认知无线电中跳频信号检测方案设计

第一章绪论

1.1研究背景及课题意义
信息时代的到来、通信技术的飞速发展，使人类社会对无线业务如公共安全、移动通信、电视广播等诸多方面的需求持续升高，无线电频谱作为一种宝贵的、非可再生的国家资源，在现代社会中正在受到越来越多的关注和重视。现阶段对于无线频谱资源的分配和使用主要通过各国国家政府进行统一的协调和管理，这种集中式的频谱管理策略和分配方式造成了无线频谱资源正在面临着两大函待解决的难题:第一，无线频谱资源匿乏。
现行的频谱分配方式是特定的服务都只能运行在各自特定的频段范围内，相互之间没有交叉，但是随着各种无线业务的种类不断的增加，而且无线频谱资源可用的总量终归是有限的，故而频谱资源必然会呈现愈发紧张的趋势石第二，部署困难程度逐渐增加。现阶段，所有运行无线通信系统的国家，对无线频谱的管理和协调都需要逐个系统、逐个频率的进行，但是，无线通信系统复杂程度持续提高、规模不断扩大和数量逐渐增加，必然会导致无线频谱的部署面临越来越困难的局面。通过大量研究表明:任意时刻正在被使用的频谱资源只占到全部可用频谱的3%到7%，如果能够实现对这些看似被“浪费”的频谱资源的二次利用，则可以在很大程度上缓解频谱资源紧张的现状，所以以上两大难题产生是由现有的频谱资源静态分配、集中式分配策略引起的，其实质并非真正的频谱资源短缺，而是缺乏一种在满足已有的授权用户需求的前提下，能够对频谱资源的访问进行智能化的管理的手段，合理地使用和管理日趋紧张的可用频谱资源已经成为通信技术进一步发展的关键所在。认知无线电(cognitiveRadin)技术，以高效率地使用已有无线频谱作为缓解频谱资源紧张的重要思路，通过实现频谱动态管理、提高频谱利用率等手段，为解决频谱资源不足揭开了一个崭新的篇章。所以，认知无线电的概念作为软件无线电的继承和发展，从被提出的那一刻开始就受到了的广泛关注和重视。
认知无线电技术能够实现自动检测外界电磁环境、通过合理地调整整个通信系统和网络的传输参数，从时间、空间、频率、调制方式等多个方面共享频谱资源，所以，对于认知无线电技术的理论分析和具体的工程实现已经成为当前通信行业研角均热点。跳频通信技术作为打一频通信的一个重要分支，其具有的抗卜扰性强、一实现码分多址以及频谱利用率高等较为突出的优势，最初被应用于军事通信和电子对抗领域。随着七十年代第一部跳频通信电台问世，跳频通信技术便以锐不可当的势头进入了飞速发展的阶段。进入21世纪以后，已经在军用通信领域获得非常成熟的应用的同时，跳频通信技术也越来越广泛地被应用于民用通信领域。随着技术水平的不断提高和发展，作为对抗无线干扰的最直接、最有效的手段的跳频通信必将在未来的通信系统中扮演越来越重要的角色，已经成为大多数业内人士的共识。认知无线电技术要求能够实现感知其外部的无线电环境，除了从信道建模中提取出的信息之外，还包括信道中其他信号的感知信息。在认知无线电系统中，快速、准确的对特定频段进行频谱扫描，确定主用户是否正在占用该频段并发现频谱空洞，就成为能否进行合理的频谱管理和决策的关键之一。
认知无线电技术发展迅速，已经能够实现快速的频谱扫描，对现代通信系统中普通调制方式信号进行准确的检测并获得频谱感知信息。但是现阶段常用的能量检测、循环平稳检测以及匹配滤波检测等方法，均无法实现对使用跳频技术作为通信方式的主用户的准确检测，同时，由于跳频通信载波频率的时变特性，在某一特定时间点上的信号带宽只占用整个频谱资源的一部分，有大量的频谱空洞可以作为进行高质量通信的备选，于是，准确提取跳频通信中跳速、载波频率集甚至是跳频图案等重要参数就成为能否进行合理的频谱资源共享、动态分配频谱资源的关键。因此，认知无线电中跳频信号检测和重要参数提取对认知无线电技术进一步发展显得尤为重要。

1.2认知无线电技术概述
认知无线电的诞生从1896年俄国著名科学家波波夫首次使用无线电波成功收发第一封电报开始，在此后的100多年时间里无线电通信得到了飞速的发展，并已经成为人类生活中不可或缺的通信方式之一，随着无线电通信质量和性能的不断提升、新的无线通信频段被发现。线电通信必将迈向一个史加繁荣的发展阶段。但是，无论是早期的固定方式无线通信还是后来的移动无线通信，其功能的实现都是以硬件技术为基础的，随着IP技术的兴起、通信系统信息化程度的不断提高，传统的无线电通信方式已经无法满足人们对于宽带化、多样化的需求，寻求一种更加智能化、更具灵活性的无线通信方式成为通信技术进一步发展的关键[5]。认知无线电的概念，最早由JosePhMitola博士于1999年在其发表的一篇学术论文中提出，Mitola最初将认知无线电技术描述成一种为了提高个人业务灵活性的“无线电知识表示语言”。随后不同研究学者和研究机构根据自己对于认知无线电的不同理解和认识，进而采取不同的研究方式，这些理论研究和工程实践使得认知无线电的理论体系得到了发展和完善，由于认知无线电与传统的无线电通信在无线电频谱管理制度上有本质上的区别，这也预示着无线电通信步入了新的发展阶段。

    1.3 跳频通信技术概述 .....................13-17
    1.4 论文的研究内容、创新点和组织结构 .....................17-19
第二章 认知无线电技术与跳频通信系统分析 .....................19-32
    2.1 认知无线电技术原理 .....................19-26
        2.1.1 认知无线电概念 .....................19-22
        2.1.2 认知无线电频谱感知技术 .....................22-26
    2.2 跳频通信系统原理与分析 .....................26-31
    2.3 本章小结 .....................31-32
第三章 认知无线电中跳频信号检测方案设计 .....................32-51
    3.1 跳频信号模型 .....................32-34
    3.2 基于信号相关特性的跳频信号检测算法研究 ..................34-42
        3.2.1 信号相关性检测算法的理论基础 .....................34-38
        3.2.2 跳频信号存在性检测的方案设计 .....................38-41
        3.2.3 跳频信号存在性检测算法性能分析 .................41-42
    3.3 时频分析在跳频信号检测中的应用 .....................42-50
    3.4 本章小结 .....................50-51
第四章 跳频信号检测算法性能分析与参数提取 .....................51-64
    4.1 跳频信号检测算法性能分析与优化 .....................51-56
        4.1.1 跳频信号存在性检测算法优化 .....................51-53
        4.1.2 时频分析算法性能分析及优化 .....................53-56
    4.2 跳频信号参数提取与相关性能分析 .....................56-61
    4.3 认知无线电跳频信号检测算法实现流程 .....................61-62
    4.4 本章小结 .....................62-64

总结

无线频谱资源正在呈现愈发紧张的趋势，认知无线电技术的日趋成熟为提高频谱利用率、解决频谱资源短缺提供了可靠的技术手段，但是现阶段认知无线电频谱感知技术中常用的能量检测、循环平稳检测以及匹配滤波检测等方法，均无法实现对使用跳频技术作为通信方式的主用户的准确检测，此外根据跳频通信自身的时变特点，在某一特定时间段内的信号带宽只占用整个频谱资源的一部分，有大量的频谱空洞可以作为高质量通信的备选，于是本文的研究对象一认知无线电中跳频信号检测方法，无论在理论分析还是工程实现中都具有非常高的研究价值和意义。在研究过程中，本论文结合认知无线电中的频谱感知技术以及跳频通信本身具有的特点，通过对于己有的跳频信号检测方法进行分析，提出了一种适用于认知无线电系统的、基于信号相关性分析与时频分析的联合检测算法，具体的研究内容如下:
1、通过对于本课题研究背景和意义的分析，结合认知无线电技术和跳频通信技术在国内外的研究现状，重点研究了认知无线电的概念、关键技术以及具体的功能实现，同时对跳频通信系统组成与原理、跳频通信的主要性能指标等做了较为深入的分析。
2、具体分析跳频信号的模型及其相关特性，并以己有的跳频信号检测算法(其中包括基于平均功率谱的检测、最大相关检测以及频域相关检测方法)为理论基础，提出一种基于多跳自相关的检测算法对跳频信号的存在性进行判断，同时，为了满足认知无线电系统对于检测精度的要求，在存在性检测的基础上对跳频信号进行时频分析和参数提取，与认知无线电系统中的主用户进行参数比对，得到最终的高精度的检测结果以及其他重要频谱感知信息。

参考文献

[1]王金龙.认知无线电专题讲座(一)第1讲认知无线电.军事通信技术，第28卷第2期，2007年6月:72一76.
[2]史绍谦.基于认知无线电的通信硬件平台设计与自适应控制的实现〔学位论文〕，西安，西安电子科技大学，2009.
[3]冉明华.认知无线电频谱检测技术.科学咨询，第13期，2010年5月:75.
[4]李振邦，张雅念.喜迎无线电新时代一认知无线电的到来.“军事通信与信息网络技术发展”研讨会论文集(下册)，2007年:297一300.
[5]谢瑞云.基于认知无线电的通信信号识别技术〔学位论文〕，成都，电子科技大学，2007.
[6]赵平平.认知无线电中的合作频谱感知技术研究〔学位论文〕，烟台，烟台大学，2009.
[7]李健颖.认知无线电系统分组调度算法研究〔学位论文〕，成都，电子科技大学，2007.
[8]唐浩.跳频通信系统解跳设计的研究〔学位论文〕，武汉，武汉理工大学，2007.
[9]李向阳.自适应跳频中的关键技术研究〔学位论文〕，成都，电子科技大学，2008.
[10]胡晓娇.跳频通信系统抗干扰性能研究及仿真分析〔学位论文〕，武汉，华中科技大学，2006.