育部門也大力支持在認(rèn)知無線電技術(shù)的研究，如20

48、05年國家863項(xiàng)目首次支持了認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)的研究，2007年認(rèn)知無線點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究受到國家973項(xiàng)目支持，在每年的國家自然科學(xué)基金中認(rèn)知無線電技術(shù)有關(guān)項(xiàng)目數(shù)量逐步增加。</p><p>　　近年來認(rèn)知無線電技術(shù)受到廣泛的關(guān)注，其協(xié)議算法、理論、網(wǎng)絡(luò)框架有了長足的發(fā)展，然而從理論到實(shí)踐應(yīng)用，認(rèn)知無線電技術(shù)依然面臨諸多挑戰(zhàn)，很多關(guān)鍵技術(shù)還有待發(fā)展完善。</p><p><b>

49、　　頻譜感知技術(shù)</b></p><p>　　頻譜感知是認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)之一，如2.2.1節(jié)所述。認(rèn)知無線電能夠感知周圍環(huán)境變化，檢測頻譜空洞為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)提供可利用頻段，監(jiān)視授權(quán)用戶的出現(xiàn)，以避免對授權(quán)用戶的干擾。總的來說頻譜感知技術(shù)[5]可以分為單節(jié)點(diǎn)頻譜感知、協(xié)作感知和基于干擾溫度的檢測，如圖6所示。本章我們將詳細(xì)介紹這三種頻譜感知技術(shù)。</p><p>　　圖 6 頻譜

50、感知技術(shù)</p><p><b>　　單節(jié)點(diǎn)頻譜感知技術(shù)</b></p><p>　　單節(jié)點(diǎn)頻譜感知技術(shù)又叫非協(xié)作頻譜感知技術(shù)，它是單個(gè)認(rèn)知無線用戶對授權(quán)用戶發(fā)送信號的檢測。單節(jié)點(diǎn)檢測的基本數(shù)學(xué)模型如下：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中，為高斯白噪聲，為信道

51、增益，為授權(quán)用戶信號。當(dāng)無授權(quán)用戶時(shí)為，有信號時(shí)檢測為?，F(xiàn)有的信號檢測技術(shù)主要有：能量檢測、匹配濾波器檢測和靜態(tài)循環(huán)特征檢測，下面分別介紹這三種單節(jié)點(diǎn)頻譜檢測技術(shù)特點(diǎn)。</p><p><b>　　能量檢測</b></p><p>　　如果接收機(jī)不能收集到足夠的授權(quán)用戶信號的信息，則能量檢測是最佳的檢測方式。能量檢測也即輻射檢測，由于不需要授權(quán)用戶信號特征、應(yīng)用方便、

52、計(jì)算要求低等優(yōu)勢，能量檢測是目前認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)研究中應(yīng)用最廣泛的單節(jié)點(diǎn)感知技術(shù)。</p><p>　　能量檢測過程[6]如圖7所示，能量檢測器首先將檢測信號通過帶寬為W的帶通濾波器，然后經(jīng)過平方、積分后與門限值比較，以判斷授權(quán)用戶存在與否。</p><p>　　圖 7 能量檢測原理圖</p><p>　　現(xiàn)有研究對能量檢測已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究。能量檢測在非衰落信道和各

53、種衰落信道（瑞利信道、賴斯信道、Nakagami信道等）的檢測概率（）和虛警概率（）已經(jīng)有了閉合的公式描述[7]。</p><p><b>　　高斯非衰落信道中：</b></p><p><b>　　（3.2）</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p&

54、gt;　　其中其中為信噪比SNR，和分別為完整和非完整伽馬函數(shù)，為時(shí)間帶寬積。</p><p><b>　　瑞利信道：</b></p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　由于在無授權(quán)信號時(shí)，只有噪聲（如式3.1所示），各種不同信道虛警概率相同且都為式3.3。在matlab仿真中我們采用尼曼-皮爾遜

55、準(zhǔn)則，固定檢測終端接收到的授權(quán)信號信噪比為5db，信道帶寬積u=5。分別在高斯白噪聲信道，和瑞利信道下，通過100000蒙特卡洛檢測的結(jié)果如下（sim 為實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果， theory為根據(jù)相應(yīng)信道檢測準(zhǔn)確率公式計(jì)算得出），實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖 8）顯示，理論值ROC曲線和實(shí)際檢測ROC曲線一致：</p><p>　　圖 8 不同信道下能量檢測仿真與理論圖</p><p><b>　　匹配

56、濾波器檢測</b></p><p>　　如果接收機(jī)已知授權(quán)用戶信號特征，在高斯信道中匹配濾波器能夠最大化接受到信號的信噪比，這種情況下匹配濾波器是最佳的檢測探測器。匹配濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)是，由于解調(diào)載波于信號的相關(guān)性，它能夠在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的增益，但是它必須預(yù)先知道授權(quán)用戶的信號特征（如調(diào)制方式、調(diào)制階數(shù)、脈沖波形等）。匹配濾波器在不知道授權(quán)信號特征的情況下的檢測性能是非常糟糕的。而在認(rèn)知無線電網(wǎng)

57、絡(luò)中，授權(quán)用戶信號的特征往往是很難預(yù)先知道的。因此在認(rèn)知無限電網(wǎng)絡(luò)中匹配濾波器檢測幾乎沒有實(shí)際應(yīng)用。</p><p><b>　　循環(huán)平穩(wěn)特性檢測</b></p><p>　　調(diào)制信號一般都需要經(jīng)過載波、脈沖序列調(diào)制、調(diào)頻、循環(huán)前綴等耦合處理，因此調(diào)制信號的平均值和自相關(guān)函數(shù)都具有周期性，也即靜態(tài)循環(huán)特性。循環(huán)平穩(wěn)特性檢測中，這些特征可以檢測出來。由于噪聲是寬帶、靜態(tài)

58、非相關(guān)信號，而調(diào)制信號是周期和自相關(guān)信號，因此在循環(huán)平穩(wěn)特性檢測中可以將噪聲功率和信號功率分離，這是自相關(guān)檢測的最大優(yōu)勢。循環(huán)平穩(wěn)特性檢測在噪聲功率不確定性方面具有更強(qiáng)的抵抗性。但是這種強(qiáng)抵抗性需要更高的計(jì)算復(fù)雜度和更長的觀察時(shí)間。</p><p>　　單節(jié)點(diǎn)頻譜檢測技術(shù)除了上述三種檢測方法外還有波形檢測、基于小波分析的頻譜檢測、似然比檢測等。但能量檢測，匹配濾波器檢測和循環(huán)平穩(wěn)特性檢測是單節(jié)點(diǎn)檢測算法中使用頻率

59、最高的檢測。</p><p><b>　　單節(jié)點(diǎn)頻譜感知小結(jié)</b></p><p>　　本節(jié)我們詳細(xì)介紹了能量檢測，簡單概述了匹配濾波器檢測和循環(huán)平穩(wěn)特性檢測，總的來說，我們將這三種檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)概括如表1所示：</p><p>　　表 1 單節(jié)點(diǎn)頻譜感知方法比較</p><p>　　多節(jié)點(diǎn)協(xié)作頻譜感知技術(shù)</

60、p><p>　　在單節(jié)點(diǎn)頻譜感知技術(shù)中，頻譜檢測主要是依靠本地頻譜檢測器進(jìn)行頻譜檢測，但是這種檢測方式檢測準(zhǔn)確度不高，而且其檢測性能受多徑衰落、陰影、隱藏終端問題（圖9）干擾嚴(yán)重。協(xié)作頻譜檢測就是為解決這些問題而提出的檢測技術(shù)。協(xié)作檢測要求各個(gè)本地檢測器共享本地檢測結(jié)果，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)融合技術(shù)，將本地檢測結(jié)果融合，得到最終的檢測結(jié)果。其目的是盡可能的提高頻譜感知的準(zhǔn)確度，減少多徑衰落、陰影、隱藏終端問題對檢測性能的影

61、響。本節(jié)我們將從協(xié)作檢測網(wǎng)絡(luò)框架、協(xié)作檢測數(shù)據(jù)融合技術(shù)、協(xié)作檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)理論三方面詳細(xì)介紹協(xié)作頻譜檢測技術(shù)。</p><p>　　圖 9 頻譜感知中隱藏終端與多徑衰落</p><p><b>　　協(xié)作頻譜感知框架</b></p><p>　　為了頻譜感知分析的方便，我們根據(jù)認(rèn)知用戶共享頻譜感知信息的方式，將協(xié)作頻譜感知網(wǎng)絡(luò)[8]分為集中式協(xié)作感

62、知、分布式協(xié)作感知和轉(zhuǎn)發(fā)式協(xié)作感知（如圖10）。</p><p>　　圖 10 協(xié)作頻譜感知框架</p><p><b>　　集中式協(xié)作感知</b></p><p>　　在集中式協(xié)作頻譜感知框架包含授權(quán)用戶、認(rèn)知用戶及聚合中心，其中聚合中心控制整個(gè)協(xié)作頻譜感知過程。首先，聚合中心選擇感興趣的信道或者頻帶，控制認(rèn)知用戶獨(dú)立的檢測頻帶利用情況。其次

63、，所有的認(rèn)知用戶通過控制信道將本地檢測結(jié)果發(fā)送到聚合中心，聚合中心采用適合的數(shù)據(jù)融合技術(shù)將本地檢測結(jié)果融合，產(chǎn)生最終的檢測結(jié)果。最后，聚合中心將最終的檢測結(jié)果通過控制信道分發(fā)到各認(rèn)知用戶。在圖10a中，CR0是聚合中心。CR1-CR5為認(rèn)知用戶。在信道感知階段，所有認(rèn)知用戶轉(zhuǎn)向選擇的信道或頻帶（稱為感知信道）與授權(quán)用戶建立點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路，觀察授權(quán)用戶的出現(xiàn)。在本地感知信息傳輸階段，所用認(rèn)知用戶通過（回傳信道）將本地檢測結(jié)果發(fā)送到聚合中心。

64、值得注意的是，集中式協(xié)作檢測可以適用于集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也可以適用于分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，基站可以充當(dāng)聚合中心。而在分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，任何一個(gè)認(rèn)知用戶都可以被選作為聚合中心。</p><p><b>　　分布式協(xié)作感知</b></p><p>　　和集中式協(xié)作頻譜感知不同，分布式協(xié)作感知最終檢測結(jié)果不依賴于聚合中心，認(rèn)知用戶通過與其他用戶交互本地感知結(jié)果，

65、最后通過融合可利用的相鄰認(rèn)知用戶的頻譜感知信息來獲得最終的頻譜檢測結(jié)果。在圖10b 中，CR1-CR5首先進(jìn)行本地檢測，然后和它周圍有效通信范圍內(nèi)的認(rèn)知用戶交換感知信息。每個(gè)用戶將本地感知信息發(fā)送給其他用戶，同時(shí)采用分布式的算法從其它認(rèn)知用戶獲得感知信息，并形成本地最終的檢測結(jié)果。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)發(fā)式協(xié)作感知</b></p><p>　　出了分布式協(xié)作

66、感知和集中式協(xié)作感知外，頻譜感知的第三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是轉(zhuǎn)發(fā)式協(xié)作感知[9, 10]。這種協(xié)作感知主要是應(yīng)用在感知信道和回傳信道兩個(gè)信道中有一個(gè)狀態(tài)不佳的情景，如一個(gè)認(rèn)知用戶有較差感知信道和較強(qiáng)的回傳信道，另一個(gè)認(rèn)知用戶有較差的回傳信道和較好的感知信道。如圖10c，CR1、CR4、CR5能夠檢測到較強(qiáng)的授權(quán)用戶信號，而他們的回傳信道信號較弱。而CR2和CR2在回傳信道上信號較強(qiáng)，因此CR2和CR3可以作為CR11、CR4、CR5將感知結(jié)果發(fā)送

67、到聚合中心的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。這樣，能夠檢測到較強(qiáng)授權(quán)信號的認(rèn)知用戶將感知結(jié)果發(fā)送給有強(qiáng)的回傳信號的認(rèn)知用戶，有較強(qiáng)回傳信號的認(rèn)知用戶再將感知信息發(fā)送到聚合中心，這種方式能夠減少由于信道原因造成的感知信息在傳輸過程中的錯(cuò)誤。從而提高協(xié)作頻譜感知的準(zhǔn)確性。</p><p>　　協(xié)作頻譜感知數(shù)據(jù)融合技術(shù)</p><p>　　數(shù)據(jù)融合技術(shù)是協(xié)作頻譜檢測的重要組成部分，在協(xié)作感知中，回傳感知結(jié)果的數(shù)據(jù)類型

68、、大小根據(jù)其回傳信道帶寬不同而不同。我們根據(jù)回傳到聚合中心或分布式協(xié)作感知網(wǎng)絡(luò)中其他相鄰節(jié)點(diǎn)的本地感知結(jié)果的所需要的控制信道帶寬，將融合技術(shù)分為軟融合技術(shù)和硬融合技術(shù)。其中軟融合是指認(rèn)知用戶將本地感知樣本完全發(fā)送給聚合中心，融合中心采用全部的檢測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來做數(shù)據(jù)融合，硬融合技術(shù)是指認(rèn)知用戶首先做本地檢測，然后向聚合中心發(fā)送1比特的感知結(jié)果，融合中心采用這些1bit數(shù)據(jù)來融合得到最終檢測結(jié)果。研究表明軟融合技術(shù)由于能夠利用所有的檢測信息，

69、其檢測準(zhǔn)確度是最高的。硬決策由于在本地檢測中丟失部分感知信息，因此其頻譜檢測準(zhǔn)確率相對較低。但是軟融合技術(shù)在感知信息交互過程中，需要交互的感知信息數(shù)量相對較多，這將造成信道利用率的降低。而硬融合技術(shù)只交互1bit的信息，所以其回傳信道占用帶寬較低。</p><p><b>　　硬融合技術(shù)</b></p><p>　　當(dāng)本地二進(jìn)制檢測結(jié)果發(fā)送到聚合中心，聚合中心將采用合

70、適的聚合準(zhǔn)則來獲得最終的檢測結(jié)果。常見的硬融合準(zhǔn)則有：AND、OR和K-out-of-N準(zhǔn)則。我們假設(shè)為第個(gè)認(rèn)知用戶的本地檢測結(jié)果，為最終的檢測結(jié)果。其中，1表示檢測頻段授權(quán)用戶存在，而0表示檢測頻段空閑。當(dāng)采用AND準(zhǔn)則時(shí)，只有當(dāng)所有認(rèn)知用戶的本地檢測結(jié)果都為1時(shí)，最終檢測結(jié)果。采用OR準(zhǔn)則時(shí)，只要有一個(gè)認(rèn)知用戶的檢測結(jié)果為1是，最終檢測結(jié)果。三種硬判決中，AND和OR準(zhǔn)則是K-out-of-N的兩個(gè)特例，即，當(dāng)K=N時(shí)為AND準(zhǔn)則，

71、K=1時(shí)為OR準(zhǔn)則。K-out-of-N檢測的虛警概率和檢測概率表達(dá)式如下：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　（3.6）</b></p><p>　　將表達(dá)式（3.5）和（3.6）中K換為1或N就是OR準(zhǔn)則和AND準(zhǔn)則的表達(dá)式。相關(guān)研究表明，當(dāng)協(xié)作認(rèn)知用戶數(shù)量較多時(shí)，OR準(zhǔn)則有較

72、好的檢測性能，當(dāng)用戶數(shù)量較少時(shí)AND準(zhǔn)則有較好的檢測性能。</p><p><b>　　軟融合技術(shù) </b></p><p>　　傳統(tǒng)的軟融合技術(shù)主要有等增益合并（EGC）、最大比值合并（MRC）和選擇式合并(SC)。增益合并是指聚合中心等權(quán)重的采用所用認(rèn)知用戶感知信息進(jìn)行判決的技術(shù)，這種聚合技術(shù)在當(dāng)每個(gè)認(rèn)知用戶檢測到的信號信噪比相同時(shí)是最佳聚合方式。最大比值合并是聚

73、合過程中為每個(gè)認(rèn)知用戶的感知信息乘以適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)再進(jìn)行判決的技術(shù)。選擇式合并是聚合中心選擇接受信號信噪比最大的認(rèn)知用戶的感知信息進(jìn)行判決的技術(shù)。參考文獻(xiàn)[7]利用能量檢測詳細(xì)分析了這三種軟融合方式在瑞麗衰落信道下的性能，結(jié)果顯示EGC和單節(jié)點(diǎn)能量檢測相比可以獲得兩個(gè)數(shù)量級的檢測增益，而SC和MRC有近一個(gè)數(shù)量級的檢測增益。</p><p>　　協(xié)作頻譜感知統(tǒng)計(jì)信號檢測理論</p><p>

74、;　　統(tǒng)計(jì)信號檢測理論是主要研究隨機(jī)信號在干擾環(huán)境中信號檢測及其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的理論，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是統(tǒng)計(jì)判決理論。認(rèn)知無線電頻譜感知就是統(tǒng)計(jì)檢測理論中二元信號檢測，其檢測模型如圖11： </p><p>　　圖 11 二元信號統(tǒng)計(jì)檢測模型</p><p>　　信源輸出有兩種情況或，其中指新源不發(fā)送信號，指新源發(fā)送信號；接受端需要對信號進(jìn)行檢測、判決以檢測信道的利用情況。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜檢測就

75、是授權(quán)信號檢測判決過程，其常用的統(tǒng)計(jì)信號檢測理論有貝葉斯準(zhǔn)則、尼曼-皮爾遜準(zhǔn)則和序貫檢測，本節(jié)我們將詳細(xì)介紹三種檢測理論。</p><p><b>　　貝葉斯準(zhǔn)則</b></p><p>　　在信號判決中可能出現(xiàn)4中判決結(jié)果，其中表示信源發(fā)送信號狀態(tài)，表示信源發(fā)送信號，反之不發(fā)送信號，為檢測結(jié)果，表示檢測到新信道中授權(quán)信號，反之沒有檢測到信號。判決節(jié)結(jié)果是評價(jià)檢測性能

76、的重要指標(biāo)，但是僅考慮是不夠的。如在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，相關(guān)政策規(guī)定，非授權(quán)用戶不能對授權(quán)用戶造成干擾。在頻譜檢測中，如果檢測結(jié)果為，即當(dāng)授權(quán)信號存在時(shí)，如果認(rèn)知用戶沒有檢測到授權(quán)信號的存在，認(rèn)知用戶將接入該授權(quán)頻段，這將嚴(yán)重干擾授權(quán)用戶的正常通信。為解決這種問題，貝葉斯準(zhǔn)則考慮到每種判決所付出的代價(jià)一般是不一樣的，為每種判決引入了代價(jià)因子，代價(jià)因子表示假設(shè)為真時(shí)，判決為所付出的代價(jià)。越不希望出現(xiàn)的判決結(jié)果分配的代價(jià)因子越高。因此在頻譜檢

77、測中，為減少認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶的干擾，也即使概率盡可能低，我們可以分配給這種判一個(gè)較大的代價(jià)因子。顯然合理的代價(jià)因子應(yīng)滿足，。</p><p>　　貝葉斯準(zhǔn)則就是在假設(shè)先驗(yàn)概率和代價(jià)因子已知的條件下使平均代價(jià)最小的準(zhǔn)則，其判決式如下：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　其中為判決結(jié)果，和為信源發(fā)送信號或空閑的概

78、率。</p><p><b>　　尼曼-皮爾遜準(zhǔn)則</b></p><p>　　在貝葉斯準(zhǔn)則中，我們必須事先知道先驗(yàn)概率，為各種判決分配合適的代價(jià)因子。但是在實(shí)際信號檢測中我們可能即不知道先驗(yàn)概率，也無法分配合適的代價(jià)因子。為適應(yīng)這種情況，并考慮到在檢測中，人們最關(guān)心的是和的概率，希望盡可能小而盡可能大，但在信噪比一定時(shí)，增大，判決門限將降低，這將使也隨著增大。為此人

79、們提出了尼曼—皮爾遜準(zhǔn)則（N-P準(zhǔn)則），N-P準(zhǔn)則就是在虛警概率約束條件下，使正確判決概率最大的準(zhǔn)則。</p><p>　　N-P準(zhǔn)則不依賴于先驗(yàn)概率和代價(jià)因子，但是它需要預(yù)先知道信源在發(fā)送信號或空閑時(shí)信號服從的概率分布。其次在檢測中，需要預(yù)先設(shè)置最大可接受的虛警概率或漏檢概率值。通過其中一個(gè)值可以計(jì)算得出使另一個(gè)檢測概率最小的門限值。其判決表達(dá)式為:</p><p><b>　

80、　(3.8)</b></p><p><b>　　序貫檢測</b></p><p>　　前面討論的兩種檢測理論都是觀察次數(shù)固定的檢測，在實(shí)際應(yīng)用中，如果檢測到的信號信噪比足夠大，我們只需要較少的觀測次數(shù)就可以做出正確的判決。序貫檢測的觀測樣本數(shù)是不固定，它依次對獲得的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如滿足判決條件則做出判決，結(jié)束這次檢測，否則繼續(xù)檢測。序貫檢測最大的優(yōu)勢

81、是：它能提供最大可接受虛警概率和漏檢概率的邊界，在滿足這些指標(biāo)的同時(shí)，所需要的樣本數(shù)最少，平均檢測時(shí)間最短。其檢測過程如下為，當(dāng)前n-1次不能獲得滿足指標(biāo)的判決數(shù)據(jù)，則繼續(xù)第n次檢測，第n檢測變量更新如下：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　其中 n小于總樣本數(shù)。根據(jù)以下判決條件做出判決：</p><p>&l

82、t;b>　?。?.10）</b></p><p><b>　　其中和。</b></p><p><b>　　干擾溫度檢測</b></p><p>　　圖 12 干擾溫度模型</p><p>　　傳統(tǒng)的干擾被看成是發(fā)射機(jī)為中心的干擾，即可以通過控制發(fā)射機(jī)的功率、發(fā)射機(jī)位置等方式來減少

83、對接受段的干擾。然而實(shí)際應(yīng)用中，干擾的測量是在接收端進(jìn)行的，接收端的干擾可能由于其他干擾源的出現(xiàn)造成的，發(fā)送端得干擾控制可能不在適應(yīng)。為解決這種不對稱的干擾機(jī)制，美國FCC提出了一種新型的管理和量化干擾的模型，即干擾溫度。這種干擾模型（如圖12），使得人們從傳統(tǒng)的對發(fā)射機(jī)的干擾控制轉(zhuǎn)向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)以自適應(yīng)交互方式進(jìn)行的實(shí)時(shí)控制。干擾溫度提供了在特定地點(diǎn)和頻段，接收機(jī)可接受的最大干擾。在干擾溫度模型中，在接收側(cè)進(jìn)行干擾溫度測量，任何信號

84、對接收端的干擾超過其干擾門限都是對系統(tǒng)有害的。對于一個(gè)給定的頻段，只要非授權(quán)用戶對授權(quán)用戶的干擾不超過干擾門限，它們就可以利用這個(gè)頻段，干擾溫度對第二用戶的功率起到了限制作用。目前干擾溫度檢測模型主要應(yīng)用在采用墊底式頻譜共享方式的通信技術(shù)中，如UWB系統(tǒng)。</p><p>　　干擾溫度檢測模型應(yīng)用在認(rèn)知無線電技術(shù)中，存在不小挑戰(zhàn)。目前沒有任何有效測量授權(quán)用戶干擾的方法，由于授權(quán)用戶接收端被動的接受信號，而認(rèn)知用戶

85、無法知道授權(quán)用戶接收端的準(zhǔn)確位置，所以認(rèn)知用戶無法測量到它們的傳輸對授權(quán)用戶接受機(jī)的影響。即對授權(quán)用戶干擾溫度的測量是不可行的，因此在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，干擾溫度基本沒有得到應(yīng)用，它主要應(yīng)用在UWB技術(shù)中。</p><p>　　基于信譽(yù)的權(quán)重序貫對數(shù)似然比的協(xié)作頻譜檢測算法</p><p>　　認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜檢測安全性概述</p><p>　　協(xié)作頻譜檢測可以使認(rèn)

86、知無線電網(wǎng)絡(luò)更加準(zhǔn)確的檢測到可用頻段或授權(quán)用戶的出現(xiàn)。協(xié)作頻譜檢測將各個(gè)認(rèn)知用戶的感知信息集中并融合得到最終的感知結(jié)果。然而在協(xié)作檢測中，一些認(rèn)知用戶為獲得比其他認(rèn)知用戶更高的接入權(quán)，它們可能在系統(tǒng)頻譜感知期間發(fā)送模擬的授權(quán)用戶信號，或者在沒有檢測到授權(quán)信號時(shí)發(fā)送授權(quán)信號存在的感知信息，試圖使聚合最終結(jié)果判定為授權(quán)信號存在，使其他用戶不能利用該信道，以避免頻帶接入的競爭。上例中在系統(tǒng)感知期間發(fā)送模擬的授權(quán)用戶信號也即模擬授權(quán)用戶攻擊，而

87、發(fā)送錯(cuò)誤感知信息的攻擊也叫拜占庭攻擊 或數(shù)據(jù)混淆攻擊，本節(jié)我們主要介紹認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜檢測面臨的兩個(gè)安全問題：頻譜感知數(shù)據(jù)混淆攻擊和模擬授權(quán)用戶攻擊，及現(xiàn)有文獻(xiàn)針對這兩種攻擊提出的解決方案。</p><p>　　模擬授權(quán)用戶攻擊（Incumbent Emulation Attacks IE）</p><p>　　認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，如果在授權(quán)頻帶檢測到授權(quán)用戶存在，認(rèn)知用戶將避免接入此頻段

88、。如果在授權(quán)頻帶沒有檢測到授權(quán)用戶存在或者檢測到其他認(rèn)知用戶信號的存在，則該認(rèn)知用戶將與其它認(rèn)知用戶共享此頻段。也就是說，授權(quán)用戶比認(rèn)知用戶擁更高的接入權(quán)。在模擬授權(quán)用戶攻擊（后文用IE代替）中，惡意用戶通過改變自身傳輸參數(shù)如載波頻譜，頻寬，調(diào)制方式來模仿授權(quán)用戶的信號特征來獲得更高的接入權(quán)（如圖13）。由于認(rèn)知無線電的技術(shù)特征，所有認(rèn)知用戶都有成為IE用戶攻擊者得功能，因此在實(shí)際應(yīng)用中如何避免IE攻擊，是協(xié)作頻譜檢測面臨的主要問題。&

89、lt;/p><p>　　為保證協(xié)作頻譜檢測在IE攻擊下的準(zhǔn)確度，認(rèn)知用戶必須能分辨授權(quán)用戶信號和模擬惡意用戶信號，顯然IE攻擊下能量檢測檢測準(zhǔn)確度是最低的，它只能通過測量信號強(qiáng)度來確認(rèn)有無信號，而不能檢測到信號的特征。循環(huán)特性頻譜檢測能夠檢測到信號的特征，因此在IE攻擊模式下，循環(huán)特性頻譜檢測技術(shù)是一種高準(zhǔn)確度的檢測。現(xiàn)有研究針對IE攻擊的頻譜檢測技術(shù)主要有：距離比測試（Distance Radio Test DRT

90、）和距離差分測試（Distance Different Test DDT），這兩種技術(shù)都是基于位置測量來實(shí)現(xiàn)授權(quán)用戶檢測。認(rèn)知用戶檢測并確定授權(quán)用戶的位置，在后續(xù)頻譜檢測中，一旦檢測到的授權(quán)用戶的位置發(fā)生變化，則判定為模擬授權(quán)信號攻擊用戶。這種基于位置的IE攻擊方式適合于IEEE802.22固定架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，而在移動網(wǎng)絡(luò)無法使用。</p><p>　　頻譜感知數(shù)據(jù)混淆攻擊</p><p>　　

91、認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)作頻譜檢測第二種安全問題就是頻譜感知數(shù)據(jù)混淆攻擊，數(shù)據(jù)混淆惡意用戶將錯(cuò)誤的本地檢測信息發(fā)送到數(shù)據(jù)融合中心，意圖使聚合中心做出錯(cuò)誤的頻譜決策，如圖13右下方所示。</p><p>　　頻譜感知數(shù)據(jù)混淆攻擊主要有Always-Yes、Always-No、概率攻擊三類。Always-Yes攻擊是惡意用戶一直發(fā)送授權(quán)信號存在信息的攻擊方式，Always-No攻擊是惡意用戶一直發(fā)送授權(quán)信號不存在的攻擊方式，

92、而概率攻擊是指惡意用具以一定概率發(fā)送錯(cuò)誤感知信息的攻擊方式。</p><p>　　惡意用戶將錯(cuò)誤的頻譜檢測信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，為使協(xié)作頻譜感知在SSDF攻擊下依然有較高的檢測準(zhǔn)確度，聚合中心需要辨認(rèn)并剔除惡意用戶的檢測信息?，F(xiàn)有的頻譜檢測數(shù)據(jù)融合算法如硬判決、貝葉斯準(zhǔn)則、尼曼-皮爾遜準(zhǔn)則等固定樣本數(shù)的檢測融合技術(shù)平等對待所有認(rèn)知用戶的頻譜檢測信息，惡意用戶的混淆感知信息和正常用戶感知信息在數(shù)據(jù)融合中的權(quán)重相同，惡

93、意用戶的信息將嚴(yán)重影響最終檢測結(jié)果。文獻(xiàn)[11]詳細(xì)概況了現(xiàn)有的具有較強(qiáng)抗SSDF攻擊能力的數(shù)據(jù)融合技術(shù)：序貫似然比檢測和信譽(yù)度檢測。序貫似然比檢測是樣本數(shù)可變的一種數(shù)據(jù)融合技術(shù)，他可以在單個(gè)認(rèn)知檢測終端，檢測準(zhǔn)確度不高的情況下，通過收集更多樣本數(shù)量來保證判決中虛警概率和漏檢概率的邊界。而基于信譽(yù)度的檢測可以使聚合中心根據(jù)各個(gè)終端檢測準(zhǔn)確度來衡量終端發(fā)送信息的可靠性。從而辨認(rèn)出惡意用戶，減少惡意信息對最終感知信息的干擾。</p&g

94、t;<p>　　本章我們主要研究SSDF攻擊下的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提出了改進(jìn)的基于信譽(yù)的權(quán)重序貫對數(shù)似然比檢測算法（Advanced Reputation-Based Weight Sequential Probability Radio Test AWSPRT），并將AWSPRT和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行了仿真對比，數(shù)據(jù)顯示，在Always-Yes、Always-No、概率攻擊下，我們的算法檢測準(zhǔn)確度更高，性能最穩(wěn)定。<

95、/p><p>　　圖 13 頻譜感知安全威脅模型</p><p>　　系統(tǒng)模型與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析</p><p>　　我們的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)模型中，有一個(gè)授權(quán)用戶PU，N個(gè)認(rèn)知用戶（包括正常用戶和惡意用戶），M個(gè)惡意用戶。信道帶寬為W，認(rèn)知用戶周期檢測信道，檢測時(shí)間為T。授權(quán)信道為高斯非衰落信道，所有認(rèn)知用戶通過分布式協(xié)作檢測的方式監(jiān)視授權(quán)用戶所在信道如圖14。</p&g

96、t;<p><b>　　圖 14 系統(tǒng)模型</b></p><p>　　每個(gè)認(rèn)知用戶本地頻譜檢測采用能量檢測，其基本檢測模型如式：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中為高斯白噪聲，為信道增益，為授權(quán)用戶信號。當(dāng)無授權(quán)用戶時(shí)為，有信號時(shí)檢測為。</p><

97、;p>　　能量檢測器通過濾波、采樣、平方、積分獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　（4.2）</b></p><p>　　樣本序號，u=2WT。由（3.1）式我們知道服從正態(tài)分布。則根據(jù)中心極限定理，若u足夠大，也服從正態(tài)分布[12]：</p><p><b>　?。?.3）</b></p>

98、<p>　　其中為授權(quán)信號在認(rèn)知用戶端的信噪比。令，；，。則其概率密度函數(shù)為</p><p><b>　　（4.4）</b></p><p>　　對數(shù)似然比檢測統(tǒng)計(jì)量：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　化簡后，可得：</b>

99、;</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　其中，。</b></p><p>　　4.3基于信譽(yù)的序貫似然比檢測算法</p><p>　　文獻(xiàn)[13]中，作者提出了基于信譽(yù)度的序貫似然比檢測（WSPRT），這種檢測算法能夠大大的提高頻譜檢測概率，并對SSDF攻擊具

100、有很強(qiáng)的抗干擾能力。但是這個(gè)算法只使用與惡意用戶與授權(quán)用戶同時(shí)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)這一特定場合，考慮到實(shí)際應(yīng)用中，惡意用戶可能長期部署在網(wǎng)絡(luò)中，而正常認(rèn)知用戶處于流動狀態(tài)。若惡意用戶以大于50%（假設(shè)為51%）準(zhǔn)確度發(fā)送錯(cuò)誤信息。經(jīng)過M次檢測后惡意用戶的信譽(yù)值期望值為，當(dāng)M足夠大時(shí)，惡意用戶將分配到極大信譽(yù)值。假設(shè)在經(jīng)過大量檢測次數(shù)后，高信譽(yù)度的正常認(rèn)知用戶全部離開網(wǎng)絡(luò)，而新的認(rèn)知用戶加入網(wǎng)絡(luò)，這些正常認(rèn)知用戶的信譽(yù)值非常小，在聚合過程中，根據(jù)文中

101、的權(quán)重算法，新加入的用戶的感知信息權(quán)重將很小，也就是說其感知幾乎不起到任何作用。最終檢測結(jié)果將由惡意用戶控制。</p><p>　　基于上述分析，考慮了認(rèn)知用戶的移動性，并綜合考慮SSDF 三種攻擊類型、授權(quán)信號占用信道特征和認(rèn)知用戶在網(wǎng)絡(luò)中存在時(shí)間的特點(diǎn)等，在文獻(xiàn)[13] 信譽(yù)度的序貫似然比檢測的基礎(chǔ)上，提出了能廣泛適用的改進(jìn)的基于信譽(yù)度的權(quán)重序貫對數(shù)似然比檢測算法（AWSPRT）。AWSPRT檢測過程分為三步

102、，首先根據(jù)認(rèn)知用戶本地檢測結(jié)果和最終結(jié)果更新信譽(yù)度，并計(jì)算認(rèn)知用戶在聚合中的權(quán)重。其次通過權(quán)重似然比檢測序貫似然比檢測來獲得最終檢測結(jié)果，最后根據(jù)認(rèn)知用戶本地檢測結(jié)果連續(xù)錯(cuò)誤次數(shù)來判定并剔除惡意用戶。</p><p><b>　　信譽(yù)及權(quán)重更新</b></p><p>　　在協(xié)作頻譜檢測中，為提高系統(tǒng)對SSDF攻擊的抗干擾能力，聚合中心需分析每個(gè)用戶信息的可靠程度。為

103、實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，聚合中心根據(jù)認(rèn)知用戶的本地檢測結(jié)果和最終的聚合結(jié)果比較評估認(rèn)知用戶的檢測準(zhǔn)確度，并為認(rèn)知用戶分配相應(yīng)的信譽(yù)度。不同信譽(yù)度的認(rèn)知用戶的感結(jié)果在聚合過程中所占比重不同。如圖（15）</p><p>　　圖中為聚合中心，將本地檢測結(jié)果發(fā)送到聚合中心，假設(shè)的信譽(yù)度為，聚合中心最終檢測結(jié)果為，若果，則，則信譽(yù)更新為。否則不變。顯然在相同檢測次數(shù)中，信譽(yù)度越高的認(rèn)知用戶檢測準(zhǔn)確度越高。</p>&

104、lt;p>　　圖 15 并行分布式協(xié)作感知</p><p>　　根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]中描述，基于信譽(yù)度得權(quán)重函數(shù)需滿足兩點(diǎn)要求：首先權(quán)重函數(shù)必須是保證對任意信譽(yù)值，，且在檢測次數(shù)相同情況下，信譽(yù)度越高，權(quán)重越大。即是的非遞減函數(shù)。其次，權(quán)重函數(shù)必須對信譽(yù)變化具有一定穩(wěn)定性，如在感知過程，精確的認(rèn)知用戶可能發(fā)送錯(cuò)誤的結(jié)果，而這中錯(cuò)誤不會使在數(shù)據(jù)融合過程中，其權(quán)重發(fā)生巨大變化。基于以上原理，我們提出了基于檢測準(zhǔn)

105、確度得權(quán)重函數(shù)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過次檢測后的信譽(yù)度為，則權(quán)重函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　為防止認(rèn)知用戶在檢測初期，權(quán)重值的大幅變化，我們將每個(gè)認(rèn)知用戶的初始權(quán)重設(shè)為5。在感知中，如果檢測終端的檢測準(zhǔn)確率低于一定閾值（文中設(shè)定為65%），我們將它判定為故障終端，在聚合過程中，將它的權(quán)重值設(shè)定為0。最終權(quán)重為： </p&g

106、t;<p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　權(quán)重序貫對數(shù)似然比檢測</p><p>　　序貫似然比檢測是一種根據(jù)所需準(zhǔn)確度和接收信號強(qiáng)度，判決所需樣本數(shù)最少的檢測。它能提供最大的虛警概率和漏檢概率的邊界。本節(jié)我們在3.2.3節(jié)序貫似然比檢測的基礎(chǔ)上，結(jié)合認(rèn)知用戶的權(quán)重，提出了基于權(quán)重的序貫對數(shù)似然比檢測。</p><

107、;p>　　在協(xié)作頻譜檢測中，權(quán)重對數(shù)似然比判決變量為：</p><p><b>　　（4.9）</b></p><p>　　其中n為小于認(rèn)知用戶數(shù)N的整數(shù)。</p><p>　　聚合中心根據(jù)如下判決條件進(jìn)行判決：</p><p><b>　　(4.10)</b></p><

108、p><b>　　其中和。</b></p><p><b>　　惡意用戶剔除</b></p><p>　　考慮在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，授權(quán)用戶占有信道或者騰出信道都是連續(xù)且較長的時(shí)間，在此期間，頻譜檢測終端將檢測信道多次。假設(shè)，某一信道授權(quán)用戶占用頻段的概率為，且每次占用的時(shí)間服從參數(shù)為15分鐘的泊松分布。則在授權(quán)用戶存在期間，檢測終端將檢測30次。而

109、在授權(quán)信號騰出信道期間，檢測終端將連續(xù)檢測120次。假設(shè)正常認(rèn)知用戶頻譜檢測準(zhǔn)確度為99%，L=7，則正常用戶連續(xù)L次檢測錯(cuò)誤的概率幾乎不可能出現(xiàn)。我們可以做出如下判定：如果用戶本地檢測和最終檢測結(jié)果連續(xù)L次不同，則可以將這個(gè)認(rèn)知用戶判定為惡意用戶。利用授權(quán)用戶占有頻段的特征及Always-yes和Always-no攻擊特定，我發(fā)現(xiàn)當(dāng)授權(quán)用戶出現(xiàn)時(shí)，Always-no發(fā)送的檢測結(jié)果和最終檢測結(jié)果（假設(shè)最終檢測結(jié)果為理想結(jié)果）連續(xù)多次出現(xiàn)