基于數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知方法研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知方法研究</p><p>　　摘要：認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)是無線通信領(lǐng)域中為改善和提高頻譜資源利用率而提出的一種新方法。它作為一種革命性的智能頻譜共享技術(shù)，已成為無線通信領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電最關(guān)鍵的技術(shù)之一?；诖耍疚囊詥斡脩裟芰繖z測方法為基礎(chǔ)，對檢測概率、漏檢概率、虛警概率、門限值、信噪比等參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，并

2、對其檢測性能進(jìn)行了分析。針對于單用戶能量檢測受到信道衰落、陰影效應(yīng)和噪聲不確定性等因素的影響產(chǎn)生檢測性能下降的情況，提出了數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知方法，如與準(zhǔn)則、或準(zhǔn)則、K-N準(zhǔn)則，并分析了不同融合方法的特點(diǎn)、性能及使用場景。</p><p>　　關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；頻譜感知；數(shù)據(jù)融合；協(xié)作檢測</p><p>　　Research of Cooperative Spectrum Sensi

3、ng Based on Data Fusion</p><p>　　Abstract: To improve and enhance the utilization of the spectrum resource in the field of the wireless communication，cognitive radio technology has been proposed as a new met

4、hod．As a revolutionary intelligence technology，cognitive radio is becoming a hot research topic in the field of the wireless communication．Spectrum sensing technology is one of the most critical technologies in cognitive

5、 radio．Thus，this paper is based on the energy detection method in a sigle user．Meanwhile，this paper simula</p><p>　　Keywords: cognitive radio;spectrum sensing;data fusion;cooperative detection</p><

6、;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p>　　第1章　緒 論2</p><p>　　1.1　研究的背景和意義2</p><p>　　1.2　什么是認(rèn)知無線電4</p><p>　　1.3　國內(nèi)外認(rèn)知無線電技

7、術(shù)的研究現(xiàn)狀5</p><p>　　第2章　認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)7</p><p>　　2.1　認(rèn)知無線電頻譜感知研究7</p><p>　　2.2　基于接收機(jī)檢測8</p><p>　　2.2.1　基于干擾溫度的檢測8</p><p>　　2.2.2　本振泄露功率控制9</p><

8、;p>　　2.3　基于發(fā)射機(jī)檢測10</p><p>　　2.3.1　匹配濾波器檢測10</p><p>　　2.3.2　能量檢測11</p><p>　　2.3.3　周期平穩(wěn)特征檢測12</p><p>　　2.3.4　頻譜感知算法優(yōu)缺點(diǎn)比較13</p><p>　　2.4　協(xié)同檢測13</p

9、><p>　　2.5　本章小結(jié)14</p><p>　　第3章　單用戶頻譜感知的性能分析15</p><p>　　3.1 理想信道下能量檢測法的算法分析15</p><p>　　3.2 不同信道下的能量檢測性能分析18</p><p>　　3.2.1　AWGN信道18</p><p>

10、　　3.2.2　Rayleigh衰落信道20</p><p>　　3.2.3 Rician衰落信道22</p><p>　　3.3 瑞利信道和高斯信道實(shí)際仿真驗(yàn)證24</p><p>　　3.4 能量檢測各參數(shù)之間關(guān)系的研究26</p><p>　　3.5 單用戶頻譜感知的不足28</p><p>　

11、　3.7 本章小結(jié)29</p><p>　　第4章 數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知的性能分析30</p><p>　　4.1 硬判決基本原理30</p><p>　　4.2 ‘AND’準(zhǔn)則31</p><p>　　4.3 ‘OR’準(zhǔn)則34</p><p>　　4.4 ‘K-N’準(zhǔn)則36</p>

12、<p>　　4.5 實(shí)際無線通信環(huán)境下的聯(lián)合頻譜感知39</p><p>　　4.6 本章小結(jié)40</p><p>　　第5章 總結(jié)與展望41</p><p>　　5.1 論文工作總結(jié)41</p><p>　　5.2 下一步研究方向41</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)4

13、3</b></p><p><b>　　致 謝45</b></p><p>　　附錄1 主要源程序46</p><p>　　附錄2 外文翻譯54</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　隨著信息時(shí)代的到來，無線頻譜已成為現(xiàn)代社

14、會不可或缺的寶貴資源。為了盡量提高現(xiàn)有已分配頻譜的利用率，認(rèn)知無線電的概念應(yīng)運(yùn)而生。認(rèn)知無線電能從根本上解決因頻譜的固定分配政策導(dǎo)致的對頻譜資源利用不合理的問題，為解決如何在有限頻譜資源條件下提高頻譜使用率這一無線通信難題開辟了一條新的途徑。其中，頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電最基本、最關(guān)鍵的技術(shù)之一。本文以單用戶能量檢測方法為基礎(chǔ)，分析各性能參數(shù)之間的關(guān)系。由于無線通信的特殊環(huán)境，信號傳播過程中存在多徑、陰影效應(yīng)等干擾因素，因此單個(gè)認(rèn)知用戶

15、可能會出現(xiàn)較低的檢測概率，從而加劇了對于授權(quán)用戶的干擾。這時(shí)，提出分析了基于數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知方法，分析研究數(shù)據(jù)融合的協(xié)作檢測對用戶檢測性能的影響。本文首先分析了認(rèn)知無線電技術(shù)的概念、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和常用的頻譜感知技術(shù)。然后重點(diǎn)分析研究了頻譜感知過程中單用戶能量檢測的性能。最后針對于單用戶能量檢測受到信道衰落、陰影效應(yīng)和噪聲不確定性等因素的影響產(chǎn)生性能下降，引入了基于數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知方法，并分析其性能。具體安排如下：<

16、/p><p>　　第一章介紹課題研究的背景知識，研究內(nèi)容的必要性、重要性以及本論文研究的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。</p><p>　　第二章研究認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)，對認(rèn)知無線電中比較常用的頻譜感知技術(shù)進(jìn)行研究，并分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p>　　第三章研究單用戶下的能量檢測的本地頻譜檢測性能分析。</p><p>　　第四章研究多用戶

17、下的數(shù)據(jù)融合的頻譜感知技術(shù)的性能分析。</p><p>　　第五章對全文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對未來的工作進(jìn)行了展望。</p><p><b>　　第1章　緒 論</b></p><p>　　1.1　研究的背景和意義</p><p>　　隨著信息時(shí)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

18、配授權(quán)使用，一個(gè)頻段一般只能供一個(gè)無線通信系統(tǒng)獨(dú)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(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，無線電頻段已基本趨于飽和。于是在無線和移動(dòng)通信迅速發(fā)展的今天，頻譜

19、資源貧乏的問題也顯得日益嚴(yán)重。</p><p>　　許多已分配的頻帶在很多的時(shí)間段內(nèi)都是閑置的，尤其是在頻率需求非常緊張的數(shù)百M(fèi)Hz～3GHz無線頻帶中，一些頻帶大部分時(shí)間內(nèi)并沒有用戶使用，另有些偶爾才被利用，其他頻帶使用競爭則相對很激烈。圖1-1所示的是伯克利大學(xué)(Berkeley)無線研究中心的實(shí)際測量結(jié)果，結(jié)果表明，大部分的已經(jīng)分配給固定用戶的頻譜在大量的時(shí)間里都是低效使用的，而這種情況并非偶然。根據(jù)FCC

20、(美國聯(lián)邦通信委員會)調(diào)查顯示，有15％到85％的已分配頻譜資源只是被偶爾占用或者地域性占用。</p><p>　　下圖為使用分辨率為20KHz、30°角的天線，于中午時(shí)分在加州伯克利市市區(qū)現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果[1]。</p><p>　　圖1-1 0～6 GHz的功率譜密度分布圖</p><p>　　通過觀察發(fā)現(xiàn)，3GHz及以上的頻段幾乎沒有被使用。其中，3-

21、4GHz的頻段利用率只有0.5%，4-5GHz 的頻段利用率甚至只有0.3%。而3GHz以下頻段，根據(jù)伯克利無線研究中心（Berkeley Wireless Research center，BWRC)的研究報(bào)告發(fā)現(xiàn)，頻譜資源在時(shí)域及頻域上有多達(dá)70%未被充分利用。</p><p>　　面對目前頻譜資源緊張現(xiàn)狀，首先需要重新認(rèn)識頻譜。國際上新觀點(diǎn)認(rèn)為，頻譜是一種抽象的資源，對其利用效率的高低取決于所采用的技術(shù)，

22、需要詳細(xì)探討能充分利用頻譜資源的高效頻譜利用技術(shù)[2]。令人欣慰的是，近年來新技術(shù)的迅猛發(fā)展為頻譜高效利用提供了可能。這里從不同角度和方面總結(jié)了目前提高頻譜利用率技術(shù)，如圖1-2所示。</p><p>　　圖1-2 提高頻譜利用率的技術(shù)</p><p>　　然而，由于移動(dòng)終端天線尺寸和功率的限制，可以用于無線接入的頻段十分有限。在提高頻譜效率方面，目前碼分多址(Code Division

23、Multiple Access，CDMA)空中接口技術(shù)，如高速下行分組接入(High speed Downlink Package Access，HSDPA)可以達(dá)到lbit/s/Hz的頻譜效率，將來正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)和多輸入多輸出 (Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術(shù)的應(yīng)用也只能達(dá)到3-4bit/s/H

24、z的頻譜效率。3-4倍頻譜效率的提高對于人們成百上千倍的帶寬需求增長是微不足道的。因而，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，緩解不斷增長的頻譜的需求矛盾，成為人們關(guān)注的問題。</p><p>　　1.2　什么是認(rèn)知無線電</p><p>　　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(rèn)知無線電的概念應(yīng)運(yùn)而生。認(rèn)知無線電技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)

25、就是：為了提高頻譜利用率，具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照機(jī)會接入的方式，在不影響授權(quán)頻段正常通信的基礎(chǔ)上，在已授權(quán)頻段的空閑頻段內(nèi)動(dòng)態(tài)地利用頻譜資源。這種應(yīng)用一定要建立在已授權(quán)頻段沒有被利用或只有很少的通信業(yè)務(wù)在活動(dòng)的基礎(chǔ)上。這種在空域、時(shí)域和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空洞”。認(rèn)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)“頻譜空洞"并合理利用的能力。認(rèn)知無線電能從根本上解決因頻譜的固定分配政策導(dǎo)致的對頻

26、譜資源利用不合理的問題，為解決如何在有限頻譜資源條件下提高頻譜使用率這一無線通信難題開辟了一條新的途徑。</p><p>　　當(dāng)非授權(quán)通信用戶通過“借用”的方式使用已授權(quán)的頻譜資源時(shí)，必須保證自身的通信不會影響到其它已授權(quán)用戶的通信。要做到這一點(diǎn)，非授權(quán)用戶必須按照一定的規(guī)則來使用所發(fā)現(xiàn)的“頻譜空洞”。在認(rèn)知無線電中，這樣的規(guī)則是以某種機(jī)器可理解的形式(如XML語言)加載到通信終端上。由于這些規(guī)則可以隨時(shí)根據(jù)頻譜

27、的利用情況、通信業(yè)務(wù)的負(fù)荷與分布等進(jìn)行不斷地調(diào)整，因此通過這些規(guī)則頻譜管理者就能以更為靈活的方式來管理寶貴的頻譜資源。</p><p>　　從以上介紹可以看出，為了提高頻譜利用率需要充分利用檢測到的“頻譜空洞"，這是認(rèn)知無線電技術(shù)的一項(xiàng)基本應(yīng)用。但是，作為一個(gè)全新概念提出的認(rèn)知無線電，其涵蓋面則更為廣泛。</p><p>　　認(rèn)知無線電最初的概念是由瑞典皇家科學(xué)院Joseph M

28、itola博士提出的，是對軟件無線電的進(jìn)一步的擴(kuò)展。認(rèn)知無線電采用無線電領(lǐng)域的基于模型的方法對控制無線電頻譜使用的規(guī)則(如射頻頻段、空中接口、協(xié)議以及空間和時(shí)間模式等)進(jìn)行推理，通過無線電知識表示語言(RKRL)表述無線電規(guī)則、設(shè)備、軟件模塊、電波傳播特性、網(wǎng)絡(luò)、用戶需求和應(yīng)用場景的知識，以增強(qiáng)個(gè)人業(yè)務(wù)的靈活性，使軟件無線電技術(shù)能更好地滿足用戶需求。</p><p>　　認(rèn)知無線電的基本定義可歸納為：認(rèn)知無線電是

29、可以感知外界通信環(huán)境的智能通信系統(tǒng)。認(rèn)知無線電系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)，不斷地感知外界的環(huán)境變化，并通過自適應(yīng)地調(diào)整其自身內(nèi)部的通信機(jī)理來達(dá)到對環(huán)境變化的適應(yīng)。這樣的自適應(yīng)調(diào)整一方面是為了改進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面是為了提高頻譜資源的利用率。由此可以總結(jié)出認(rèn)知無線電所具有的特點(diǎn)是：</p><p>　　(1)對環(huán)境的感知能力；</p><p>　　(2)對環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力；</p>&

30、lt;p>　　(3)對環(huán)境變化的自適應(yīng)性；</p><p>　　(4)通信質(zhì)量的高可靠性；</p><p>　　(5)對頻譜資源的充分利用；</p><p>　　(6)系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性；</p><p>　　1.3　國內(nèi)外認(rèn)知無線電技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著認(rèn)知無線電的發(fā)展，世界各國的頻譜管

31、制部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織、研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)聯(lián)盟紛紛展開相關(guān)研究。IEEE、ITU、軟件無線電論壇等標(biāo)準(zhǔn)化組織和行業(yè)聯(lián)盟接納了該技術(shù)并先后制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)以推動(dòng)認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　2002年12月，F(xiàn)CC指出非授權(quán)頻段設(shè)備應(yīng)該具備能夠識別未占用頻譜的能力；</p><p>　　2003年11月，F(xiàn)CC提出了新的量化和管理干擾的指標(biāo)值——干擾溫度的概念；</p>

32、<p>　　2003年12月，F(xiàn)CC正式成立了認(rèn)知無線電工作組；</p><p>　　2004年5月，F(xiàn)CC建議認(rèn)知無線電可在TV廣播頻段內(nèi)操作，并認(rèn)為最適合應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)的是UHF中分配給電視廣播業(yè)務(wù)的6MHz頻段。</p><p>　　2005年10月，正式批準(zhǔn)了關(guān)于引入認(rèn)知無線電技術(shù)，使用認(rèn)知無線電設(shè)備的法規(guī)。</p><p>　　2004年10

33、月，IEEE正式成立IEEE 802．22工作組——無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WRAN)工作組。這是世界上第一個(gè)基于認(rèn)知無線電技術(shù)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)化組織，其目的是研究基于認(rèn)知無線電的物理層、媒體訪問控制 (MAC)層和空中接口，以無干擾的方式使用已分配給電視廣播的頻段。目前物理層和媒體訪問控制(MAC)層的標(biāo)準(zhǔn)制定工作正在進(jìn)行中，已完成了對WRAN的功能需求和信道模型文檔。目前可見的研究成果是一些有關(guān)WRAN標(biāo)準(zhǔn)的提案及2007年5月初步形成的草案；

34、該系統(tǒng)工作在甚高頻／超高頻(VHF／UHF)(北美為54 MHz一862 MHz)頻段上未使用的TV信道。</p><p>　　國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也較早的投入了認(rèn)知無線電的研究，對認(rèn)知無線電的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。最有代表性且影響最大的是美國國防部高等研究計(jì)劃署的下一代通信計(jì)劃(XG，neXt Generation Program)，于2003年成立XG工作組，著眼于開發(fā)認(rèn)知無線電的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)頻譜管

35、理標(biāo)準(zhǔn)。XG網(wǎng)絡(luò)也叫動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，能夠使多個(gè)用戶通過自適應(yīng)機(jī)制共享頻譜，通過各種不同的無線架構(gòu)和動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)給移動(dòng)用戶提供高的帶寬。近兩年國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開始關(guān)注CR技術(shù)，對CR系統(tǒng)中的協(xié)作技術(shù)及跨層設(shè)計(jì)技術(shù)、空間信號檢測和分析及QoS保證機(jī)制等方面開始了研究。</p><p>　　認(rèn)知無線電技術(shù)提供給認(rèn)知用戶以機(jī)會接入共享頻譜的能力，可以使用戶做到以下幾點(diǎn)：</p><

36、p>　　(1)確定哪些頻譜可以使用，認(rèn)知用戶在某一個(gè)授權(quán)頻段上工作時(shí)實(shí)時(shí)地檢測授權(quán)用戶的出現(xiàn)，即頻譜感知。</p><p>　　(2)能夠選擇最好的可用信道，這通過頻譜分析和頻譜決策來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　(3)能和其他用戶協(xié)作接入信道，即頻譜共享。</p><p>　　(4)檢測到授權(quán)用戶時(shí)迅速的騰出信道，即頻譜移動(dòng)性。</p><

37、p>　　目前，認(rèn)知無線電技術(shù)的研究大都集中在物理層和MAC層的功能上，主要包括頻譜感知技術(shù)、頻譜管理技術(shù)和頻譜共享技術(shù)。這些方面的研究也取得了重要的進(jìn)展。對于更高層如網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的技術(shù)，雖然目前還沒有深入的研究，但是已經(jīng)引起了研究人員越來越多的關(guān)注。同時(shí)認(rèn)知無線電技術(shù)中的頻譜移動(dòng)性管理、認(rèn)知無線電的安全技術(shù)和認(rèn)知無線電的跨層設(shè)計(jì)也引起研究人員的興趣。</p><p>　　第2章　認(rèn)知無線電中的頻譜

38、感知技術(shù)</p><p>　　2.1　認(rèn)知無線電頻譜感知研究</p><p>　　根據(jù)上一章對認(rèn)知無線電基本概念的闡述可知，認(rèn)知無線電需要具備在很廣的頻率范圍內(nèi)感知周圍環(huán)境的能力。感知頻譜環(huán)境體現(xiàn)了認(rèn)知無線電最顯著的特征：能夠感知并分析特定區(qū)域的頻段，找出適合通信的頻譜空穴，利用特定的技術(shù)和處理，在不影響已有通信系統(tǒng)的正常工作前提下進(jìn)行工作。認(rèn)知無線電設(shè)備通過頻譜感知功能盡量快而準(zhǔn)確地確定

39、未被占用的頻段，以供CR用戶使用；同時(shí)還隨時(shí)監(jiān)測是否有新的授權(quán)用戶需要接入該頻段，以使CR用戶及時(shí)退出使用該頻譜資源，避免對授權(quán)用戶造成干擾。不準(zhǔn)確或者延時(shí)的頻譜感知結(jié)果會給授權(quán)用戶帶來有害干擾，頻譜感知技術(shù)作為認(rèn)知無線電系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一，是認(rèn)知無線電系統(tǒng)能否得到推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。為了探測主要用戶占據(jù)頻譜的情況，最有效的探測方式就是探測認(rèn)知無線電通信范圍內(nèi)的主要用戶信號，所以已有的一些信號檢測方法、頻譜分析方法都可以借鑒過來作為研究內(nèi)容

40、。</p><p>　　圖2-1是根據(jù)國內(nèi)外的研究情況總結(jié)的頻譜感知技術(shù)的主要分類[3]。其中單節(jié)點(diǎn)頻譜檢測又稱為本地頻譜檢測，是指單個(gè)認(rèn)知用戶獨(dú)立的執(zhí)行頻譜檢測算法的檢測，這又分為主用戶發(fā)射機(jī)檢測和主用戶接收機(jī)檢測。協(xié)作檢測是指多個(gè)認(rèn)知用戶相互合作執(zhí)行的檢測，分為集中式協(xié)作檢測和分布式協(xié)作檢測。</p><p>　　圖2-1 頻譜感知技術(shù)的主要分類</p><p>

41、;　　目前，通過檢測接收機(jī)信號和干擾溫度來實(shí)現(xiàn)頻譜感知的研究工作比較少，大部分是通過對發(fā)射機(jī)信號的檢測來判斷頻譜的占用情況，達(dá)到頻譜感知的效果。單用戶的頻譜感知只有本地感知過程，而合作頻譜感知?jiǎng)t包括本地感知和對本地感知結(jié)果的處理兩個(gè)過程。本地感知是指每個(gè)認(rèn)知無線電用戶對所觀察的頻帶內(nèi)的信號進(jìn)行采樣，然后根據(jù)所采用的不同檢測技術(shù)對觀察到的信號進(jìn)行處理的過程；本地感知結(jié)果的處理則是認(rèn)知無線系統(tǒng)采用各種算法對搜集到的各個(gè)用戶的感知結(jié)果進(jìn)行融合

42、，最終對頻帶的使用情況作出判決的過程。對頻譜感知的研究也主要集中在本地檢測算法和感知結(jié)果的處理兩個(gè)方面。</p><p>　　2.2　基于接收機(jī)檢測</p><p>　　由于認(rèn)知用戶無法檢測主用戶接收機(jī)的存在，認(rèn)知用戶機(jī)會式占用頻譜會干擾其輻射范圍內(nèi)主用戶接收機(jī)無法正常解碼，出現(xiàn)隱藏終端問題。因此，F(xiàn)CC 和美國加州大學(xué)伯克利分校的學(xué)者分別提出了以接收機(jī)為中心的干擾溫度估計(jì)和本振泄露檢測方

43、法。</p><p>　　2.2.1　基于干擾溫度的檢測</p><p>　　通常情況下，干擾是屬于主用戶發(fā)射機(jī)范圍內(nèi)的問題，這意味著可以通過控制發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率、帶外輻射、發(fā)射機(jī)的位置等在一定范圍內(nèi)控制干擾水平。然而，由于不可預(yù)料的新干擾源的出現(xiàn)，干擾實(shí)際上也可能發(fā)生在接收機(jī)范圍內(nèi)。</p><p>　　基于此，2003 年底FCC推薦了一種新的量化和管理干擾源的

44、模型[4]，即干擾溫度(Interference Temperature)模型，如圖2-2所示。該模型要求發(fā)射基站有意識地控制信號發(fā)射功率，使接收端接收信號功率接近其噪聲電平（噪聲功率統(tǒng)計(jì)平均值）。當(dāng)接收端工作頻段內(nèi)出現(xiàn)未知干擾信號時(shí)，不同的頻點(diǎn)的峰值將超出原有噪聲電平，噪聲電平相應(yīng)被提高，干擾溫度模型不使用噪聲電平作為判別門限，而使用干擾溫度即接收端所能容忍的新增干擾數(shù)量來判別。換一句話說，干擾溫度模型是對多個(gè)射頻信號能量進(jìn)行積累，獲

45、得其最大容量的對應(yīng)信號數(shù)量作為判別門限。</p><p>　　圖2-2 干擾濕度模型</p><p>　　干擾溫度的概念等同于噪聲溫度，用來度量干擾功率和所占的帶寬大小。定義為[5]</p><p><b>　　(2-1) </b></p><p>　　式中，k是波茲曼常數(shù)，k = 1.3807×10?23 J

46、 / K ， 為噪聲溫度， 是帶寬為B ，頻點(diǎn)處的干擾的平均功率。干擾溫度是干擾功率的另一種表現(xiàn)形式。</p><p>　　干擾溫度模型在接收機(jī)處設(shè)定干擾溫度限，用來表示接收機(jī)所能承受的最大干擾范圍。這種接收機(jī)端干擾溫度檢測模型實(shí)現(xiàn)的最大困難在于如何有效地測量干擾溫度。由于主接收機(jī)通常都是被動(dòng)的，認(rèn)知用戶無法知道主接收機(jī)的具體位置，所以也就不能有效估計(jì)出會對鄰近主接收機(jī)造成多大干擾。而且，有效的干擾溫度測量要求認(rèn)

47、知用戶測量其對所有可能的主接收機(jī)造成的干擾，目前還沒有實(shí)際可行的方法解決這一問題[6]。</p><p>　　2.2.2　本振泄露功率控制</p><p>　　當(dāng)主用戶的位置未知時(shí)，Wild 等人提出一種本振泄露功率檢測[7]的方法。當(dāng)主用戶接收機(jī)工作時(shí)，接收的高頻信號經(jīng)過本地振蕩器后會產(chǎn)生特定頻率的信號，一些信號不可避免的從天線泄露出去，該方法就是通過檢測主用戶接收機(jī)射頻前端發(fā)射的本振泄

48、露功率來發(fā)現(xiàn)是否有泄露信號，從而判斷主用戶是否在工作。</p><p>　　假設(shè)授權(quán)接收機(jī)分布密度為，總信道數(shù)為M認(rèn)知無線電干擾半徑為R，則認(rèn)知無線電用戶至少可以找到一個(gè)空閑信道的概率為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　式中 。</b></p><p>　

49、　該算法的檢測范圍比較小，為了保證可靠性需要的檢測時(shí)間會比較長。而且需要在授權(quán)用戶周圍安置傳感節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。</p><p>　　2.3　基于發(fā)射機(jī)檢測</p><p>　　檢測頻譜空穴最有效的方法就是檢測在認(rèn)知用戶通信范圍以內(nèi)是否有主用戶在接收數(shù)據(jù)，然而在實(shí)際中認(rèn)知無線電要直接測量主發(fā)射機(jī)和主接收機(jī)間的信道往往很困難。因此，通常的方法是檢測當(dāng)前某一頻帶內(nèi)是否有主發(fā)射信號存在。發(fā)射機(jī)

50、檢測是基于微弱信號檢測的原理。一般地，認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)檢測方法主要有三種：匹配濾波器檢測、能量檢測、周期平穩(wěn)過程特性檢測。</p><p>　　2.3.1　匹配濾波器檢測</p><p>　　匹配濾波器是信號檢測中的一種比較常用的方法[8]，因?yàn)樵谳敵龆怂軌蚴菇邮招盘柕男旁氡茸畲蠡?。在認(rèn)知無線電設(shè)備中使用匹配濾波器，實(shí)際上完成的是解調(diào)主用戶的信號，這樣認(rèn)知用戶就必須知道主用戶的物理層和M

51、AC層信息，如調(diào)制方式、時(shí)序、脈沖波形及數(shù)據(jù)包格式等，利用這些信息來實(shí)現(xiàn)與待測信號在時(shí)域和頻域上的同步，從而解調(diào)信號。如果這些信息不準(zhǔn)確就會嚴(yán)重影響其性能，而且它是一種相干檢測，對相位同步要求很高，解調(diào)時(shí)必須通過時(shí)間同步或載波同步甚至是信道均衡來保證，計(jì)算量也很大。匹配濾波器檢測方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在很短時(shí)間內(nèi)完成同步來提高信號的處理增益，缺點(diǎn)是要求認(rèn)知用戶掌握每一類主用戶的各種信息。這種方法適用于對主用戶信息比較了解的頻譜環(huán)境中，例如

52、超高頻的電視頻段等。</p><p>　　2.3.2　能量檢測</p><p>　　能量檢測法是一種比較簡單的信號檢測方法[9]，屬于信號的非相干檢測，直接對時(shí)域信號采樣值求模，然后平方即可得到；或利用FFT轉(zhuǎn)換到頻域，然后對頻域信號求模的平方也可得到。它無需知道檢測信號的任何先驗(yàn)知識，對信號類型也不作限制。</p><p>　　實(shí)際上，能量檢測是在一定頻帶范圍內(nèi)作

53、能量積累，如果積累的能量高于一定的門限，則說明信號的存在；如果低于一定的門限，則說明僅有噪聲。能量檢測的出發(fā)點(diǎn)是信號加噪聲的能量大于噪聲的能量。能量檢測方法對信號沒有作任何假設(shè)，是一種盲檢算法。</p><p>　　能量檢測方法將輸入信號首先通過一個(gè)帶通濾波器，然后進(jìn)行平方運(yùn)算，通過積分器對一時(shí)間段T 內(nèi)進(jìn)行積累，檢測框圖如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 能量檢測器框圖<

54、;/p><p>　　設(shè)加性高斯白噪聲（AWGN，Additive White Gauss Noise）信道下，認(rèn)知用戶接收信號的二元假設(shè)檢測模型表示為[9]：</p><p><b>　　(2-3) </b></p><p>　　其中n(t)為加性高斯白噪聲，s(t)表示主用戶發(fā)射的信號，x(t)表示認(rèn)知無線電接收到的信號，h是信道的增益，假設(shè)，

55、指在某個(gè)頻段不存在主用戶信號，指在某個(gè)頻段存在主用戶信號。</p><p>　　如果能量檢測應(yīng)用在非衰落環(huán)境中，及信道增益如式(2-3)中所示，那么檢測到授權(quán)用戶信號的概率和錯(cuò)誤判定警報(bào)的概率分別為[10]</p><p><b>　　(2-4) </b></p><p>　　其中，λ是信噪比，Γ（?）和Γ(? ，?)是完整和不完整Gamma函

56、數(shù)，是普通Marcum Q函數(shù)，m為時(shí)間帶寬積。從上述公式可以看出，一個(gè)低檢測概率將會導(dǎo)致有很大的概率丟失已出現(xiàn)的授權(quán)用戶信號，這就反過來增加了對授權(quán)用戶的干擾；如果過高的話，由于錯(cuò)誤警報(bào)會使用頻譜利用機(jī)會丟失，這將會導(dǎo)致頻譜利用率的低下。由于這種檢測方法易于實(shí)現(xiàn)，最近的有關(guān)授權(quán)用戶檢測方面的研究主要集中在能量檢測器上。</p><p>　　在文獻(xiàn)[11]中，能量檢測器考慮了多徑衰落的因素。在這種情況下，由于信道

57、衰落的原因，信道增益h是變化的，檢測概率便與瞬時(shí)信噪比有關(guān)了，即</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中，是在衰落情況下的信噪比的概率分布函數(shù)。</p><p>　　雖然能量檢測法簡單易行并且不需要被檢測信號任何的先驗(yàn)知識，但它固有的缺陷限制了它的使用。首先，能量檢測法門限的設(shè)置非常困難。認(rèn)知無線電接收機(jī)在感知

58、周圍無線電環(huán)境時(shí)，由于授權(quán)用戶的存在而引起認(rèn)知無線電接收機(jī)周圍噪聲和干擾的等級是不斷變化的，這就要求能量檢測的判決門限也是不斷變化的。即使這樣任何帶內(nèi)的干擾都會使判決出現(xiàn)錯(cuò)誤，容易將衰落的、比較微弱的信號排除在外，而將幅度較大的脈沖噪聲或突發(fā)干擾檢測為信號。其次，能量檢測法無法區(qū)分出有用信號、干擾及噪聲。因此，接收機(jī)無法自適應(yīng)的抵消干擾，另外在信噪比很低時(shí)，由于信號能量都淹沒在噪聲中，這時(shí)能量檢測法根本無法檢測出信號。最后，能量檢測法無

59、法檢測擴(kuò)頻信號，如直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻信號。</p><p>　　2.3.3　周期平穩(wěn)特征檢測</p><p>　　調(diào)制信號通常都經(jīng)過了載波、脈沖序列、重復(fù)性擴(kuò)展、調(diào)頻及周期前綴等耦合處理，使已調(diào)信號具有了內(nèi)在的周期性。雖然數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，但是這些調(diào)制后的信號的均值和自相關(guān)函數(shù)都具有周期性，因而稱其為周期平穩(wěn)特性[12](Cyclostationarity)。通過分析頻譜自相關(guān)函數(shù)可以檢測

60、出這些特性。周期平穩(wěn)特征檢測法最主要的優(yōu)點(diǎn)就是它能夠把噪聲能量和已調(diào)信號的能量區(qū)分開來，這是因?yàn)樵肼暿且粋€(gè)寬帶的、靜態(tài)的、沒有相關(guān)性的信號，而已調(diào)信號具有頻譜相關(guān)性和周期性。</p><p>　　通常對周期平穩(wěn)信號的分析是基于信號周期自相關(guān)函數(shù)和周期功率譜密度函數(shù)。周期功率譜密度函數(shù)不同于通常意義的功率譜密度函數(shù)。它反映的是已調(diào)信號在頻域的頻率和相位之間的關(guān)系。因此在功率譜密度函數(shù)中頻率重疊頻譜區(qū)域在周期功率譜密

61、度函數(shù)中就不再重疊。由于具有相同功率譜密度函數(shù)的不同調(diào)制方式的信號的譜相關(guān)函數(shù)不同，而噪聲和干擾不具有頻譜相關(guān)特性，因此可以用周期譜密度函數(shù)從噪聲和干擾中檢測信號。當(dāng)然，它比能量檢測器更加復(fù)雜并且需要更長的觀測時(shí)間。</p><p>　　2.3.4　頻譜感知算法優(yōu)缺點(diǎn)比較</p><p>　　表3-1 頻譜感知算法優(yōu)缺點(diǎn)比較</p><p><b>　　2

62、.4　協(xié)同檢測</b></p><p>　　對授權(quán)用戶進(jìn)行發(fā)射機(jī)檢測是由于認(rèn)知無線電和授權(quán)用戶之間沒有信令交互，無法知道授權(quán)用戶的位置，因而認(rèn)知無線電只能對授權(quán)用戶微弱的信號進(jìn)行檢測。在多數(shù)情況下，認(rèn)知無線電與授權(quán)用戶的網(wǎng)絡(luò)在物理上分隔開來的，因此，在發(fā)射機(jī)檢測中，認(rèn)知無線電不能避免由于不知道授權(quán)用戶接收機(jī)位置和信息而造成的干擾，如圖2-4(a)所示。而且，發(fā)射機(jī)檢測模式不能阻止“隱蔽終端”這個(gè)問題。

63、認(rèn)知無線電的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間可能是視距(Line-Of-Sight，LOS)的，但是由于遮蔽等原因，它或許不能檢測到授權(quán)用戶的發(fā)射機(jī)，如圖2-4(b)所示。因此，在這種情況下，認(rèn)知無線電需要從其他的用戶那里得到信息并進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，也就是需要與其他用戶進(jìn)行合作。</p><p>　　圖2-4 發(fā)射機(jī)檢測中的問題示意</p><p>　　在非合作檢測中，認(rèn)知無線電獨(dú)立地檢測授權(quán)用戶的發(fā)射信號

64、。而這里提出的協(xié)同檢測中，多個(gè)認(rèn)知無線電用戶檢測到的信息相互合并，用來檢測授權(quán)用戶。協(xié)同檢測的結(jié)構(gòu)可以是集中式的，也可以是分布式的。在集中模式中，認(rèn)知無線電的基站 (BS，Base Station)負(fù)責(zé)收集各個(gè)認(rèn)知無線電用戶感知到的信息，并檢測頻譜空洞。相應(yīng)的，分布模式則要求認(rèn)知無線電用戶交互各自的感知信息。</p><p>　　由于無使用許可的認(rèn)知無線電用戶之間的協(xié)同檢測可以大大減少單個(gè)用戶檢測具有的不確定性，

65、因此理論上協(xié)同檢測更加準(zhǔn)確。通常，多徑衰落和遮蔽效應(yīng)是造成檢測授權(quán)用戶性能下降的主要原因，協(xié)同檢測能夠很大程度上消減多徑衰落和遮蔽效應(yīng)，從而提高即使是在嚴(yán)重的遮蔽環(huán)境下的檢測成功的概率。</p><p>　　協(xié)同檢測方式能夠產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的感知性能。然而在資源受限制的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)同檢測方式會對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)樵谶@種方式下，節(jié)點(diǎn)匯集了大量的信息，這些信息需要傳遞給基站或者節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行相互交換。而且，協(xié)同檢測方式也不

66、能解決由于不知道授權(quán)用戶接收機(jī)位置信息而造成的不確定性。另外，在協(xié)同檢測中，由于不同節(jié)點(diǎn)的靈敏度和檢測時(shí)間不同，在結(jié)合這些節(jié)點(diǎn)所檢測的信息的時(shí)候要采取加權(quán)結(jié)合的方式。</p><p>　　表3-2 單用戶頻譜感知與協(xié)同頻譜感知的優(yōu)缺點(diǎn)比較</p><p><b>　　2.5　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先根據(jù)認(rèn)知無線電系統(tǒng)中對頻

67、譜感知技術(shù)的要求，就三種不同的頻譜感知和信號檢測技術(shù)：基于干擾溫度的檢測、基于發(fā)射機(jī)信號的檢測和多節(jié)點(diǎn)合作檢測三個(gè)方面進(jìn)行了原理性的介紹和說明；其中能量檢測和多節(jié)點(diǎn)合作檢測是本文研究的主要內(nèi)容。分別進(jìn)一步討論了它們各自的基本原理，為進(jìn)一步研究打下理論基礎(chǔ)。</p><p>　　第3章　單用戶頻譜感知的性能分析</p><p>　　上一章中，我們提到能量檢測法是一種常用的發(fā)射機(jī)檢測法，并對這

68、種方法的基本原理進(jìn)行了介紹。能量檢測法是一種較易實(shí)現(xiàn)的信號檢測方法，屬于信號的非相干檢測，它無需知道被檢測信號的任何先驗(yàn)知識。在這一章中，我們將對能量檢測法的性能進(jìn)行詳細(xì)研究。</p><p>　　3.1　理想信道下能量檢測法的算法分析</p><p>　　能量檢測是在高斯噪聲背景下應(yīng)用最廣泛的檢測方法，它適用于任何形式的信號類型，而且只需要很少的主用戶信號先驗(yàn)知識。能量檢測器的設(shè)計(jì)本質(zhì)是

69、一個(gè)假設(shè)檢驗(yàn)問題，其檢測性能利用檢測概率Pd和虛警概率Pf進(jìn)行衡量。在基于能量檢測的頻譜感知方法的研究可以看作是以下的二元檢測問題：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　其中，信號是均值為0，方差為的高斯過程，假定噪聲是均值為0，方差為高斯過程，它與信號是相互獨(dú)立的。為信道增益，假設(shè)為理想為1，N為采樣點(diǎn)數(shù)。頻譜感知的任務(wù)就是要區(qū)分以上

70、兩種不同的假設(shè)，從而判定在該時(shí)刻、該頻段范圍是否存在授權(quán)用戶在通信。</p><p>　　如果似然比超過門限或者： ，能量檢測器判決成立。</p><p>　　根據(jù)文中的模型假定，在條件下，；在條件下，，于是有：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　對去自然對數(shù)：<

71、/b></p><p><b>　　（3-4）</b></p><p><b>　　因此，若</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中，則判決 成立。把T(x) 稱為能量檢測的判決變量，是N個(gè)高斯隨機(jī)變量的平方和。</p>

72、;<p>　　下面確定檢測性能。首先可知：，在下，，在下。式中表示自由度是N的分布(即是N個(gè)相互獨(dú)立且具有相同分布（IID）的標(biāo)準(zhǔn)高斯隨機(jī)變量平方和)。的右拖尾概率分布為。</p><p>　　因此，根據(jù)（3-5）得</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　（3-7）</b>

73、;</p><p>　　門限可由（3-6）求出。令式（3-6）中的自變量，則式（3-7）為</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　隨著（即SNR ）的增加，函數(shù)的自變量減少，增大。因?yàn)殡S機(jī)變量可以看作為N 個(gè)N(0，1)獨(dú)立隨機(jī)變量平方之和。所以，根據(jù)中心極限定理[13]，對于大的N，可以用高斯隨機(jī)變量來近似。由式

74、（3-6 ，3-8)得：</p><p><b>　　(3-9) </b></p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　由（3-9 ， 3-10）可得，在在理想高斯白噪聲的條件下對能量檢測器中檢測信噪比、虛警概率、檢測概率及信噪比和取樣數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行仿真。</p><p>

75、;　　圖3-1 能量檢測器性能（N=100）</p><p>　　圖3-2　取樣的復(fù)雜度（信噪比與采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系）</p><p>　　由圖（3-1）所示的5條曲線和圖（3-2）可知:</p><p>　　(1) 在恒虛警概率（CFAR）情況下，隨著信噪比的增加，檢測概率Pd也隨著增加。當(dāng)SNR=0時(shí)，能量檢測性能比較令人滿意，正確檢測概率十分接近100%——對于認(rèn)

76、知無線電來說，這樣的檢測是十分可靠的。但是當(dāng)信噪比低于-8dB時(shí)，檢測概率Pd接近于零，所以在低信噪比的情況下，能量檢測有它固有的缺陷。</p><p>　　(2) 在一定信噪比情況下，隨著虛警概率Pf的增大，檢測概率Pd也相應(yīng)提高，誤警概率也增大。所以在CR實(shí)際應(yīng)用中，通常要求CR系統(tǒng)檢測性能達(dá)到虛警概率Pf小于0.1，同時(shí)漏檢概率小于0.01（檢測概率高于0.99），以滿足高頻譜利用率的同時(shí)避免對授權(quán)用戶的有

77、害干擾。</p><p>　　(3) 隨著信噪比SNR的增加，要達(dá)到檢測目的，所需的采樣點(diǎn)數(shù)N也相應(yīng)減少，即檢測速度提高了，從而實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確到‘頻譜空穴’的目的。</p><p>　　3.2 不同信道下的能量檢測性能分析</p><p>　　3.2.1　 AWGN信道</p><p>　　根據(jù)第二章理論知識可知，在AWGN信道下，檢測概率P

78、d和漏檢概率Pf可表示為：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　其中，λ是信噪比，Γ（?）和Γ(? ，?)是完整和不完整Gamma函數(shù)，是普通Marcum Q函數(shù)，其定義，且是m一1階第一類修正貝塞爾函數(shù)，m為時(shí)間帶寬積。</p><p>　　圖3-3為能量檢測器在AWGN信道下的接收機(jī)工作特性曲線(ROC c

79、urves)，取信噪比SNR= -5dB、0dB、3dB、8dB。</p><p>　　圖3-3　AWGN信道能量檢測器的ROC曲線</p><p>　　由上圖可知，能量檢測器的檢測性能隨SNR的增加而改善，這是因?yàn)樵谙嗤肼晽l件下，信號能量隨SNR增加而增大，從而改善了檢測性能。能量檢測在高信噪比條件下的檢測性能明顯優(yōu)于低信噪比條件，當(dāng)SNR= -5dB時(shí)檢測性能便達(dá)到了450線的下界，

80、這說明能量檢測適用于強(qiáng)主用戶信號的檢測，在弱主用戶信號檢測中并不能保證滿足檢測性能的要求。</p><p>　　在衰落信道中信道幅度增益h是隨衰落而變化的，這導(dǎo)致了信噪比SNR呈現(xiàn)一定的概率分布。由式(3-11)可知，在衰落信道下虛警概率Pf與SNR獨(dú)立，其值不變。由式(3-11)可求得瞬時(shí)SNR下的檢測概率，利用其概率分布求得平均檢測概率Pd為：</p><p><b>　　(

81、3-12) </b></p><p>　　其中，是在衰落情況下的信噪比的概率分布函數(shù)。利用式(3-12)可分別對能量檢測在Rayleigh和Rician衰落信道下的平均檢測概率Pd進(jìn)行求解。</p><p>　　3.2.2　Rayleigh衰落信道</p><p>　　Rayleigh衰落信道下的信號包絡(luò)服從Rayleigh分布，信噪比的PDF為<

82、/p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　其中為平均信噪比，服從信道的衰落分布。將式(3-13) 代入（3-12），并作變量代換，求得能量檢測器在Rayleigh衰落信道下的平均檢測概率為</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　圖3-3為能量檢測

83、器在Rayleigh信道下的ROC曲線，取信噪比SNR= -3dB、-1dB、0dB、1dB，m=5。</p><p>　　圖3-4　Rayleigh衰落信道下能量檢測器的ROC曲線</p><p>　　由圖（3-4）可知，在Rayleigh衰落信道下能量檢測器的檢測性能仍隨SNR的增加而改善。與圖（3-3）比較可得，在相同的SNR和虛警概率約束條件下，能量檢測器在衰落信道Rayleigh

84、下的檢測性能要比AWGN信道差，這是由于多徑衰落導(dǎo)致了信號能量的減弱。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)中，取參數(shù):時(shí)間帶寬積m=5。根據(jù)根據(jù)式（3-9）和式（3-14），得出高斯信道與瑞利信道之間的Pf與Pm關(guān)系。</p><p>　　圖3-5 高斯信道與瑞利信道之間的對比</p><p>　　圖（3-5）比較了AWGN和Rayleigh衰落信道下能量檢測的性能。在自由

85、度和信噪比相同的情況下，AWGN信道下的性能明顯優(yōu)于Rayleigh信道。當(dāng)信噪比為8dB，Pf=0.1時(shí)，AWGN信道下檢測的可靠性高，相比于Rayleigh衰落信道在高信噪比情況仍不如AWGN信道。在相同的虛警概率下，瑞利衰落導(dǎo)致能量檢測器的漏檢概率大大增加，即檢測性能大幅度降低。為使平均漏檢概率小于0. 01 ，虛警概率要大于0. 9 ，檢測概率要小于0. 1 ，這會導(dǎo)致頻譜利用率大幅下降。因此，在衰落信道下，有必要采取合作頻譜檢

86、測來提高檢測性能。</p><p>　　3.2.3 Rician衰落信道</p><p>　　Rician衰落信道下的信號包絡(luò)服從Rician分布，信噪比的PDF為</p><p><b>　　（3-15）</b></p><p>　　其中K為Rician因子，將式(3-15) 代入式（3-12），并作變量代換，利用求

87、得能量檢測器在Rician衰落信道下的平均檢測概率為[14]</p><p><b>　　(3-16) </b></p><p>　　Q( )表示1階Marcum Q函數(shù)。</p><p>　　圖（3-5）為Rician衰落信道下能量檢測器的ROC曲線。取信噪比SNR=-5dB、-1dB、0dB，K=1。</p><p>

88、;　　圖3-6 Rician衰落信道下能量檢測器的ROC曲線</p><p>　　由（3-6）圖可知，Rician信道檢測性能介于AWGN信道和Rayleigh信道之間。根據(jù)文獻(xiàn)可知當(dāng)Rician因子K>>l時(shí)， Rician信道近似為AWGN信道，在此信道條件下的ROC曲線與圖（3-2）一致；當(dāng)K<<1時(shí)，Rician信道將退化為Rayleigh信道，在此信道條件下的ROC曲線與圖（3

89、-4）一致。</p><p>　　下面我給出了單一認(rèn)知用戶在3種不同衰落信道中的接收機(jī)工作特性對比曲線。平均信噪比r和時(shí)間帶寬積u分別等于10 dB和5。萊斯因子系數(shù)m=5。圖中同時(shí)給出了加性高斯白噪聲狀態(tài)下的ROC曲線，以便于對不同的情況進(jìn)行對比。</p><p>　　圖3-7 單一認(rèn)知用戶在不同衰落信道中的ROC曲線</p><p>　　圖(3-7)的對比可以發(fā)

90、現(xiàn)，在瑞利和萊斯衰落下，認(rèn)知用戶的檢測性能因?yàn)檩^強(qiáng)的衰落而變差，在這2種信道中，頻譜檢測更困難一些。特別是萊斯衰落信道，在3種環(huán)境的對比中對接收信號造成的影響最大。</p><p>　　3.3 瑞利信道和高斯信道實(shí)際仿真驗(yàn)證</p><p>　　這一節(jié)我利用Monte Carlo仿真方法[15]，構(gòu)建仿真模型：</p><p>　　第一步生成待檢測信號，這里我們假設(shè)

91、授權(quán)信號為BPSK調(diào)制信號， 通過調(diào)節(jié)信號載波的幅度來控制信號的平均功率，從而改變信噪比SNR。</p><p>　　第二步　加入高斯白噪聲，為了仿真方便，設(shè)置高斯白噪聲的方差。</p><p>　　第三步　預(yù)先設(shè)定虛警概率Pf=0.1，通過式（3-11）可得檢測門限r(nóng)，計(jì)算N點(diǎn)取樣檢測統(tǒng)計(jì)量T。如果T>r，則判為信號存在D1 ，將檢測結(jié)果設(shè)為1;反之，則判為信號不存在D0 ，檢測結(jié)

92、果設(shè)為0</p><p>　　第四步　按照前面的步驟蒙特卡羅隨機(jī)仿真Ns次，最后統(tǒng)計(jì)檢測結(jié)果1的個(gè)數(shù)N1 ，也就是檢測到信號的次數(shù)。統(tǒng)計(jì)所得的檢測概率為</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　圖3-8 高斯信道與瑞利信道的理論與實(shí)際仿真比較（仿真次數(shù)為10000次）</p><p>　　

93、根據(jù)圖（3-8）可知實(shí)際仿真與理論仿真近似重合，說明我們研究的理論信道可以模仿現(xiàn)實(shí)中我們遇到的衰落影響。圖（3-7）中我的仿真次數(shù)達(dá)到10000次，而當(dāng)減少仿真次數(shù)至1000次時(shí)，仿真效果如下圖：</p><p>　　圖3-9 高斯信道與瑞利信道的理論與實(shí)際仿真比較（仿真次數(shù)為1000次）</p><p>　　由（3-8）與（3-9）對比可得仿真次數(shù)對信道的仿真非常重要，直接關(guān)系到檢測的準(zhǔn)

94、確性。</p><p>　　3.4 能量檢測各參數(shù)之間關(guān)系的研究</p><p>　　1.判決門限對檢測概率Pd和漏檢概率Pf的影響</p><p>　?。╝）實(shí)驗(yàn)中，取理想高斯信道為研究對象，時(shí)間帶寬積m=2，信噪比SNR=10dB。門限從0-30線性變化。根據(jù)式（3-11）仿真Pf和Pd與判決門限的關(guān)系，可得出圖（3-10(a)）。</p><

95、;p>　?。╞） 實(shí)驗(yàn)中，取理想瑞利信道為研究對象，時(shí)間帶寬積m=5，信噪比線性變化，門限依次取r=15，16，17，18，可得出圖（3-10(b)）。</p><p>　　圖3-10（a） AWGN信道下判決門限對檢測概率Pd和漏檢概率Pf的影響</p><p>　　圖3-10（b） Rayleigh信道下判決門限對檢測概率Pd和漏檢概率Pf的影響</p><p

96、>　　從圖（3-10）中我們可以看出，不管在理想信道（AWGN）還是接近于實(shí)際的信道（Rayleigh）中，在信噪比一定情況下，判決門限r(nóng)的選擇對檢測概率Pd和漏檢概率Pf均有影響。判決門限越低Pd越高，同時(shí)影響Pf相應(yīng)增大。可以分析得到，如果Pd過低，將會漏檢大量授權(quán)用戶信號．這就相當(dāng)于增加了對授權(quán)用戶的干擾。如果Pf過高，由于虛假警報(bào)會使認(rèn)識用戶丟失許多頻譜利用的機(jī)會，將會導(dǎo)致頻譜利用率變低。在實(shí)際中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的要求來合理

97、選擇判決門限值。</p><p>　　2.采樣點(diǎn)數(shù)N對檢測概率Pd的影響</p><p>　　根據(jù)式（3-9），我們可以容易做出采樣點(diǎn)數(shù)N對檢測概率Pd的關(guān)系曲線。</p><p>　　圖3-11采樣點(diǎn)數(shù)N對檢測概率Pd的影響（Pf=0.1）</p><p>　　由上圖可知，我們可以適當(dāng)?shù)脑黾硬蓸狱c(diǎn)數(shù)來提高檢測概率，即增加檢測時(shí)間來提高檢測概

98、率，但是取樣數(shù)的增大將帶來計(jì)算復(fù)雜度的增加。</p><p>　　3.5 單用戶頻譜感知的不足</p><p>　　盡管存在多種本地檢測算法，但是單用戶頻譜感知在實(shí)際應(yīng)用場景中仍然不能達(dá)到較高的檢測性能，總體而言，其主要存在三個(gè)方面的不足。</p><p>　　(1)現(xiàn)有的頻譜感知基本上都是通過檢測主用戶發(fā)射機(jī)信號來實(shí)現(xiàn)的，在這種情況下，采用單用戶進(jìn)行頻譜感知將無法

99、避免隱藏終端問題[16]。</p><p>　　(2)如果感知用戶與主用戶發(fā)射機(jī)之間存在障礙物遮擋，那么該用戶將受到陰影效應(yīng)影響，檢測不到主用戶發(fā)射機(jī)的信號。</p><p>　　(3)由于受到多徑衰落，陰影衰落等信道不理想性影響，進(jìn)行頻譜感知的認(rèn)知無線電用戶的檢測靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主用戶接收機(jī)的接收靈敏度．例如典型的數(shù)字[17]電視信號接收機(jī)只需要達(dá)到-83dBm的接收靈敏度就可以實(shí)現(xiàn)正確

100、解碼。而一個(gè)需要高于主用戶接收機(jī)30dB檢測靈敏度的認(rèn)知無線電用戶需要達(dá)到檢測-113dBm信號的水平，這已經(jīng)低于典型熱噪聲的功率水平(-106dBm)，實(shí)際中將很難實(shí)現(xiàn)正確檢測。</p><p><b>　　3.7 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹高斯白噪聲信道中基于能量檢測的頻譜檢測比較前沿的算法，然后討論幾種常見衰落信道情況下的檢測性能，最后分

101、析得出單用戶頻譜感知的不足。得出結(jié)論：在衰落信道下，有必要采取合作頻譜檢測來提高檢測性能。</p><p>　　第4章數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知的性能分析</p><p>　　上章主要針對發(fā)射機(jī)頻譜感知技術(shù)進(jìn)行了仿真分析，可以看出它們的檢測性能受到接收到的信號的強(qiáng)度限制。而由于多徑衰落和遮蔽的影響，信號的強(qiáng)度可能大大降低，在這種情況下，合作檢測性能往往更好，這是由于在這種方式下參與合作的節(jié)點(diǎn)能

102、接收到來自不同路徑的信號，增加了信號強(qiáng)度的多樣性。根據(jù)認(rèn)知用戶間共享信號的類型，聯(lián)合檢測算法可以分為軟判決信息融合和硬判決信息融合。在軟判決中，融合節(jié)點(diǎn)充分地利用了每個(gè)認(rèn)知用戶接收到的信息，其性能比硬判決好，但帶來很大通信開銷；硬判決剛好相反，只需要傳遞本地判決結(jié)果及相關(guān)的少量信息，通信開銷小，但是在本地判決后損失了較多的信息，頻譜檢測性能不如軟判決。本章重點(diǎn)介紹幾種常見的硬判決信息融合規(guī)則的基本原理，并給出頻譜檢測性能的仿真結(jié)果。&l

103、t;/p><p>　　4.1硬判決基本原理 </p><p>　　合作頻譜感知是在單用戶頻譜感知基礎(chǔ)上提出的，目的是為了解決單用戶頻譜感知中的隱藏終端，靈敏度要求過高等問題，以相對較小的通信開銷獲得較大的感知性能增益。</p><p>　　在硬判決中，認(rèn)知用戶根據(jù)接收到的觀測信息先對是否有授權(quán)用戶作出判斷，然后把判決結(jié)果傳遞給融合節(jié)點(diǎn)，融合節(jié)點(diǎn)根據(jù)每個(gè)認(rèn)知用戶傳輸?shù)男畔?/p>

104、做最后的判決。這樣節(jié)省了認(rèn)知用戶共享信息時(shí)的通信開銷，并且不再需要各個(gè)認(rèn)知用戶之間嚴(yán)格的時(shí)間和頻率同步，因此相對于復(fù)雜的軟判決信息融合算法，硬判決信息融合算法更實(shí)用、更可行。在一個(gè)由n個(gè)認(rèn)知用戶組成的網(wǎng)絡(luò)中，合作頻譜感知的基本結(jié)構(gòu)圖如圖4-1。</p><p>　　圖4-1 合作頻譜感知的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在合作檢測中，需要采用數(shù)據(jù)融合和決策技術(shù)將來自多個(gè)認(rèn)知用戶的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)

105、行綜合處理，并依據(jù)適當(dāng)?shù)呐袥Q規(guī)則，做出最終決策。</p><p>　　在集中控制模式中，分布于不同位置的多個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)(SU)獨(dú)立運(yùn)行對授權(quán)用戶(PU)信號的本地檢測算法并作出信號存在與否的判決，判決結(jié)果取值范圍為(0，1)(0表示沒有信號存在，l表示有信號存在)，中心接入點(diǎn)AP根據(jù)收到的來自各個(gè)節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果，并依據(jù)適當(dāng)?shù)呐袥Q規(guī)則做出最終決策。主要有‘AND’準(zhǔn)則、‘OR’準(zhǔn)則和‘K-N’準(zhǔn)則。</p>

106、;<p>　　4.2 ‘AND’準(zhǔn)則</p><p>　　‘AND’準(zhǔn)則是AP將每個(gè)認(rèn)知用戶的判決結(jié)果D1，用邏輯“與”的方式進(jìn)行合并。從物理意義上可以理解為：當(dāng)所有認(rèn)知用戶認(rèn)為有信號存在時(shí)才最終判決有信號存在，否則判決沒有信號存在。假設(shè)有N個(gè)認(rèn)知用戶，第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的虛警概率和檢測概率分別為和，經(jīng)過‘AND’融合檢測后，系統(tǒng)的虛警概率和檢測概率分別為：</p><p><

107、b>　　（4-1）</b></p><p>　　為了仿真的理想性，我們簡化為每個(gè)次級用戶檢測概率都相等則系統(tǒng)的虛警概率和檢測概率分別為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　根據(jù)式(4-2)和第三章式(3-11)、(3-14)、(3-15)，參數(shù)：時(shí)間帶寬積m=5，協(xié)作用戶數(shù)N=4，平均信噪比SN

108、R=10dB，得出AND準(zhǔn)則下的多用戶在各信道的檢測概率。</p><p>　　圖4-2 AND準(zhǔn)則（N=4）</p><p>　　由圖（4-2）與圖（3-11）比較，我們可以看出：經(jīng)過AND準(zhǔn)則后，各信道的差異性擴(kuò)大，特別是理想高斯信道變得更符合實(shí)際檢測標(biāo)準(zhǔn)——檢測概率大于0. 99 ，虛警概率要小于0.1。</p><p>　　根據(jù)式（4-2）可知AND準(zhǔn)則是當(dāng)

109、且僅當(dāng)所有CR用戶都報(bào)告授權(quán)用戶出現(xiàn)時(shí)才最終判決用戶出現(xiàn)，因此，AND規(guī)則更多是追求頻譜資源利用率的最大化，即系統(tǒng)虛警概率的最小化；但同時(shí)也會大大降低系統(tǒng)的檢測概率。</p><p>　　根據(jù)式(4-2)和第三章式(3-11)、(3-14)，參數(shù)：時(shí)間帶寬積m=5，AWGN信道平均信噪比SNR=3dB，Rayleigh信道平均信噪比SNR=10dB。得出在AND準(zhǔn)則在用戶個(gè)數(shù)對的AWGN信道和Rayleigh信道