无线电宽带频谱感知软合并融合算法浅析

第一章绪论

1.1认知无线电的概念及其研究意义
随着21世纪全球信息化进程的加快，新兴的无线通信技术及业务飞速增长，例如电视、导航、遥测遥控、雷达等用频业务已经逐渐遍及国防、工业及公共安全等各个社会领域。这些高速增长的无线电业务导致频谱资源变得日益紧缺，频谱供需矛盾曰益尖锐。然而，众所周知，频谱资源与水、土地、能源、矿藏等资源一样，是人类共享的有限的战略性资源。
虽然国际电信联盟(ITU)定义了3000GHz以下的电磁频谱均被称为无线电频谱，但由于通信技术和无线电设备方面的限制，目前使用较高的频段只是在几十GHz范围以内[1]。目前世界各国大都采用静态频谱分配体制，将无线频谱资源划分为授权频段和非授权频段两个部分，其中授权频段占了频谱资源的绝大部分，但其中不少频段利用率非常低；而占频谱资源很少一部分的非授权频段的通信业务量却非常拥挤，频谱资源紧缺己经成为制约无线通信技术发展的重要瓶颈[2]。图1-1显示了6GHz无线频谱的利用率情况，从图中可以看出只有少部分无线频段使用较频繁，其它大部分无线频段则处于部分或很少被使用的情况。由此可见，导致频谱资源紧缺的根本原因在于固定的频谱分配方案导致授权用户长期独占频谱使用权而非频谱资源本身的不足。
为了缓解频谱资源紧缺与频谱需求日益增长之间的矛盾，目前已有一些技术方案用于提高频谱利用率，如智能天线技术、分集和复用技术等，但由于移动终端的功率限制及用户之间的相互干扰等问题，这些技术方案并不能从根本上解决问题。认知无线电技术(Cognitiveradio,CR)在这种情况下应运而生，它提供了一种按"伺机"方式共享和利用频谱的手段，通过频谱二次接入可以有效地解决上述问题[4]。
认知无线电的概念最早是由瑞典皇家科学院的Joseph Mitola博士于1999年提出来的，Mitola博士在软件无线电(Software Defined Radio,SDR)的基础上这样来描述认知无线电：无线个人数字助理和相关网络在无线电资源和计算机通信方面具有足够的计算智能，通过探测和分析用户通信需求，提供最适合这些需求的无线电资源和业务[5]。简单来讲，Mitola博士认为CR是一种采用基于模式的推理方式达到特定无线要求的无线电[6]，是扩展的智能化软件无线电。随后在认知无线电的演进过程中，不同的研究机构和学者从不同的应用角度给出了 CR的定义，其中现阶段普遍公认的有FCC和Simon Haykin教授的定义。FCC从工业实现的角度描述CR是能够基于对其工作环境的交互自主改变发射机参数的无线电通讯设备[7]。而Simon Haykin教授从无线通信的角度给出了更为全面的定义，即"CR是一个能够感知外界环境的智能无线通信系统，它能使用人工智能技术从环境中学习以获取有用信息，并通过实时改变某些操作参数来适应获得的无线信号的统计性变化，从而达到任何时间、任何地点的高度可靠通信和有效提高频谱资源利用率的目的[8]。"综上所述，认知无线电必须具备两大主要特征：认知能力(Cognitive Capability)和重新配置能力(Reconfigurability)。
重新配置能力：表现为CR能够在不改变任何硬件部分的情况下重新配置系统工作参数，经过参数重新配置的认知无线电系统能够很好地适应外界的动态变化。认知无线电这两大特征的最终目的包括以下两点：一是检测出可用于CR通信的最优频谱空洞，二是在不对授权用户造成干扰的前提下，CR必须实时地捕捉电磁频谱环境的变化，一旦授权用户重新占用该频段，CR系统能自动进行调整以保持无缝通信传输。
综上，认知无线电技术作为无线通信领域的"下一个大事件"，能够从根本上解决固定频谱分配方案导致的频谱紧缺问题，而频谱感知技术是实现认知无线电系统的关键技术，它的主要任务是在大范围的动态频带内确定可以用于机会式使用的频谱空洞，这就要求频谱感知具有高可靠性和宽频带检测能力；而认知用户在接入频谱空洞进行通信的过程中，还需要持续地进行频谱监视，一旦主用户再次出现，感知用户要在第一时间内检测到它的出现并及时规避退让以避免对主用户造成干扰，因此频谱感知的速度和灵敏度至关重要。再加上无线通信环境的复杂多变以及主用户信号的类型各异，信号在传输过程中很容易受到阴影衰落的影响，这就使得如何多样化、灵活化并有效的实现频谱感知技术变得非常有意义，而如何设计高可靠性、低复杂性、高实时性的频谱感知算法，也已经成为当前认知无线电研究的热点之一。

    1.2 国内外研究现状分析 .................13-17
        1.2.1 认知无线电的研究现状 .................13-14
        1.2.2 认知无线电中频谱感知技术的研究现状 .................14-17
    1.3 本文的主要研究内容 .................17-18
    1.4 本文的结构安排 .................18-20
第二章 认知无线电中的频谱感知技术 .................20-45
    2.1 认知无线电频谱感知技术概述 .................20-21
    2.2 频谱感知技术的系统模型 .................21
    2.3 单用户频谱感知技术 .................21-29
        2.3.1 主用户发射机感知 .................22-28
        2.3.2 主用户接收机感知 .................28-29
    2.4 基于多相滤波器组的单用户宽带能量感知 .................29-36
    2.5 单用户频谱感知的局限性 .................36-37
    2.6 多用户合作频谱感知技术 .................37-44
    2.7 本章小结 .................44-45
第三章 基于指数加权软合并的合作频谱感知算法 .................45-61
    3.1 引言 .................45
    3.2 指数加权软合并合作频谱感知算法 .................45-55
    3.3 基于簇的指数加权合作频谱感知算法 .................55-59
        3.3.1 基于簇的合作频谱感知系统结构 .................55-56
        3.3.2 基于簇的指数加权合作频谱感知算法分析 ..............56-58
        3.3.3 仿真结果及分析 .................58-59
    3.4 本章小结 .................59-61
第四章 基于双门限的新型合作频谱感知算法 .................61-73
    4.1 引言 .................61
    4.2 本地感知模型 .................61-62
    4.3 新型的双门限合作频谱感知算法 .................62-68
        4.3.1 两比特硬合并算法分析 .................62-63
        4.3.2 新型的双门限合作频谱感知原理及流程 .................63-66
        4.3.3 新型的双门限合作频谱感知算法分析 .................66-68
    4.4 仿真结果及分析 .................68-72
    4.5 本章小结 .................72-73

结论

近年来，飞速发展的无线通信技术导致新兴的无线通信业务与有限的频谱资源之间的矛盾日益突出，频谱资源的匮乏已经成为制约无线通信服务应用持续发展的瓶颈。认知无线电技术在这种背景下应运而生，它能够连续、自动、可靠的对周围无线频谱进行感知并利用感知到的频谱空穴进行无线通信，但前提是不能对授权用户系统造成有害干扰，因此频谱感知技术是实现认知无线电系统的前提和基础。本文在详细分析认知无线电的概念、背景意义、国内外研究现状以及频谱感知技术的国内外研究现状、概念和系统模型的基础上，主要针对单用户宽带频谱感知和合作频谱感知中的融合算法进行了深入的研究，总结如下：
(1)在单用户频谱感知方面，首先详细介绍了几种经典的单用户频谱感知算法，主要对能量感知算法进行了深入分析并对其感知性能进行仿真，以作为本文后续的研究基础；然后从提高单用户能量感知性能以及实现宽带频谱感知出发，对基于多相滤波器组的单用户宽带能量感知算法进行了深入研究，通过仿真验证了其实现宽带频谱感知的能力及有效性。针对单用户频谱感知的局限性，引入多用户合作频谱感知技术，详细阐述了其系统模型以及几种经典的软合并和硬合并融合算法，并对它们的感知性能进行了深入的仿真分析比较。
(2)在合作频谱感知软合并融合算法方面，从提高感知准确度出发提出了一种基于指数加权软合并的合作频谱感知算法。