优化认知无线电频谱感知时间的方法论文

第一章绪论

1.1认知无线电技术的提出及研究背景
无线电频谱是珍贵的而又有限的资源，随着时代不断发展，频谱的使用已经供不应求，频谱决策者和通信专家们都为现缺的频谱资源寻求解决方案。而对于这一问题的关注始源于当下0~3GHZ频段的竞争使用。出示的频率划分图表表明，相对于所有频段来说，对于一些频段过度重复配置，同时部分频段基本闲置使用率很低，这些均促使频资源的浪费越来越趋于严重。加州大学Berkeley无线研究所通过对该市的实际测量也得出频谱使用率低这一事实，尤其在3~6GHZ频段，使用率约占整个利用频段的4.978%。
联邦通信委员会频谱条例小组发布的关于频谱使用存在大量空闲以及使用频带不均衡也证实了这一观点。为了解决频谱紧缺和其低利用率，具备快速近应变化需求的认知无线电技术被广大学术专家所关注。为了提高对空闲频谱的使用率，美国联邦通信委员会（Federal Communication Commission,FCC)颁布了一项建议方案（NPRM-FCC 03-322[2])提高认知无线电(CR)技术作为一个候选执行协商或者频谱共享。2009年，FCC又颁布了名为'Notice ofProposed Rulemakeing regarding CR'的条例指出，因为新兴的无线电技术能够在保证不对授权用户产生干扰的情况下分享频谱，从而要求对无线通信的结构框架进行重新思考。
当下无线系统的特点无外乎三个，其一是大量静态频谱的空闲得不到有效的利用，其二，固定的无线功能，其三是有限的网络协调问题。有些系统在未许可频带中获得了很高的频谱利用率，但是却面临着因为有限的网络性能和扩展性带来的円趋频繁的干扰。认知无线电系统利用动态频谱管理技术防止干扰出现，在"虚拟许可频带"中通过创建时间和相关配置主动适应当地频谱状况。例如，与授权用户共享频带。认知无线电的独特之处就在于，需要无线电能够大范围的感知频谱并且能主动适应它，因为无线电并没有得到主用户给予的任何权利去使用预先制定的频率。这一新的无线电功能为了满足无线电感知的需求和频率快变将涉及到各种模拟、数字和网络处理技术。同时，对于涉及跨层问题频谱感知也给出了最好的解释。另外，认知无线电灵敏度可以通过三个方面得到改善。其一，加强无线电射频前端灵敏度，其二，利用授权信号数字信号处理增益，其三网络协作，用户共享频谱感知测量结果。

1.2认知无线电的关键技术及其研究现状
1.2.1认知无线电的概念提出
在Mitola和Maguire著作中提到无线电是由RF射频带、天线、协议和空间组成的，并且因为吋问模式降低了频谱利用率。无线电领域的软无线电部分得益于认知无线电而扩展到新的领域。Haykin认为认知无线电是智能的无线通信系统，它能感知周围的环境，且有目的的改变一些参数（如传输功率、载波频率和调制策略），使内部状态能够接收到无线射频的统计变化。在现实运用中，认知无线电有两个基本要素最为重要，其一支持随时随地高可靠性的通信；其二便是对于有线的频谱有效的利用。
更具体的说，认知无线电技术主耍包含四项功能。
(1)频谱感知
其主要功能是探测可用频使正在授权频段工作的认知用户能时刻把握授权用户，从而保证不影响授权用户。认知无线屯(CR)设备对于频谱频段是否空闲、能使用，且判断授权用户的苒次出现，皆通过频谱感知技术获取有用信息。为了避免对于授权用户造成干扰一旦授权用广出现，迅速感知且釆取规避相应频段），认知用户则必须具备可靠性较高的频谱感知能力，即能够实时连续监测频谱。同时，CR设备还需大范围多角度的频谱探测。-般说来，单节点和基于千扰分别是传统频?感知技术的两大类检测。单节点感知主要包括匹配滤波检测、能量检测和循环平稳特征检测等算法。同时，为了防止超过联邦通信委员会所规定的干扰温度，基于干扰的探测需要时刻监督对授权用户的干扰能力。然而，单节点感知效果并不尽如人意。于是，针对单节点的缺陷，协作频谱检测孕育而生，利用多节点感知结果，将其融合综合比较，最终做出合理判决。
(2)频谱管理
其主要功能是选择最佳信道。在频谱感知的基础上，进行频谱分析和频谱判决便是频谱管理技术的主要内容。认知无线电技术为了满足用户各种需求，需要在所有可用频段中选取最合适的分配给用户。而通过频谱感知到的频谱空洞可能散布在很宽的频率范围内，它们甚至具备不同的时空维度，存在各不相同的动态特性，这样认知无线电技术就必须具备频谱管理的功能。通过频谱分析得到频谱空洞的频谱特性，选择最符合用户要求的判决。频谱判决的作用是根据如带宽、传输速率、误码率、延迟等信道特性，为传输选择合适的运行频段。

    1.3 本文研究目标和结构安排 ................19-20
第二章认知无线电技术中频谱感知的研究 ................20-27
    2.1 频谱感知技术的概况 ................20-21
    2.2 频谱感知信号处理的相关技术 ................21-24
        2.2.1 匹配滤波器技术 ................21-22
        2.2.2 能量检测 ................22-23
        2.2.3 循环平稳特性检测 ................23-24
    2.3 协作感知 ................24-27
        2.3.1 协作感知技术的基本理论知识 ................24-25
        2.3.2 常用协作频谱检测技术算法中的融合准则 ..............25-27
第三章基于信道状况的频谱感知探测 ................27-33
    3.1 模型描述 ................27-28
    3.2 算法模型 ................28
    3.3 通过协作感知优化信道搜索时间 ................28-31
        3.3.1 适应性信道搜索 ................29
        3.3.2 感知时间的优化 ................29-31
    3.4 仿真结果 ................31-33
第四章基于传统分束协作频谱感知的优化 ................33-39
    4.1 系统模型 ................33-34
    4.2 模型分析 ................34-36
        4.2.1 建立束组 ................36
        4.2.2 频谱感知 ................36
    4.3 仿真结果 ................36-39

总结

有限的频谱资源以及对固有分配频谱的不完全利用是无线通信业务所面临的两个重要难题，而认知无线电技术的出现从很大程度上缓解了这个两问题，为无线通信业务开辟了新的天地，促进它更好的发展。
本文在介绍有关于认知无线电的基础知识、关键技术的同时，着重研究了两种优化认知无线电协作频谱感知时间的方法。首先在传统的感知过程中，本文认为信道间会出现这样那样不同的状况，有的信道通常会比较忙，而有的则比较闲，通过信道的忙闲统计数据得到对此信道感知时间的权重，针对每条信道的不同状况提出相应的感知方案，这也就是自适应。对于常处于空闲状况的信道给予更多的感知吋间更加确保较低的误警概率；对于常处于忙碌状态的信道，反而减少感知时间，以免做无用功。同时为了保证探测质量设立限制参数保证高质量的信道搜索。通过建立这样的模型，来总体优化感知时间。仿真结采表明自适应信道状况的频谱探测吋间减少。同时随着限制参数的增加，平均搜索时也随之增加。
其次，基于传统的分束协作感知技术中，本文认为不同的认知用户所传送的感知数据的可靠性又是各不相同，所以融合中心处理所有感知数据比较耗时，效率&低，并且增加了认知用户处理数据的负担。文章中通过降低需要处理的数据量，从而提高感知吋问。首先将认知用户发送给束头和发送给融合中心的误比特率进行比较从而筛选朿内认知用户。再通过Wald方程计算得出需要向融合中心发送报告信总的样品平均数量。仿真结果证明，感知时间节省率果然得到了大幅度提高。同时，与传统分束协作感知技术相比，样本数量也得到了减少。