認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知干擾理論與方法研究.pdf

1、在傳統(tǒng)的頻譜資源固定分配的框架下，人們致力于調(diào)制、編碼、多天線等技術(shù)的研究，以期能夠提高頻譜使用效率。然而這些技術(shù)均無(wú)法擺脫香農(nóng)限容量的束縛。隨著無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的日益增長(zhǎng)，頻譜資源緊缺已逐漸成為制約無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。另一方面，大量的實(shí)測(cè)結(jié)果顯示：已分配的頻譜資源閑置現(xiàn)象十分普遍，總體利用效率低下。正是基于這樣的背景，具備頻譜動(dòng)態(tài)接入能力的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，為有效解決頻譜需求與閑置之間的矛盾開(kāi)辟出一條新的途徑，被譽(yù)為下一代無(wú)線通信領(lǐng)

2、域的“大事件”。
　　頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無(wú)線電的核心技術(shù)，是其走向?qū)嶋H應(yīng)用的基石。它賦予了認(rèn)知無(wú)線電設(shè)備在不影響授權(quán)頻段內(nèi)合法用戶正常通信的前提下，發(fā)現(xiàn)并利用空閑頻譜資源進(jìn)行機(jī)會(huì)通信的能力。不過(guò)，這種“先感知，后接入”的頻譜使用規(guī)范，在提高頻譜效率的同時(shí)，也給認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)帶來(lái)了新的安全隱患：頻譜感知干擾。頻譜感知干擾，指在頻譜感知階段，通過(guò)人為注入干擾信號(hào)，誤導(dǎo)認(rèn)知無(wú)線電對(duì)所處環(huán)境的頻譜使用狀態(tài)做出錯(cuò)誤的判斷，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)頻譜使

3、用效率的下降。
　　由此，如何認(rèn)知這一新的干擾形式；它與哪些系統(tǒng)因素有關(guān)；如何量化它對(duì)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)造成的影響，如最大可達(dá)性能損失等；這一系列問(wèn)題的研究是設(shè)計(jì)安全的頻譜感知技術(shù)的重要理論依據(jù)。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)該課題的研究尚處于起步階段，未有系統(tǒng)、理論的研究成果。
　　論文針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知干擾理論與方法的研究，分兩個(gè)部分：
　　首先，基于干擾功率受限的約束條件，研究了最優(yōu)頻譜感知干擾的理論與方法。包括：
　　(

4、1)研究了加性高斯白噪聲環(huán)境中的最優(yōu)感知干擾問(wèn)題。具體有：以最小化認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)可用帶寬為目標(biāo)，針對(duì)能量檢測(cè)為頻譜感知方式的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)了感知干擾機(jī)的最優(yōu)干擾策略為，等功率、部分頻段干擾；分析了最優(yōu)感知干擾效果與頻譜感知相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，得知感知干擾效果隨虛警概率和累積時(shí)間帶寬積成正比例關(guān)系；通過(guò)理論分析與仿真驗(yàn)證得知：感知干擾會(huì)減少認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)可用帶寬，在感知干擾機(jī)的功率足夠大時(shí)，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)甚至面臨無(wú)法提供可用帶寬進(jìn)行通信

5、，即系統(tǒng)癱瘓的危險(xiǎn)；
　　(2)研究了大尺度衰落環(huán)境中的最優(yōu)感知干擾問(wèn)題。具體有：采用與加性高斯白噪聲環(huán)境下類似的思路與方法，推導(dǎo)出大尺度衰落環(huán)境下的最優(yōu)干擾策略仍為，等功率、部分頻段干擾；通過(guò)理論分析與仿真驗(yàn)證，分析了在該衰落環(huán)境中的感知干擾效果隨認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)變化的情況；
　　(3)研究了小尺度衰落環(huán)境中的最優(yōu)感知干擾問(wèn)題。具體有：推導(dǎo)了該環(huán)境下最優(yōu)感知干擾模型仍為，干擾機(jī)總功率受限的約束條件下，最小化系統(tǒng)的可用

6、帶寬；考慮到模型中目標(biāo)函數(shù)為干擾功率的非凸、非線性含參積分，無(wú)法得到最優(yōu)解的閉合表達(dá)式，從目標(biāo)函數(shù)和約束條件均具有可分離的特性出發(fā)，通過(guò)引入整數(shù)約束條件，提出一種通用(適用所有類型的小尺度衰落，如瑞利、萊斯、Nakagammi衰落等)全局最優(yōu)的混合整數(shù)線性算法；基于該算法，首先分析了小尺度衰落環(huán)境下，最優(yōu)感知干擾的性能上界，得到結(jié)論：對(duì)于衰減因子二階矩為1的獨(dú)立、同分布衰落信道，最優(yōu)感知干擾性能上界(已知信道瞬時(shí)狀態(tài)信息)漸進(jìn)趨近于加性

7、高斯白噪聲環(huán)境中的最優(yōu)感知干擾性能，并從物理機(jī)制上解釋了該現(xiàn)象；其次得到獨(dú)立、同分布瑞利衰落信道下最優(yōu)感知干擾的可行性策略(僅已知信道統(tǒng)計(jì)狀態(tài)信息)為，等功率、部分頻段干擾，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析；
　　認(rèn)知用戶在完成頻譜感知后，即可接入可用頻段傳輸數(shù)據(jù)，此時(shí)可能面臨傳統(tǒng)的通信干擾(指在用戶通信的頻段上發(fā)射干擾信號(hào)，阻止目標(biāo)用戶信息的有效傳輸)。忽略干擾能量/功率受限的約束，干擾機(jī)可以隨意地在感知時(shí)段實(shí)施感知干擾，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段實(shí)施

8、通信干擾，以達(dá)到最優(yōu)干擾效果。然而，一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題是：實(shí)際環(huán)境中的干擾機(jī)總是能量有限的，如何將這有限的能量分配于兩種干擾方式達(dá)到最優(yōu)的干擾效果呢？顯然這個(gè)問(wèn)題對(duì)于是否有必要繼續(xù)深入研究感知干擾理論具有舉足輕重的意義。為此，論文第二部分對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了解答，包括：
　　(1)研究了基本認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，能量受限的認(rèn)知干擾機(jī)對(duì)實(shí)施頻譜感知干擾與通信干擾如何抉擇以達(dá)到最優(yōu)干擾效果的問(wèn)題。具體有：以最小化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)平均總吞吐量為目標(biāo)，建立起吞吐

9、量與感知干擾信號(hào)、通信干擾信號(hào)以及網(wǎng)絡(luò)所需頻段數(shù)等參數(shù)之間的聯(lián)系，給出最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；為簡(jiǎn)化求解復(fù)雜度，提出了兩步驟子優(yōu)化方案，即，先在感知時(shí)段實(shí)施最優(yōu)頻譜感知干擾，再在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段實(shí)施最優(yōu)通信干擾，并通過(guò)數(shù)值仿真得到認(rèn)知干擾機(jī)的最優(yōu)攻擊策略：基于感知干擾與通信干擾的戰(zhàn)術(shù)聯(lián)合，即部分能量用于頻譜感知干擾，剩余能量用于通信干擾；
　　(2)研究了更為實(shí)際的CDMA-CR(使用碼分多址的認(rèn)知無(wú)線電)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，能量受限的認(rèn)知干擾機(jī)的最

10、優(yōu)干擾策略與性能。具體有：以 CDMA-CR系統(tǒng)平均總吞吐量為干擾機(jī)的性能指標(biāo)，通過(guò)給出平均總吞吐量與感知干擾、通信干擾信號(hào)之間的關(guān)系，建立了能量受限認(rèn)知干擾機(jī)的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；仍然采用兩步驟子優(yōu)化算法，通過(guò)數(shù)值仿真分析了不同場(chǎng)景下的最優(yōu)干擾策略與性能；更進(jìn)一步地，分析了感知干擾、通信干擾能力隨系統(tǒng)參數(shù)的不同變化規(guī)律，由此給出最優(yōu)干擾策略隨系統(tǒng)參數(shù)變化的趨勢(shì)。
　　論文關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知干擾理論與方法的研究，填補(bǔ)了因頻譜感知使