无线电原理下频谱智能通信技术设计

第一章 绪论

1.1 认知无线电的发展历程
1.1.1 产生的背景
频谱管理部门使用固定的频谱资源分配政策，将特定的频段授权分配给某些特定的通信业务以供它们使用，不允许其它系统占用该频段，以免干扰这些通信业务。非授权频段与授权频段相比，其频谱资源要少很多，而随着社会的发展和技术的进步，尤其是无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）技术、无线个人域网络（Wireless Personal Area Network，WPAN）等网络技术的发展，使得这些网络所依托的非授权频谱资源的使用已经渐趋紧张。美国联邦通信委员会（FCC）在2002年11月发布了一项关于美国频谱资源的报告。该报告明确指出：“在许多频带，频谱的准入的问题比频谱本身稀缺更加重要，很大程度上是由于法规限制这些频带上的潜在用户获得准入。”无线频谱的使用状况经过很多研究机构的监测与分析，结果表明：大部分分配给不同的用户的频谱未能得到充分使用，而某些热点频段又处于超负荷的使用状态。
根据FCC所提供的数据，随着时间和地域的差异，在美国已授权分配的大量无线电频段中，利用率从15%到85%不等，波动范围很大，频谱利用率不合理。在这种背景下，认知无线电作为一种智能的改变频谱资源的使用策略的系统，允许非授权用户在不对授权用户造成干扰的前提下，接入空闲的授权频段通信，改变固定频谱资源分配政策对非授权用户的接入限制，解决日益增长的需求与固定分配方式的频谱利用率低之间的矛盾，提高有限的频谱资源的利用率。1
1.1.2 认知无线电概念
1、Mitola 提出的概念为解决频谱短缺与频谱利用率低下的矛盾，1999 年，MITRE 公司的顾问、瑞典皇家技术学院博士 Joseph Mitola 在《IEEE Personal Communications》杂志上发表的一篇学术论文中明确提出了认知无线电（Cognitive Radio）的概念。他认为，认知无线电是基于软件无线电的一种以频谱共享为目的的智能无线通信技术，它可以感知无线电传输的环境特性，与现有通信网络智能交流，通过调整其认知系统参数，使其认知操作满足用户通信的最高性能要求。该概念由软件无线电发展而来。如图1.1所示，软件无线电在数字信号处理的基础上，把无线设备中原来由硬件实现的射频处理部分改由软件实现，将数模变换和模数变换模块提前到天线接收口的位置，甚至还要用软件去控制天线参数。这样，通过改变软件来实现控制无线设备的功能，但是其功能的变化是由软件来进行控制的，无线设备自身并不能进行智能调整。在软件无线电的基础上，认知无线电通过智能操作来动态调整设备的功能，使其能够自适应的根据外界环境的变化来满足自身需求。
2、FCC 提出的概念在2003年5月的认知无线电研讨会上，美国联邦通信委员会（FCC）对认知无线电做出了一个相对狭隘的定义：一个能够与工作环境交互、改变发射机参数的无线电设备，其主体既没有软件也没有现场可编程的要求。FCC 将认知无线电与提高频谱利用率联系起来，提出利用认知无线电技术实现动态频谱共享，找到了认知无线电技术实现的可能性和具有市场推动力的方向。
3、Haykin提出的概念2005年2月，Simon Haykin结合上述两种解释，在其文章中对认知无线电进行了重新定义。他认为认知无线电可以感知和学习外界环境，实时控制其某些操作参数（比如传输功率、载波频率和调制技术等），自适应接收信号统计性的变化，实现任意的高度可靠通信以有效利用频谱资源，成为一个智能的无线通信系统。从该定义来理解，认知无线电是一个“通过感知无线环境来改变频谱使用方式的智能系统”，非授权用户借助认知无线电技术来感知频谱，来寻找可用的空闲频谱资源，通过频谱共享进行其通信，这样不需要授权用户改变通信系统的基础设施，还能通过通信过程中实时动态控制其传输参数，来避免干扰授权用户。
总之，认知无线电作为一种智能的频谱管理技术，理论上能够对动态检测到的空闲频谱进行频率、空间以及时间上的复用，增大通信容量，在有限的频谱资源条件下，促进无线技术的快速发展。

    1.2 认知无线电中的关键技术 .............10-11
    1.3 频谱感知的研究背景 .............11-12
    1.4 频谱感知的研究现状 .............12-14
    1.5 本文的研究与贡献 .............14-16
第二章 频谱感知的基本算法 .............16-30
    2.1 频谱感知在认知无线电中的地位与作用 .............16
    2.2 频谱感知的一般模型 .............16-17
    2.3 频谱感知的分类 .............17-18
    2.4 频谱感知的性能评估 .............18-19
    2.5 单用户频谱感知算法 .............19-25
    2.6 协作频谱感知 .............25-30
        2.6.1 协作感知方式 .............25-27
        2.6.2 合并准则 .............27-30
第三章 基于协方差矩阵的协作频谱感知算法 .............30-42
    3.1 引言 .............30
    3.2 检测模型 .............30-31
    3.3 最大最小特征值检测（MMED） .............31-32
    3.4 平均特征值检测（AED） .............32-35
        3.4.1 构建判决统计量 .............32-33
        3.4.2 确定判决门限 .............33-34
        3.4.3 修正判决门限 .............34-35
    3.5 仿真分析 .............35-40
    3.6 本章小结 .............40-42
第四章 基于序贯检测的协作频谱感知 .............42-54
    4.1 引言 .............42
    4.2 序贯检测原理 .............42-46
    4.3 双门限确定 .............46-47
    4.4 性能分析 .............47-51
        4.4.1 判决门限可靠性测试 .............47-48
        4.4.2 算法的稳定性测试 .............48-49
        4.4.3 检测速度测试 .............49-50
        4.4.4 应用范围测试 .............50-51
    4.5 本章小结 .............51-54

总结

目前，频谱感知技术作为实现认知无线电的基础，受到广泛的关注和研究，并且已经有许多关于频谱感知技术的研究取得了不错的成果，这使得认知无线电迅速从一个理论框架向广泛应用迈进。
虽然如此，在恶劣的无线通信环境下，还需要对频谱感知进行更加深入的研究，以更高效的频检测技术来提高对空闲频谱的感知效率。本文针对认知无线电中的频谱感知技术做了综述和相关的分析研究，主要工作如下：
1）、对基于协方差矩阵的协作频谱感知算法进行了研究学习，仿真实验了能量检测算法和基于协方差矩阵的最大最小特征值检测（MMED）算法，结果表明，MMED算法不需主用户信号和信道的先验信息、计算量小、实现简单，在噪声时变的检测环境下，检测性能优于能量检测，具有较广的应用范围。但由于该算法的判决统计量只采用了样本协方差矩阵的两个特征值，使其检测性能在噪声时变的检测环境下不够稳定。
2）、针对MMED算法检测性能对噪声变化鲁棒性不佳的缺点，提出了基于协方差矩阵平均特征值检测（AED）的算法，对该算法进行了理论分析和仿真研究实验，结果表明，该检测算法不需主用户信号的先验信息、不受噪声功率限制、计算量小、实现简单，同时不存在单用户自协方差矩阵特征值检测时对信号相关性的要求，应用范围广，与MMED算法相比，AED算法的检测性能相对要可靠、稳定的多。